学文网《无线电通信技术杂志》2015年第二期
1均匀直线阵比相单脉冲跟踪测角
基于阵列天线的目标跟踪测角方法很多，主要可以分为基于来波信号统计各种来波方向估计算法以及和传统机械天线类似的传统波束跟踪算法，前者在特定条件下理论上能够达到最优，但工程实现稳定性和精度不易保证，后者工作稳定、性能可靠和工程容易实现。类比传统机械天线，阵列天线跟踪测角有单脉冲、干涉仪以及极大值等多种方式。传统航空测控系统经常采用比相单脉冲角跟踪方式，这方式比较简单稳定，跟踪测角精度也能满足要求，因此针对均匀直线阵而言研究类似的跟踪测角方法很有意义。均匀直线阵构建比相单脉冲和差波束时首先按照一定的波束指向对整个阵列进行相位加权，在进行波束合成过程中将阵列天线分为对称的左右子阵，左右子阵波束同相相加就可以形成比相单脉冲和波束，左右子阵波束反相相加就可以形成比相单脉冲差波束。形成和差波束后可以获取目标偏离波束指向的角误差信息，通过闭环负反馈系统驱动波束跟踪目标，实现对目标的跟踪测角。
1.1比相单脉冲角角误差信息获取均匀直线阵比相单脉冲和差波束形成的示意***如***2所示。将均匀直线阵按波束指向θ0方向进行加权，将序号为1～N的阵列单元划分为左子阵，将序号为N＋1～2N的阵列单元划分为右子阵。因此接收信号方向偏离波束指向不大的情况下：①和差波束相差90°；②归一化差信号幅度近似与波束指向偏离角成正比；③随着波束扫描归一化差斜率逐渐减小。
1.2波束跟踪环路设计对波束控制环路进行数学建模，所有信号和电路均采用拉普拉斯函数代替，可以得到***3所示模型。根据上述两式可知跟踪性能主要由接收信号入射角函数以及环路滤波器函数决定。因此工程应用中应根据目标运动特性及跟踪精度的要求合理设计环路滤波器。
1.3空间目标跟踪测角通过合理设计波束跟踪环路，可以实现波束对目标的连续跟踪，在跟踪良好的情况下波束指向和目标方向之间的误差很小，因此可以通过观测和波束直线直接相关的阵列天线相邻单元之间相位加权差值来获取空间来波方向信息，实现对跟踪目标的角度测量。依据上式表述的相邻单元之间相位权差和空间来波方向关系，可以根据相位权差确定来波方向，也就是目标的角度测量。但同时通过上式也可以看到相邻单元相位权差不但与来波信号方位角相关，还与俯仰角相关。因此采用一维均匀直线阵跟踪空间目标时尚需要通过其他方式获取目标俯仰角观测量，才能获取方位角准确信息。在航空测控系统中目标俯仰角信息可以根据距离测量值和高度测量值获得。
2设计与仿真
2.1应用分析一般情况下目标距离接收设备越近，运动速度越大，相对动角速度越大。假设目标运动轨迹在水平面内投影与接收设备最小距离为R0，以最大速度VM过捷径，这种情况下的运动轨迹示意如***5所示。二阶积分有源低通滤波器是一种常见环路滤波，采用这种环路滤波器跟踪阶跃和速度信号稳态残差为零，跟踪角加速信号稳态角度残差为恒定值，合理设计环路参数可以保证其稳态残差很小。
2.2仿真验证采用二阶积分有源低通滤波器跟踪速度信号稳态残差为0，跟踪加速度信号有固定残差，因此重点分析设计的系统跟踪加速度信号的情况。在Matlab中建立阵列天线模型，阵列天线单元数位取32，间距波长比取0．5；和差波束成形采用比相单脉冲体制，波束控制环路采用两阶积分有源滤波器，设计b0＝5、b1＝25和b2＝250。设置波束初始指向0°方向，目标在2°方向以30°／s2角加速度运动，波束跟踪仿真结果如***6所示。由仿真结果可知大约1．5s后，波束跟踪进入稳态，其稳态残差为0．2687°和计算值0．2688°十分接近。
3结束语
相控阵系统相比传统机械天线伺服系统在跟踪超高速航空器方面具有一定优势，采用基于均匀直线阵比相单脉冲跟踪测角的阵列天线系统比较简单，在超高速航空器测控领域适合替代目前的一维机械跟踪天线伺服系统。结合航空测控典型应用条件仿真分析表明，合理设计参数，采用电扫控制的波束能够跟踪大动态高速目标，跟踪角度残差和理论计算结果十分接近，但要注意采用均匀直线阵跟踪空间目标测角时需要目标俯仰角观测量，通过转换才能获取准确方位角信息。
作者：马传焱单位：中国人民63961部队
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