鐘水和,王　建，潘堯成，陳玉龍

(中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉　732750)

單通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)自動(dòng)校相的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鐘水和,王建，潘堯成，陳玉龍

(中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉732750)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)手動(dòng)校相存在操作時(shí)間長(zhǎng)、精度差的缺點(diǎn)，提出了連續(xù)波測(cè)速雷達(dá)的自動(dòng)校相技術(shù)；研究了單通道單脈沖跟蹤原理，建立了連續(xù)波測(cè)速雷達(dá)的自動(dòng)校相模型，采用程序技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)波測(cè)速雷達(dá)全自動(dòng)校相；試驗(yàn)結(jié)果表明：采用該技術(shù)對(duì)連續(xù)波測(cè)速雷達(dá)校相后，其交叉耦合優(yōu)于1/20，收斂特性好。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)瓮ǖ绬蚊}沖；連續(xù)波測(cè)速雷達(dá)；交叉耦合；自動(dòng)校相

單脈沖自跟蹤是一種零值自動(dòng)跟蹤體制，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、跟蹤精度高的特點(diǎn)。利用差模電磁場(chǎng)的天線方向圖，以軸向?yàn)榱阒担S有極性的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的[1-3]。與多通道接收機(jī)相比，單通道具有設(shè)備簡(jiǎn)單、影響跟蹤性能的和、差通道相位一致性易調(diào)制、易保持等特點(diǎn)[4]，單脈沖單通道(Single Channel Monopulse，SCM)跟蹤體制廣泛應(yīng)用于各種業(yè)務(wù)類型的自跟蹤系統(tǒng)中。

由于天線電軸漂移、環(huán)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(duì)相移，使得交叉耦合指標(biāo)不斷惡化[4]。因此，必須定期對(duì)單通道單脈沖跟蹤系統(tǒng)的和差通道相位差進(jìn)行校正。傳統(tǒng)手動(dòng)校相采用人為干預(yù)的方法，手動(dòng)偏開(kāi)天線，之后調(diào)整跟蹤接收機(jī)的相位和差斜率參數(shù)，使交叉耦合和誤差電壓斜率達(dá)到系統(tǒng)要求。

傳統(tǒng)手動(dòng)校相存在操作時(shí)間長(zhǎng)，精度差等缺點(diǎn)，文中分析了單通道單脈沖跟蹤原理，建立了連續(xù)波測(cè)速雷達(dá)的自動(dòng)校相模型，采用程序技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)速雷達(dá)自動(dòng)校相，進(jìn)一步提高了單脈沖單通道自跟蹤系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)中TE11模為和通道信號(hào)，以TE21模為差通道信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)SCM跟蹤的。SCM跟蹤系統(tǒng)框圖如圖1所示，來(lái)波信號(hào)經(jīng)天線反射面進(jìn)入饋源網(wǎng)絡(luò)，形成和信號(hào)與差信號(hào)。差信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后與和信號(hào)合成形成單通道信號(hào)。單通道信號(hào)經(jīng)接收及解調(diào)出方位誤差電壓和俯仰誤差電壓，送給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)天線始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。在多模自跟蹤系統(tǒng)中，方位誤差信號(hào)ΔUa和俯仰誤差信號(hào)ΔUe已經(jīng)正交混合成ΔUa+ j·ΔUe(j為正交系數(shù))[5]。根據(jù)前段誤差電壓的特點(diǎn)，在進(jìn)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(tǒng)原理框圖

假設(shè)目標(biāo)與天線的角度關(guān)系如圖2所示。XOY坐標(biāo)系為垂直于天線電軸的目標(biāo)平面[2,5]。

圖2　目標(biāo)與天線的角度關(guān)系

當(dāng)目標(biāo)偏離天線電軸的角度θ很小時(shí)，從天線饋源所激勵(lì)的和信號(hào)與差信號(hào)的表達(dá)式為

(1)

(2)

式中：A(r)為和信號(hào)幅度；wc為載波角信號(hào)頻率；μ為天線歸一化差斜率；φ為跟蹤坐標(biāo)系下目標(biāo)在目標(biāo)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(diào)相后的差信號(hào)為

(3)

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

(4)

圖3　調(diào)制信號(hào)波形

合成后的單通道信號(hào)為

(5)

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

(6)

(7)

以上兩式就是解調(diào)的方位、俯仰誤差電壓。

2建立校相模型

目標(biāo)信號(hào)進(jìn)入天線形成和信號(hào)與差信號(hào)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的信道才進(jìn)行單通道合成，和通道與差通道的相位關(guān)系隨著時(shí)間的推移，由于溫度、電路參數(shù)等因素會(huì)發(fā)生改變。這種和差相位的相對(duì)變化，會(huì)引起角誤差特性變壞。

從方位俯仰誤差的表達(dá)式來(lái)看，當(dāng)和、差通道相移不一致時(shí)(即Δγ=γ1-γ2≠ 0)，便會(huì)使方位、俯仰之路相互影響產(chǎn)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(shí)的誤差電壓，UL為沒(méi)有交叉耦合時(shí)理想的誤差電壓。建立自動(dòng)校相模型就是通過(guò)調(diào)整自跟蹤參數(shù)使得實(shí)際誤差電壓UL變換成理想誤差電壓Us。自跟蹤參數(shù)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(dāng)天線方位正向拉偏時(shí)，φ= 0，通道移相值即為Us和UL的角度差λ1。依據(jù)Us所在的不同象限利用反三角函數(shù)計(jì)算得到[8]。

(8)

增益Ka由Us和UL的功率差得到。即

(9)

當(dāng)天線方位負(fù)向拉偏時(shí)，φ= π，通道移相值λ2=λ1-π；當(dāng)天線俯仰正向拉偏時(shí)，φ=π/2，正交移相值λ3=λ1-π/2；當(dāng)天線俯仰負(fù)向拉偏時(shí)，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(duì)λ1，λ2，λ3，λ4進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。最后將天線正偏和副偏計(jì)算的增益和移相值求平均及進(jìn)行合理性檢驗(yàn)后，得到方位、俯仰增益和通道、正交移相參數(shù)[6-7]。

3自動(dòng)校相的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

和差通道移相在自跟蹤解調(diào)模塊之前，由本地兩個(gè)正交的相位旋轉(zhuǎn)因子與主載波環(huán)路輸出的兩路正交信號(hào)進(jìn)行復(fù)乘，在數(shù)字域通過(guò)相位旋轉(zhuǎn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種數(shù)字信號(hào)補(bǔ)償?shù)姆绞奖纫郧巴ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)模擬電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)移相的方法更為精確和穩(wěn)定，對(duì)自動(dòng)校相的參數(shù)設(shè)置也更為簡(jiǎn)便，有利于設(shè)備的一體化設(shè)計(jì)。

連續(xù)波測(cè)速雷達(dá)的自動(dòng)校相過(guò)程由監(jiān)控分系統(tǒng)、數(shù)字基帶分系統(tǒng)和天伺饋分系統(tǒng)協(xié)同完成。操作流程是監(jiān)控分系統(tǒng)完成信道配置，調(diào)節(jié)聯(lián)試應(yīng)答機(jī)輸出信號(hào)為合適電平，使接收機(jī)處于中等接收電平；監(jiān)控分系統(tǒng)發(fā)出自動(dòng)校相命令啟動(dòng)自動(dòng)校相過(guò)程，天伺饋分系統(tǒng)完成天線找零點(diǎn)，記錄零點(diǎn)方位、俯仰值，數(shù)字基帶分系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)校相程序。自動(dòng)校相流程圖如圖5所示。

圖5　自動(dòng)校相流程

根據(jù)天線的3 dB波瓣寬度，設(shè)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(chǎn)生的方位俯仰誤差電壓采用20點(diǎn)求平均的方式獲取。自動(dòng)校相實(shí)現(xiàn)的效果圖如圖6所示。

圖6　自動(dòng)校相效果圖

通過(guò)方位正向、方位負(fù)向、俯仰正向和俯仰負(fù)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(tǒng)在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤過(guò)程中，將跟蹤接收機(jī)捕獲并連續(xù)解調(diào)出的誤差電壓值描繪在直角坐標(biāo)系上會(huì)構(gòu)成一個(gè)點(diǎn)集。將這些點(diǎn)按照時(shí)間順序連接后構(gòu)成了一個(gè)有規(guī)律的曲線，稱之為誤差電壓收斂曲線。

4個(gè)象限的收斂軌跡曲線如圖7所示。從曲線來(lái)看，在收斂過(guò)程中，軌跡表現(xiàn)為逆時(shí)針?lè)较蛑饾u收斂于零點(diǎn)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(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的手動(dòng)校相方法，校相程序復(fù)雜、操作時(shí)間很長(zhǎng)，而采用程序技術(shù)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)校相方法簡(jiǎn)單可行，在短短幾分鐘內(nèi)完成，交叉耦合優(yōu)于1/20，收斂特性好，滿足了連續(xù)波測(cè)速雷達(dá)多點(diǎn)頻、多設(shè)備組合條件下的快速校相，大大縮短了設(shè)備參加任務(wù)的準(zhǔn)備時(shí)間。

經(jīng)過(guò)校飛、執(zhí)行任務(wù)等一系列考核，該雷達(dá)的自動(dòng)校相穩(wěn)定性好、可靠性高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

收稿日期：2015-01-15

作者簡(jiǎn)介：鐘水和(1985—)，男，工程師，主要從事航天測(cè)控研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.025

中圖分類號(hào)：TN953

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(tǒng)自動(dòng)校相的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，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

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【信息科學(xué)與控制工程】