跟踪制导雷达交叉极化测角误差分析

韩　星　周　宇　赵迎超　鲁　金

(1.西安电子工程研究所　西安　710100；2.中国人民解放军63850部队　吉林　白城　137001)

0　引言

制导精度是跟踪制导雷达的关键指标，由目标跟踪精度和导弹测量精度决定。影响制导精度因素众多，根据产生原因可归为与雷达设备有关的误差、与目标有关的误差、坐标传递和工具方法误差、多路径误差以及与电磁波传播相关的误差等几类[1]。目标跟踪精度分析[2]较为完备，本文不再赘述。目标测量时，由于目标散射特性导致回波极化纯度下降，但是匹配极化分量仍是主要分量，由正交极化回波产生的串扰通常可以忽略不计[3]。导弹测量时，弹上应答机的回波极化特性随导弹姿态变化，极端情况下会出现交叉极化的情况，此时由交叉极化引起的串扰将会严重影响导弹测角性能，甚至导致目标丢失[3]。关于交叉极化对雷达测角精度影响的文献较少，对制导精度的分析鲜有提及。本文利用空域极化特性，分析无线电指令制导体制下交叉极化对导弹测角精度的影响，为该类系统设计提供依据。

1　空域极化特性分析

1.1　天线极化纯度

天线设计发射或接收的电磁波极化方式称为期望极化，与这个期望极化正交的极化称为交叉极化。实际天线由于形状、尺寸、加工误差以及馈源偏焦等因素存在一定的正交极化耦合度，其辐射电磁波会包含一些不希望的极化分量，导致天线极化纯度下降[4]。利用交叉极化鉴别率(XPD)描述天线极化纯度：

(1)

式中E和EX分别为天线主极化电平和交叉极化电平。交叉极化鉴别率越小，说明天线的寄生极化分量越少，天线极化“越纯”。

1.2　空域极化特性

天线极化是一个空域变量，激励电流确定后，天线辐射场和有效长度与该测量点的空间角坐标有关。把天线辐射电磁波的极化在空间的演化、分布特性称之为天线空域极化特性[4]，它表征了天线极化在空域上的演变规律。Hanle认为用正交圆极化接收的方法来抗雨和云等气象杂波，实际效果常低于预想结果[5]，其原因即可归结为空域极化特性使极化性能改变所致。

通过分析空域交叉极化鉴别量随天线扫描时的变化规律能够确定天线的变极化特性，也就是极化比随空域角θ、φ的变化规律。以抛物面天线为例[6]。通常情况下，抛物面天线的辐射场可表示为：

(2)

(3)

其中fx，fy为面积分可表示为：

(4)

(5)

通过上式可求得该抛物面天线的空域极化比为：

(6)

从式(6)可以看出，抛物面天线的空域极化比与k=fy/fx、cosθ和tgφ有关，图1为抛物面天线交叉极化比随测量点角度的变化规律。

图1　抛物面天线交叉极化比

用交叉极化鉴别率来描述抛物面天线的极化纯度，可表示为：

(7)

1.3　空域极化特性对导弹测角的影响

跟踪制导雷达通过测量弹上应答机回波确定导弹空间位置，导弹发射时会偏离雷达轴向飞行，由于应答信号发射天线与导弹刚性连接，应答机回波空域角随导弹轴向姿态变化。跟踪制导雷达测量导弹示意如图2所示。

图2　制导雷达测量导弹示意图

跟踪制导雷达采用笔状波束精确跟踪目标，导弹在雷达跟踪波束内飞行，由于跟踪制导雷达波束较窄，此时认为导弹未偏离制导雷达电轴，跟踪制导雷达天线空域特性对测量影响较小，交叉极化分量主要由弹上应答机发射天线姿态变化引起。当导弹姿态在空中发生变化，或导弹采用赋旋方式时，弹上应答天线空域极化特性将产生非期望的极化分量，在某种特殊条件下，甚至会产生交叉极化现象，导致雷达对导弹的测角精度出现大幅恶化。

2　交叉极化误差分析

2.1　交叉极化误差分析

由于雷达天线存在交叉极化分量，弹上信标回波的正交分量会在天线输出端产生不希望的响应，交叉极化分量引起的指向误差和天线的极化隔离度及目标散射的正交极化分量有关。由天线交叉极化耦合产生的测角误差为[7]：

(8)

式中，Δc/Σ是差通道输出的交叉极化分量与和通道正常极化分量之比，σp/σc是目标散射的正常极化分量与交叉极化分量之比，θ3为3dB波束宽度，km为测角斜率。通过上述分析，在制导雷达中，交叉极化分量由空域极化比P替代，此时由交叉极化引起的测角误差可表示为：

(9)

跟踪制导雷达导弹测角误差与通道交叉极化分量和空域极化比相关。对于目标测量通道，跟踪制导雷达Δc/Σ分量一般可以做到-30dB，σp/σc一般为6dB，此时交叉极化对测角影响通常可以忽略不计。对导弹测量通道，当弹上发射天线空域极化特性带来的空域极化比会显著恶化，此时由于交叉极化带来的测角误差将会达到波束宽度的二十分之一甚至十分之一。提高雷达通道极化隔离度、减小导弹偏轴角度,避免空域极化特性下降是降低跟踪制导雷达导弹测角误差的有效途径。

2.2　试验数据

利用两部相控阵雷达进行导弹测角，宽波束雷达制导波束宽度10°，作为初制导用于导弹发射后的捕获，窄波束雷达制导波束宽度为2.4°，作为末制导用于导弹精确制导。两部雷达同时测量导弹，制导控制计算机根据一定的交接班条件分别使用两部雷达测角数据控制导弹飞行。

静态测试时导弹相对雷达电轴偏离一定角度并固定，弹上应答机和地面天线均为圆极化天线，此时宽、窄波束雷达导弹测角数据稳定，其误差表现为随机特性，如图3、图4所示，其中横轴为时间，单位为帧，每帧间隔0.02s，纵轴为角误差，单位为密位(以下各图坐标定义和单位相同)。当弹体按4Hz周期旋转，应答机天线随弹体旋转。通过图5、图6可以看到，宽、窄波束雷达均呈现与旋转周期一致的测角误差变化，交叉极化比周期变化会产生测角误差。更换弹上应答机天线，提高天线轴比。图7为采用弹上应答机天线时跟踪制导雷达测角误差，图8为提高天线轴比后测试数据，通过对比可以看到提高天线轴比后该测角误差降低。

图3　宽波束静态测试图

图4　窄波束静态测试图

图5　宽波束动态测试图

图6　窄波束动态测试图

图7　不同轴比测角误差1

图8　不同轴比测角误差2

动态测试采用导弹实射方式，导弹在筒内赋旋、离筒后相对雷达电轴有一定的散布角。当导弹接收制导数据向目标飞行时，其轴向趋于雷达电轴方向。导弹飞行偏离雷达电轴角度如图9所示。

图9　导弹全程飞行测角曲线

图10和图11中虚线为宽波束雷达测角曲线、实线为窄波束雷达测角曲线。图10为导弹飞行初始阶段由于弹体姿态角变化较大，交叉极化比变化明显，此时由交叉极化带来的导弹测角误差较大，其测角误差变化与弹体旋转周期完全吻合。窄波束在导弹偏离轴向角度较大时也存在该现象。图11为导弹末制导飞行阶段，此时导弹轴向偏离角度较小，宽、窄波束雷达测角数据均没有明显的周期性测角误差，此时信噪比和轴系偏差是误差的主要来源。

图10　导弹初始段测角曲线

图11　导弹末段测角曲线

根据实测导弹飞行数据可以看出，由交叉极化比引起的测角误差会对导弹宽窄波束交接班产生不利影响。设计时应考虑弹体散布，避免大偏离角姿态时进行交接班。同时，在系统设计时，应在波束覆盖角度满足使用要求条件下尽可能减小初制导雷达波束宽度，以提高测角性能。

4　结束语

本文通过对跟踪制导雷达空域极化特性分析，

给出其对导弹测角精度的影响，并通过分析其原理给出降低该误差的设计原则，最后利用不同波束宽度、不同极化隔离度的跟踪制导雷达对导弹进行测量，证明该分析原理正确、设计原则有效。由于空域极化特性在系统应用中具有时变特点，其进一步分析应结合空域瞬态极化特性进行。同时对不同体制的应答天线和测角天线，其空域极化特性存在差异，其交叉极化测角误差需结合相应系统进行。