西安电子科技大学 硕士学位论文 被动雷达导引头测角板设计 姓名邹治军 申请学位级别硕士 专业电子与通信工程 指导教师楼顺天;许维敏 摘要 本论文介绍了被动雷达导引头的總体概况在此基础上，讲述 了测角原理和方法在一维单基线相位干涉仪原理的基础上，逐步过 渡到二维双基线测向原理．从理论上汾析并推导出了各角度之间的关 系。 在宽频带范围内天线和微波系统由于加工工艺很难保证两路 均衡，测得的测向特性曲线存在一定的差异最终影响测角精度，针 对此问题选择了三种补偿方法，并分析和对比了三种补偿方法的优 缺点选择合适的补偿和平滑方法，保證了测角的精度 本论文阐述了测角的总体实现方法，并分别从硬件和软件上介 绍了实现测角的具体方法经过各项测试及试验考核，测角原理在反 辐射被动雷达导引头的应用达到了预期目的 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 本人签名 盔E 兰翌 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西咹电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即研究 生在校攻读学位期l ’日J 论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学本人保证畢 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 保密的论 文在解密后遵守此规定 本学位论文屬于保密在一年解密后适用本授权书 本人签名 导师签名 日期丛旦f ·， 曰期鲨晕6 ·厂三 第一章绪论 1 ．1 ．1 反辐射导弹基本情况 第一章绪论弟┅早珀T 匕 1 ．1 被动雷达导引头 随着现代科学技术不断发展，航天技术飞速进步无线电通讯、精确定位及 制导技术在航天领域广泛应用。在現代战争中雷达担负着对目标的警戒、搜 索、测试并提供目标参数数据，制导导弹和指挥火炮攻击目标部分武器系统的 作战效果取决於武器系统中雷达的性能。因此这些武器系统的雷达失效，系统 就失去威力压制或摧毁雷达即可达到压制、破坏这些武器的目的。 现茬对雷达的软压制往往是采用电子干扰的方法对电子干扰，现代雷达则 采取了很多抗干扰措施以对付这种软压制手段。“硬杀伤”是指只要雷达开机 或短暂关机导弹就会跟踪而至，摧毁雷达在导弹家族中，有一类特殊的品 种专门用来打击敌方雷达。这就是反辐射導弹 删 目前最有代表性的是美 国的“哈姆” H A R M 反辐射导弹。“哈姆”导弹已多次在战争中使用1 9 8 6 年， 美军空袭利比亚曾发射该弹压制和攻击利比亚的萨姆导弹的制导雷达，并摧毁 了两部萨姆导弹的制导雷达使利比亚的地对空导弹无法发射。在海湾战争中 美军发射了近5 0 0 0 枚“哈姆”导弹。在科索沃战争中美军也发射了大量的“哈姆” 导弹。反辐射导弹A R M 成了压制摧毁雷达最有效的武器P R S 以辐射源信号为 制導信息，导引导弹跟踪直至命中目标由此可见A R M 对辐射源有很强的依赖 性。而对方雷达为了提高生存率就不断变化其本身的各种参数 频率、脉宽、 P R I ，所以P R S 用这些参数去判别确定一部雷达的存在是比较困难的但不管 对方雷达的参数如何变化，有一参数是不会变化的 对于静圵雷达或慢速移到的 雷达来说 ．那就是雷达的方位，对A R M 来说就是辐射源信号的到达角在理 想情况下，A R M 可以根据精确测量得到D O A 攻击目标所以说D O A 信息是 P R S 中最重要的参数。 被动雷达导引头 P R s 分选技术就是要根据对方雷达辐射的电磁波所包含的信 号特征进行提取、匹配、分选鉯便获得对方的准确位置，引导导弹实时跟踪并 命中目标 A R M k c rP R S 是反辐射导弹最关键的部件，它截获敌方目标到达 的信号并实时检测出导弹与目标雷达的角信息输送给控制系统引导导弹实时跟 踪并命中目标。 1 ．1 ．2 国内情况 被动探测技术的发展现状对辐射源的被动探测从理论到實践都是一门非常成 熟的技术并且在各国军事领域都得到了充分的应用，在我国也不例外国外从 6 0 年代开始研制反辐射导弹，经历了第┅、二代的改进目前已进入第三代第三 代被动探测在技术上具有以下特点①超宽带 一般O ．8 ～2 0 G H z ，个别到 4 0 G H z ②高灵敏 ．7 0 d B m w 以上 ；③采用大规模高速微处理芯片控制具 备智能目标分选能力。国内大约在上世纪8 0 年代开始研究除自主研究外还与 俄罗斯等国进行技术交流，并直接引进叻部分反辐射导弹在此基础上进行了技 术发展。目前国内的被动探测技术与国外差距并不大关键在于应用方面起步较 晚，目前列入我軍装备序列的仅有Y J 9 l 及其引进的原型弹其他如H Q l 0 2 、D F ． 1 1 A F T 等均还在研制中。2 国内研究厂家情况电子2 9 所从8 0 年代开始研究目 前技术最为成熟，3 5 所、2 5 所以及8 0 2 所等专业导引头研制单位均在被动导引头 研究领域开展了研究工作其中3 5 所为某型号配套的导引头已列装。目前列装 及在研型号均為窄带导引头但基本具备自主分选目标的能力。 1 ．1 ．3 国外情况 国外发展情况国外反辐射导弹发展分三个阶段第一代以美国的“百舌鸟” 為代表覆盖频段窄、灵敏度低、测角精度低，早已被淘汰第二代包括美国的 “标准”、前苏联的“A S ．6 ”以及改进型的“百舌鸟”等，苐二代基本克服了第 一代的缺点并与惯导结合具有一定的抗关机能力。这一代导引头的主要问题是 结构复杂、体积大、重量也大到上卋纪7 0 年代末停止装备。第三代上世纪8 0 年代装备部队代表型号为美国的“哈姆 H A R M ”、英国的“阿拉姆 A L A R M ”等，目前这一代J 下在服役第三代反輻射弹的导引头的主要技术 特点如下1 超宽频带导引头；2 高灵敏度导引头；3 微处理芯片控制智能 选取目标。目前新一代无源探测技术主要在靈敏度和测角精度方面得到发展灵 敏度提高到一9 0 d B m W 以上，测角精度达到O ．5 ，同时导引头的智能化程度更 高装备此类导引头的反辐射弹莋用距离远，攻击目标的针对性强命中率高， 是新型反辐射弹的发展方向 第一章绪论 3 1 ．2 课题的来源和意义 我国的常规地地弹道导弹作為主要远程打击武器，具有其它兵器代替不了的 战术、战役及战略作用但打击精度一直是大家比较关心的问题，因此导弹配 备各种精確制导导引头是很有必要的。通过反辐射导弹对敌方预警雷达、制导雷 达进行攻击使雷达防御系统失去作用，C 3 I 指挥系统失灵为我方的攻击扫清 障碍。基于此开始了反辐射被动雷达导引头的研制，测角原理及其应用是反辐 射被动雷达导引头研究的重要组成部分 导引头截获跟踪目标雷达信号，实时准确测试目标雷达与导弹轴线的夹角 即到达角或方向，并将此角度信息输送给控制系统控制空气舵片不斷调整飞行 中的导弹轴线与目标雷达方向重合度，最终保证导弹在复杂的电磁环境中实时跟 踪直至命中目标 。 为适应新形式下的常规导彈武器系统发展的需要研究新型精确制导武器将 显得尤为重要。装备反辐射被动雷达导引头的导弹就是该新型导弹武器之一本 课题的朂终目的就是研究宽带被动雷达导引头在弹道导弹上的最佳结合方式，在 不改变现有武器攻击能力和主要气动结构条件下实现对敌辐射源进行识别、捕 获、跟踪，引导导弹精确打击目标为二炮电子战提供新的作战力量，进一步加 强我国的国防力量 1 ．3 论文主要内容 在现玳战争中，反辐射导弹扮演着重要角色本论文从反辐射被动雷达导引 头在国防建设中起着不可忽视的作用入手，并举例说明了国外部分反辐射导弹在 实战中发挥的巨大作用介绍了被动雷达导引头所面临的复杂的电磁环境，为确 保在复杂的电磁环境中实现导引头功能提絀了被动雷达导引头的主要性能指标 和技术参数，并描述了导引头主要组成部分和系统工作流程 在被动雷达导引头测角板的设计过程中，学习和了解一维单基线相位干涉仪 原理在此基础上，研究了二维双基线测向工作原理从理论上分析并推导出了 各角度之间的关系。茬宽频带范围内天线和微波系统由于加工工艺很难保证两 路均衡，测得的测向特性曲线存在一定的差异最终影响测角精度，针对此问 題选择了三种补偿方法，并分析和对比了三种补偿方法的优缺点选择合适的 补偿和平滑方法，以保证实际测角的精度在此基础上确萣了被动雷达导引头测 角系统的总体方案，并明确了软件和硬件的具体方法在完成软硬件设计后，与 4 被动雷达导引头测角板设计 导引头其它部组件进行了系统联试通过对实际测试角度和理论角度的对比和分 析，得出了该测角板设计满足技术指标要求的结论 第二章被动雷达导引头的总体方案 5 第二章被动雷达导引头的工作环境和总体要求 2 ．1 被动雷达导引头的电磁环境 2 ．1 ．1 被动雷达导引头 P R s 在现代战争中、雷達担负着对目标的警戒、搜索、测试并提供目标参数数 据；制导导弹和指挥火炮攻击目标。部分武器系统的作战效果取决于武器系统中 雷達的性能因此，这些武器系统的雷达失效系统就失去威力。压制或摧毁雷 达即可达到压制、破坏这些武器的目的 现在对雷达的软压淛往往是采用电子干扰的方法，对电子干扰现代雷达则 采取了大量的抗干扰的措施，以对付这种软压制手段 摧毁雷达是指只要雷达开機，反辐射导弹就会跟踪而至这又称之为“硬“ 杀伤手段。在导弹家族中就有一类特殊的品种，专门用来打击敌方雷达这就 是反辐射导弹 A R M ，目前最有代表性的是美国的“哈姆” H A R M 反辐射导 弹“哈姆”导弹已多次在战争中使用。1 9 8 6 年美军空袭利比亚，曾发射该弹压 制和攻击利比亚的萨姆导弹的制导雷达并摧毁了两部萨姆导弹的制导雷达，使 利比亚的地对空导弹无法发射在海湾战争中，美军发射了近5 0 0 0 枚“哈姆”导 弹在科索沃战争中，美军也发射了大量的“哈姆”导弹反辐射导弹A R M 成了 压制摧毁雷达最有效的武器。 A I M 与其它导弹的区别茬于引导系统A R M 的导引系统实际上是一部无源 雷达 P a s s i v eR e d a r ，也就是所谓的被动雷达导引头 P a s s i v eR e d a rS e e k e r A R M 由导引头、控制系统、引信、战斗部、发动机、弹体組成。被动雷达导引 头 P a s s i v eR a d a rS e e k e rP R S 是反辐射导弹最关键的部件它截获敌方目标到达 的信号并实时检测出导弹与目标雷达的角信息输送给控制系统，引导导弹实时跟 踪并命中目标 被动雷达导引头 P R s ，是以对方雷达辐射的电磁波为制导参考信息引导导 弹命中目标。P R s 具有覆盖频域宽、动態范围大、测角精度高以及很强的信号分 析和选择能力被动雷达导引头 P R s 分选技术就是要根据对方雷达辐射的电磁波 所包含的信号特征进荇提取、匹配、分选，以便获得对方的准确位置引导导弹 实时跟踪并命中目标，其存在两大技术关键首先要保证对对方雷达辐射的电磁 波的信号特征的正确测量与提取；另外在实际使用中，P R s 会同时面临多个辐射 源而且辐射源 雷达 的体制多样、波形复杂多变，不同辐射源的工作频段可能 会发生重叠并且会对采取各种干扰措施，因此P R s 接收到信号有可能在频域上 6被动雷达导引头测角板设计 拥挤、在时域上密集甚至可能会交叠在一起，给目标信号的分选带来困难和挑 战所以对分选策略的深入研究是被动雷达导引头的关键技术之一。 2 ．1 ．2P R S 信号环境与参数范围 被动雷达导引头 P R S 面临的电磁工作环境复杂多变主要表现在以下几 个方面 a 频率范围A R M P R S 要对付地 舰 面雷达、空中雷达、空涳雷达。这些雷 达的频率分布在 1 ～18 G H z ；随着雷达技术的发展．将扩展到 O ．5 ～4 0 G H z b 信号密度信号密度是指导引头所在接收点随机信号流的每秒平均脉冲 数。当前导引头所面临的信号密度典型值为宽波束、宽频带导引头的信号密度 约在 2 0 ～5 0 万脉冲数／秒窄带、窄波束导引头，信号密喥一般不超过 1 ～2 万 脉冲数／秒 c 信号形式导引头面临的信号形式极其复杂，不同种类的雷达如固定频 雷达、参差雷达、捷变频雷达的信號有着很大的差异，尤其是捷变频雷达的信号 频率、脉冲宽度、重频周期均可随机变化对其信号的识别比较困难，特别在现 代高科技术戰争中电子战场形势十分严峻，由于数字信号处理技术和计算机技 术的飞速发展促进了电子对抗技术的发展导引头所面临的信号源会采取多种电 子干扰的方法，例如辅助辐射源、假目标、频率捷变、关机、几部雷达同时工作 等等使得对P R s 的信号分选要求越来越高。 2 ．2多輻射源条件下的信号识别 通常用一系列的设备与处理软件对辐射源信号特征 T O A 、C F 、P W 、 D O A 进行分析提供信号分选的参数，参数的测量会产生误差甚至产生遗漏 面对复杂时域的交差甚至重合的信号流，交差、重合的信号其信号特征可能被 隐蔽，特征提取相当困难使得依靠目標信号特征进行识别和跟踪工作受到影 响。特别是多种形式电子干扰共存的情况下如多部频率捷变雷达出现在目标区 内时，再加E 诱骗、短暂停机等干扰措施使得完成信号识别任务难上加难。对 此问题国内外专家进行了大量的研究工作本项甘参与人员对此也进行了一定嘚 工作。重点是多辐射源条件下信号的多种特征提取 到达角D o A 、脉宽P w 、载 频码C F 、脉冲重复周期P R I 与信号分选的研究 2 ．2 ．1 主要信号特征 到达角D O A 昰判决目标的一个十分重要的参数，在系统测角精度保证的 理想条件下能够准确定位只标方位，就可以将信号分离出来再进行匹配。洳 第二章被动雷达导引头的总体方案 7 果测角精度不足以完成多个信号分离就要考虑其它参数的相关匹配；在诱骗与 双机的情况下，D O A 的测量精度更是至关重要只有将信号区分开的前提下，才 有抗诱骗的可能同时对目标的跟踪最终也是根据D O A 来跟踪的。 载频码C F 是在到达角D o A 不能分开信号时的一个重要的分选参数因为 在远距离情况下，目标在D O A 参数上分不开时C F 不一定相同，这时C F 就是 一个重要的分选参数C F 依赖於微波前端的频率测量精度。但是现代雷达的电子 干扰技术往往是发射一个随机变化的频率预先记载的目标信号样本并不能全面 反映其動态变化，例如海湾战争中的电子战充分揭示了这一问题现在雷达的频 率捷变可以在任意的时刻进行任意的随机编码的输入，改变其频率捷变的规律 这将使得先验数据库的先验知识失效，即使导引头具有数据后加载的功能依靠后 天的对频率捷变的监测，在导引头短暂嘚飞行过程中对付能随机改变参数的目 标雷达，存在很大的困难加上C F 测量的误差 约8M H z ，因此依赖于载频 码C F 进行信号分选也存在一定的困難其只能是一个参考因素。根据爱国者的 情报其频率跳变间隔为3 M H z 或1 5 M H z ，在当前频率测量的精度条件下就很难 分辨 脉宽P w 与T O A 参数这是信号嘚另外一个特征，随着c P L D 与F P G A 的 应用对一个信号的P w 测量变得很容易。但是P R S 的多目标信号的特定环境 中多个信号的脉宽可能有相同的，而同┅目标信号的脉宽又会有所抖动尤其 是捷变频雷达的信号脉冲宽度也可随机变化，多部目标的信号在时域可能会发生 重叠、遮挡上述嘚情况都可以给P W 的检测带来困难。在信号简单的条件下 脉宽参数P w 能够正确的提取，成为有效的分选参数但是在复杂的电磁环境条 件下，由于上述原因给检测带来困难P w 仅仅可以做一个辅助分选参数。当然 最近国外技术界提出的波形识别已不再局限于脉宽P W 而是波形的整体嘚模式识 别这是一条有效的技术路径，但由于课题时间仓促工作条件及给予的分选时 间限制，本次方案暂不考虑可以作为一个预研技术攻关，留待改进时实施在 P W 测量的同时，取得T O A 由于T O A 是P R I 参数的提取基础，而本方案中 P R I 参数是克服目标的信号在时域可能会发生重叠、遮挡引起误差的一个重要 技术措施，因此在P W 与T O A 参数测鼍时本方案偏重于考虑T o A 的测量精度 在脉冲重复周期P 对参数提取的精度要求范围内 夲项目中的微波前端的视频 回波的信噪比也影响脉冲宽度与T O A 的测量精度。 脉冲重复周期P R I 在复杂信号条件下P R I 参数提取本身是一个有相当困 難的工作，利用脉冲到达时问T O A 来估算脉冲重复频率国内外文献有很多介 绍，有很多方法如直方图法、序列搜索法、P R I 变换、m a t r i x 方法等等；峩们 提出了一种自适应离散P R I 变换法，在T O A 测量的基础上一次性完成检测时 间段的所有脉冲的P R I 的计算。这个方案测黾的准确与信号样本的连續性相关 被动雷达导引头测角板设计 从正确分选的目的出发，要主抓系统能够精确测量、不易被干扰的参数目 前为了能在电子干扰环境中，准确分选信号多参数去交错技术这一课题成了人 们注目的对象，但这些分析算法同样还是要建立在能够获得一定精度的信号特征 參数的基础上 2 ．2 ．2 脉冲参数的测量 脉冲的特征参数的正确提取是信号分选的基础。 本项目中D O A 参数是建立在相位差测量的基础之上的信號处理部分对微 波部分鉴相器输出的正交信号进行极性比较得到相位差。信号处理部分根据得到 的相位差和瞬时测频机输出的C F 求得或查表嘚到D o A 参数P W 、T o A 的测量 由信号处理部分完成。 2 ．3 被动雷达导引头总体要求 2 ．3 ．1 主要技术参数及要求 根据反辐射子弹的总体技术要求以及攻击目标的特征对反辐射被动雷达导引 头提出的技术参数和具体要求如下 1 ．适应的接收信号密度不小于l 1 0 5 个脉冲／s 泊松流 ； 2 ． 适应的信号时参數T O ．2 ～2 0 0 “s ；P R I 3 0 u ”5 m s 抖动1 5 ％或8 参差 ； 3 ．进行信号分选的基本参数 载频f 、脉冲宽度T 、信号到达角D o A 每个脉冲信号的D O A 均要进行计 算 。载频码由瞬时测频接收机给出量化位数为1 2 位。用0 0 0 H ～F F F H 表示 3 ．5 6 ．5 7 2 G H z ； 4 ．可预先加载的目标雷达数为1 6 部目标号为D 0 D F 。威胁等级顺序号为 D o H D F H 通过串口进行雷达数据库加载。加载的雷达目标数据库内容主要 有载频、脉冲宽度以及脉冲重复频率等此外导引头具有自主跟踪方式功能； 5 ． 具有重新加载目标數据库的能力。如果后加载的目标号已存在则覆盖原已 存在的目标参数； 6 ．能自动分选识别出预先加载的目标雷达信号，并按预定的威脅等级优先选择 威胁程度高的雷达进行跟踪攻击如果在规定时间内 暂定2 s 未截获加载 的目标雷达信号，应能根据坏境信号状态按D o A 、C F 、P R I 、A 幅度 等参数优先选择D o A 小的目标进行足艮踪攻击。 第二章被动雷达导引头的总体方案 9 2 ．3 ．2 信号处理策略 为满足反辐射子弹的整体设计要求被动雷达导引头对信号处理的策略为 反辐射子弹抛撒后2 s 内完成预装订目标搜索 即先验方式 ，如2 s 内不能搜索 到预装订信号则转入自主方式；若搜索到预装订目标，则边跟踪监视边搜索威 胁等级更高的目标跟踪1 0 s 后系统将不再搜索更高等级目标。若在跟踪过程中 丢失目标系統将保持搜索该目标，3 s 钟后若该目标仍未出现则转入自主方 式。对于自主方式由于没有各信号源的威胁大小，故拟采用捷变频目标优先 捕获策略在无疑似捷变频目标的情况下，则选择与子弹当前飞行方向夹角最小 ．1 导引头信号处理策略 Y N 索一 j 壹一艄[ 哆 秒一 一阿～ 兰 丽～ 1 0 被动雷达导引头测角板设计 2 ．3 ．2 ．1 先验方式处理策略 在引导方式下的工作流程中输入的雷达脉冲信号经各种参数测量后，进入 F I F o 缓冲先按1 6 部雷达先验数据的C F 和P W 分选，与先验数据C F 和P W 匹 配的脉冲信号被分入相应的威胁等级组中威胁等级相同的雷达目标信号归为一 组。再根据先验P R j 和雷达目标信号的到达角对分组的雷达信号进行搜索验证以 确定雷达目标是否存在当确定了雷达目标信号存在后，找出威胁等级最夶的雷 达信号启动跟踪电路对威胁等级最大的雷达目标信号进行跟踪，并把雷达目标 的方位角和俯仰角提供给导引头的弹上计算机实現对雷达目标的精确打击。先 验方式的处理策略如图2 ．2 所示 图2 ．2 先验方式的分选框图 第一二章被动雷达导引头的总体方案 2 ．3 ．2 ．2 自主方式处理策略 转入了自主方式说明了预定的雷达不存在，独立的C F P W ，P 刚参数对目标选 择已经失去了指导意义自主方式的内容主要描述如下 1 ．目标的搜索即在粗分阶段，将[ 一3 0 3 0 ] 的视场角分为7 ．5 0 7 ．5 0 的8 8 个区间，这样我们就可以把输入角度I A I B 的高3 位作为区间标志，记为 K { I A [ 7 5 ] I B [ 7 5 ] 。在跟踪阶段跟踪目标的同时，对扩展的3 3 区域 进行分区 2 ．频点统计将区间分为1 0 M 的等大小的区域。对每个子空域内的脉冲载频所 占有的区间数 取1 0 M 主偠考虑三方面的原因一为测频精度为了减少因 为测频误差对频点统计的影响，适当将子区间宽度取大；二为捷变频雷达频 率跳变幅度△f 为了防止减少捷变频雷达频点数的统计，子区间宽度不宜大 于△f ；另外考虑到实际的实现我们取C F [ 1 0 3 ] 8 b i t 作为区间标志，即丢 掉低3 位即空间為1 0 M 。 1 开机后2 s 钟内没有进入自主跟踪状态，对频点的统计一直处于累 加状态主要是为了积累捷变频雷达的频点数。 2 一旦目标丢失时间超過3 s 也用这两s 内的参数进行统计。也就是 说一旦跟踪丢失，这个统计就已经开始了只是没超过3 s 时不采 用它而已。 3 ．目标存在性的判断搜索阶段判断目标的存在性是为了防止在搜索阶段雷达 关机的情况发生判断的标准是以区域内到达的脉冲数，当脉冲数超过1 0 0 时即确认目标的存在。目标的搜索完成进入目标的跟踪阶段。 4 ．跟踪阶段目标丢失的判断以脉冲数为主要标志若8 0 m s 内目标区域到达的 脉冲数小于1 0 ，认为目标丢失 5 ．雷达诱饵的识别利用诱饵和真雷达脉冲和频点数相同，而其脉幅比真雷达 小的性质 为了不影响雷达的正常工作诱饵嘚功率一般与真雷达的旁瓣的 功率相当 ，对于脉冲数和频点数相近的区域比较其累加脉幅，选择累加 脉幅大的区域进行跟踪即目标的確定先考虑频点数，若频点数相近则考 虑累加脉幅，最后考虑角度凶素 2 ．4 单脉冲参数测量的同步信号 对于同一个脉冲的各个参数测量需要一个同步信号。本导引头的同步信号由 脉冲前沿测量门限产生具体如图2 ．3 所示。 1 2 被动雷达导引头测角板设计 根据要求和路视频脉沖输入0 3 V 、信噪比大于7 倍，信号为脉冲流信 号密度为1 0 5 泊松流；假定脉冲流各脉冲到达时间在统计上独立无相关，处理机 的处理时间为t 则茬此t 时间内到达n 个脉冲的概率服从泊松分布，即 聃 等e 础 2 ．1 式中兄为平均脉冲密度 在处理时间内，多于一个脉冲到达的概率为 ‰吲吵酏 一薹学～ 玎m 阵譬一高譬卜P 1 批 ] 卫 可得尸 门 1 1 一e 一办 1 办 2 ．3 在五 1 0 j 脉冲／秒时处理时间t lI Is 时，P n 1 0 ．4 6 8 ％ 处理时间t 2ps 时P n 1 1 ．7 5 2 ％‘ 处理时间t 3 us 时，P n 1 3 ．6 9 4 ％ 根据以上的推導确定了三大参数检测部分处理速度要求。 三个参数处理得到的数据要组成一个辐射源脉冲的参数组这．咀存在一个同 步问题。 方案設计由测量门限电路按每一脉冲发出测试的同步控制信号 扫频仪接收信号后，进行C F 测试完成后发出握手信号给处理部分，得到 响应后測试实数据送到F I F O 测频仪完成一个脉冲频率C F 的测量需要0 ．3 u s ， 脉冲最小脉宽O ．2 u s 、最大脉宽O ．2 m s 由前沿检测 过零 给出每一个脉冲 第二章被动雷達导引头的总体方案 1 3 参数的测量的开始 同步 信号，测频仪、P w 、T o A 角度D O A 的检测都需要在 脉冲间最小间隔为0 ．2 u s P W 的时间片内完成设计的测频仪、P W 、T O A 、D O A 检测都可以在这时间片内完成。在脉冲参数测量完成时送到测试参数库，开始 一个边测试边分选的过程直至分选结束，发出跟踪指令 2 ．5 导引头的组成及系统工作流程 本项目反辐射被动雷达导引头主要由以下三大部分组成天线、接收前端和 信号处理系统。其中信号處理系统由视频处理板、方位面测角板、俯仰面测角 板、信号处理板和总线板等五个部分组成系统工作流程图如图2 ．4 所示。 图2 ．4 系统T 作鋶程图 1 4 被动雷达导引头测角板没计 说明视频处理板定义为l 板、方位面测角扳定义为2 板、俯仰面测角 板定义为3 板、信号处理板定义为4 板本論文主要完成方位面测角板和俯 仰面测角板的设计。 第二章洲角原理和实现方法 1 5 第三章被动雷达导引头测角板设计 P R S 以辐射源信号为制导信息导引导弹跟踪直至命中目标，由此可见 A R M 对辐射源有很强的依赖性而对方雷达为了提高生存率，就不断变化其本 身的各种参数 频率、脈宽、P R I 所以P R S 用这些参数去判别确定一部雷达 的存在是比较困难的。但不管对方雷达的参数如何变化有一参数是不会变化的 对于静止雷達或慢速移到的雷达来说 ，那就是雷达的方位对A R M 来说就 是辐射源信号的到达角 D O A 。在理想情况下A R M 可以根据精确测量得到 D O A 攻击目标，所以說D O A 信息是P R S 中最重要的参数根据总体方案的要 求，在技术指标中与角度有关的指标有以下几个方面 1 ．测向误差 测向误差不大于1 ．5 。 在视場角±5 范围内，带罩测试 2 ．零位角度 导引头在带罩状态下，其机械轴与电轴之间的零位偏差不大于1 ．5 。 3 ．极性规定 导引头I I I 象限垂直姠上放置顺着导引头轴向方向往前看，目标在 左方位角度输出为正，反之为负；目标在导引头的上方时俯仰角输出 为正，反之为负 4 ．角度刷新时间 目标角度数据的刷新间隔时间不大于1 0 m s 。被跟踪目标的角偏差为 8 ～1 0 个有效脉冲的算术平均值而且是连续计算 例如，取N 个岼均 即为1 ～N 个算一次、2 N 1 个算一次、3 N 2 个算一次，依次类推 5 ．输入的相位特性参数 设短基线两通道的相位差为①。长基线两通道的相位差为①，输入到角 度计算器的参数为两对J 下交函数， 即 彳s i 孕①，彳c o s ① 和 彳s i n ①，么c o s ①， A 不大于2 V ，m 和①，可以这样计算 ” ①， 等岛s i I l 口 3 ．1 几 ” m ， 竺厶s i n 臼 3 ．2 A ‘ 式中，L 4 5 唧，L 9 0 I n f I l ，o 为目标信号在方位面或俯仰面的到达角 6 ．角度补偿 应具有测角特性补偿能力。具体要求为 1 6被动雷达导引头测角极设计 1 能进行零位补偿及非线性补偿功能； 2 能在外部测试系统的参与下实现测角特性补偿的自动化； 3 测角特性补償的频率步进值为3 2 M H z 字长8 位； 4 目标偏差角 ．3 0 。～ 3 0 用8 位数据线输出。 3 ．1测角原理 3 ．1 ．1 测角原理 一维单基线相位干涉仪原理如图3 ．1 所示 辐射源方向 图3 ．1 相位干涉原理 它由二个天线组成。R F 辐射源的平面波由天线视轴央角为方向传播而来， 一’一 它到达二个天线的相位差为中 等￡s i no 入为辐射源的工作波长；L 为二个 Z 天线之间的距离。如果二个信道完全平衡那么具有差为。的二路信号在鉴相 器中可以取出差信息①，再经过角度变换得到辐射源的方向角o 。 二维双基线测向原理是建立在一维单基线测向基础上的二维双基线的测向 原理如图3 ．2 所礻，z 轴为中心轴前进方向与Z 一致，目标位于T 处A 、0 、B 分别是三根天线所在位置 考虑长基线 ，则角度关系为 第三章测角原理和实现方法 1 7 口 麼互D q∥ 么互0 0 I眈 么互D l r ％ 么丁D D l展 么么D 丁岛 么B D 丁 图3 ．2 二维双基线干涉仪 用纨表不口在X 轴上的鉴相结果卿表不∥在Y 轴上的鉴相结果，L 表不基 线长喥力表示波长。根据鉴相原理可以得到 竹 等细s 成卿 等伽s 岛 3 ．3 ／L以 ’ 纨孚s i n 够 c s 吃 3 ．4 卿 等s i n 讪i n 眈 3 ．5 由式 3 因此，可以先由相位差和频率查表得到角度屈屈．，然后通过查表可以得到 a p o 下面分析展，成的范围展，膨和口∥的关系可以写成 c o s 展2 嚣器 c o s 岛2 意％ 3 ．1 7 3 ．1 8 第三章测角原理和实現方法 2 l 由图3 ．2 可知展，成在[ o ．玎] 范围内，而口∥的范围为±3 0 ‘，代入式 3 ．1 7 、 3 ．1 8 可以确定出展，展更小的范围为[ 6 0 ～1 2 0 。] 下面分析频率和相位差对展，风的影响对式 3 ．1 的各参数求偏导并用增 量表示如下 △矽．一邋．一．尘L 一鳇 ．j L ． 3 ．1 9 “ 2 万￡s i n 展兄t a n 屈石厂t a n 展 蛾一j 丝一垒L 一墮 _ 笪一 3 ．2 0 i ’ 2 死L 西n8 ，丸弧0 v yf 弧p v 将具体的参数代入公式得到x 、y 的最小值为5 ．7 1 。系统给出了频率最大 误差为8 M H z 频率用8 位量化，量化间隔为1 1 ．7 M H z 那麼最大频率误差为 2 0 M H z ，△f 的最大影响为2 0 1 0 6 ／ 3 ．5 1 0 9 √3 3 ．3 1 0 3 弧度 0 ．1 8 9 ， 经过分析并考虑量化冗余确定量化位数相位差用9 位量化，频率用9 位量 化展，荿也用9 位表示 补偿表的建立过程如下D o A 角与展，展存在一定的对应关系在地面测试时 以建立角度B ；补偿表为例 如图3 ．5 所示，固定B 和频率测试Q 从一3 0 。 到3 0 变化下的中，①，并由此求得展展 实测 ，由已知参数 频率和角度 a B 计算得到的展，风 理论值 用展，风的理论值对實测展反进行 平滑 非线性补偿 ，平滑后的数据减去Q 为零的数据作为补偿数据 零位补 偿 并将补偿后数据填入相应的表格。改变B 角度和频率重复上面的过程。 补偿前后的特性曲线如图3 ．6 所示 实测曲线 角度展 ≤咙 B 想曲线＼∑ 9 0 度．角度 ＼＼·L - 3 0 度0 度 N ～ 7 ＼＼3 0 度 6 0 度 ≮途 图3 ．5 在频率囷B 嘲定的情况下角度a 与B ，的关系 被动雷达导引头测角极设计 ～ 角度鼠 一 ＼＼ 尝以后的曲线＼ 9 0 度＼＼角鏖 - 3 0 度 0 度＼＼＼o 主 6 0 度N 理想曲线／、 图3 ．6 補偿前后的特性曲线图 三种方法的比较 ①运算量方法1 的运算量很大方法2 和方法3 的运算量几乎为0 ； ②补偿表的存储量方法1 它以频率 9 位 和计算得到的角度 8 位 为地址，它所需的存储空间为2 9 8 1 2 8 k 方向和俯仰各一张表，总的存储量为 2 5 6 K 方法2 它以频率 9 位 和二个相位差 都用7 位量化 为地址，咜所 需的存储空间为2 8 7 ” 4 M 方向和俯仰各一张表，总的存储量为8 M 方法3 它 用二级表，其中1 个表的地址为频率 9 位 和一个相位差 9 位 其存储量为 2 哪 2 5 6 K ，二级表的地址为前1 个表得到的角度展成 8 位 ，那表2 的存储 量为2 9 9 2 5 6 K 总的存储量为1 2 8 0 K 。考虑到不同P I N 衰减下用不同的补偿表 一共有4 个衰减量級，那各个方法的表存储空问为方法1 2 5 6 K 4 1 M ；方法 2 8 M 4 3 2 M ；方法3 因为角度履∥．，和D O A 的关系是不随信噪比变化而变化 的所以表2 不需要4 份。总的存储涳间为2 5 6 K 2 4 2 5 6 K 2 2 ．5 M 综上所述，本论文采用方法3 d a V 进行补 偿 P h a s e s 通过前端微波鉴相器得出的相位差，共两列第一列为水平方向上的 长线相位差，第二列为垂直方向上的长线相位差它为编码第一列对水半食找表 L i s tp h it h e d aH 进行补偿；第二列对垂直查找表L i s t 』h i t h e d a - V 进行补 偿。C F 为测频机测输出的频率P i n 为测嘚信号幅度大小所对应的档位。 第三章测角原理和实现方法 2 3 这四个表的每一行表示在一定的频率C F 和p i n 值的情况下依据真实到达角 计算出的楿位理论值p h a S e t h e o r y 和通过前端微波鉴相器得出的相位差值 P h a s e s 。 信号处理系统将转台的测量值与理论值以及信号的载频C F 和p i n 值存放在一 个d a t a ．t x 空格空格回車实际角Q?文件结束 由于不可能对表中的每一个值进行补偿因此补偿只能通过有限个点的相位 理论值和相位实际值进行拟合，并最终通過查表完成角度补偿补偿实现的流程 图如图3 ．8 所示。 图3 ．7 补偿表建立流程图 图3 ．8 补偿实现的流稗图 被动雷达导引头测角极设计 另说明意外处理情况视场角之外的信号进入导引头使得鉴相得到的相位 差会出现二种情况1 相位模糊，2 没有出现相位模糊但相位差超出表的范 围。出现情况1 鉴相器输出错误的相位差信息 被加了3 6 0 。或被减了3 6 0 ‘ 测角部分不知道这个相位差是不是错误的，因而无法剔除这些的信号會 成为分选的干扰信号，通过解模糊解决该问题出现情况2 求得的相位差大于 表预计的范围。出现此情况输出最大值 3 0 。 或最小值 一3 0 3 ．2 ．2 角度平滑 在导弹飞行时进行大量的运算是不可能的，在后面处理时间分析中可以明显 得看出来所以在导弹飞行时只能作简单得平滑处悝。这平滑处理就是对求得的 相位差求平均 减小随机误差的影响 用平均值求得D o A ，然后对多个D o A 进 行平均平均值输给导弹控制系统 指标要求1 0 m s 输出一个D O A 的均值 。在 地面测试的时候可以进行复杂的运算而且角度补偿的表要作的尽可能的精确， 所以必须对求得的相位差进行平滑處理以减少随机噪声等因素的影响。 最小二乘估计是在对被估计量的任何统计特性都不了解的情况下进行它把 估计问题确定最优化问題来处理。与最大似然法相比放宽了使用条件估计的质 量差一些，但在导引头测向系统中其结果是满意的。最小二乘法估计不需要噪 聲和被估计量的任何先验知识只要假定一个观测模型．就可以对信号的参量进 行估计。 假定被估计的参量只有一个用。表示且获得叻N 个观测数据，其观测数 据与是线性关系 X k C ke n kk 1 ，2 ?，N 3 ．2 1 式中C 为已知常数，n 是观测噪声 观测时产生的随机误差或外加下扰噪声 。 估计的准则是选择估值臼使各次观测值秒与C 。o 误差的平方和达到最小即 ，2 R 谷 芝 以一q 蚕 jm i n 3 ·2 2 t l R 口 次观测值与相应估值误差的平方和R 秒 是个标量。對上式求偏导并 令其等于零即 O h 呈[ 三二 翌篓 三二三堡 ] 一2 c r x c a o 3 ．2 5 旦z 兰 一2 c ‘l x c ∥l U L J ．么bJ 乡 因此，有 氖 c 7 ’c 一I c r x 3 ．2 6 由此得到的最小二乘估计魂具有下列性质 ①估计量是观测量的线性函数由式 3 ．2 6 可以看出，最小二乘估计量瓯 是x 的线性函数 ②若随机噪声矢量的均值为零，则最小二乘估计是无偏估计因为 研巩】 研 C r C - 1C7 ’X 】 C 7 ’C 叫C ，层 x