弹载相控阵探测器前视高分辨测角模型的研究

为解决探测器的高分辨测角问题，结合探测器的天线结构，推导实现高分辨测角的原理，提出适用于探测器高分辨测角策略。结合单脉冲比幅测角技术具备系统结构复杂度低、实时性强、对探测器航迹无特殊要求等优点［52］，进一步研究适用于弹载相控阵探测器的前视测角策略，使其能够应用于弹载平台实现高分辨测角。

单脉冲测角技术也可称为同时波束比较测角法，主要用于测量信号的到达方向，由于天线截获信号的不同类型，可以分为主动探测以及被动探测［53］；由于回波信号数据处理方式的不同，又可分为比幅测角与比相测角。比幅单脉冲测角技术［54］可定义为：采用比幅测角方式的探测器天线轴与被测目标的角度偏差由测量同一目标在两个接收方向图上的幅度比解算获得，方向图可能是位于天线轴的相对应的镜像波束，或者利用对于轴有奇对称的差通道波束和有偶对称的和通道波束；对于后者，比值结果会出现正负值。弹载单脉冲探测器进行目标DOA（到达角）测量示意图如图4-1所示。

图4-1　弹载单脉冲探测器进行目标DOA测量示意图

弹载探测器向目标区域发射上、下波瓣两波束用于测量目标强散射点处的角度信息。其中，上、下波瓣中轴的角度间隔为θS，强散射点与探测器视线中轴之间的夹角为θ。单脉冲测角技术利用探测器发射的一个脉冲回波，就可以获取目标的方位信息［55］。由于测角精度较高，单脉冲测角技术已经广泛应用于对目标的搜索与跟踪方面，同时也可与SAR（合成孔径雷达）成像技术相结合，用于实现高分辨目标成像［56］。回波信号由探测器截获后，经过和、差通道得到目标回波和、差信号数据，弹载探测器接收通道设置示意图如图4-2所示。

新型毫米波近炸引信的探测器阵面主要设置3个回波处理通道，包括和通道、俯仰差通道与方位差通道。以方位向DOA检测为例，设Σ（θ）与Δ（θ）分别为弹载探测器的和、差探测波束方向图，其中θ表示相对于探测器视轴中心线方向的方位角，则和、差波束方向图之间的关系可以表示为

式中，k为常数，与探测器参数以及天线俯仰角、方位角等因素相关；j为虚数符号。设探测目标区域内存在强散射点，则由该散射点的和、差回波信号的一次快拍可以表示为

图4-2　弹载探测器接收通道设置示意图

式中，tk为回波信号经过采样后的时间变量；s（tk）为探测信号经过目标强散射点的回波信号；由和、差方向图分别加权之后即可得到回波的和信号sΣ（tk）与差信号sΔ（tk）。令和、差回波信号比值的虚部为M（θ），则可得

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式中，Im［］为取虚部函数。结合式（4-1），则M（θ）可以表示为

式（4-4）揭示了单脉冲天线的测角原理，反映出单脉冲和、差比与波束中目标偏离实现中轴角的关系。同时，M（θ）也被称为单脉冲测角过程中的单脉冲响应曲线。单脉冲测角的主要步骤如图4-3所示。

图4-3　单脉冲测角的主要步骤

针对目标区域传统的单脉冲测角的信号处理部分主要可以归纳为上述四步骤：首先进行距离向的脉冲压缩，获得和通道数据sΣ（tk）与方位差通道数据sΔ（tk），然后利用和、差数据结合式（4-3）解算得到该距离维内的单脉冲响应曲线M（θ），从而进一步计算得到各个距离-脉冲单元的偏轴角θi，i∈1，2，3，…，最终得到目标区域的距离-方位数据，实现对目标区域同一距离维下的角度估计。

相控阵探测器用于在末段（下降段）对目标域进行高分辨探测。探测器在预设测量区域开始工作，其工作模式与信号收发如图4-4所示。

由图4-4可知，弹载探测器为平台式相控阵探测器，位于引信前端并与弹轴垂直，信号处理电路位于其后。根据预设作战任务的要求，在下降端某处探测器开始工作，沿着载弹速度方向发射探测波束对探测区域内进行实时测角。图4-4（b）显示了同一距离维的回波截获过程，由图4-4还可以看出，在一定探测范围内，同一距离维的角度分辨率决定了最小分辨单元的宽度，即目标区域的方位向分辨率。

单脉冲探测系统复杂度低、实时性强、对载弹航迹无特殊要求，能够用于弹载探测器前视成像过程。但在实际应用过程中，弹载探测器测量前视范围内的有效高程时，总会遇到某些特殊地形、地貌，如高耸的尖峰、大幅的凹陷等，会给近炸引信测距带来较大的测量误差。为避免上述情况，大幅度提升探测区域的角度分辨是保证毫米波引信前视高分辨定距的基础。当探测器开始工作后，以探测器为原点，仅考虑目标区域的某一距离维内的方位向，建立相控阵探测器前视测角模型。当探测器进行测角过程时，可将探测区域方位向视为水平探测区域，探测波束由最左端按照波束扫描速度向最右端平移，平移的步长为相邻两阵元之间的距离对应的角度。当完成方位向扫描后，截获目标区域的回波信号，通过信号处理分析能够得到目标区域内的强散射点的方位向信息，即散射点的DOA。

图4-4　弹载相控阵探测器前视测量示意图

（a）同一距离维回波接收示意图；（b）弹载探测器工作原理示意图

通常情况下，目标区域同一距离维内包含众多散射点，由探测原理可知：回波信号可由目标区域散射点的散射系数与方向图的乘积获得［57］。根据单脉冲测角原理，相邻探测波束之间的强散射点能够被有效区分与识别，由许多研究成果来看：将探测波束宽度设计得足够小，在方位向按照较小的步长实施扫描，以牺牲时间的方法来换取角度测量高分辨率。该方法的优势在于能够有效实现前视高分辨测角，且精度能够实现与传统单脉冲测角相当，但是利用这种方法实现高分辨测角会使探测器的复杂程度大幅提升，同时也增加了测量过程的整体响应耗时，不利于弹载平台的探测环境。