导弹制导控制系统原理.ppt

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1、,导弹制导控制系统原理,合成孔径雷达(SAR),第八章 高分辩力雷达,美研发出最小合成孔径雷达,154MD上的合成孔径雷达,8.1 合成孔径雷达的应用,美国宇航局(NASA)s AirSAR合成孔径雷达装载于一架DC-8飞机的侧面,雷达罩内,加装有合成孔径雷达,“空警”2000型预警机在驾驶舱下方的雷达罩内,加装有合成孔径雷达(SAR),可执行对地面目标的侦测与追踪任务,目前只有美国计划在2012年服役的E10预警机(MC2A),才具有这种空地并重的功能,由此显示中国的预警机发展引领了世界潮流。,“空警”2000型预警机,“空警”2000下方的小型合成孔径雷达,陆地观测技术卫星ALOS号合成孔

2、径雷达天线打开,ALOS卫星是日本在1992年发射的地球资源卫星1号和1996年发射的改进型地球观测卫星之后发射的又一颗更加先进的陆地观测技术卫星。,ALOS号合成孔径雷达天线,大地彩虹合成孔径雷达,诺斯罗普格鲁曼公司的RQ-4A“全球鹰”是美国空军乃至全世界最先进的无人机。作为“高空持久性先进概念技术验证”(ACTD)计划的一部分，包括“全球鹰”和“暗星”两个部分在内的“全球鹰”计划于1995年启动。,“全球鹰”可同时携带光电、红外传感系统和合成孔径雷达,带有多种有效载荷，包括侧视合成孔径,ERS卫星,ERS-1 ERS-2 欧空局分别于1991年和1995年发射。携带有多种有效载荷，包括侧

3、视合成孔径雷达（SAR）和风向散射计等装置），由于ERS-1（2）采用了先进的微波遥感技术来获取全天候与全天时的图象，比起传统的光学遥感图象有着独特的优点。,ERS-1雷达卫星影像,太阳神-2A光学成像侦察卫星,欧洲近日用俄罗斯宇宙-3M发射首颗雷达成像侦察卫星“合成孔径雷达-放大镜”。它是德国第1颗侦察卫星，旨在帮助德国构建本国太空侦察体系，从而引起了世界军事航天界的广泛关注。,太阳神-2A光学成像侦察卫星,JSTARS，代号E-8,机身下装有一个12米长的雷达舱，即前机身下白色长形物体。利用舱内强劲的AN/APY-3多模式侧视相控阵I波段电子扫描合成孔径雷达,1 引言,雷达采用实际孔径天线

4、时，设阵天线长度为L,均匀加权；在远场条件下，发射和接收均认为是平面波。,8.2 合成孔径雷达(SAR),若工作波长为，来自偏离视轴方向的信号在天线端口处的相位是位置的函数。如果设目标方向偏离视轴角，则回波信号的单程相位差(x)为,利用雷达回波预测天气,雷达回波测距,雷达回波,用复数形式表示的天线方向图函数F()为,(8.1),由回波信号的单程相位差(x),X-为接收点偏离相位基准点的位置,半功率点(用归一化方向函数)：,其功率方向图为,上式是超越函数，其图解为,即,对于小的波束宽度，即，可认为sin()，则得实际常用公式：,或单程半功率波束宽度,(8.2),定义在2/处的瑞利分辨力为,(8.

5、3),由此得到的横向分辨力为,(8.4a),(8.4b),收发双程时，其半功率点分辩力可证明为,(8.5),瑞利（18421919）Rayleigh，Baron 英国物理学家。原名J.W.斯特拉特。1842 年 11月12日生于埃塞克斯的威特姆，1919 年6月30日卒于同地。他进行了光栅分辨率和衍射的实验研究，第一个对光学仪器的分辨率给出明确的定义，对光谱学的 研究起了重要 作用。1904年诺贝尔物理学奖-氩的发现,SAR有两种工作方式，一种是对回波信号作聚焦处理，另一种是非聚焦处理。,8.3 SAR 原 理,雷达接收回波测定目标位置,对于合成阵而言，当目标处于无穷远处，其回波可视为平面波，

6、而实际目标的距离往往不满足平面波照射的条件。对应于不同距离，目标回波的波前是半径不同的球面波。,平面波,平面波三维图,球面波前,如果在接收机信号处理时，对不同距离的球面波前分别予以相位补偿，则对应于这样的处理称为聚焦处理。,如果将合成阵各点上所接收的信号进行相参积累，在积累前不改变各点接收信号间的相位关系，即不加任何相位补偿，则这种情况称为非聚焦处理。,聚焦处理时SAR的方位线分辨力为,(8.6),方位线分辨力和目标距离R无关，这是一个很奇妙的特性，在实际使用时带来很多好处。非聚焦处理时的方位线分辨力为,(8.7),D为天线尺寸,R0为合成阵中心到目标的距离,非聚焦处理时的合成孔径长度L较小，

7、可按远场平面波情况近似分析，然后再加以修正。从视轴方向照射来的目标回波到达天线孔径的每一处是等相位的。,1.非聚焦处理,远场测试,天线测试系统,紧缩场天线测试的紧缩场意思是指在一个相对小(紧缩)的空间里产生出传统远场天线测试所需要的平面波。,小合成孔径的几何关系,如下图示，可认为与实际孔径天线相似。,上图中，偏离视轴横向距离y处目标回波的收、发双程相位差为,此外，x=vpt是载机运动时产生的，vp为载机飞行速度。,为偏离视轴的方位角。当很小时，满足以下关系：,(8.9),因为在合成孔径时，每个阵元收到的回波相位差是发、收双程的，因而较一般实际孔径天线时相位差增加 1 倍。,y为在距离R处偏离波

8、束指向的横向距离。,当发射连续波信号时，合成孔径天线对 到 时间内收到的回波信号进行积累处理。如在这段时间内对目标均匀照射，则对横向偏移为y时的积累响应为,式中,(8.10),所得结果与实际孔径的天线类似：,ALOS号合成孔径雷达天线,由归一化功率响应，可得到半功率点的分辨率。半功率点产生在：,用孔径长度L=vpT表示的横向分辨力为,(8.11a),按2/幅度处定义的瑞利分辨力则为,(8.11b),横向分辨力与合成孔径天线的长度L直接联系，在非聚处理时，L值应是多少?,下面予以讨论实际工作情况下，目标与天线间的距离不是无穷大，合成孔径边缘处收到的点目标回波存在相位差。,在非聚焦处理时，阵面上信

9、号的相位差将影响合成孔径天线波束展宽和副瓣恶化，为此，孔径L受到限制。从图8.17 中可看到，以y=0为基准，在孔径L的边缘处到达目标的距离也发生R的变化，即,(8.12),如果允许孔径边缘处往返相位差不超过/2，则R/8。由式(8.12)可得，由此可得横向分辨力为,(8.13),聚焦处理时，由阵列边缘产生的平方项可以在信号处理过程中予以补偿，此时，合成孔径长度由阵元波束宽度所覆盖的长度Le所决定：,(8.14),2.聚焦处理,1)天线阵列观点,式中，D为实际阵元天线孔径；/D为阵元的瑞利方向图宽度。因此，合成孔径雷达的横向分辨率为,此时的横向线分辨力与目标距离P无关，且与阵元尺寸D成正比，这

10、是完全不同于实际孔径天线的。聚焦处理时要补偿由边缘波差产生的平方相位差，即要做信号处理，因此，首先要分析工作过程中点目标回波的性质。,月蚀计划F-106B,月蚀计划：F-106“聚焦”目标来达到最大雷达回波强度火控流程,E-8与其上的合成孔径雷AN/APY-3,澳大利亚“楔尾”预警机和机上的MESA多功能电子扫描阵列雷达天线图片,创新的小型电控天线阵列,天线阵,2)脉冲压缩技术的观点,我们也可以从脉冲压缩技术的观点来阐述合成孔径雷达的原理。现将目标(地面的某一处)作为点源来分析：,图 动目标坐标共多卜勒频率-距离(时间)的关系,根据多卜勒效应可知，当雷达与目标存在相对运动时，双程产生的多卜勒频

11、率为,目标作等速直线飞行时，垂直于其航线方向的某一目标，相对于飞机的径向速度是变化的。在角度不大时，因为,而,x=vt,所以多卜勒频移fd与x或t的关系近似为直线，见图9.18(b)。这一点可以进一步由图8.19 得到证明，图中，雷达与目标之间的距离R0与雷达位置x的关系为,当角度不大时忽略高次项d2,则球面波引起的波程差为,(8.15),由波程差引起的相对相移(双程相移)为,(8.16),由雷达运动引起的多卜勒频移为,(8.17),由式(8.16)可知，相移与x呈平方关系。,香港机场的多普勒雷达,图8.19 动目标坐标及其相位-距离(或时间)的关系(a)动目标坐标；(b)相位-距离(时间)关

12、系,图8.20 动目标坐标及其相位一距离(时间)的关系,这就说明，雷达接收机收到的将是一个线性调频信号，其宽度等于单个天线波束宽度所决定的能收到信号的时间。这个信号若采用一般检取振幅显示的办法显示，则显示器画面的亮弧将与单个天线波束宽度一致，即角分辨度由单个天线决定。如前分析，这是不能满足要求的。,既然接收到的信号是线性调频信号，那么，能否用线性调频信号的脉冲压缩网络使收到的信号变窄呢?,当然是可以的。我们知道，线性调频信号经过匹配滤波器之后，脉冲包络受到压缩，这等效于把天线的波束宽度变窄了，从而提高了角度分辨力。不过，这时所用x轴(或时间t)不是目标的斜距离，而是代表，即方位角度变化。,所以

13、，压缩后的信号是提高角分辨力而不是提高距离分辨力，这个信号宽度远大于信号往返于最大作用距离的时间，如果为脉冲法工作，则远大于信号重复周期。,雷达接收机及其处理装置,脉冲压缩,1,2,3,k,不连续发射,连续发射,F-14D上安装休斯公司的AN/AWG-9脉冲多普勒雷达,把辐射信号以复信号形式表示为,(8.18),它经过点目标反射后又到达雷达天线。设该点目标的点反射系数为K(为了简化，先略去方向图的影响)，则反射信号为,(8.19),通常飞机高度远小于距离，故,(8.20),式中，td为双程延迟时间；R0相当于航路捷径的垂直距离。通常x R0，故,(8.21),代入,(8.22),式中，第二项相

14、移是垂直距离R0引起的，为一个常量；第三项相移为沿x轴的且与接收单元天线位置有关的相移，与x成非线性关系。,式中，v为飞机飞行速度，,令第三项相移为,(8.23),(8.24),根据已学知识可知，相位函数随时间成平方关系的信号为线性调频信号，其角频率为,=0+t=0-2bv2t,(8.25),其中,可见，调频信号的角频率变化速度与飞机速度的平方成正比，与垂直距离成反比。这些可以从角速度与径向速度的变化图中直观地看出来。,全相参双偏振多普勒天气雷达,因此，飞机运动时，目标角位置的有用信息主要包含于相位函数(x)之中，这个(x)或多卜勒频率变化情况可从检波器输出端得到。这个信号也可叫零中频信号即多

15、卜勒频率信号或叫相参视频。,(8.26),(x)中x的最大值是天线方向图主瓣照射的边界，即(4 dB为单个天线 2/强度处波束宽度即瑞利波宽。因为,微波系统的天线介绍,天线的方向性图,所以,(8.27),辐射分布图,半功率波瓣宽度,卡塞格倫天線是另一種在微波通信中常用的天線，它是從拋物線演變而來的。卡塞格倫天線由三部分組成，即主反射器、副反射器和輻射源。其中主反射器為旋轉拋物面，副反射面為旋轉雙曲面。,卡塞格倫天線,卡塞格倫天線工作原理,又,D为实际天线孔径,所以,(8.28),(8.29),即最高多卜勒频率等于单个天线孔径的倒数，为一常量。因为频偏为2fmax，所以线性调频信号的调频带宽为,

16、(8.30),在聚焦处理时，压缩脉冲宽度为,(8.31),与输出波形的-4dB宽度一致(0也是用时宽表示的方位线分辨力)。用x表示的方位线分辨力为,(8.32),式(8.32)表明用脉冲压缩原理导出的结果与用合成阵列导出的结果一致。,图8.21 合成孔径雷达的照射情况与频移情况铅垂面；(b)水平面；(c)不同距离目标的照射情况；(d)不同距离目标的多卜勒频移,SAR为脉冲工作状态时，由于是对连续信号取样，这时，将存在二维模糊。方位角模糊是由于在脉冲工作状态时，在每个位置上发收一个脉冲，经过d=vTr时间后再发射接收下一个回波脉冲。离散天线阵列的方向图具有栅瓣多值性。,3.合成孔径雷达的模糊问题

17、,“飞豹”脉冲多普勒雷达的平面狭缝天线,飞豹战斗轰炸机,精确定位杀手锏中华飞豹,合成孔径天线方向图函数F()为,(8.33),“飞豹”战斗轰炸机,由于收发往返双程的相位差，故上式较一般的阵列天线方向图中的相角值增加 1 倍。脉冲工作状态时，合成孔径雷达阵元距离d=vTr,v为平台速度，Tr为脉冲重复周期。(8.33)式的函数具有栅瓣多值性，栅瓣或模糊波束的位置为,n为整数,(8.34),图8.22 模糊波束指向,n=1为第一对模糊波束位置。,n=1第一对模糊波束位置,第一对模糊指向角m不大时,n为其它整数时还有栅瓣出现。这些栅瓣形成一列方位角几乎是等间隔且幅度相等的波瓣列。,SAR要测的是=0

18、这个合成波束所对准的地面目标区，而其他合成模糊波束对方向所接收的回波形成了重叠在所要求地面目标区上的干扰信号，必须抑制掉这些干扰才能获得目标区的清晰图像。,以色列狮式战斗机 EL/M2032多模态脉冲多普勒雷达,图 8.23 用真实天线波瓣抑制合成模糊波束,如果SAR天线的实际孔径尺寸为D，则其方向图函数为,该方向图的零点位置在：,即,(9.2.35),第一个零点位置于n=1,即。,模糊栅瓣不产生影响的条件是阵列模糊栅瓣的正与实际天线零点位置重合，即,因为,所以,D=2d=2vTr,(8.36),实际天线孔径D由平台速度v及重复频率 所限，见上式所示。聚焦式SAR的横向分辨力，即最高分辨力随重

19、复频率fr的提高而提高。脉冲工作时,SAR也有距离模糊。最大不模糊距离由重复频率fr决定，即,c为光速。,KLJ-7机载X波段脉冲多普勒雷达,图 8.24 正侧视雷达测绘时的几何关系图,当SAR对地面测绘时，其几何关系如图8.24 所示。如果保证测绘最近点的回波和最远点的回波不产生模糊，则应满足如下关系：当天线下视角为，仰角波束宽度为r时，所照射到的地面距离尺寸则为Tg=Trsec，T r为远近回波脉冲的距离间隔。距离不模糊的基本关系为,而地面尺寸Tg又和仰角波束宽度r有关：TgRr，代入上式后得到波束宽度r的限制值为,式中,一般雷达方程的单个脉冲回波时的信噪比为,(8.37),Pt为发射机辐

20、射脉冲功率；G为天线增益；为工作波长；Ld为各种损失；k为玻兹曼常数；为目标的有效截面积；Fs为系统噪声系数。,4.SAR的距离方程,对面反射目标的有效截面积，在分辨单元内为,(8.38),D/2为方位直线分辨力；D为实际天线孔径；tp为脉冲宽度；为侧视雷达波束俯角；0为地面单位面积的散射系数。,飞机飞过时目标的照射时间为0.5R/v,0.5为单个天线半功率点波束宽度。这个时候内，积累的脉冲数为,式中，fr为重复频率。,RDM多功能多普勒雷达,如果设这个分辨单元的反射回波保持相参，则NB个脉冲积累后，信噪比提高NB倍。积累后的信噪比为,或,(8.40),(8.39),可见，合成孔径雷达的辐射功

21、率与距离R的立方成正比，与飞行成正比，与方位分辨力D/2无关，而与躏了分辨力成反比。,图 8.25 SAR数字处理框图,5.SAR的信号处理,图示为一个距离、方位二维压缩均采用频域匹配滤波(相关)处理的方框图。输入数据块为各重复周期依次排列的时域回波数据，信号si(t1)在时间上扩展到t2，接着将每个周期的时间信号做FFT，变为依交的频域信号Si(f)，频域回波和匹配滤波频谱函数S*i(f)相乘后，再经FFT-1处理，变为压缩后的时间信号，仍按重复周期依次排列存入。,下面进行方位维的压缩处理、此时是按不同周期的同一距离单元的数据处理，故经拐角存储器输出获得所需组处理数据，方位处理的模式与距离上的压缩相同。最后输出数据是经过两维压缩的图像。,“爱国者”导弹脉冲多普勒处理器,DC-8是美国道格拉斯研制的四发动机大型喷气客机，1955年6月开始设计。早期生产5种不同型别，各型几何尺寸、气动特点和主要系统基本相同，主要区别是选用不同的发动机。DC-8和-70系列共获110架订货，1987年全部交付完毕。,DC-8,DC-8,返回,