跟蹤制導雷達交叉極化測角誤差分析

韓　星　周　宇　趙迎超　魯　金

(1.西安電子工程研究所　西安　710100；2.中國人民解放軍63850部隊　吉林　白城　137001)

0　引言

制導精度是跟蹤制導雷達的關鍵指標，由目標跟蹤精度和導彈測量精度決定。影響制導精度因素眾多，根據產生原因可歸為與雷達設備有關的誤差、與目標有關的誤差、坐標傳遞和工具方法誤差、多路徑誤差以及與電磁波傳播相關的誤差等幾類[1]。目標跟蹤精度分析[2]較為完備，本文不再贅述。目標測量時，由于目標散射特性導致回波極化純度下降，但是匹配極化分量仍是主要分量，由正交極化回波產生的串擾通常可以忽略不計[3]。導彈測量時，彈上應答機的回波極化特性隨導彈姿態變化，極端情況下會出現交叉極化的情況，此時由交叉極化引起的串擾將會嚴重影響導彈測角性能，甚至導致目標丟失[3]。關于交叉極化對雷達測角精度影響的文獻較少，對制導精度的分析鮮有提及。本文利用空域極化特性，分析無線電指令制導體制下交叉極化對導彈測角精度的影響，為該類系統設計提供依據。

1　空域極化特性分析

1.1　天線極化純度

天線設計發射或接收的電磁波極化方式稱為期望極化，與這個期望極化正交的極化稱為交叉極化。實際天線由于形狀、尺寸、加工誤差以及饋源偏焦等因素存在一定的正交極化耦合度，其輻射電磁波會包含一些不希望的極化分量，導致天線極化純度下降[4]。利用交叉極化鑒別率(XPD)描述天線極化純度：

(1)

式中E和EX分別為天線主極化電平和交叉極化電平。交叉極化鑒別率越小，說明天線的寄生極化分量越少，天線極化“越純”。

1.2　空域極化特性

天線極化是一個空域變量，激勵電流確定后，天線輻射場和有效長度與該測量點的空間角坐標有關。把天線輻射電磁波的極化在空間的演化、分布特性稱之為天線空域極化特性[4]，它表征了天線極化在空域上的演變規律。Hanle認為用正交圓極化接收的方法來抗雨和云等氣象雜波，實際效果常低于預想結果[5]，其原因即可歸結為空域極化特性使極化性能改變所致。

通過分析空域交叉極化鑒別量隨天線掃描時的變化規律能夠確定天線的變極化特性，也就是極化比隨空域角θ、φ的變化規律。以拋物面天線為例[6]。通常情況下，拋物面天線的輻射場可表示為：

(2)

(3)

其中fx，fy為面積分可表示為：

(4)

(5)

通過上式可求得該拋物面天線的空域極化比為：

(6)

從式(6)可以看出，拋物面天線的空域極化比與k=fy/fx、cosθ和tgφ有關，圖1為拋物面天線交叉極化比隨測量點角度的變化規律。

圖1　拋物面天線交叉極化比

用交叉極化鑒別率來描述拋物面天線的極化純度，可表示為：

(7)

1.3　空域極化特性對導彈測角的影響

跟蹤制導雷達通過測量彈上應答機回波確定導彈空間位置，導彈發射時會偏離雷達軸向飛行，由于應答信號發射天線與導彈剛性連接，應答機回波空域角隨導彈軸向姿態變化。跟蹤制導雷達測量導彈示意如圖2所示。

圖2　制導雷達測量導彈示意圖

跟蹤制導雷達采用筆狀波束精確跟蹤目標，導彈在雷達跟蹤波束內飛行，由于跟蹤制導雷達波束較窄，此時認為導彈未偏離制導雷達電軸，跟蹤制導雷達天線空域特性對測量影響較小，交叉極化分量主要由彈上應答機發射天線姿態變化引起。當導彈姿態在空中發生變化，或導彈采用賦旋方式時，彈上應答天線空域極化特性將產生非期望的極化分量，在某種特殊條件下，甚至會產生交叉極化現象，導致雷達對導彈的測角精度出現大幅惡化。

2　交叉極化誤差分析

2.1　交叉極化誤差分析

由于雷達天線存在交叉極化分量，彈上信標回波的正交分量會在天線輸出端產生不希望的響應，交叉極化分量引起的指向誤差和天線的極化隔離度及目標散射的正交極化分量有關。由天線交叉極化耦合產生的測角誤差為[7]：

(8)

式中，Δc/Σ是差通道輸出的交叉極化分量與和通道正常極化分量之比，σp/σc是目標散射的正常極化分量與交叉極化分量之比，θ3為3dB波束寬度，km為測角斜率。通過上述分析，在制導雷達中，交叉極化分量由空域極化比P替代，此時由交叉極化引起的測角誤差可表示為：

(9)

跟蹤制導雷達導彈測角誤差與通道交叉極化分量和空域極化比相關。對于目標測量通道，跟蹤制導雷達Δc/Σ分量一般可以做到-30dB，σp/σc一般為6dB，此時交叉極化對測角影響通常可以忽略不計。對導彈測量通道，當彈上發射天線空域極化特性帶來的空域極化比會顯著惡化，此時由于交叉極化帶來的測角誤差將會達到波束寬度的二十分之一甚至十分之一。提高雷達通道極化隔離度、減小導彈偏軸角度,避免空域極化特性下降是降低跟蹤制導雷達導彈測角誤差的有效途徑。

2.2　試驗數據

利用兩部相控陣雷達進行導彈測角，寬波束雷達制導波束寬度10°，作為初制導用于導彈發射后的捕獲，窄波束雷達制導波束寬度為2.4°，作為末制導用于導彈精確制導。兩部雷達同時測量導彈，制導控制計算機根據一定的交接班條件分別使用兩部雷達測角數據控制導彈飛行。

靜態測試時導彈相對雷達電軸偏離一定角度并固定，彈上應答機和地面天線均為圓極化天線，此時寬、窄波束雷達導彈測角數據穩定，其誤差表現為隨機特性，如圖3、圖4所示，其中橫軸為時間，單位為幀，每幀間隔0.02s，縱軸為角誤差，單位為密位(以下各圖坐標定義和單位相同)。當彈體按4Hz周期旋轉，應答機天線隨彈體旋轉。通過圖5、圖6可以看到，寬、窄波束雷達均呈現與旋轉周期一致的測角誤差變化，交叉極化比周期變化會產生測角誤差。更換彈上應答機天線，提高天線軸比。圖7為采用彈上應答機天線時跟蹤制導雷達測角誤差，圖8為提高天線軸比后測試數據，通過對比可以看到提高天線軸比后該測角誤差降低。

圖3　寬波束靜態測試圖

圖4　窄波束靜態測試圖

圖5　寬波束動態測試圖

圖6　窄波束動態測試圖

圖7　不同軸比測角誤差1

圖8　不同軸比測角誤差2

動態測試采用導彈實射方式，導彈在筒內賦旋、離筒后相對雷達電軸有一定的散布角。當導彈接收制導數據向目標飛行時，其軸向趨于雷達電軸方向。導彈飛行偏離雷達電軸角度如圖9所示。

圖9　導彈全程飛行測角曲線

圖10和圖11中虛線為寬波束雷達測角曲線、實線為窄波束雷達測角曲線。圖10為導彈飛行初始階段由于彈體姿態角變化較大，交叉極化比變化明顯，此時由交叉極化帶來的導彈測角誤差較大，其測角誤差變化與彈體旋轉周期完全吻合。窄波束在導彈偏離軸向角度較大時也存在該現象。圖11為導彈末制導飛行階段，此時導彈軸向偏離角度較小，寬、窄波束雷達測角數據均沒有明顯的周期性測角誤差，此時信噪比和軸系偏差是誤差的主要來源。

圖10　導彈初始段測角曲線

圖11　導彈末段測角曲線

根據實測導彈飛行數據可以看出，由交叉極化比引起的測角誤差會對導彈寬窄波束交接班產生不利影響。設計時應考慮彈體散布，避免大偏離角姿態時進行交接班。同時，在系統設計時，應在波束覆蓋角度滿足使用要求條件下盡可能減小初制導雷達波束寬度，以提高測角性能。

4　結束語

本文通過對跟蹤制導雷達空域極化特性分析，

給出其對導彈測角精度的影響，并通過分析其原理給出降低該誤差的設計原則，最后利用不同波束寬度、不同極化隔離度的跟蹤制導雷達對導彈進行測量，證明該分析原理正確、設計原則有效。由于空域極化特性在系統應用中具有時變特點，其進一步分析應結合空域瞬態極化特性進行。同時對不同體制的應答天線和測角天線，其空域極化特性存在差異，其交叉極化測角誤差需結合相應系統進行。