本發(fā)明涉及一種連續(xù)波一維相掃脫靶量矢量檢測方法及裝置。

背景技術(shù)：
隨著脫靶量測量技術(shù)的不斷發(fā)展，目前脫靶量測量系統(tǒng)的工作方式由協(xié)同式逐漸發(fā)展為以非協(xié)同式為主；測量數(shù)據(jù)類型在標(biāo)量型脫靶量測量成熟的基礎(chǔ)上，向矢量脫靶量測量發(fā)展并不斷完善。所謂標(biāo)量脫靶量測量是指在遭遇過程中測量彈與靶的最小相對距離，而矢量脫靶量測量不僅要獲得標(biāo)量脫靶量，而且還要測得彈與靶遭遇過程的相對位置(距離、角度)和相對速度。脫靶量的測量可以借助無線電波、光波、聲波等能量形式作為獲取信息的媒介。其測量方法主要有無線電脫靶量測量方法、光學(xué)測量方法、GPS測量方法。其中無線電脫靶量測量方法又分為無線電定位方法和雷達(dá)測量方法。無線電定位法為協(xié)同式測量系統(tǒng)，需要對彈和靶都加裝無線電設(shè)備。而雷達(dá)測量法為非協(xié)同式測量系統(tǒng)，不需要對彈進(jìn)行任何改裝，利用雷達(dá)檢測原理對彈與靶的相對距離和角度進(jìn)行測量。目前靶場用于脫靶量測量的方式主要有光學(xué)設(shè)備測量和雷達(dá)測量。典型的光學(xué)脫靶量測量方法包括攝影、照相、紅外光導(dǎo)攝像、激光測距等，利用光學(xué)測量和成像原理，測量、記錄目標(biāo)的運(yùn)動軌跡、姿態(tài)、運(yùn)動中發(fā)生的事件，以及目標(biāo)的紅外輻射和視覺特征。光學(xué)跟蹤測量設(shè)備通常由攝影機(jī)、跟蹤或監(jiān)視設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備組成。這種方法有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：需要良好的照明條件、受氣象條件的影響大；當(dāng)靶標(biāo)被擊中時(shí)數(shù)據(jù)會丟失；膠卷記錄的時(shí)間有限和相機(jī)的穩(wěn)定性問題；另外其數(shù)據(jù)處理也比較繁雜。而雷達(dá)測量以電磁波作為獲取信息的媒介，抗干擾能力強(qiáng)，測量精度高，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠，且不受天氣影響，具有全天候工作能力。雷達(dá)測量包括脈沖雷達(dá)和連續(xù)波雷達(dá)，從理論上來說，雷達(dá)的探測能力取決于能夠利用的信號能量。距離分辨力取決于信號的帶寬，頻率分辨力取決于信號的時(shí)寬，角度分辨率取決于天線相對于波長的尺寸，目標(biāo)速度測量精度取決于發(fā)射信號的時(shí)寬。連續(xù)波系統(tǒng)很容易獲得大時(shí)寬、大帶寬，其距離、速度分辨力優(yōu)于脈沖雷達(dá)，而且線路更加簡單，成本更低。同時(shí)，脈沖雷達(dá)由于采用單天線收發(fā)，需要進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換，存在保護(hù)時(shí)間，因此近距離目標(biāo)的探測會受到影響，而連續(xù)波雷達(dá)則不存在這個(gè)問題。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，連續(xù)波雷達(dá)在靶場測量、汽車防撞雷達(dá)、精密跟蹤、火控雷達(dá)、點(diǎn)目標(biāo)自衛(wèi)系統(tǒng)以及太空間衛(wèi)星搜索跟蹤等很多場合具有廣泛的應(yīng)用前景。然而現(xiàn)代軍事武器裝備的發(fā)展，使得人們對靶場雷達(dá)測量設(shè)備的要求越來越高，要求連續(xù)波雷達(dá)不但能夠測量單個(gè)目標(biāo)的速度、距離、角度，給出目標(biāo)的矢量信息，還能在較遠(yuǎn)距離上對多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行捕獲、跟蹤和測量，且對測量精度的要求越來越高。在這樣的要求下，調(diào)頻連續(xù)波體制，以其突出的優(yōu)勢，成為靶場測試?yán)走_(dá)的首選。綜上所述，線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)由于具有全天候、非協(xié)同、抗干擾能力強(qiáng)、矢量測量、精度高、成本低等特點(diǎn)，成為脫靶量測量領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和重要測量設(shè)備。但目前的靶量測量裝置對多個(gè)高速小目標(biāo)不能進(jìn)行可靠矢量檢測；另外，由于脫靶量測量裝置通常安放于靶標(biāo)附近，被擊中的概率很大，易被破壞和不能反復(fù)使用。因此如何降低使用成本，提高設(shè)備性價(jià)比，也是脫靶量測量設(shè)備的發(fā)展方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種脫靶量測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可同時(shí)對多個(gè)高速小目標(biāo)進(jìn)行可靠矢量檢測，具備高可靠性、安裝維護(hù)方便，且不受天氣影響、具有全天候工作能力，可反復(fù)使用、維護(hù)成本低的連續(xù)波一維相掃脫靶量測量方法及其裝置。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種連續(xù)波一維相掃脫靶量矢量檢測方法，其特征在于包括如下步驟：將脫靶量測量裝置放置在著彈區(qū)外，所述裝置采用一維相掃體制對靶區(qū)在水平方向上進(jìn)行高速連續(xù)掃描，將雷達(dá)每一個(gè)波位的波束指向固定且事先設(shè)定，然后從左邊的第一個(gè)波位開始，從左至右依次對每一個(gè)波位進(jìn)行掃描，直到把最后一個(gè)波位掃描完，然后又循環(huán)從第一波位開始進(jìn)行掃描，在靶區(qū)上形成一個(gè)90°×10°的搜索屏；在雷達(dá)對某個(gè)波位進(jìn)行掃描期間，雷達(dá)采用線性調(diào)頻連續(xù)波測距體制對目標(biāo)的距離進(jìn)行測量，對掃描空域發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波信號，當(dāng)有目標(biāo)進(jìn)入探測區(qū)域時(shí)，采用寬帶線性調(diào)頻連續(xù)波測距和單脈沖和差測角方式，對目標(biāo)相對于雷達(dá)的距離R′和方位θ'°進(jìn)行矢量脫靶量測量，然后由雷達(dá)數(shù)據(jù)處理分機(jī)利用相對于靶標(biāo)的距離和方位角度的幾何關(guān)系和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，將目標(biāo)相對于雷達(dá)的距離和方位換算成相對于靶標(biāo)的矢量脫靶量。本發(fā)明與現(xiàn)有脫靶量測量裝置相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：采用一維相掃體制對檢靶區(qū)域進(jìn)行高速連續(xù)掃描，檢測數(shù)據(jù)率高，可同時(shí)對多個(gè)高速小目標(biāo)進(jìn)行可靠檢測；采用寬帶線性調(diào)頻連續(xù)波測距體制和單脈沖和差測角體制對目標(biāo)進(jìn)行矢量脫靶量測量，脫靶量測量精度高，為打靶提供更可靠的評判依據(jù)；雷達(dá)放置于打靶區(qū)域外，被破壞的可能性大大降低，可反復(fù)使用，維護(hù)成本低；抗干擾能力強(qiáng)，具備高可靠性，安裝維護(hù)方便，且不受天氣影響，具有全天候工作能力。本發(fā)明所述的脫靶量測量裝置可應(yīng)用于海面、地面各型試驗(yàn)基地和靶場，用于測量各類導(dǎo)彈、炮彈、航彈、火箭彈等被測目標(biāo)相對于靶標(biāo)的脫靶量。附圖說明圖1是本發(fā)明連續(xù)波一維相掃脫靶量矢量檢測的脫靶量測量示意圖。圖2是一維相掃原理示意圖。圖3是本發(fā)明線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測距原理圖，其中圖3(a)是發(fā)射信號與回波信號的時(shí)頻關(guān)系曲線圖，圖3(b)是回波信號延時(shí)與差頻的時(shí)頻關(guān)系曲線圖。圖4是本發(fā)明寬帶線性調(diào)頻信號產(chǎn)生器的電路原理圖。圖5是本發(fā)明脫靶量測量裝置的電路原理框圖。具體實(shí)施方式參閱圖1。在連續(xù)波一維相掃脫靶量矢量檢測中，雷達(dá)中心指向靶心，與正北方向夾角為α°，雷達(dá)相對于靶標(biāo)的距離為L。脫靶量測量雷達(dá)放置在著彈區(qū)外，采用一維相掃體制對靶區(qū)在水平方向上進(jìn)行高速連續(xù)掃描，掃描范圍為以靶心為中心的±45°。水平×俯仰的掃描波束的寬度為2°×10°，45個(gè)波位就可覆蓋整個(gè)監(jiān)視區(qū)域。雷達(dá)每一個(gè)波位的波束指向固定且事先設(shè)定，然后從左邊的第一個(gè)波位開始，從左至右依次對每一個(gè)波位進(jìn)行掃描，直到把最后一個(gè)波位掃描完，然后又循環(huán)從第一波位開始進(jìn)行掃描，如此循環(huán)在靶區(qū)上形成一個(gè)90°×10°的搜索屏。在雷達(dá)對某個(gè)波位進(jìn)行掃描期間，雷達(dá)采用線性調(diào)頻連續(xù)波測距體制對目標(biāo)的距離進(jìn)行測量。雷達(dá)對掃描空域發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波信號，當(dāng)有目標(biāo)進(jìn)入探測區(qū)域時(shí)，采用寬帶線性調(diào)頻連續(xù)波測距和單脈沖和差測角方式，對目標(biāo)相對于雷達(dá)的距離R′和方位θ'進(jìn)行矢量脫靶量測量，然后由雷達(dá)數(shù)據(jù)處理分機(jī)利用圖1所示的雷達(dá)、靶標(biāo)和炮彈軌跡之間的幾何關(guān)系以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式(1)，將目標(biāo)相對于雷達(dá)的距離R′和方位θ′換算成相對于靶標(biāo)距離R和方位θ的矢量脫靶量，式中，L為雷達(dá)與靶標(biāo)的距離，α為雷達(dá)與正北方向的夾角，R′、θ'分別為目標(biāo)相對于雷達(dá)的距離和方位角度，R、θ分別為目標(biāo)相對于靶標(biāo)的距離和方位角度。參閱圖2。根據(jù)相控陣原理，為了使波束在空間迅速掃描，可在天線陣面的每個(gè)輻射元之后接一個(gè)如圖2所示的可變移相器。各單元移相器的相移量分別設(shè)為0,移相器引入的相移量的大小由式(2)確定，其中，d為天線陣面輻射元之間的間距，λ為信號波長，θ0即為波束相對于法向方向的偏移角度?？梢?，控制各個(gè)移相器的相位便可改變波束指向，通過切換移相器不同的相移量就達(dá)到波束掃描的目的。而且，當(dāng)移相器的相位設(shè)定好了以后，波束指向的角度也就設(shè)定了，當(dāng)在此波束內(nèi)檢測到某個(gè)目標(biāo)，那么目標(biāo)的方位信息也就知道了，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合單脈沖和差測角方式，即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方位角度的高精度測量。由公式(2)可知，波束指向θ0與波長λ是一一對應(yīng)的，當(dāng)信號頻率或波長在帶內(nèi)掃描時(shí)，波束指向也在一定方位內(nèi)掃描。一般的窄帶雷達(dá)系統(tǒng)由于相對帶寬(帶寬與中心頻率之比)很小，頻率或波長在帶內(nèi)的變化對波束指向的影響很小，因此可以忽略。而本發(fā)明中，為了提高測量精度，采用大帶寬調(diào)頻信號，頻率或波長在帶內(nèi)的變化足以引起波束指向的明顯變化。為了解決此問題，本發(fā)明采取頻帶內(nèi)分段布相法，即將雷達(dá)的線性調(diào)頻信號的調(diào)頻帶寬分為幾段，每一段可認(rèn)為是窄帶系統(tǒng)，測試時(shí)分段得到布相數(shù)據(jù)，形成一張布相數(shù)據(jù)表存儲在波位控制器的存儲器中。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，波位控制器與頻率綜合器器相連，并根據(jù)頻率綜合器送出的調(diào)頻信號的頻率進(jìn)行查表布相，修正雷達(dá)天線的波束指向，以提高脫靶量測量雷達(dá)的角度檢測精度。參閱圖3。本發(fā)明采用線性調(diào)頻連續(xù)波測距體制對目標(biāo)的距離進(jìn)行測量。在圖3(a)為發(fā)射信號與回波信號的時(shí)頻關(guān)系示意圖和圖3(b)為回波信號延時(shí)與差頻的關(guān)系示意圖中，根據(jù)雷達(dá)原理，目標(biāo)距離R與雷達(dá)回波延遲τ的關(guān)系為：其中，c為電磁波在空氣中的傳播速度。如果雷達(dá)的頻率按如圖3所示的鋸齒波進(jìn)行調(diào)制，那么雷達(dá)回波與發(fā)射信號在同一時(shí)刻存在一個(gè)差頻fi，fi與延遲τ的關(guān)系為：其中，Tm為調(diào)制周期，ΔFm為最大調(diào)制頻偏。結(jié)合式(3)和式(4)，目標(biāo)距離R與回波差頻fi的關(guān)系為：由此可見，目標(biāo)距離與差頻fi成正比，通過測量回波信號差頻就可以測量目標(biāo)距離。由式(5)可知，距離分辨率可表示為即距離分辨率由雷達(dá)系統(tǒng)的頻率分辨率決定，而頻率分辨率又由調(diào)制周期(時(shí)寬)決定，一般情況下因此頻率分辨率可表示為由此可見，距離分辨率由調(diào)制帶寬決定，帶寬越大，距離分辨率越高。但是在相同時(shí)寬情況下，調(diào)制帶寬越大，調(diào)制信號線性度越難做高，由圖3的測距原理可知，如果發(fā)射信號的頻率調(diào)制信號不是理想的直線，而是在直線附近有一定起伏，那么距離與差頻的關(guān)系也不再是嚴(yán)格的線性關(guān)系，而會引起一定的測距誤差，一般調(diào)制信號的線性度越高，那么由其引起的測距誤差就越小。因此本發(fā)明采用高線性度大帶寬調(diào)制信號產(chǎn)生技術(shù)，提高調(diào)制信號的線性度。參閱圖4。本發(fā)明中寬帶線性調(diào)頻信號產(chǎn)生采用直接數(shù)字式頻率合成器DDS激勵(lì)加鎖相環(huán)PLL的方案，以DDS和參考信號的和頻作為PLL的參考源，利用PLL鎖相及倍頻完成帶寬和頻率的擴(kuò)展。寬帶線性調(diào)頻信號產(chǎn)生器包括順次串聯(lián)的恒溫晶振、倍頻器、DDS、混頻器和PLL，其中倍頻器并聯(lián)于混頻器。具體實(shí)施時(shí)，圖中DDS的參考時(shí)鐘由恒溫晶振經(jīng)倍頻后提供，其輸出頻率步進(jìn)在100Hz量級，步進(jìn)時(shí)間小于10ns，線性度優(yōu)于0.01％；DDS的輸出頻率再通過混頻器，與倍頻信號產(chǎn)生和頻信號后作為PLL的基準(zhǔn)信號；通過合理選取PLL環(huán)路帶寬，使捷變頻時(shí)間小于2us，同時(shí)，有效抑制了DDS輸出的雜散成分，最終輸出雷達(dá)所需的高線性度、大帶寬的線性調(diào)頻信號。參閱圖5。在本發(fā)明中，脫靶量測量裝置包括發(fā)射天線、發(fā)射組件、發(fā)射波位控制器、接收天線、接收組件、接收波位控制器、和差網(wǎng)絡(luò)、頻率綜合器、中頻接收機(jī)、信號處理器、數(shù)據(jù)處理器、通信控制器以及指揮顯示終端,其中，發(fā)射波位控制器連接發(fā)射組件、通過饋線連接發(fā)射天線組成發(fā)射陣面；接收波位控制器連接接收組件、通過饋線連接接收天線和和差網(wǎng)絡(luò)組成接收陣面。頻率綜合器連接發(fā)射波位控制器、接收波位控制器、發(fā)射組件、中頻接收機(jī)和信號處理器，為雷達(dá)系統(tǒng)提供線性調(diào)頻信號及時(shí)鐘信號；中頻接收機(jī)連接和差網(wǎng)絡(luò)，并相連信號處理器，將回波信號送至信號處理器進(jìn)行脫靶量檢測；數(shù)據(jù)處理器連接信號處理器，對信號處理器送來的脫靶量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和濾波。通信控制器連接數(shù)據(jù)處理器以及指揮顯示終端，為整機(jī)提供控制命令輸入通道以及雷達(dá)數(shù)據(jù)輸出通道。雷達(dá)工作時(shí)，架設(shè)于打靶安全距離外，接收波位控制器及發(fā)射波位控制器根據(jù)通信控制器的指令控制收、發(fā)天線波束的波位，以掃描范圍內(nèi)最左邊掃描角度為第1波位，依次向右掃描，掃描范圍以天線陣面法向?yàn)闇?zhǔn)左右掃描45°，同一時(shí)刻收、發(fā)波束指向相同。頻率綜合器產(chǎn)生寬帶線性調(diào)頻射頻信號送至發(fā)射組件，通過發(fā)射陣列天(饋)線向外發(fā)射能量。發(fā)射天線輻射的電磁波遇到目標(biāo)后，有部分能量從目標(biāo)反射回來，接收天線將電磁波轉(zhuǎn)換為射頻信號，經(jīng)接收組件、和差網(wǎng)絡(luò)形成和、差兩路信號，混頻后得到差頻信號并送至兩路中頻接收機(jī)。接收系統(tǒng)對信號進(jìn)行濾波、放大后分成兩對I/Q支路信號送給信號處理器。信號處理器完成FFT、對消、頻域CFAR，通過自動檢測提取目標(biāo)的方位、距離數(shù)據(jù)，送至數(shù)據(jù)處理器。數(shù)據(jù)處理器對目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行相關(guān)處理，建立目標(biāo)的航跡，并根據(jù)定位定向系統(tǒng)提供的位置和正北信息，解算目標(biāo)相對于靶標(biāo)的矢量脫靶量。最終由數(shù)據(jù)處理器將脫靶量信息通過通信控制器傳輸給指揮顯示終端。