一種雙通道雷達(dá)接收機(jī)的測(cè)角技術(shù)

茹勝華

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

測(cè)量彈目視線角是雷達(dá)導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行角跟蹤的前提。在雷達(dá)導(dǎo)引頭中，振幅和差式單脈沖雷達(dá)天線是一種常用的探測(cè)傳感器，與其配套的測(cè)角處理方式有多種。有一種測(cè)角系統(tǒng)，它采用雙通道接收機(jī)的處理方式提取目標(biāo)的俯仰和偏航角誤差信息，從而完成對(duì)目標(biāo)偏離角度的測(cè)量。該雙通道接收機(jī)處理方式可以降低對(duì)回波接收機(jī)中頻放大器性能的一致性要求，使對(duì)器件的要求也相應(yīng)得到降低，具有較好的工程實(shí)現(xiàn)性。雖然單脈沖測(cè)角系統(tǒng)早已廣泛應(yīng)用，但是對(duì)于一個(gè)新測(cè)角系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文依然有一定的借鑒意義。

1 測(cè)角原理

雙通道測(cè)角系統(tǒng)的接收機(jī)擁有兩個(gè)特性相同的AGC中頻放大器，分別處理“和+差”（Σ+Δ）與“和-差”（Σ-Δ）中頻信號(hào)，所用回波天線為振幅和差式單脈沖雷達(dá)天線，天線上的和差器將目標(biāo)的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成“和”微波信號(hào)（即Σ 微波信號(hào)）、高低方向上的“差”微波信號(hào)（E 微波信號(hào)）、方位方向上的“差”微波信號(hào)（A 微波信號(hào)）輸出，由此天線的測(cè)向坐標(biāo)是“+”字坐標(biāo)（垂直方向上的坐標(biāo)軸稱高低坐標(biāo)軸，簡(jiǎn)稱E 軸；水平方向上的坐標(biāo)軸稱方位坐標(biāo)軸，簡(jiǎn)稱A 軸），而天線的轉(zhuǎn)角驅(qū)動(dòng)（執(zhí)行坐標(biāo)）一般是“×”型坐標(biāo)（俯仰方向，簡(jiǎn)稱P軸；偏航方向，簡(jiǎn)稱Y 軸）?！啊痢毙妥鴺?biāo)系是“+”字坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)了45°角的坐標(biāo)系，它們之間有一個(gè)45°角的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

雙通道測(cè)角原理框圖如圖1所示。從回波天線輸出的信號(hào)是“和”微波信號(hào)（即Σ 微波信號(hào)）、高低方向上的“差”微波信號(hào)（E 微波信號(hào)）、方位方向上的“差”微波信號(hào)（A 微波信號(hào)）。E 微波信號(hào)與A 微波信號(hào)按正交方式，經(jīng)微波調(diào)制合成器調(diào)制成兩個(gè)正交的微波調(diào)制信號(hào)，并且又在微波調(diào)制合成器內(nèi)進(jìn)行相加，最終形成Δ 微波信號(hào)。Δ 微波信號(hào)再送入下一級(jí)的微波疊加器，在微波疊加器中又進(jìn)一步與微波“和”信號(hào)（Σ 微波信號(hào)）進(jìn)行加減，輸出（Σ+Δ）微波信號(hào)和（Σ-Δ）微波信號(hào)。（Σ+Δ）微波信號(hào)和（Σ-Δ）微波信號(hào)又與微波本振混頻后，再經(jīng)中頻放大、AGC 歸一化和檢波，轉(zhuǎn)化成低頻的（Σ+Δ）／Σ 信號(hào)和（Σ-Δ）／Σ信號(hào)。

圖1 雙通道測(cè)角原理框圖

將（Σ+Δ）／Σ 信號(hào)和（Σ-Δ）／Σ 這兩個(gè)信號(hào)相減，得出Δ／Σ信號(hào)，再用調(diào)制源移相45°的同步信號(hào)u1和u2來對(duì)Δ／Σ 信號(hào)進(jìn)行鑒相解調(diào)和濾波，得出坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)45°的俯仰角誤差電壓和偏航角誤差電壓［1～3］。

2 測(cè)角解算

Σ微波信號(hào)是回波天線的“和”微波輸出信號(hào)，其值為uΣsin（2πf0t），其中f0為目標(biāo)反射信號(hào)頻率，uΣ是與回波天線接收到的電磁信號(hào)大小正相關(guān)的電壓值，并假設(shè)天線和差器的相移為零。E微波信號(hào)是回波天線的“高低”輸出微波差信號(hào)，其值為uEsin（2πf0t），uE是與回波天線接收到的電磁信號(hào)大小相關(guān)的電壓值，并與目標(biāo)偏離天線軸的夾角θE成正相關(guān)，當(dāng)目標(biāo)小角度偏離天線軸時(shí)，uE≈k1uΣθE，k1為一比例系數(shù)［1］。A 微波信號(hào)是回波天線的“方位”輸出微波差信號(hào)，其值為uAsin（2πf0t），uA是與回波天線接收到的電磁信號(hào)大小相關(guān)的電壓值，并與目標(biāo)偏離天線軸的夾角θA成正相關(guān)，同樣，當(dāng)目標(biāo)小角度偏離天線軸時(shí)，uA≈k1uΣθA

［1］。Δ 微波信號(hào)是個(gè)調(diào)幅信號(hào)，微波調(diào)制合成器的等效數(shù)學(xué)模型如圖2所示。微波調(diào)制合成器的輸出信號(hào)表達(dá)式為

圖2 微波調(diào)制合成器的等效數(shù)學(xué)模型

式中：ω1為微波調(diào)制合成器的調(diào)制信號(hào)角頻率；uω為調(diào)制信號(hào)的幅度，uΔ＝uω（uE2+uA2）1／2，φ＝arctan-1（uE／uA）。

微波疊加器對(duì)Σ 微波信號(hào)和Δ 微波信號(hào)作加減運(yùn)算，輸出（Σ+Δ）微波信號(hào)和（Σ-Δ）微波信號(hào)。其中（Σ+Δ）微波信號(hào)表達(dá)式為

（Σ-Δ）微波信號(hào)表達(dá)式為

式（2）和（3）中，m＝uΔ／uΣ是調(diào)幅度。

微波疊加器的等效數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。

圖3 微波疊加器的等效數(shù)學(xué)模型

調(diào)制源，一方面驅(qū)動(dòng)微波調(diào)制合成器將E 微波信號(hào)和A 微波信號(hào)調(diào)制成兩個(gè)正交的微波調(diào)幅信號(hào)，另一方面又輸出與驅(qū)動(dòng)微波調(diào)制合成器的調(diào)制信號(hào)（uωcosω1t和uωsinω1t）同步的且又移相45°的正弦解調(diào)信號(hào)u1和u2，其中u1＝uωsin（ω1t+π／4），u2＝uωcos（ω1t+π／4）。u1和u2對(duì)檢波后的低頻Δ 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的基準(zhǔn)信號(hào)。u1和u2信號(hào)的45°滯后相位是移相器的移相結(jié)果。

圖1中，移相器是將u1和u2信號(hào)作一個(gè)相位移動(dòng)（相對(duì)于調(diào)制信號(hào)uωcosω1t和uωsinω1t），它被用來實(shí)現(xiàn)回波天線接收信號(hào)的坐標(biāo)（+字坐標(biāo)）與驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)（×型坐標(biāo)）之間的轉(zhuǎn)換。

AGC 中放和檢波一方面放大混頻后的微弱中頻信號(hào)（ΣI+ΔI）和（ΣI-ΔI），使之成為幅度較大的中頻輸出和檢波輸出信號(hào)，為其后的信號(hào)處理提供較佳的信號(hào)環(huán)境；另一方面對(duì)輸出信號(hào)作歸一化處理（即AGC 的歸一化作用），把（ΣI+ΔI）中頻信號(hào)和（ΣI-ΔI）中頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成中頻輸出的（ΣIO+ΔIO）／ΣIO信 號(hào) 和（ΣIO-ΔIO）／ΣIO信號(hào)，再由檢波器轉(zhuǎn)化成低頻的（ΣO+ΔO）／ΣO信號(hào)和（ΣO-ΔO）／ΣO信號(hào)。

AGC歸一化后的中頻輸出信號(hào)（ΣIO+ΔIO）／ΣIO為

AGC歸一化后的中頻輸出信號(hào)（ΣIO-ΔIO）／ΣIO為

式（4）和（5）中，k2是AGC 中放的歸一化系數(shù)。

低頻（ΣO+ΔO）／ΣO信號(hào)為

低頻（ΣO-ΔO）／ΣO信號(hào)為

式（6）和（7）中，k3是檢波增益。

將圖2、圖3的等效模型圖，以及k2和k3融入圖1，可得到圖4的等效模型圖。

圖4 中，將 低 頻（ΣO+ΔO）／ΣO信 號(hào) 與 低 頻（ΣO-ΔO）／ΣO信 號(hào) 相 減，得 到ΔO／ΣO信 號(hào) 為u5（t）＝UOcos（ω1t+φ），式中UO＝2k2k3×m 。鑒相和濾波后，俯仰角誤差輸出電壓UP和偏航角誤差輸出電壓UY可用式（8）、（9）來表示。

式（8）、（9）中，Ks是濾波器的傳遞系數(shù)；Ku1是對(duì)角誤差電壓的放大系數(shù)；2πKsKu1UO為歸一化后的×型坐標(biāo)角誤差解調(diào)斜率，φ 是目標(biāo)在+字（高低-方位）坐標(biāo)系中的角位置，φ-π／4是目標(biāo)在俯仰-偏航坐標(biāo)系中的角位置（它旋轉(zhuǎn)45°），sin（φ-π／4）是俯仰坐標(biāo)值，cos（φ-π／4）是偏航坐標(biāo)值。

圖4 雙通道測(cè)角系統(tǒng)等效模型圖

式（10）與（11）中，cosφ為方位坐標(biāo)值；sinφ為高低坐標(biāo)值；πUO是+字坐標(biāo)角誤差解調(diào)斜率。

把UO＝2k2k3×m、m＝uΔ／uΣ、uΔ＝uω（uE2+uA2）1／2、φ＝arctan-1（uE／uA）、uA≈k1uΣθA和uE≈k1uΣθE代入式（10）和（11），得到高低-方位坐標(biāo)系下俯仰與偏航電壓的另一種表達(dá)式。

式（12）和式（13）中，θE為目標(biāo)偏離天線縱向軸的高低角度；θA為目標(biāo)偏離天線縱向軸的方位角度；Ku＝2πk1k2k3KsKu1uω為系統(tǒng)高低角或方位角的測(cè)角斜率。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)在微波上將單脈沖雷達(dá)天線輸出的E信號(hào)和A 信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并混合成Δ 信號(hào)，Δ 信號(hào)又與單脈沖雷達(dá)天線輸出的∑信號(hào)疊加成（∑+Δ）和（∑-Δ）信號(hào)，使系統(tǒng)能用兩個(gè)中放來處理目標(biāo)的角信息，AGC 中放一方面放大（∑+Δ）和（∑-Δ）中頻信號(hào)，另一方面又將（∑+Δ）和（∑-Δ）中頻輸出信號(hào)歸一化成（∑+Δ）／∑和（∑-Δ）／∑信號(hào)，在作（∑+Δ）／∑-（∑-Δ）／∑運(yùn)算后，用移了45°的調(diào)制基準(zhǔn)源信號(hào)直接鑒相解出目標(biāo)的偏離角電壓。

測(cè)角是檢測(cè)目標(biāo)偏離雷達(dá)天線縱軸的程度，通過天線伺服控制系統(tǒng)控制回波天線轉(zhuǎn)動(dòng)，使雷達(dá)天線保持對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，由此構(gòu)成一個(gè)回波天線的角度跟蹤閉環(huán)系統(tǒng)（瞄準(zhǔn)系統(tǒng)）；其次角誤差電壓是導(dǎo)彈飛行過程中非常重要的角度信息，它可控制導(dǎo)彈按照既定的導(dǎo)引方程來進(jìn)行飛行，由此構(gòu)成導(dǎo)彈飛行過程的導(dǎo)引閉環(huán)系統(tǒng)（導(dǎo)引系統(tǒng)）。隨著雷達(dá)天線和新型電子元器件的不斷發(fā)展，測(cè)角技術(shù)還將會(huì)進(jìn)一步得到提升。

［1］ 承德寶.雷達(dá)原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007：280-285.

［2］ 穆虹，等.防空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)［M］.北京：宇航出版社，1996：72-89.

［3］ 唐國(guó)富，等.飛航導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭［M］.北京：宇航出版社，1991：28-43.