跟踪雷达基础知识讲义.docx

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跟踪雷达基础知识讲义

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跟踪雷达基础知识讲义

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18.5目标捕获和距离跟踪

距离跟踪就是连续测量从发射射频脉冲到目标回波信号返回之间的延时的过程。

距离测量是雷达最精确的位置坐标测量。

其典型数据是在测量几百英里距离时精密到几码以内。

通常距离跟踪是从其他目标中鉴别出所需目标的主要方法，通过距离波门（即时间选通）从误差检波器输出中消除其他目标的回波（虽然也有用速度鉴别和角度鉴别的）。

距离跟踪电路也可用来捕获所希望的目标。

距离跟踪不仅必须测量脉冲从雷达到目标的往返行程时间，而且必须识别出反射信号是一目标而不是噪声，并且保存目标的距离随时间变化的历程。

这里的讨论适用于典型的脉冲跟踪雷达。

距离测量也可以用使用调频连续波的连续波雷达来完成，这种调频连续波通常是一种线性调频波。

目标距离由回波信号和发射信号之间的频率差异决定。

考虑到多普勒效应的调频连续波系统的性能见参考资料1。

捕获

距离跟踪的第一个作用是捕获所需的目标。

虽然这不是跟踪工作，但在典型的雷达里这是实现距离跟踪或角跟踪之前必需的第一步。

对于窄波束跟踪雷达而言，为使天线波束指向目标的方向，必须具备有关目标角位置的某些信息。

这个信息叫做引导数据，可以由搜索雷达或其他来源提供。

引导数据可以足够精确地把窄波束指向目标或者可以要求跟踪器扫描一个较大的不确定区域。

雷达距离跟踪的优点是能看到从近距离一直到雷达的最大距离上的所有目标。

通常把这个距离分成小段，其中各段可以同时检验是否有目标存在。

当需要波束扫描时，距离跟踪器可在短时间里（如0.1s）检验各段情况，即可作出关于目标是否存在的判断。

如果没有目标存在，就让波束移向新的位置。

这个过程对机械式跟踪而言是完全连续的，因为机械式跟踪移动波束相当慢，因此使得在对各段距离进行检验的短时间内目标仍然留在波束宽度之内。

与搜索雷达一样，目标捕获要考虑实现给定的检测概率和虚警概率所需的信噪比门限和积累时间[1]。

然而，与搜索雷达相比，目标捕获可使用较高的虚警概率，这是因为操纵员知道目标是存在的，不存在在等待目标时由于虚警而使操纵员疲劳。

最佳虚警概率的选择是以电路的性能为基础的，此电路可观察各距离间隔以判断哪一个间隔中有目标回波。

其典型的技术是使门限电压足够高，以防止大多数噪声尖峰超过门限，可是又要低得足以让弱信号通过。

在各个发射脉冲之后即可观察所检验的距离间隔是否有信号超过了门限。

积累时间允许雷达在判决是否有目标存在之前进行几次这种观察。

噪声和目标之间的主要区别在于超过门限的噪声尖峰是随机的，但如果有目标存在，则当它超过门限时就比较有规律。

一种典型的系统就可简单地计算在积累时间内超过门限的次数，并在超过的次数大于雷达发射次数的一半时，就指出是否有目标出现。

若雷达脉冲重复频率是300Hz，积累时间是0.1s，则在有一个强而稳定的目标时，雷达就能观察到30次超过门限。

由于从弱目标来的回波加上噪声不一定总是超过门限，所以可以规定一个界限，如15次，在积累时间里，必须超过这一界限才判定有目标出现。

对于非闪烁目标，预期的性能为：

在信噪比为2.5dB时，发现概率是90%，虚警率是10-5。

AN/FPS—16和AN/FPQ—6测量雷达均使用这些检测参数，每次捕获可使用10个邻接的波门，每个波门宽为1000yd。

这10个波门覆盖了5nmile的距离间隔。

距离跟踪

一旦目标被找到，就希望在距离坐标上跟踪目标，以提供连续的距离信息（即到目标的斜距）。

适当的定时脉冲提供了距离波门选通，从而使角跟踪电路和自动增益控制电路可仅仅顾及一个短的距离间隔（或预期出现回波脉冲的时间间隔）。

距离跟踪是由类似于角跟踪器的闭环跟踪器完成的。

它能检测出距离波门对于目标回波脉冲中心的误差，并产生误差电压，从而可提供一个响应于这个误差电压电路，使波门向一个方向移动以重新对准目标回波脉冲中心。

距离跟踪误差可以用许多方法进行检测。

其最常用的方法是前、后波门技术（如图18.24所示）。

两个波门这样来定时：

前波门在主距离波门开始时打开，在主距离波门的中心关闭；后波门在主距离波门中心处打开，在其结束后关闭；前、后波门各自让目标视频脉冲在波门开着的时间内对电容器充电；电容器的作用像积分器；前波门电容器充电到正比于目标视频脉冲的前半个区域的电压上，后波门电容器是负向充电，并正比于目标视频脉冲的后半个区域；当波门正确地对准了一个对称的视频脉冲时，两电容器就等量地充电，其充电所得的电压相加就产生一个零输出；当波门中心没有对准目标视频中心，以致前波门超过了目标视频脉冲的中心时，正向充电波门电容器就收到较大的电荷，而后波门由于只套上脉冲的一小部分，因而得到较小的负电荷。

两电容器的电压相加就得到正的电压输出；同样，如果波门提早，以致目标视频脉冲的大部分区域落入后波门内，则两电容器电压的相加就得到负的输出；在误差大约在目标视频脉冲宽度的±1/4的范围内，输出电压基本上是定时误差的线性函数，且具有对应于误差方向的极性。

图18.24前、后波门距离误差敏感电路

许多雷达距离跟踪系统利用采样电路在视频回波脉冲附近采3～5个样本。

与前、后波门距离跟踪器的幅度相类似，可对脉冲前、后两半样本的幅度进行比较以检测出距离误差。

在某些情况下，雷达距离跟踪系统希望按回波前沿或后沿进行距离跟踪。

这已在一些应用中得到实现，其方法是简单地加上一个偏置，使对误差灵敏的波门套在目标回波中心的前面或后面，即用波门抑制了不需要的回波（如从目标附近来的其他回波）。

门限装置也可用做按前沿或后沿工作的跟踪器，通过观测目标视频超过给定门限的时间来完成。

在超过门限的瞬间触发波门电路，以便从计时设备上读出目标距离或者产生一个标志目标出现的合成脉冲。

雷达距离跟踪系统可利用距离误差检波器输出来调整距离波门位置，并校正距离读数而使距离跟踪环路闭合。

有一种技术是使用由稳定振荡器驱动的高速数字计数器，在其发射脉冲时使计数器复位到零。

如图18.25所示，目标距离由数字系统寄存器中的数字表示。

在数字计数器计到与距离寄存器中的数字相同时，重合电路就给出指示并进而产生距离波门，如图18.26所示的框图。

距离误差经距离误差检波器检测而得到误差电压，且激励电压控制可变频率振荡器，依据误差电压极性的正、负而增加或减少距离寄存器中的计数。

这就把距离寄存器里的数字改变到对应于目标距离的数值上。

读出距离寄存器中的数就读出了目标的距离。

譬如说，每个单位数即对应于2yd的距离。

另外一项技术是使用两个振荡器[26]，其距离波门由两振荡器的差频控制，其中一个振荡器由误差检波输出电压在频率上控制。

图18.25数字式距离跟踪器

图18.26数字距离跟踪器框图

电子式距离跟踪器是无惯性的，且可以有任何所需的转换速度，很容易做到既产生给自动检测电路的捕获波门，又产生发射机触发脉冲和导前触发脉冲。

跟踪带宽通常被限制在跟踪所必需的数值，以便使对假目标和干扰的跟踪损耗为最小。

还有许多其他电子式距离跟踪技术，它们同样具有以上的大部分优点[2]。

第n次发射之后返回的距离跟踪

用减小脉冲重复频率来扩展非模糊的距离会增加捕获时间和减小数据率。

对这个问题的一种解决办法叫做“在第n个次发射之后返回的距离跟踪”。

它能在预期有回波的时间内避免发射，并能分辨距离模糊。

这使雷达能在高脉冲重复频率下工作，并且不模糊地跟踪到远距离。

在这种情况下，会有几个脉冲在雷达与目标之间传播。

这种技术只有在目标正被跟踪时才有用。

在捕获期间，雷达必须考察发射脉冲之间的间隔，初始捕获后，应在不分辨距离模糊的情况下闭合距离和角跟踪环路。

第一步就是断定目标位于第几个距离间隔，也就是断定目标在哪一对发射脉冲之间，对发射脉冲进行编码，并计算在此编码脉冲回来之前有多少个脉冲数，就可定出n。

测量雷达能提供n次回波距离跟踪的能力，因为装在火箭与宇宙航行器上的信标在远距离上提供了足够的信号电平。

为了不使目标回波被发射脉冲掩盖，必须检测出目标在何时接近干扰区，并且移动干扰区。

这可以通过改变PRF或者延迟一组数目等于传播中的脉冲数的发射脉冲来实现。

这可由最佳PRF变换或交替延时具有正确脉冲数的脉冲组来自动完成。

18.6特殊单脉冲技术

高距离分辨力单脉冲

高距离分辨力在单脉冲雷达的应用中为改善性能和提取目标信息提供了方法[27]。

其基本途径是提供足够的距离分辨力以分辨出目标上的主要散射体，并经单脉冲处理确定每一个散射体的距离、方位和高度。

这将提供目标反射体位置的三维（3D）雷达图像，并提供第四维数据，即通过每一个散射体回波的幅度测定反射体尺寸。

其优点如下：

（1）对于需要精确跟踪目标上的点（如重心）的应用，可大大减少目标角度和距离的闪烁；

（2）大大减少了雨杂波、海杂波和金属箔条干扰，这些干扰将随距离分辨力的提高而降低；

（3）可提供目标识别用的三维目标图像和反射体尺寸（回波幅度）；

（4）对抗某些干扰的复杂发射波形[27]。

为了保持足够的平均功率，满足雷达探测距离的要求，有必要进行脉冲压缩。

有效的宽带声表面波脉冲压缩滤波器可供使用[28]。

而且，如果要处理目标的细节信息，那么采用高速采样和数字化技术是必需的。

图18.27显示利用了高距离分辨力技术之后，目标距离的起伏变小。

它展示的是目标在进行近似为等距离飞行时雷达所测出的距离。

目标的真实偏移可以从距离曲线的走势中得到。

对于0.25ms的脉冲宽度，随机波动的典型值约为3~4yd（均方根值）。

然而，虽然对于3ns的脉冲宽度距离闪烁已基本上消除了，但由目标重心起伏而引起的小误差却仍存在。

图18.27比较3ns和1/4ms跟踪的闭环距离跟踪输出数据的

模拟记录以演示目标距离起伏大大减小（见参考资料27）

高距离分辨力单脉冲雷达的视频输出测量值如图18.28所示。

图中描述的是分辨出一种“超星座”飞机主要散射体的单脉冲和信号的距离-幅度轮廓。

单脉冲差信号双极性视频的极性确定方位，而其幅度可测量每个反射器到天线轴线的偏移量（只标出了方位角的轴线）。

平均双极性视频可减少目标重心均方根值的误差。

图18.28来自飞行中的超星座客机的高距离分辨力的单脉冲距离和角度视频

雷达工作于X波段、1波束宽度和3ns脉冲宽度；角度视频是根据天线轴和偏移量对目标方位的测量。

双波段单脉冲

双波段单脉冲能在一个天线上有效地组合两个特征互补的射频频段特性[15][29]。

X波段（9GHz）和Ka波段（35GHz）的组合是非常有用的。

X波段能够很好地实现探测量程和跟踪精度。

其不足之处是低角度的多路径范围性能差和该波段的抗干扰性能差。

Ka波段虽然受大气衰减和雨衰减的限制，但它能在低角度多路径范围内提供很高的精确度，并且这个波段是电子干扰技术很难攻克的一个波段。

美国海军研究实验室（NRL）已经设计出了一种叫TRAKX（在Ka波段和X波段的跟踪雷达）的测量雷达，可用于导弹靶场和训练靶场[15]。

设计这套系统的目的是在目标溅落时能够精确跟踪，并且在X波段受到干扰时用Ka波段仍能精确跟踪。

荷兰Signaal-apparaten公司已开发出相似的X波段和Ka波段的系统用于战术上的用途。

其中的一种雷达系统是地面型，被称为Flycatcher，是机动防空武器系统的一部分[29]；而另一种雷达系统（Goalkeeper）则是用在舰载防空武器上，用做格林机枪的火控装置[30]。

这两种系统都充分利用了两个波段的优点，以提供多路径和ECM环境下的精确跟踪。

镜面天线（逆卡塞格伦）

波束扫描使用的可移动射频镜面天线，被称为镜面天线或逆卡塞格伦天线，在单脉冲雷达中十分有用。

这种天线应用了由天线罩支撑且可反射水平极化馈源能量的网格抛物面。

回波经过抛物面校正成平行波束，被极化旋转成镜面反射，使极化方向旋转了90°的能量能够有效地通过网格抛物面。

其优点如下：

（1）镜面和它的驱动机械装置是惟一用于波束移动的活动部分，馈源和有天线罩的抛物面保持固定；

（2）波束移动通过镜面的反射完成，是镜面倾斜角度的2倍，对于给定的覆盖范围的要求，提供了紧凑的结构；（3）在正常情况下，较轻的镜面和相对于镜面倾斜角为2:

1的波束位移，使得可以用很小的驱动功率得到很快的波束扫描速度。

紧凑的结构和较轻的重量对于机载的应用特别有用，如法国“超军旗”飞机所用的Thompson—CSF公司的AGAVE雷达。

该雷达为“飞鱼”导弹提供目标距离和相关数据。

这种结构紧凑、滚动俯仰稳定的单脉冲雷达，其方位扫描角为140°，俯仰扫描角为60°[31]。

以色列航空工业公司的Elta子公司应用这种天线技术研制出一种机载跟踪雷达，可用于空对空作战和地面武器发射[32]。

地面和舰载实验用镜面天线系统概念是和双波段单脉冲功能（3GHz和9.3GHz）一起发展的。

其目的包括用于高数据率三坐标监视和多目标精确跟踪的快速波束移动[33]。

双波段极化扭转镜面的设计是通过双层镜面网格结构来实现的[34]。

同轴跟踪

当目标基本处在雷达天线轴线上时，雷达的跟踪性能最好。

因此，为使跟踪精度最高，使跟踪滞后和影响波束指向的其他误差源为最小是非常必要的。

同轴（on-axis）技术通过预测和跟踪回路中的最佳滤波使雷达轴线与目标的偏差为最小[14][35]。

当目标的轨迹大体知道，如跟踪轨道上的卫星或者弹道目标时，这项技术特别有效。

跟踪回路中的计算机能引导雷达去跟踪一组已估算出的轨道参数，也能对雷达角误差检测器的输出进行最佳滤波以产生误差趋势并根据它来更新假设的一组轨道参数，从而把雷达波束的移动校正到更接近的一组轨道参数上。

通过这种方法可使雷达天线能以最小的误差跟踪目标。

对其他可大致预知弹道的目标，亦可获得提高的跟踪精度。

但当跟踪目标具有不可预知的动机时，同轴跟踪的性能将受到限制。

18.7误差源

在雷达跟踪目标的过程中有很多误差来源，除非是高精度的跟踪雷达（如测距装置中，角度精确度要求达到0.05mrad）。

误差源的大部分并不是很重要，且很多误差源可以通过雷达设计或跟踪几何关系的修正来避免或减少。

提供高精度跟踪能力的主要因素是费用。

因此，了解允许的误差范围有多大、哪些误差来源影响跟踪效果及满足精确度要求的效果价格比最高的措施是什么是非常重要的。

跟踪雷达不仅在角度上、在距离上，有时还要在多普勒频率上跟踪目标。

因此，每一个目标参数的误差都应该考虑在误差预算之内，本章的其他部分将讲述如何确定主要的误差来源及其大小。

了解什么是雷达信息实际的输出是很重要的。

对于机械移动的天线，角度跟踪输出通常是从俯仰和方位天线轴的位置获得，绝对的目标位置（相对于地理坐标）将包含天线底座的地理位置精确度。

相控阵测量雷达（如MOTR——多目标跟踪雷达）可在±30°有限的区域内提供电子波束移动，加上天线机械移动而覆盖要测量的区域[16]~[19]。

输出为机械传动轴位置和从电子波束扫描得到的每个目标的数字角度信息。

18.8目标引起的误差（目标噪声）

雷达对目标的跟踪经常是利用从目标表面反射回来的回波信号来实现的。

这被称为表面跟踪，以便与信标跟踪相区别。

在信标跟踪中，信标或应答机可以用来提供强的点源信号。

由于大部分目标（如飞机）在外形上是非常复杂的，因此总的回波信号是由目标各个部分（如发动机、螺旋桨、机体及机翼边缘）回波信号的矢量叠加而成。

目标和目标各部分相对于雷达的运动使得总的回波信号随时间变化，从而导致雷达的目标参数测量值有起伏。

不计大气的影响和雷达噪声，只由目标本身产生的起伏称为目标噪声。

目标噪声的讨论大多是基于飞机的，但是也适用于任何目标，包括陆地上具有复杂外形的目标。

它们相对于波长来说是很大的。

主要的区别在于目标的运动，但这里只是一般性的讨论，对任何目标环境都是通用的。

从复杂目标反射回来的回波与从点源反射回来的回波不同，其区别在于回波有起伏。

这个起伏是由于从目标各个部分反射回来的回波在幅度和相对相移上有变化而引起的。

“起伏”之所以用复数形式是因为有5种由复杂目标所引起的回波信号起伏影响雷达，包括幅度起伏、相位波前起伏闪烁、极化起伏、多普勒起伏及脉冲时间起伏（距离闪烁）。

起伏的机制是目标的运动，包括随机偏航、俯仰及翻转，使目标不同部分相对于雷达的距离产生了变化。

尽管目标的移动看上去很小，但如果目标某一部分的相对距离有半个波长的变化，就会在相对相位上有360°的变化（由于雷达路径是双程的。

在X波段，这大约是5/8in，小到可以同飞机各个部分之间的扭曲相比较。

下面将讨论由复杂目标产生的5种起伏。