基于單脈沖和自適應(yīng)天線的數(shù)字單脈沖跟蹤系統(tǒng)研究.pdf

1、單脈沖概念的提出和單脈沖雷達的開發(fā)最早開始于20世紀40年代,它是在掃描和波束轉(zhuǎn)換技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,用于精密跟蹤的一種雷達技術(shù)。由于它能同時提供對角誤差敏感所需的所有波束,在單個雷達脈沖上同時比較各波束的輸出,從而消除了在掃描和波束轉(zhuǎn)換技術(shù)中不可避免的回波幅度隨時間變化造成的影響。傳統(tǒng)的單脈沖雷達一般利用在天線焦平面上對稱放置多饋源的方式得到同時多波束。這種方法對單脈沖饋源的設(shè)計和每個饋源之后的射頻通道設(shè)計要求很高,設(shè)計復(fù)雜耗時,而

2、且成本也很高。智能天線最早出現(xiàn)于20世紀50年代,其目的是為了在復(fù)雜的電磁環(huán)境中有效地識別和跟蹤目標。發(fā)展至今,智能天線幾乎已經(jīng)成了自適應(yīng)天線的代名詞,即充分利用自適應(yīng)方法調(diào)整接收或發(fā)射特性來增強天線性能。其中,基于數(shù)字信號的波達方向估計技術(shù)和數(shù)字波束形成技術(shù)主導(dǎo)了自適應(yīng)天線的發(fā)展,它們與陣列天線技術(shù)相結(jié)合,成就了靈活、準確和具備強抗干擾能力的數(shù)字天線。這種自適應(yīng)天線的波束指向在一定范圍內(nèi)可以通過調(diào)整陣列信號的加權(quán)系數(shù)而改變,采用了抗干

3、擾自適應(yīng)算法之后,在干擾方向上還可以同時形成零陷。此外,只要數(shù)字信號處理的能力允許,那么利用不同加權(quán)系數(shù)對同一陣列天線接收下來的陣列信號進行并行處理后,可以同時得到具有不同波束指向或零陷的數(shù)字波束。由于單脈沖技術(shù)需要同時形成多波束,而自適應(yīng)天線又可以通過并行處理同時得到多個波束,所以將二者結(jié)合不但能夠省去傳統(tǒng)單脈沖系統(tǒng)中復(fù)雜昂貴的饋源設(shè)計,而且可以充分利用陣列天線和陣列信號處理技術(shù)的諸多優(yōu)勢,增大系統(tǒng)的靈活性。不僅如此,這樣的系統(tǒng)還同時

4、具備單脈沖技術(shù)獨有的高速和高跟蹤精度優(yōu)點。這就是本文提出的基于單脈沖和自適應(yīng)天線的數(shù)字單脈沖跟蹤系統(tǒng)。本文研究目的是為了:⑴設(shè)計數(shù)字單脈沖跟蹤系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu);⑵分析數(shù)字單脈沖的性能參數(shù),并仿真研究其特點;⑶根據(jù)仿真結(jié)果提出改善系統(tǒng)性能的方法。為此,作者主要完成了如下研究工作:(1)首先研究了傳統(tǒng)單脈沖技術(shù),在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了數(shù)字單脈沖跟蹤系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對該系統(tǒng)的三大組成部分——陣列天線部分、發(fā)射部分和跟蹤部分——的結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計進行了

5、研究。(2)在一個數(shù)字單脈沖跟蹤系統(tǒng)中,單脈沖技術(shù)主要用于目標精跟蹤,在此之前需要進行目標初始捕獲和同時多波束形成。因此,作者接下來首先對系統(tǒng)的目標捕獲部分和單脈沖波束形成部分進行研究。在目標初始捕獲部分,考慮到資源的利用率和提高單脈沖跟蹤的初始跟蹤精度,作者選用了譜峰搜索DOA估計法。(3)比較了傳統(tǒng)單脈沖系統(tǒng)和數(shù)字單脈沖跟蹤系統(tǒng)的誤差來源,由此說明了數(shù)字單脈沖跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)點。然后提出了一種適用于多目標跟蹤的,基于DOA估計的單脈沖干

6、擾抵消方法,并給出其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。該方法充分利用了系統(tǒng)的數(shù)字處理資源,是一種較高效的方法。在此方法基礎(chǔ)上,研究了具體實現(xiàn)時需要用到的干擾抵消技術(shù),例如主瓣干擾抵消技術(shù)和旁瓣干擾抵消技術(shù),以及級聯(lián)了主、旁瓣干擾抵消的一種單脈沖自適應(yīng)波束形成結(jié)構(gòu)。(4)為了研究數(shù)字單脈沖跟蹤系統(tǒng)的性能改善方法,作者在第3章所設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,利用仿真軟件Matlab中的Simulink搭建起一個仿真平臺,介紹了平臺的組成和構(gòu)建方法,以及搭建過程中遇到的主要

7、困難與解決方法。該平臺不但能夠幫助仿真分析單元波束夾角等單脈沖參數(shù)對系統(tǒng)跟蹤性能的影響,而且為今后進一步研究數(shù)字單脈沖跟蹤系統(tǒng)中其他因素對系統(tǒng)性能的影響提供了一個很好的平臺。(5)最后,作者利用搭建起的仿真平臺對能夠表征單脈沖系統(tǒng)性能的參數(shù)及其與跟蹤精度的關(guān)系進行了數(shù)學(xué)分析和仿真,并根據(jù)分析結(jié)果找到一種改善跟蹤性能的方法——單元波束夾角調(diào)整法。為了說明該方法的有效性和優(yōu)越性,作者對采用固定單元波束夾角進行單脈沖跟蹤時的跟蹤精度與采用可變