动态跟踪系统比幅测向精度分析∗

2020-06-11

舰船电子工程 2020年3期

（中国船舶重工集团公司第723研究所扬州 225001）

1 引言

无源侦察测向技术是电子侦察的关键技术，其通过比较同一时间照射在系统不同接收天线的信号幅度差异，来计算得到雷达辐射源的相对方位信息，具有隐秘不易暴露自身的特点［1］。受比幅测向体制决定，当信号落入多波束的中间波束法向方向附近时，测向精度最高。利用“机扫”或“电扫”调整系统指向，实时将比幅测向系统法对准信号照射方向时，可以保证目标信号始终处于中间波束法向附近，从而获得最高的测向精度。当面对动目标检测时候，动态跟踪比幅测向技术作为多波束比幅测向技术的一种［2］，它有着更高的跟踪精度和跟踪速度，但是动态跟踪引入的误差如果带入测向结果，则会大大降低比幅测向的精度。

针对以上情况，本文对动态跟踪系统比幅测向技术进行了误差分析，并提出了相应的改进措施。

2 动态跟踪系统比幅测向技术

动态跟踪系统比幅测向技术是由多波束比幅测向技术拓展而来，既可通过伺服随动系统提升整个侦察覆盖区域，也可以动态调整多波束指向进而得到更高精度的测向结果［3］。常规的多波束比幅测向一般采用两波束比幅或三波束比幅，而动态跟踪系统也分为“机扫”和“电扫”两种方式［4］，本文选取典型的三波束比幅测向系统和“机扫”动态跟踪伺服为例，动态跟踪系统比幅测向技术的硬件实现如图1所示。

比幅测向系统采用三波束瞬时覆盖一定范围的空域，通过对同一时间到达三波束的信号脉冲进行幅度测量，并采用比幅测向算法完成目标方位角计算［5］。得到的方位角会传至伺服控制系统，由伺服控制系统控制整套侦察机天线法向中心实时对准目标，以保证目标信号始终在三波束的中波束中心处幅度最大［6］。

图1 动态跟踪系统比幅测向技术硬件实现框图

三波束比幅测向技术原理如图2所示。

图2 三波束比幅测向技术原理图

图2中假设θ为目标方位，nθ0为中波束法向方位，n-1号波束为左波束，n号波束为中波束，n+1号波束为右波束，则通过三波束比幅测向得到目标所在方位为

式（1）中，ΔL为中波束与左波束测量幅度差，ΔR为中波束与右波束测量幅度差。

伺服控制系统根据计算得到的θ和姿态测量得到的中波束法向中心nθ0，实时调整系统天线指向，使得θ=nθ0。根据式（1），当伺服控制系统完成指向跟踪后，理论上会有以下的幅度相对关系：

当目标指向落入测向系统中波束法向方位时，比幅测向具有最高的测量精度，从而实现动态跟踪系统比幅测向［7］。

3 测向误差分析

根据上一节动态跟踪系统比幅测向技术的介绍，可以知道影响到测向精度的因素包括了多波束比幅测量误差和动态系统跟踪误差。

多波束比幅测量误差由系统噪声、通道幅度特性不一致、各波束天线轴指向偏离、波束宽度变化、幅度和角度量化等影响［8］。这部分的误差影响已经在国内学者的学术成果中进行详细分析，本文不作赘述［9］。以下重点就动态跟踪误差对整个测向系统误差的影响进行分析。

图3 动态跟踪系统误差传递示意图

由图3和式（1）可知，系统指向测量值nθ0要参与到目标方位计算中，但是当系统指向传递值nθ0与系统实际指向值存在误差时，该误差将会带入整个动态跟踪系统比幅测向结果中去。

假定姿态测量设备的数据刷新率为f，则两帧数据之间的间隔时间为

伺服控制系统的最大旋转速度假设为v（°/s），则动态跟踪误差可以表示为

动态跟踪系统比幅测向误差Δθ可以表示为动态跟踪误差Δθ1和比幅测向计算误差Δθ2之和：

4 误差改进措施

根据式（5），要降低动态跟踪系统比幅测向误差，可以通过降低伺服控制系统的最大旋转速度、提高姿态测量数据刷新率或者降低比幅测向误差来实现：

1）调整伺服旋转策略

由于动态跟踪系统需要通过“机扫”来完成一定区域的覆盖，为保证“机扫”过程中较高的信号截获概率，需要较大的伺服最大旋转速度，这与提升测向精度的要求是矛盾的。因此，可以在不降低最大旋转速度的前提下，剔除伺服旋转过程中的比幅测向数据，只保留伺服旋转到位后相对稳定状态下的比幅测向结果。同时对于大角度调转过程，为降低测向结果剔除数据量，可以分几档小角度分步旋转到位；每档角度设定一定的驻留时间，每档间隔设置为半个波束宽度，以保证在全方位覆盖范围内不漏检。

2）提高姿态测量设备数据刷新率

一般而言，姿态测量设备的数据刷新率要大于100Hz，该速率对测向精度影响较小，影响数据刷新率的主要因素为数据传输速率。考虑到伺服控制系统的强电干扰，可以选用光纤、LVDS等高速、抗干扰能力强的数据传输方式。

3）降低比幅测向误差

比幅测向误差的消除主要靠：系统设计、固定误差校正表修正和算法优化来实现［11］。这类方法可以参考国内学者的理论成果，本文不作赘述［12］。