基于多波束拋物面天線的高動態目標角捕獲?

黃展

基于多波束拋物面天線的高動態目標角捕獲?

黃展

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

為了解決臨近空間高動態目標的角度引導捕獲問題，提出了基于多波束拋物面天線的高動態目標角捕獲方法與基于質心求解的目標指向成像技術。對于系統檢測概率、檢測時間進行了理論分析與仿真驗證，指出理論分析結果與實際系統存在不一致性。搭建了簡化的中頻測試平臺，對不同信號形式進行了測角成功概率的測試，為遙外測綜合測控自跟蹤系統的建設提供了技術支撐。

臨近空間；測控系統；多波束拋物面天線；高動態目標；角捕獲

1 引言

為削弱等離子鞘套效應帶來的測控信號衰減影響，臨近空間飛行器測控系統采用Ka頻段完成測控任務。該頻段天線與S頻段或C頻段相同口徑的天線相比，波束寬度較窄，在低軌道高速飛行、角速度與角加速度較高的情況下，目標信號在天線主波束半功率內的駐留時間很短。因此，如何快速、準確、有效地完成目標角引導與捕獲，是實現臨近空間高速飛行器測控系統設計的關鍵。

利用共座小天線引導的傳統角捕獲方法在相互對立半功率角寬度和天線增益兩方面難以合理協調，而多波束拋物面天線技術可以通過在天線焦平面布設若干饋源，能夠以較高增益的多個波束覆蓋較大的空域范圍，實現目標在覆蓋空域內的快速檢測，完成目標的方位、俯仰角測量，進而實施對主跟蹤天線的角引導。

在基于多波束拋物面天線角捕獲方案設計方面，國外在20世紀70年代就對單脈沖雷達的多波束測角技術的相關理論展開研究，然而其研究信號形式是雷達回波脈沖［1，2］。美國國家航空航天局（NASA）在2002年對金石（Goldstone）的70 m深空站裝配了Ka頻段的焦平面陣列饋源，利用內插最小均方與自適應徑向基函數網絡算法，使得70m天線保證較高的測角精度［3］。然而，深空目標與臨近空間目標在動態特性方面存在顯著不同。經典的空間譜估計及其衍生子空間類算法測向具有高精度、多目標超分辨等優點［4，5］。然而，空間譜估計模型建立基于全向陣列（均勻或非均勻），應用于臨近空間測控，無法保證增益。天線模型的不同，使得空間譜估計的研究成果難以應用到臨近空間測控系統快速角捕獲研究。目前，在臨近空間領域，國內尚未有饋源多波束技術在Ka頻段快速角捕獲方面的理論研究成果與工程經驗可以借鑒。

本文對Ka頻段饋源多波束技術和目標指向成像技術展開研究，提出臨近空間高動態飛行器測控快速角度引導方案，并分別給出目標信號檢測概率與測角成功概率理論分析、仿真與測試實驗結果，最后給出結論。

2 角捕獲方案設計

拋物面天線饋源陣列的設計可以分為逐點掃描、一維串行掃描和二維并行掃描3種方案，從縮短角捕獲時間的角度考慮，在此以m×m二維并行掃描作為研究對象。二維并行掃描角引導處理流程如圖1所示。

各通道的中頻信號處理部分采用了平方檢波積分時間內能量檢測的方法，其處理過程如圖2所示。

當各通道完成積分時間內的采樣點數的能量積分后，利用質心求解算法可以得到目標俯仰、方位角度的指向值，完成角估計計算。其求解計算公式為

式中，X、Y分別表示求解得到相對饋源陣列中心的角度，Gi（θ）表示第i個通道的平方檢波積分值，xi、yi分別表示饋源波束主軸水平、垂直方向的相對位置值，N表示噪聲通道的平方檢波積分值。

目標指向成像技術是各波束對應通道內積分得到的能量進行像素化，并在顯控界面上顯示，以20 Hz的刷新率更新成像，可實現以下兩方面功能:信號到達時間（TOA）與目標運動軌跡的人工分析；角跟蹤主接收機丟失目標時，人工判斷手動角度引導。圖3給出了目標成像示意圖，其中（b）中心波束中的黑色素點表示質心求解后得到的引導角度。

3 目標信號檢測概率分析

如圖2所示，假定中頻輸入為均值為0、方差為σ2的平穩高斯噪聲n（t），則E點累加器輸出服從n個自由度的χ2分布，其中，n為累加器累加點數數量。由特征值與矩的關系，可求得n個自由度的χ2變量的均值為n，方差為2n。假定中頻輸入為單載波（幅度為a）加噪聲信號，則累加器輸出為n個自由度的非中心χ2分布。由特征值與矩的關系［6］，可求得n個自由度的非中心χ2變量的均值為λ+n，方差為4λ+2n，其中，非中心參量λ=na2／σ2。

理論分析的假設基礎有兩點:輸入噪聲信號是帶通型限帶白噪聲；累加前對平方率檢波器的輸出進行獨立采樣，采樣值相互獨立。然而，在實際系統中，這兩點假設基礎都難以滿足。首先，中頻帶通濾波器不具有理想的矩形特性，通過實際帶通濾波器的噪聲從概率分布角度仍具有高斯分布特性，但在頻譜特性方面變為色噪聲；其次，為了滿足檢測時間需求，進入累加器的平方數據是順序貫入累加器，并沒有在足夠大的時間間隔下進行取樣，平方數據之間不具有獨立性。因此，在實際系統的概率密度函數必然與理論分析的概率密度函數存在差異。在此，對實際系統一定檢測時間下的檢測概率分布進行了仿真分析。圖4給出了分析與仿真得到的數值概率分布。圖4（a）中，n=4 000，σ=1，a=1.414；圖4（b）中，全局采樣率為60 Msample／s，隨機變量Vn和Vs樣本數量分別為2 000，中頻載波頻率為70 MHz，中頻帶通濾波器帶寬為2 MHz，過渡帶寬0.8 MHz，阻帶衰減50 dB，通帶波紋小于±0.3 dB。

由圖4可知，仿真得到的隨機變量均值與理論分析值相當，而方差明顯大于理論分析值。因此，實際系統中，要在某一確定信噪比條件下獲得與理論分析相同的檢測概率和虛警概率，需要增加更多的積分累加時間。表1給出了目標信號為單載波和PCM-FM（10 Mbit／s）信號檢測概率達到99%所需的積分處理時間仿真結果（中頻頻率70 MHz，全局采樣率60 Msample／s，中頻帶通濾波器帶寬2 MHz）。

4 測角成功概率測試

由于實際系統積分數值的概率分布難以利用顯式公式表達，通過質心求解映射角度運算后的概率分布也很難通過公式表達，因此，測角成功概率是在簡化中頻處理平臺上通過測試手段得到的，實驗平臺結構如圖5所示，多通道數據通過分時操作獲取。

以單載波信號為例，設定入射角度為4個波束跨接點處，圖6給出了接收板處理得到的積分值（1 000次）置入Matlab后質心求解像素化后的目標角度成像圖。

表2給出了在指定信噪比與積分時間條件下，質心求解得到的估計值與設定的入射角度值之間的誤差。

通過實驗測試可以得到以下結論:

（1）單載波50 dBHz、PCM-FM（2 Mbit／s）60 dBHz、PCM-FM（10 Mbit／s）65 dBHz三種形式信號在積分時間10ms條件下，均可以滿足目標信號入射角估計值最大誤差在0.1°以內，并能滿足測角成功概率在99%以上；

（2）相同S／Φ條件下，不同信號形式目標入射角度估計性能:單載波優于PCM-FM（2 Mbit／s）和PCM-FM（10 Mbit／s）；

（3）在低信噪比條件下，若進一步增加積分時間（由10ms延長至100ms），由于存在系統通道不一致性（主要由接收機中頻濾波器與放大器的不一致性引入），角度估計性能幾乎沒有提升；

（4）九通道質心求解算法屬于有偏估計，因此，不能使得估計值滿足均值為0的統計特性。

5 結論

為了解決臨近空間高動態目標的角度引導捕獲問題，本文提出了基于多波束拋物面天線的高動態目標角捕獲方法與基于質心求解的目標指向成像技術。通過仿真分析得到不同信號形式檢測概率所需要的積分處理時間；搭建了簡化的中頻信號處理平臺，進行了測角成功概率的有效測試，為遙外測綜合測控自跟蹤系統的建設提供技術支撐。由于研究條件所限，本文僅從入射信號信噪比角度考慮測角的隨機誤差，而結合多波束天線系統誤差以及目標動態相對滯后的補償精度對于跟蹤系統引導概率的影響，還需要在未來的研究中進一步深入探討。

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Angle Acquisition of Dynastic Target Using M ulti-beam Parabolic Antenna

HUANG Zhan
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

To solve the problem of high dynamic target angle guiding and acquisition in near space，amethod based on multi-beam parabolic antenna is proposed as well as pointing image technique based on barycenter solver.According to the analysis and simulation of detection probability and time consumption，it is pointed out that the theoretical result doesn′t coincide with the practical.A simplified IF test platform is set up，on which guiding success probability is tested for different kinds ofmodulation.The research supports the construction of TT＆C tracking sub-system.

near space；TT＆C system；multi-beam parabolic antenna；high dynamic target；angle acquisition

the Ph.D.degree from Harbin Institute of Technology in 2009.He is now an engineer.His research interests include spacecraft TT＆C and broadband satellite networks.Email:robbiehwang＠yahoo.com.cn

1001-893X（2011）12-0004-05

2011-06-30；

2011-10-18

TN929

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.12.002

黃展（1981—），男，山東青島人，2009年于哈爾濱工業大學獲博士學位，現為工程師，主要研究方向為航天器測控通信技術與寬帶衛星網絡。

HUANG Zhan was born in Qingdao，Shandong Province，in 1981.He