弹载调频连续波脱靶量测量雷达系统

摘要

本发明提出的弹载调频连续波脱靶量测量雷达系统，旨在提供一种对高速弱小目标具有检测能力强，脱靶量测量精度高的脱靶量测量雷达系统。本发明通过下述技术方案予以实现：各组收发天线与发射机、接收机通过单刀N掷高速电子开关同步选通第n路发射天线与频率综合器及第n路接收天线与接收机对接，对弹体环向360°扫描；频率综合器内置调制器产生调制信号，控制压腔振荡器VCO生成频率在时间上按锯齿波规律变化的连续高频等幅波激励信号，经1:2功分器，一部分功率送接收机混频器作为本振信号，一部分功率经单刀N掷高速电子开关选通的一路发射天线向指定扇区空域辐射；数字信号处理器通过开窗检测从雷达回波中提取出目标，计算出目标偏离靶弹的距离。

说明书

技术领域

本发明涉及一种弹载调频连续波脱靶量测量雷达系统，尤其是K波段弹载调频连续波脱靶量测量雷达系统。

背景技术

脱靶量测量对于鉴定和评估攻击性武器的性能起着关键作用，是靶场测量任务的核心内容之一。通常，脱靶量测量分为标量脱靶量测量和矢量脱靶量测量。其中，标量脱靶量测量指的是遭遇过程中靶体(靶弹或靶机)与目标的最小相对距离，而矢量脱靶量测量不仅要获得遭遇过程中靶体与目标的最小相对距离，而且还要获得两者的相对运动轨迹和相对速度矢量。

从测量体制区分，脱靶量测量可分为基于运动坐标系的测量和基于地面坐标系的测量。前者是指将测量设备置于靶体或目标上，通过测量靶体和目标两者之间的相对运动参数，进而解算得到脱靶量。由于测量只与靶体和目标的相对位置有关，而与二者和地面的相对位置无关，所以易于获得较高的测量精度，设备简单，且受环境和气象条件影响较小；但缺点是实现多目标测量与矢量测量的技术难度大。基于地面坐标系的测量是指以地面坐标系为基准，通过地面外弹道测量设备同时测量获得靶体与目标在坐标系中的空间位置，然后计算得到两者间的脱靶量。这种测量方法的优点是脱靶量测量与地面设备对靶体和目标的多目标测量同时进行，能够获得矢量脱靶量信息，并给出多目标的航迹参数；缺点是测量以地面坐标系为准，测量精度不仅与靶体和目标相对于地面设备的位置有关，与设备的测量精度和测量方法也有关，为了提高精度，设备的复杂度将大大增加。

从测量工作方式区分，脱靶量测量分为协同式和非协同式两种。其中，前者通常将系统分为三大部分，分别配置在靶体、目标和地面上。目标装载单频发射机产生一个稳定度较高的单一频率信号，靶体装载的应答转发器接收来自目标的频率信号(含目标和靶体相对运动产生的多普勒频移信息)并发送至地面站，地面站接收信号并最终计算出脱靶量。这种工作方式的优点是测量精度受被测目标的影响小，易实现大脱靶量的测量。非协同式通常只分为两大部分，一部分为靶体上的雷达与遥测组合设备，用于测量目标、靶体交会时的距离信息并实时发送至地面站；另一部分为地面站，利用接收到的信息进行计算，求出脱靶量。这种工作方式可用于目标体不允许或无法加装合作装置的脱靶量测量，但要求目标呈现某种目标特性，如一定的雷达散射截面积，且测量精度与目标特性相关。

脱靶量的测量有多种手段，实施过程中可以借助无线电波、光波、声波等能量形式作为获取信息的媒介。测量方法主要有光学测量方法、GPS测量方法和无线电测量方法。光学测量方法是基于光学测量和成像原理，测量、记录目标的运动轨迹、姿态、运动中发生的事件，以及目标的红外辐射和视觉特征，主要手段包括摄影、照相、红外光导摄像、激光测距等。这种方法的会战是有较高的测量精度和较高的数据率，且设备既不用放在目标上，也不用放在靶体上，可以多次反复使用，其缺点是测量易受气象条件、能见度以及相机的稳定性影响，当靶体被击中时数据会丢失，且胶卷记录的时间有限，数据处理也比较繁杂。GPS测量方法需在目标和靶体上分别加装高精度相位差分GPS接收机及数传设备，各自接收得到的GPS定位信息通过数传设备发送至地面站，最后通过事后相位差分处理的方法计算得到目标的脱靶量。这种方法的优点是定位精度高，测量不受能见度等因素影响，且测量成功率高，但缺点是GPS接收机数据率不高，当目标或靶体速度较大时，需要对定位信息进行插值处理，会影响目标脱靶量测量精度，同时加装的测量设备为一次性消耗品，如果设备成本高，试验的开销也会随之增大。

无线电测量方法又分为脉冲测量、多普勒测量和调频连续波测量几种方法。其中，脉冲测量方法通常采用单雷达收发天线收发，发射后存在接收休止期，如果要实现非常近距离的探测势必以大信号带宽频率源设计和宽带信号处理为代价，其难度和成本较高。多普勒测量方法利用多普勒效应实测出目标与靶体径向速度的时间函数，经与理论函数的比较解算出脱靶量、相对速度以及脱靶时刻，其优点在于原理简单，可实现大脱靶量测量，但缺点是需对目标和靶体相对运动规律作某种假设，当运动特性偏离假设时，会带来原理性误差，不利于高机动目标测量。与此同时，若要求测量精度高，则已知理论函数曲线多，做最小二乘时运算量大，实时性不强。调频连续波测量方法采用收发分置天线，同时发射、接收，不存在脉冲雷达测量所需的收发转换，因此能够获得非常近距离的探测；其次，调频连续波雷达数据率高，且易于实现大时宽、大带宽，从而有效确保雷达的作用距离，获得高距离、速度分辨率及相应的高测量精度。此外，连续波雷达辐射功率小、线路简单、成本相对低廉，且能够做到体积小、重量轻，具有良好的适装性；其缺点主要是需克服收发天线收发隔离问题。

综上，脱靶量测量具有多种手段，不同的测量方式适用于不同的测量场合。在弹载脱靶量测量领域，光学测量、GPS测量和无线电测量各种方式兼而有之，但综合测量精度、适装性、气候适应性、抗干扰能力以及成本等诸多因素，基于调频连续波体制的非协同式方法正成为一种重要的测量手段，是弹载脱靶量测量设备的发展方向之一。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种对高速弱小目标具有检测能力强，脱靶量测量精度高的弹载调频连续波准矢量脱靶量测量雷达系统。该系统基于运动坐标系，采用非协同测量方式，除可实现距离脱靶量测量外，还能判别出遭遇段目标脱靶的象限。

实现本发明的技术解决方案是：一种弹载调频连续波脱靶量测量雷达系统，包括收发天线、与发射机集成设计的频率综合器、连接低噪声放大器LNA的接收机和数字信号处理器，其特征在于：发射机的发射支路与接收机的接收支路各有一个同类型的单刀N掷高速电子开关，N组收发天线两两配对绕靶弹表面环向布置，频率综合器内置调制器产生调制信号控制压腔振荡器VCO生成频率在时间上按锯齿波规律变化的连续高频等幅波激励信号，该激励信号经1:2功分器，一部分功率送接收机混频器作为本振信号，一部分功率经单刀N掷高速电子开关选通的一路发射天线向指定扇区空域辐射；数字信号处理器通过开窗检测从雷达回波中提取出目标，通过调频连续波测距方式计算出目标偏离靶弹的距离，同时，结合弹载姿态传感器提供的姿态信息和某一时刻单刀N掷高速电子开关选通的雷达收发天线信息，自动判别出目标所穿越的象限，将脱靶距离和脱靶象限数据打包，经通讯系统实时发送至地面，以进行数据分析，评估被测目标的打靶结果。

本发明相比于传统脱靶量测量系统，创新点在于：采用反射式雷达工作原理及K波段宽带线性调频连续波测距体制，系统体积小、重量轻、功耗低，脱靶量测量精度高；采用绕靶弹环向分布的多组两两配对收发天线形式，各组收发天线与发射机、接收机通过高速电子开关同步切换实现对接，使雷达波束能够沿弹体环向顺序扫描，确保无死区覆盖弹体环向360°；采用开窗检测技术，利用入射雷达波束法向与被测目标轴向正交时雷达截面积(RCS)最大的特点，可以实现对某些轴向RCS远大于迎头RCS的弱小目标准确捕获，并获得目标的脱靶量，同时，结合弹载姿态传感器提供的姿态信息和捕获目标时高速电子开关选通的雷达收发天线信息，可以自动判别目标所穿越的象限，使系统具备一定的矢量脱靶测量能力。

本发明系统架构简单，设备高度集成，可广泛适用于多种靶弹平台，同时通过适应性改装还可以拓展至拖曳型靶机、无人机靶机，甚至于地面或海上靶场的脱靶测量平台，为我国陆军、海军、空军实战打靶训练提供一种智能计分评估手段，其应用空间广阔，前景良好。

附图说明

图1是本发明弹载调频连续波脱靶量测量雷达系统示意图。

图2是图1的电路原理框图。

图3是图1的多组收发分置天线配置及雷达波束覆盖示意图，其中，图3(a)为N组绕靶弹环向分布、两两配对的收发天线形式；图3(b)为每组收发天线沿靶弹轴向配置示意图；图3(c)为雷达波束绕靶弹环向扫描示意图；图3(d)为每组收发天线沿靶弹轴向波束覆盖示意图。

图4是本发明被测目标的仿真模型及目标的RCS仿真曲线(注：入射雷达波束法向与目标轴向垂线±10°夹角范围内的RCS曲线)，其中，图4(a)为高速弱小目标弹头形状示意图；图4(b)为目标弹头视为圆柱体时的仿真模型；图4(c)为目标弹头的RCS仿真曲线。

图5是本发明沿靶弹轴向雷达波束覆盖及脱靶点示意图。

图6是本发明线性调频连续波雷达测距原理图，其中，图6(a)为雷达发射信号与回波信号的时频关系曲线图；图6(b)为雷达回波差频信号的时频关系曲线图。

具体实施方式

参阅图1、图2。在以下描述的实施案例中，安装于靶弹弹身的弹载调频连续波脱靶量测量雷达系统，主体由与靶弹共形的收发天线罩、N组收发天线、1:N高速电子开关、与发射机集成设计的频率综合器、LNA、接收机、数字信号处理器等设备组成。其中，N组收发天线两两配对，且绕靶弹表面环向布置。各组收发天线与发射机、接收机通过单刀N掷高速电子开关同步切换实现对接，对弹体环向360°扫描。发射支路与接收机的接收支路各有一个同类型的单刀N掷高速电子开关，简称1:N高速电子开关。频率综合器主体由顺次连接的锯齿波调制器、压腔振荡器VCO和1:2功分器组成。频率综合器在数字信号处理器的控制下为发射机提供宽带线性调频连续波激励信号，为接收机提供本振信号。接收机主体由首端电连接1:2功分器的混频器，以及顺次串联的低通滤波器、动态压缩器、中频放大器和尾端电连接的模拟/数字转换器(A/D)组成，A/D电连接数字信号处理器，数字信号处理器连接频率综合器、姿态传感器和通讯系统，以及两个串联的1:N高速电子开关之间。混频器连接在1:2功分器与接收支路的1:N高速电子开关之间，1:2功分器与发射支路的1:N高速电子开关连接。1:N高速电子开关受数字信号处理器控制，在某一时刻同步选通第n路发射天线与频率综合器及第n路接收天线与接收机对接，为频率综合器产生的宽带线性调频连续波激励信号提供发射通道，同时为雷达目标回波信号提供接收通道，其中1≤n≤N，N和n为自然数。接收机主要为目标回波提供接收通道，并将数字信号送入数字信号处理器处理。数字信号处理器主要负责产生全机工作时序，完成脱靶距离的解算和脱靶象限的判断，并将脱靶距离和脱靶象限数据打包经靶弹通讯系统发送至地面。

试验开始前，脱靶量测量雷达系统首先与弹上电源闭合通电工作，然后随靶弹一同发射至空中。

基本工作原理：数字信号处理器产生全机工作时序，飞行过程中，系统将在数字信号处理器的控制下协同工作。频率综合器内部调制器产生调制信号，控制VCO生成频率在时间上按锯齿波规律变化的连续高频等幅波激励信号，该信号经1：2功分器，小部分功率送接收机混频器作为本振信号，大部分功率经1:N高速电子开关选通的一路发射收发天线向指定扇区空域辐射。在靶弹与目标遭遇段，当发射天线辐射的电磁波遇到目标时，将产生目标回波，并经与发射天线配对的接收天线转换为射频回波信号，该信号经LNA预放大和1:N高速电子开关后进入接收机,接收机对信号进行混频、低通滤波，通过动态压缩器实现中频接收带宽内的动态范围调节，确保对近距离强目标回波信号不饱和放大，而对远距离及弱小目标信号有较高的线性放大增益，然后经中频放大、A/D变换后送入数字信号处理器。鉴于发射天线辐射的电磁波传播到目标并返回接收天线的这段时间内，目标的回波频率较之发射频率已有了变化，因此回波信号在接收机混频器输出端将出现差频电压，差频电压的频率包含有目标的距离信息。因此，经接收机A/D对差频信号采样后，数字信号处理器通过对采样的数据进行数字滤波、离散傅里叶快速变换(FFT)变换或Chirp Z变换可获得频差，并最终解算出被测目标的脱靶量，该信息能够通过弹载的通讯系统发送至地面站进行后续处理，以便评估打靶的结果。

参阅图3。弹载脱靶量测量雷达系统采用宽带线性调频连续波测距体制，雷达发射天线与接收天线空间分置，以保证雷达发射通道与接收通道之间的隔离度。实际打靶过程中，由于目标飞行轨迹出现在靶弹四周的位置是随机的，因此雷达波束必须具备绕靶弹环向360°全覆盖的能力。为了满足上述要求，本发明系统采用了如图3(a)所示的N组绕靶弹环向布置、两两配对的收发天线形式，每组收发天线沿图3(b)所示靶弹轴向配置。根据图1、图2所述雷达系统工作原理，N组收发天线将通过发射和接收支路的1:N高速电子开关依次选通，为了实现对靶弹环向360°全覆盖，收发天线沿靶弹环向采用宽波束设计，且收、发天线设计一致。以设计四组收发天线，即N＝4为例，靶弹环向单面雷达收发天线波束宽度不应小于90°。图3(c)所示为雷达波束绕靶弹环向扫描示意图。依据这一设计，当雷达测得目标的脱靶量距离后，还可以根据弹载姿态传感器提供的姿态信息和捕获目标时高速电子开关选通的雷达收发天线信息，自动判别目标脱靶的象限，该信息可以与脱靶量信息一起通过弹载通讯系统发送至地面站。

此外，收发天线沿靶弹轴向同样采用宽波束设计，波束法向与靶弹轴向垂直，且收、发天线一致。如图3(d)，其中，实线表示发射波束，虚线表示接收波束，由于每组收发天线相邻较近，实际上发射与接收波束几乎是重叠的。为了确保目标的脱靶点(即遭遇段靶弹与目标的最小相对距离)能够准确落入收发天线沿靶弹轴向的波束内，要求β≥α。其中，α定义为攻角，即目标的飞行轨迹与靶弹飞行轨迹的夹角；β为收发天线沿靶弹轴向的波束宽度。

参阅图4。本发明弹载脱靶量测量雷达系统所针对的目标是高速弱小目标，如导弹弹头、防空高炮弹头等，其弹头形状基本如图4(a)所示。以某型防空高炮弹头为例，其长度l＝170mm，底部圆截面半径r＝5.5mm，基本可视为一个“针”状的锥形弹头。考虑靶弹与目标相向飞行，如果弹载脱靶量测量雷达波束采用前视照射，目标的RCS将非常小。按照《雷达原理》中所提供的经典公式，若雷达波束从弹头鼻锥A方向入射，则：

$>\mathrm{RCS}=\frac{\pi ·r^4}{l^2}=\frac{\pi \times {\left(0.0055\right)}^4}{{\left(0.17\right)}^2}=9.94\times {10}^{-8}{m}^2---\left(1\right)$>

可见，对于如此小的目标RCS(接近-70dB)，雷达设计是非常困难的，即使雷达作用距离仅要求10m，但所需的雷达功率孔径积很大，对于像弹载平台这样对载荷重量、空间尺寸、功耗要求非常苛刻的应用背景，要用雷达波束前视照射的方式来解决脱靶量测量问题几乎是不可能的。

而按照本发明的探测方式，雷达波束侧视照射，若将上述目标视为一个圆柱体(如图4(b))，则其RCS可以表征为：

$>\mathrm{RCS}=\frac{2\pi ·l^{2}r}{\lambda }\cos \theta \times {\left[\frac{\sin \left(\mathrm{kl}\sin \theta \right)}{\mathrm{kl}\sin \theta }\right]}^2,k=\frac{2\pi }{\lambda }---\left(2\right)$>

式中，θ表示雷达波束入射方向与靶弹轴向垂线的夹角；λ表示雷达波长，本发明工作频段采用K波段，在24GHz时λ取0.0125m。按照式(2)，用MATLAB软件对目标的RCS进行了分析，结果如图4(c)(θ在±10°内变化)。

可见，θ在±1.5°范围内，目标RCS实际大于等于0.01m²(即-20dB)。相比于雷达波束从弹头鼻锥方向前视照射的-70dB，目标RCS在这一个3°的窗口内实际增强了50dB。借助图5阐述的开窗检测技术，不但能够提高目标检测能力，同时得益50dB可以大大降低雷达功率孔径积设计的压力，满足弹载设备对重量、体积、功耗等方面的苛刻要求，并大大节省成本。

参阅图5。依据图4的仿真结论，对于RCS极弱的弹头类小目标，比如例示的长度l＝170mm，底部圆截面半径r＝5.5mm某型“针”状防空高炮弹头，雷达波束侧视照射目标和从正鼻锥方向照射目标两种情况下，前者在θ＝±1.5°范围内，RCS较之于后者高出近50dB。本发明所采用的开窗检测法正是基于这一原理。所谓的开窗，“窗口”指的正是如上述θ＝±1.5°范围。显而易见，在目标与靶弹这种相对运动关系的前提下，RCS在局部“窗口”内较之“窗口”外要大得多。利用这一现象，本发明雷达系统可以较小的代价探测到目标，并通过数字信号处理将其有效检测出来。

如图5，定义h为目标相对于靶弹的脱靶量。实际测量中，目标穿越波束期间有可能仅被检测一次，也有可能被多次检测。通常，只有在雷达照射的近区才有可能发生只检测一次的情况，那么所测的目标距离基本可以直接等效为目标脱靶量。依据在于，一般而言，开窗检测技术所开的“窗口”非常小，如上述的θ＝±1.5°，若雷达设计探测距离最大为10m，近区取2m计，此时θ对应的极限跨度距离而实际上由于目标与靶弹的飞行轨迹间还有攻角α的关系存在，因此引入的测量误差一般比0.1m要小。当目标被检测两次或两次以上时，一种简单的办法就是取最小的目标距离作为脱靶量，稍复杂一点的办法可以将多点数据拟合成直线，再依据几何关系计算出脱靶量。

此外，为了判别被检测到的是同一个目标被多次检测还是本身为多个目标，在开窗检测中，雷达数字信号处理器将采用以下三种判别方式：1)时间窗口识别法，即在一段时间窗口内，若目标的距离和象限相同，则被判为同一个目标，而窗口之外的目标被判为另一个目标；2)距离识别法，即在同一象限、同一时间窗口内，距离相同的目标被判为同一目标，否则反之；3)象限识别法，即同一时间窗口、相同距离，相同象限的目标被判为同一目标，不同象限的目标则判为另一个目标。

参阅图6。本发明采用宽带线性调频连续波雷达测距体制，按照这一测量机理，雷达回波延迟时间τ与目标距离R的关系表征为：

$>R=\frac{\mathrm{c\tau }}{2}---\left(3\right)$>

式中，c为电磁波在空气中的传播速度。

雷达的频率按图6(a)所示的锯齿波形式进行调制，则雷达的目标回波与发射信号在同一时刻将存在一个差频f_i。f_i与延迟时间τ的关系表征为：

$>f_i=\frac{\Delta F_m}{T_m}\tau ---\left(4\right)$>

式中，T_m为调制周期，ΔF_m为最大调制频偏。

结合式(3)和式(4)，目标距离R与回波差频f_i的关系为：

$>R=\frac{c{T}_m}{2\Delta F_m}{f}_i---\left(5\right)$>

由此可见，目标的距离R与回波差频f_i成正比，通过测量回波信号差频即可以获得目标的距离信息。

此外，由雷达基本原理可知，其距离分辨力由雷达的频率分辨力决定，而频率分辨力又由雷达的调整周期决定。通常，Δf_i＝1/T_m，故由式(5)可知，雷达的距离分辨力ΔR＝c/2ΔF_m。因此，在相同的时宽T_m设计下，如果雷达的调制频偏ΔF_m越大，则距离分辨力越高，相应的，雷达的测量精度也会随之提升。当然，调整带宽越大，其调制线性度也越难以保证，实际中调制信号并非图6(a)所示那样是理想的直线，而是有一定的起伏存在。这一起伏将导致所测目标距离与回波差频不是严格的线性关系，测量中会引入测距误差。因此，实际设计当中，应该依据测量精度的要求，合理选择调整带宽参数。