連續波一維相掃脫靶量矢量檢測方法及其裝置與流程

2023-06-03 07:35:01 1

本發明涉及一種連續波一維相掃脫靶量矢量檢測方法及裝置。

背景技術：
隨著脫靶量測量技術的不斷發展，目前脫靶量測量系統的工作方式由協同式逐漸發展為以非協同式為主；測量數據類型在標量型脫靶量測量成熟的基礎上，向矢量脫靶量測量發展並不斷完善。所謂標量脫靶量測量是指在遭遇過程中測量彈與靶的最小相對距離，而矢量脫靶量測量不僅要獲得標量脫靶量，而且還要測得彈與靶遭遇過程的相對位置(距離、角度)和相對速度。脫靶量的測量可以藉助無線電波、光波、聲波等能量形式作為獲取信息的媒介。其測量方法主要有無線電脫靶量測量方法、光學測量方法、GPS測量方法。其中無線電脫靶量測量方法又分為無線電定位方法和雷達測量方法。無線電定位法為協同式測量系統，需要對彈和靶都加裝無線電設備。而雷達測量法為非協同式測量系統，不需要對彈進行任何改裝，利用雷達檢測原理對彈與靶的相對距離和角度進行測量。目前靶場用於脫靶量測量的方式主要有光學設備測量和雷達測量。典型的光學脫靶量測量方法包括攝影、照相、紅外光導攝像、雷射測距等，利用光學測量和成像原理，測量、記錄目標的運動軌跡、姿態、運動中發生的事件，以及目標的紅外輻射和視覺特徵。光學跟蹤測量設備通常由攝影機、跟蹤或監視設備和數據處理設備組成。這種方法有以下幾個缺點：需要良好的照明條件、受氣象條件的影響大；當靶標被擊中時數據會丟失；膠捲記錄的時間有限和相機的穩定性問題；另外其數據處理也比較繁雜。而雷達測量以電磁波作為獲取信息的媒介，抗幹擾能力強，測量精度高，數據實時可靠，且不受天氣影響，具有全天候工作能力。雷達測量包括脈衝雷達和連續波雷達，從理論上來說，雷達的探測能力取決於能夠利用的信號能量。距離分辨力取決於信號的帶寬，頻率分辨力取決於信號的時寬，角度解析度取決於天線相對于波長的尺寸，目標速度測量精度取決於發射信號的時寬。連續波系統很容易獲得大時寬、大帶寬，其距離、速度分辨力優於脈衝雷達，而且線路更加簡單，成本更低。同時，脈衝雷達由於採用單天線收發，需要進行收發轉換，存在保護時間，因此近距離目標的探測會受到影響，而連續波雷達則不存在這個問題。由於具有以上優點，連續波雷達在靶場測量、汽車防撞雷達、精密跟蹤、火控雷達、點目標自衛系統以及太空間衛星搜索跟蹤等很多場合具有廣泛的應用前景。然而現代軍事武器裝備的發展，使得人們對靶場雷達測量設備的要求越來越高，要求連續波雷達不但能夠測量單個目標的速度、距離、角度，給出目標的矢量信息，還能在較遠距離上對多個目標進行捕獲、跟蹤和測量，且對測量精度的要求越來越高。在這樣的要求下，調頻連續波體制，以其突出的優勢，成為靶場測試雷達的首選。綜上所述，線性調頻連續波雷達由於具有全天候、非協同、抗幹擾能力強、矢量測量、精度高、成本低等特點，成為脫靶量測量領域的發展趨勢和重要測量設備。但目前的靶量測量裝置對多個高速小目標不能進行可靠矢量檢測；另外，由於脫靶量測量裝置通常安放於靶標附近，被擊中的概率很大，易被破壞和不能反覆使用。因此如何降低使用成本，提高設備性價比，也是脫靶量測量設備的發展方向。

技術實現要素：
本發明的目的在於針對現有技術存在的不足之處，提供一種脫靶量測量精度高、抗幹擾能力強、可同時對多個高速小目標進行可靠矢量檢測，具備高可靠性、安裝維護方便，且不受天氣影響、具有全天候工作能力，可反覆使用、維護成本低的連續波一維相掃脫靶量測量方法及其裝置。實現本發明的技術解決方案是：一種連續波一維相掃脫靶量矢量檢測方法，其特徵在於包括如下步驟：將脫靶量測量裝置放置在著彈區外，所述裝置採用一維相掃體制對靶區在水平方向上進行高速連續掃描，將雷達每一個波位的波束指向固定且事先設定，然後從左邊的第一個波位開始，從左至右依次對每一個波位進行掃描，直到把最後一個波位掃描完，然後又循環從第一波位開始進行掃描，在靶區上形成一個90°×10°的搜索屏；在雷達對某個波位進行掃描期間，雷達採用線性調頻連續波測距體制對目標的距離進行測量，對掃描空域發射調頻連續波信號，當有目標進入探測區域時，採用寬帶線性調頻連續波測距和單脈衝和差測角方式，對目標相對於雷達的距離R′和方位θ'°進行矢量脫靶量測量，然後由雷達數據處理分機利用相對於靶標的距離和方位角度的幾何關係和坐標轉換公式，將目標相對於雷達的距離和方位換算成相對於靶標的矢量脫靶量。本發明與現有脫靶量測量裝置相比，其顯著優點是：採用一維相掃體制對檢靶區域進行高速連續掃描，檢測數據率高，可同時對多個高速小目標進行可靠檢測；採用寬帶線性調頻連續波測距體制和單脈衝和差測角體制對目標進行矢量脫靶量測量，脫靶量測量精度高，為打靶提供更可靠的評判依據；雷達放置於打靶區域外，被破壞的可能性大大降低，可反覆使用，維護成本低；抗幹擾能力強，具備高可靠性，安裝維護方便，且不受天氣影響，具有全天候工作能力。本發明所述的脫靶量測量裝置可應用於海面、地面各型試驗基地和靶場，用於測量各類飛彈、炮彈、航彈、火箭彈等被測目標相對於靶標的脫靶量。附圖說明圖1是本發明連續波一維相掃脫靶量矢量檢測的脫靶量測量示意圖。圖2是一維相掃原理示意圖。圖3是本發明線性調頻連續波雷達測距原理圖，其中圖3(a)是發射信號與回波信號的時頻關係曲線圖，圖3(b)是回波信號延時與差頻的時頻關係曲線圖。圖4是本發明寬帶線性調頻信號產生器的電路原理圖。圖5是本發明脫靶量測量裝置的電路原理框圖。具體實施方式參閱圖1。在連續波一維相掃脫靶量矢量檢測中，雷達中心指向靶心，與正北方向夾角為α°，雷達相對於靶標的距離為L。脫靶量測量雷達放置在著彈區外，採用一維相掃體制對靶區在水平方向上進行高速連續掃描，掃描範圍為以靶心為中心的±45°。水平×俯仰的掃描波束的寬度為2°×10°，45個波位就可覆蓋整個監視區域。雷達每一個波位的波束指向固定且事先設定，然後從左邊的第一個波位開始，從左至右依次對每一個波位進行掃描，直到把最後一個波位掃描完，然後又循環從第一波位開始進行掃描，如此循環在靶區上形成一個90°×10°的搜索屏。在雷達對某個波位進行掃描期間，雷達採用線性調頻連續波測距體制對目標的距離進行測量。雷達對掃描空域發射調頻連續波信號，當有目標進入探測區域時，採用寬帶線性調頻連續波測距和單脈衝和差測角方式，對目標相對於雷達的距離R′和方位θ'進行矢量脫靶量測量，然後由雷達數據處理分機利用圖1所示的雷達、靶標和炮彈軌跡之間的幾何關係以及坐標轉換公式(1)，將目標相對於雷達的距離R′和方位θ′換算成相對於靶標距離R和方位θ的矢量脫靶量，式中，L為雷達與靶標的距離，α為雷達與正北方向的夾角，R′、θ'分別為目標相對於雷達的距離和方位角度，R、θ分別為目標相對於靶標的距離和方位角度。參閱圖2。根據相控陣原理，為了使波束在空間迅速掃描，可在天線陣面的每個輻射元之後接一個如圖2所示的可變移相器。各單元移相器的相移量分別設為0,移相器引入的相移量的大小由式(2)確定，其中，d為天線陣面輻射元之間的間距，λ為信號波長，θ0即為波束相對於法向方向的偏移角度。可見，控制各個移相器的相位便可改變波束指向，通過切換移相器不同的相移量就達到波束掃描的目的。而且，當移相器的相位設定好了以後，波束指向的角度也就設定了，當在此波束內檢測到某個目標，那麼目標的方位信息也就知道了，在此基礎上，結合單脈衝和差測角方式，即可實現目標方位角度的高精度測量。由公式(2)可知，波束指向θ0與波長λ是一一對應的，當信號頻率或波長在帶內掃描時，波束指向也在一定方位內掃描。一般的窄帶雷達系統由於相對帶寬(帶寬與中心頻率之比)很小，頻率或波長在帶內的變化對波束指向的影響很小，因此可以忽略。而本發明中，為了提高測量精度，採用大帶寬調頻信號，頻率或波長在帶內的變化足以引起波束指向的明顯變化。為了解決此問題，本發明採取頻帶內分段布相法，即將雷達的線性調頻信號的調頻帶寬分為幾段，每一段可認為是窄帶系統，測試時分段得到布相數據，形成一張布相數據表存儲在波位控制器的存儲器中。實際應用時，波位控制器與頻率綜合器器相連，並根據頻率綜合器送出的調頻信號的頻率進行查表布相，修正雷達天線的波束指向，以提高脫靶量測量雷達的角度檢測精度。參閱圖3。本發明採用線性調頻連續波測距體制對目標的距離進行測量。在圖3(a)為發射信號與回波信號的時頻關係示意圖和圖3(b)為回波信號延時與差頻的關係示意圖中，根據雷達原理，目標距離R與雷達回波延遲τ的關係為：其中，c為電磁波在空氣中的傳播速度。如果雷達的頻率按如圖3所示的鋸齒波進行調製，那麼雷達回波與發射信號在同一時刻存在一個差頻fi，fi與延遲τ的關係為：其中，Tm為調製周期，ΔFm為最大調製頻偏。結合式(3)和式(4)，目標距離R與回波差頻fi的關係為：由此可見，目標距離與差頻fi成正比，通過測量回波信號差頻就可以測量目標距離。由式(5)可知，距離解析度可表示為即距離解析度由雷達系統的頻率解析度決定，而頻率解析度又由調製周期(時寬)決定，一般情況下因此頻率解析度可表示為由此可見，距離解析度由調製帶寬決定，帶寬越大，距離解析度越高。但是在相同時寬情況下，調製帶寬越大，調製信號線性度越難做高，由圖3的測距原理可知，如果發射信號的頻率調製信號不是理想的直線，而是在直線附近有一定起伏，那麼距離與差頻的關係也不再是嚴格的線性關係，而會引起一定的測距誤差，一般調製信號的線性度越高，那麼由其引起的測距誤差就越小。因此本發明採用高線性度大帶寬調製信號產生技術，提高調製信號的線性度。參閱圖4。本發明中寬帶線性調頻信號產生採用直接數字式頻率合成器DDS激勵加鎖相環PLL的方案，以DDS和參考信號的和頻作為PLL的參考源，利用PLL鎖相及倍頻完成帶寬和頻率的擴展。寬帶線性調頻信號產生器包括順次串聯的恆溫晶振、倍頻器、DDS、混頻器和PLL，其中倍頻器並聯於混頻器。具體實施時，圖中DDS的參考時鐘由恆溫晶振經倍頻後提供，其輸出頻率步進在100Hz量級，步進時間小於10ns，線性度優於0.01％；DDS的輸出頻率再通過混頻器，與倍頻信號產生和頻信號後作為PLL的基準信號；通過合理選取PLL環路帶寬，使捷變頻時間小於2us，同時，有效抑制了DDS輸出的雜散成分，最終輸出雷達所需的高線性度、大帶寬的線性調頻信號。參閱圖5。在本發明中，脫靶量測量裝置包括發射天線、發射組件、發射波位控制器、接收天線、接收組件、接收波位控制器、和差網絡、頻率綜合器、中頻接收機、信號處理器、數據處理器、通信控制器以及指揮顯示終端,其中，發射波位控制器連接發射組件、通過饋線連接發射天線組成發射陣面；接收波位控制器連接接收組件、通過饋線連接接收天線和和差網絡組成接收陣面。頻率綜合器連接發射波位控制器、接收波位控制器、發射組件、中頻接收機和信號處理器，為雷達系統提供線性調頻信號及時鐘信號；中頻接收機連接和差網絡，並相連信號處理器，將回波信號送至信號處理器進行脫靶量檢測；數據處理器連接信號處理器，對信號處理器送來的脫靶量數據進行數據融合和濾波。通信控制器連接數據處理器以及指揮顯示終端，為整機提供控制命令輸入通道以及雷達數據輸出通道。雷達工作時，架設於打靶安全距離外，接收波位控制器及發射波位控制器根據通信控制器的指令控制收、發天線波束的波位，以掃描範圍內最左邊掃描角度為第1波位，依次向右掃描，掃描範圍以天線陣面法向為準左右掃描45°，同一時刻收、發波束指向相同。頻率綜合器產生寬帶線性調頻射頻信號送至發射組件，通過發射陣列天(饋)線向外發射能量。發射天線輻射的電磁波遇到目標後，有部分能量從目標反射回來，接收天線將電磁波轉換為射頻信號，經接收組件、和差網絡形成和、差兩路信號，混頻後得到差頻信號並送至兩路中頻接收機。接收系統對信號進行濾波、放大後分成兩對I/Q支路信號送給信號處理器。信號處理器完成FFT、對消、頻域CFAR，通過自動檢測提取目標的方位、距離數據，送至數據處理器。數據處理器對目標點跡進行相關處理，建立目標的航跡，並根據定位定向系統提供的位置和正北信息，解算目標相對於靶標的矢量脫靶量。最終由數據處理器將脫靶量信息通過通信控制器傳輸給指揮顯示終端。