一種雷達導引頭天線罩誤差數(shù)字補償方法*

楊勝華

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

0 引 言

彈載雷達導引頭的天線罩既對雷達天線起保護作用,又要允許對雷達天線發(fā)射或接收的電磁波最大化穿透。天線罩一般安裝在導彈的頭部，是滿足導彈彈體氣動外形的重要組成部分，也是制導系統(tǒng)跟蹤回路的組成部分。天線罩承載了透射雷達電磁波的作用，但不可避免對雷達電磁波有反射、折射和衰減等的傳播影響，最終體現(xiàn)在對雷達天線瞄準線引入誤差，這種誤差耦合到導引頭跟蹤回路中，對制導性能造成很大影響[1-2]。

為了降低天線罩誤差對制導性能的影響，常采用硬件和軟件補償法。邊打磨邊測量方法[3-4]，打磨和測量需要反復迭代，不能降低天線罩在使用過程中引入的誤差。電子標定法或尋零法測得天線罩誤差，利用等電平評價計算方法降低誤差[5]。此方法用于測試天線罩的性能，未能完全反應誤差，用電平評價計算方法只能減小部分誤差。周荻等[7]所提方法的前提條件是天線罩誤差是隨機白噪聲，無系統(tǒng)誤差，僅適用于球形罩。宗睿等[8]所提方法對象是平臺式導引頭，罩誤差斜率與電纜力矩、電機反電勢一起作為隨機量，結合制導回路進行濾波估算。曹旭東等[9]所提方法在回路內(nèi)直接進行角度補償，其缺點是在回路中直接引入誤差補償量，而補償量又與方位、俯仰的角度相關，造成方位俯仰兩回路耦合。

本文利用雷達單脈沖跟蹤技術，提出用雷達導引頭跟蹤靜止模擬目標的方法獲取天線罩誤差特性，導引頭與天線罩的幾何關系基本與裝彈狀態(tài)一致，對其中的安裝誤差和天線在罩內(nèi)掃描狀態(tài)下反射、折射和信道通道間不一致等引入的誤差進行測量，然后在回路外進行數(shù)字補償，對回路本身不產(chǎn)生影響，能更全面、更安全地減小天線罩引入的誤差。

1 天線罩對波束角度和視線角速率的影響

1.1 天線罩對波束角度的影響

由于天線罩影響，彈目視線將偏離實際彈目視線，偏離角度為天線罩引起的視線角誤差，計算公式如下：

σ=q-θm-φ-e。

(1)

式中：σ是天線罩引起的視線誤差，q是視線角，θm是彈體姿態(tài)角，φ是雷達導引頭波束中心線偏離彈體軸線的角度，e是波束中的失調角。當導引頭波束角度為φ時，在天線罩外的實際波束中心不是φ，而是帶有誤差σ。誤差σ是雷達工作頻率f、導引頭方位角θAz和俯仰角θEl的三元函數(shù)，即

σ=ErrData(f,θAz,θEl)。

1.2 天線罩對視線角速率的影響

根據(jù)圖1的角度定義，帶罩后雷達測得視線角為qm=q+σ,誤差σ包含方位誤差σAz和俯仰誤差σEl。

圖1 天線罩對波束角度影響

(2)

2 角度和角速率測量方法

若雷達坐標系和彈體坐標系重合，在相控陣雷達中，雷達波控角度為波束中心在彈體系下的角度。

視線角速率按圖2所示的角跟蹤回路得到。其中，q(s)是視線角；MeasureAngle是單脈沖測角輸出的目標偏離波束中心的角度值，歸一化后為1；K為增益，一般K=10左右；BeamContr是波控單元，歸一化后為1；1/s是積分環(huán)節(jié)；u(s)是視線角速率輸出值。

圖2 視線角速率測量的簡化原理圖

根據(jù)自動控制原理可知，

(3)

3 天線罩誤差測量方法

為了降低天線罩誤差對角速率的影響，需要測量天線罩誤差。天線罩誤差測量原理如圖3所示，其測試系統(tǒng)主要由目標模擬器、高精度二維轉臺、一維高精度滑軌、轉臺控制器、滑軌控制器、供電電源、安裝工裝架和相關控制軟件組成。在微波暗室測量，暗室的尺寸必須滿足天線遠場條件，利用目標模擬器模擬雷達靜止目標，雷達導引頭用單脈沖跟蹤技術對目標進行穩(wěn)定跟蹤測角，其得到的角度為波束中心角?？刂妻D臺按“走一步，測一次”的方法，覆蓋導引頭測量區(qū)域，記錄在相同轉臺角度下帶天線罩角度和不帶天線罩的角度測量值，用雷達導引頭的帶罩角度減去不帶罩角度，其差便是天線罩瞄準線誤差，經(jīng)處理后得到方位和俯仰兩維天線罩誤差表。

圖3 天線罩誤差測量原理框圖

4 數(shù)字補償算法

數(shù)字補償分為角度補償和角速率補償，角度補償包括指向補償和測角補償。

4.1 波束指向與測角補償

指向補償需要波束在無罩條件下指向空間某角度，加上罩誤差得到帶罩后的實際波控角度。測角補償是雷達導引頭在帶罩條件下測得的目標空間角度，減去罩誤差求取無罩下的實際目標空間角度。角度補償值為實測天線罩誤差值。工程中難以測得任意角度下的誤差值，只能按一定間隔測量離散的誤差值。由測量的誤差值生成角度指向誤差表和角度測量誤差表，假定誤差在小范圍內(nèi)是線性變化的，然后通過二維線性插值方法獲取任意空間角度近似誤差值。

如圖4所示，二維線性插值算法根據(jù)所求角度點M的角度坐標(x,y)，查天線罩方位誤差表得到其緊鄰周圍M11(x1,y1)、M12(x1,y2)、M21(x2,y1)、M22(x2,y2)4個點的坐標，其中x2>x>x1，y2>x>y1。M11表示方位角為x1，俯仰角為y1條件下，罩引起的方位誤差為M11；同理M12、M21和M22為其對應方位/俯仰角條件下的罩引起的方位誤差。按式(4)、(5)和(6)計算，得到點M的方位誤差Mxy。

圖4 線性插值算法

(4)

(5)

(6)

4.2 角速率測量值補償

(7)

(8)

由式(7)和式(8)整理得

(9)

(10)

(11)

(12)

式(11)中M(1,y)和M(2,y)分別與式(4)和式(5)中的M(1,y) 和M(2,y)相同。式(12)中，

(13)

(14)

(15)

圖5 角速率補償原理圖

5 仿真和試驗驗證

5.1 測量得到的天線罩誤差特性

通過上述天線罩誤差測量方法測得真實天線罩的誤差特性，從圖6中某頻點天線罩方位誤差特性可知，最大誤差出現(xiàn)在方位角7°附近，約0.6°；從圖7天線罩俯仰誤差特性圖可知，最大誤差出現(xiàn)在俯仰角7°附近，約0.6°。

圖6 天線罩方位誤差特性

圖7 天線罩俯仰誤差特性

圖8是俯仰角度固定為0°時，方位誤差隨方位角度的變化曲線，擬合直線得出在-7°～+7°之間誤差斜率為11.9%。圖9是方位角度固定為0°時，俯仰誤差隨俯仰角度的變化曲線，擬合直線得出在-7°～+7°之間誤差斜率為11.68%。此天線罩為圓錐性罩，方位、俯仰向誤差特性對稱。從圖8和圖9中測量出的天線罩誤差特性數(shù)據(jù)表明，天線罩誤差特性對稱，表明了測試方法的可行性和準確性。

圖8 方位誤差變化曲線

圖9 俯仰誤差變化曲線

5.2 加入天線罩誤差對雷達導引頭系統(tǒng)影響仿真

把測得的天線罩誤差特性數(shù)據(jù)，加入到導引頭跟蹤回路系統(tǒng)進行仿真。當俯仰角為0°，方位視線角按10 °/s線性增加，平臺不加擾動時，輸出角速率補償前和補償后結果如圖10所示，其真實視線角速率10 °/s，曲線凸起0.4 °/s，補償前后角速率誤差分別為0.38 °/s與0.16 °/s。

圖10 無擾動視線角速率

當俯仰為0°，彈平臺方位角擺幅7°，0.2 Hz擾動時，輸出角速率補償前后的結果如圖11所示，補償前后角速率誤差分別為0.67 °/s與0.15 °/s。

圖11 加擾動視線角速率

上述分析結果表明補償后曲線起伏減小，補償效果有效，但未能完全補償，其原因是誤差表格數(shù)據(jù)是離散的，在表格數(shù)據(jù)兩點之間插值取得的誤差用直線近似代替，留有殘差。

加入測量的天線罩誤差特性后，對雷達導引頭跟蹤回路系統(tǒng)進行仿真，仿真結果表明采用補償算法補償后角速率誤差小于0.2 °/s。

5.3 暗室試驗驗證

陣列墻喇叭模擬目標角度運動，方位運動角速率為10°/s，目標從-10°～+10°進行往返運動，雷達導引頭安裝上天線罩，始終保持跟蹤目標狀態(tài)進行角速率測量；同樣方法測量俯仰角速率，經(jīng)過補償后的測試結果如圖12和圖13所示，對測試結果分析表明，補償后方位角和俯仰速度誤差分別為0.12 °/s和0.15 °/s，與仿真結果一致。

圖12 方位角速率

圖13 俯仰角速率

6 結束語

本文對單脈沖跟蹤測角方法測量天線罩誤差特性的原理、頭罩數(shù)字補償算法進行了闡述，并對測量數(shù)據(jù)和補償方法進行分析、仿真與暗室試驗驗證，結果說明了此方法的可行性和有效性。多次參加了在試驗場的飛試試驗，試驗結果圓滿成功，進一步充分驗證了此方法。本文所提方法可在其他工程研制中推廣使用。該頭罩補償方法能對“一頭”匹配“一罩”進行有效補償驗證，下一步將在“一頭”匹配“多罩”或“一罩”匹配“多頭”方面的補償方法開展研究，進一步優(yōu)化補償方法，以提高測試效率和生產(chǎn)效率。