單通道單脈沖跟蹤系統自動校相的設計與實現

鐘水和,王　建，潘堯成，陳玉龍

(中國酒泉衛星發射中心，甘肅 酒泉　732750)

單通道單脈沖跟蹤系統自動校相的設計與實現

鐘水和,王建，潘堯成，陳玉龍

(中國酒泉衛星發射中心，甘肅 酒泉732750)

摘要：針對傳統手動校相存在操作時間長、精度差的缺點，提出了連續波測速雷達的自動校相技術；研究了單通道單脈沖跟蹤原理，建立了連續波測速雷達的自動校相模型，采用程序技術實現對連續波測速雷達全自動校相；試驗結果表明：采用該技術對連續波測速雷達校相后，其交叉耦合優于1/20，收斂特性好。

關鍵詞：單通道單脈沖；連續波測速雷達；交叉耦合；自動校相

單脈沖自跟蹤是一種零值自動跟蹤體制，具有動態響應快、跟蹤精度高的特點。利用差模電磁場的天線方向圖，以軸向為零值，偏軸有極性的特點來實現自動跟蹤的[1-3]。與多通道接收機相比，單通道具有設備簡單、影響跟蹤性能的和、差通道相位一致性易調制、易保持等特點[4]，單脈沖單通道(Single Channel Monopulse，SCM)跟蹤體制廣泛應用于各種業務類型的自跟蹤系統中。

由于天線電軸漂移、環境溫度變化或天線極化跟蹤等多種因素的影響引起和差通道相對相移，使得交叉耦合指標不斷惡化[4]。因此，必須定期對單通道單脈沖跟蹤系統的和差通道相位差進行校正。傳統手動校相采用人為干預的方法，手動偏開天線，之后調整跟蹤接收機的相位和差斜率參數，使交叉耦合和誤差電壓斜率達到系統要求。

傳統手動校相存在操作時間長，精度差等缺點，文中分析了單通道單脈沖跟蹤原理，建立了連續波測速雷達的自動校相模型，采用程序技術實現了對測速雷達自動校相，進一步提高了單脈沖單通道自跟蹤系統的跟蹤精度。

1單通道單脈沖跟蹤原理

本文所述的是以饋源網絡中TE11模為和通道信號，以TE21模為差通道信號來實現SCM跟蹤的。SCM跟蹤系統框圖如圖1所示，來波信號經天線反射面進入饋源網絡，形成和信號與差信號。差信號經過調制后與和信號合成形成單通道信號。單通道信號經接收及解調出方位誤差電壓和俯仰誤差電壓，送給伺服系統，驅動天線始終對準目標。在多模自跟蹤系統中，方位誤差信號ΔUa和俯仰誤差信號ΔUe已經正交混合成ΔUa+ j·ΔUe(j為正交系數)[5]。根據前段誤差電壓的特點，在進行正交鑒相分離前，加入通道移相器和正交移相器。

圖1　單通道單脈沖跟蹤系統原理框圖

假設目標與天線的角度關系如圖2所示。XOY坐標系為垂直于天線電軸的目標平面[2,5]。

圖2　目標與天線的角度關系

當目標偏離天線電軸的角度θ很小時，從天線饋源所激勵的和信號與差信號的表達式為

(1)

(2)

式中：A(r)為和信號幅度；wc為載波角信號頻率；μ為天線歸一化差斜率；φ為跟蹤坐標系下目標在目標平面與水平軸X的夾角；γ1為和通道相位；γ2為差通道相位；0～π調相后的差信號為

(3)

式(3)中，ψ(t)為低頻調制信號，其波形如圖3所示。T為調制周期，F=1/T為調制頻率，Ω= 2πF。

(4)

圖3　調制信號波形

合成后的單通道信號為

(5)

與本地正交相干載波進行混頻、低通濾波處理，再經移相器移相(為使和、差通道相移一致，設通道移相值為γ1，正交移相值為γ2)，本地信號sin(ψ(t))混頻濾波后得到：

(6)

(7)

以上兩式就是解調的方位、俯仰誤差電壓。

2建立校相模型

目標信號進入天線形成和信號與差信號經過較長的信道才進行單通道合成，和通道與差通道的相位關系隨著時間的推移，由于溫度、電路參數等因素會發生改變。這種和差相位的相對變化，會引起角誤差特性變壞。

從方位俯仰誤差的表達式來看，當和、差通道相移不一致時(即Δγ=γ1-γ2≠ 0)，便會使方位、俯仰之路相互影響產生交叉耦合。

天線方位正向拉偏誤差電壓示意圖如圖 4所示。圖4中，Us為存在交叉耦合時的誤差電壓，UL為沒有交叉耦合時理想的誤差電壓。建立自動校相模型就是通過調整自跟蹤參數使得實際誤差電壓UL變換成理想誤差電壓Us。自跟蹤參數包含通道、正交移相值和增益。

圖4　天線方位正向拉偏誤差電壓示意圖

如圖4所示，當天線方位正向拉偏時，φ= 0，通道移相值即為Us和UL的角度差λ1。依據Us所在的不同象限利用反三角函數計算得到[8]。

(8)

增益Ka由Us和UL的功率差得到。即

(9)

當天線方位負向拉偏時，φ= π，通道移相值λ2=λ1-π；當天線俯仰正向拉偏時，φ=π/2，正交移相值λ3=λ1-π/2；當天線俯仰負向拉偏時，φ= 3·π/2，正交移相值λ4=λ1-3·π/2。

由于通道移相值在0～2π之間，正交移相值在0～π之間，所以需要對λ1，λ2，λ3，λ4進行適應性調整。最后將天線正偏和副偏計算的增益和移相值求平均及進行合理性檢驗后，得到方位、俯仰增益和通道、正交移相參數[6-7]。

3自動校相的設計與實現

和差通道移相在自跟蹤解調模塊之前，由本地兩個正交的相位旋轉因子與主載波環路輸出的兩路正交信號進行復乘，在數字域通過相位旋轉的方法來實現。這種數字信號補償的方式比以前通過調節模擬電壓來實現移相的方法更為精確和穩定，對自動校相的參數設置也更為簡便，有利于設備的一體化設計。

連續波測速雷達的自動校相過程由監控分系統、數字基帶分系統和天伺饋分系統協同完成。操作流程是監控分系統完成信道配置，調節聯試應答機輸出信號為合適電平，使接收機處于中等接收電平；監控分系統發出自動校相命令啟動自動校相過程，天伺饋分系統完成天線找零點，記錄零點方位、俯仰值，數字基帶分系統啟動自動校相程序。自動校相流程圖如圖5所示。

圖5　自動校相流程

根據天線的3 dB波瓣寬度，設定天線偏移的角度為8 mil；方位俯仰誤差電壓的采樣間隔為50 ms；天線偏移產生的方位俯仰誤差電壓采用20點求平均的方式獲取。自動校相實現的效果圖如圖6所示。

圖6　自動校相效果圖

通過方位正向、方位負向、俯仰正向和俯仰負向拉偏8 mil檢查交叉耦合情況，交叉耦合的最大值為1/20。跟蹤系統在對目標進行跟蹤過程中，將跟蹤接收機捕獲并連續解調出的誤差電壓值描繪在直角坐標系上會構成一個點集。將這些點按照時間順序連接后構成了一個有規律的曲線，稱之為誤差電壓收斂曲線。

4個象限的收斂軌跡曲線如圖7所示。從曲線來看，在收斂過程中，軌跡表現為逆時針方向逐漸收斂于零點的螺旋線，曲線的曲率很大，收斂很迅速，具有良好的收斂特性。

圖7　收斂軌跡曲線

4結束語

傳統的手動校相方法，校相程序復雜、操作時間很長，而采用程序技術實現的自動校相方法簡單可行，在短短幾分鐘內完成，交叉耦合優于1/20，收斂特性好，滿足了連續波測速雷達多點頻、多設備組合條件下的快速校相，大大縮短了設備參加任務的準備時間。

經過校飛、執行任務等一系列考核，該雷達的自動校相穩定性好、可靠性高，具有很強的實用性。

參考文獻：

[1]王玥.單脈沖相控陣雷達通道不一致性校正方法研究[D].成都：電子科技大學，2003.

[2]李靖.TE21模單通道自跟蹤系統[J].無線電通信技術，2005,31(6)：42-44.

[3]楊鎖強，林興隆.單脈沖跟蹤系統中自動校相的設計與實現[J].信息通信，2011(3)：23-24.

[4]李靖，李強，李碩.單脈沖跟蹤接收機相位自動校正的研究[J].無線電工程，2008,38(5)：56-58.

[5]楊峰輝.自動校相技術在現代測控雷達中的實現[J].飛行器測控學報，2003,22(3)：45-47.

[6]李白石，徐崇彥，付云起，等.基于曲線擬合的單脈沖跟蹤系統校相方法[J].現代雷達，2010,32(12)：14-19.

[7]肖凱，周永輝.不完全信號時內部交易[J].重慶工商大學學報：自然科學版，2014，31(2)：50-55.

[8]高山，李政.高精度測速設備自動校相模型優化[J].導彈試驗技術，2011(3)：30-32.

[9]《數學手冊》編寫組.數學手冊[M].北京：高等教育出版社，1979.

[10]高京龍.單脈沖單通道跟蹤體制精度分析方法[J].無線電工程，2007,37(7)：32-34.

[11]喬博.單脈沖角跟蹤系統高精度實時校相技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2011.

(責任編輯楊繼森)

收稿日期：2015-01-15

作者簡介：鐘水和(1985—)，男，工程師，主要從事航天測控研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.025

中圖分類號：TN953

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)07-0097-04

本文引用格式：鐘水和,王建，潘堯成，等.單通道單脈沖跟蹤系統自動校相的設計與實現[J].四川兵工學報，2015(7):97-99.

Citation format:ZHONG Shui-he, WANG Jian, PAN Yao-cheng, et al.Design and Implementation of Auto Phasing for Single Channel Monopulse Tracking System[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):97-99.

Design and Implementation of Auto Phasing for
Single Channel Monopulse Tracking System

ZHONG Shui-he, WANG Jian, PAN Yao-cheng, CHEN Yu-long

(Jiuquan Satellite Launch Center, Jiuquan 732750, China)

Abstract:Aiming at the shortage of long manipulate time and pour precision during the traditional manual phasing, an auto phasing technology of CW velocity radar was put forward. The auto phasing model was established for CW velocity radar which was based principle of single channel monopulse tracking. The program technology was taken for realize the auto phasing of CW velocity radar. The experiment result shows: the cross-coupling is better than 1/20 and the convergence is better than before after taking the auto phasing technology at CW velocity radar.

Key words:single channel monopulse; CW velocity radar; cross-coupling; auto phasing

_______________________

【信息科學與控制工程】