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基于单脉冲和自适应天线的数字单脉冲跟踪系统研究

雷剑梅  
【摘要】: 单脉冲概念的提出和单脉冲雷达的开发最早开始于20世纪40年代,它是在扫描和波束转换技术基础上发展起来的,用于精密跟踪的一种雷达技术。由于它能同时提供对角误差敏感所需的所有波束,在单个雷达脉冲上同时比较各波束的输出,从而消除了在扫描和波束转换技术中不可避免的回波幅度随时间变化造成的影响。传统的单脉冲雷达一般利用在天线焦平面上对称放置多馈源的方式得到同时多波束。这种方法对单脉冲馈源的设计和每个馈源之后的射频通道设计要求很高,设计复杂耗时,而且成本也很高。 智能天线最早出现于20世纪50年代,其目的是为了在复杂的电磁环境中有效地识别和跟踪目标。发展至今,智能天线几乎已经成了自适应天线的代名词,即充分利用自适应方法调整接收或发射特性来增强天线性能。其中,基于数字信号的波达方向估计技术和数字波束形成技术主导了自适应天线的发展,它们与阵列天线技术相结合,成就了灵活、准确和具备强抗干扰能力的数字天线。这种自适应天线的波束指向在一定范围内可以通过调整阵列信号的加权系数而改变,采用了抗干扰自适应算法之后,在干扰方向上还可以同时形成零陷。此外,只要数字信号处理的能力允许,那么利用不同加权系数对同一阵列天线接收下来的阵列信号进行并行处理后,可以同时得到具有不同波束指向或零陷的数字波束。 由于单脉冲技术需要同时形成多波束,而自适应天线又可以通过并行处理同时得到多个波束,所以将二者结合不但能够省去传统单脉冲系统中复杂昂贵的馈源设计,而且可以充分利用阵列天线和阵列信号处理技术的诸多优势,增大系统的灵活性。不仅如此,这样的系统还同时具备单脉冲技术独有的高速和高跟踪精度优点。这就是本文提出的基于单脉冲和自适应天线的数字单脉冲跟踪系统。本文研究目的是为了:⑴设计数字单脉冲跟踪系统的系统结构;⑵分析数字单脉冲的性能参数,并仿真研究其特点;⑶根据仿真结果提出改善系统性能的方法。 为此,作者主要完成了如下研究工作: (1)首先研究了传统单脉冲技术,在此基础上,设计了数字单脉冲跟踪系统的系统结构。对该系统的三大组成部分——阵列天线部分、发射部分和跟踪部分——的结构选择和设计进行了研究。 (2)在一个数字单脉冲跟踪系统中,单脉冲技术主要用于目标精跟踪,在此之前需要进行目标初始捕获和同时多波束形成。因此,作者接下来首先对系统的目标捕获部分和单脉冲波束形成部分进行研究。在目标初始捕获部分,考虑到资源的利用率和提高单脉冲跟踪的初始跟踪精度,作者选用了谱峰搜索DOA估计法。 (3)比较了传统单脉冲系统和数字单脉冲跟踪系统的误差来源,由此说明了数字单脉冲跟踪系统的优点。然后提出了一种适用于多目标跟踪的,基于DOA估计的单脉冲干扰抵消方法,并给出其实现结构。该方法充分利用了系统的数字处理资源,是一种较高效的方法。在此方法基础上,研究了具体实现时需要用到的干扰抵消技术,例如主瓣干扰抵消技术和旁瓣干扰抵消技术,以及级联了主、旁瓣干扰抵消的一种单脉冲自适应波束形成结构。 (4)为了研究数字单脉冲跟踪系统的性能改善方法,作者在第3章所设计的系统结构基础上,利用仿真软件Matlab中的Simulink搭建起一个仿真平台,介绍了平台的组成和构建方法,以及搭建过程中遇到的主要困难与解决方法。该平台不但能够帮助仿真分析单元波束夹角等单脉冲参数对系统跟踪性能的影响,而且为今后进一步研究数字单脉冲跟踪系统中其他因素对系统性能的影响提供了一个很好的平台。 (5)最后,作者利用搭建起的仿真平台对能够表征单脉冲系统性能的参数及其与跟踪精度的关系进行了数学分析和仿真,并根据分析结果找到一种改善跟踪性能的方法——单元波束夹角调整法。为了说明该方法的有效性和优越性,作者对采用固定单元波束夹角进行单脉冲跟踪时的跟踪精度与采用可变单元波束夹角进行单脉冲跟踪时的跟踪精度进行了比较。结果显示,当输入信噪比一定时,采用固定单元波束夹角进行单脉冲跟踪的跟踪精度是固定的,但采用可变单元波束夹角进行单脉冲跟踪却可以得到最佳的跟踪精度;当输入信噪比恶化时,采用固定单元波束夹角进行单脉冲跟踪的跟踪精度必然降低,但采用可变单元波束夹角进行单脉冲跟踪却可以将跟踪精度的恶化降低到最小,甚至保持跟踪精度不变。


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