本發(fā)明涉及一種連續(xù)波一維相掃脫靶量矢量檢測(cè)方法及裝置。

背景技術(shù)：
隨著脫靶量測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，目前脫靶量測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)類型在標(biāo)量型脫靶量測(cè)量成熟的基礎(chǔ)上，向矢量脫靶量測(cè)量發(fā)展并不斷完善。所謂標(biāo)量脫靶量測(cè)量是指在遭遇過程中測(cè)量彈與靶的最小相對(duì)距離，而矢量脫靶量測(cè)量不僅要獲得標(biāo)量脫靶量，而且還要測(cè)得彈與靶遭遇過程的相對(duì)位置(距離、角度)和相對(duì)速度。脫靶量的測(cè)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(cè)量方法主要有無線電脫靶量測(cè)量方法、光學(xué)測(cè)量方法、GPS測(cè)量方法。其中無線電脫靶量測(cè)量方法又分為無線電定位方法和雷達(dá)測(cè)量方法。無線電定位法為協(xié)同式測(cè)量系統(tǒng)，需要對(duì)彈和靶都加裝無線電設(shè)備。而雷達(dá)測(cè)量法為非協(xié)同式測(cè)量系統(tǒng)，不需要對(duì)彈進(jìn)行任何改裝，利用雷達(dá)檢測(cè)原理對(duì)彈與靶的相對(duì)距離和角度進(jìn)行測(cè)量。目前靶場(chǎng)用于脫靶量測(cè)量的方式主要有光學(xué)設(shè)備測(cè)量和雷達(dá)測(cè)量。典型的光學(xué)脫靶量測(cè)量方法包括攝影、照相、紅外光導(dǎo)攝像、激光測(cè)距等，利用光學(xué)測(cè)量和成像原理，測(cè)量、記錄目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)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(cè)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(huì)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(cè)量以電磁波作為獲取信息的媒介，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)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(cè)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(cè)能力取決于能夠利用的信號(hào)能量。距離分辨力取決于信號(hào)的帶寬，頻率分辨力取決于信號(hào)的時(shí)寬，角度分辨率取決于天線相對(duì)于波長(zhǎng)的尺寸，目標(biāo)速度測(cè)量精度取決于發(fā)射信號(hào)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(jiǎn)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(cè)會(huì)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(chǎng)測(cè)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(chǎng)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(duì)靶場(chǎng)雷達(dá)測(cè)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(cè)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(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行捕獲、跟蹤和測(cè)量，且對(duì)測(cè)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(shì)，成為靶場(chǎng)測(cè)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(cè)量、精度高、成本低等特點(diǎn)，成為脫靶量測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和重要測(cè)量設(shè)備。但目前的靶量測(cè)量裝置對(duì)多個(gè)高速小目標(biāo)不能進(jìn)行可靠矢量檢測(cè)；另外，由于脫靶量測(cè)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(cè)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(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種脫靶量測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可同時(shí)對(duì)多個(gè)高速小目標(biāo)進(jìn)行可靠矢量檢測(cè)，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(cè)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(cè)方法，其特征在于包括如下步驟：將脫靶量測(cè)量裝置放置在著彈區(qū)外，所述裝置采用一維相掃體制對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)距體制對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行測(cè)量，對(duì)掃描空域發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，當(dāng)有目標(biāo)進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)，采用寬帶線性調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距和單脈沖和差測(cè)角方式，對(duì)目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的距離R′和方位θ'°進(jìn)行矢量脫靶量測(cè)量，然后由雷達(dá)數(shù)據(jù)處理分機(jī)利用相對(duì)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(duì)于雷達(dá)的距離和方位換算成相對(duì)于靶標(biāo)的矢量脫靶量。本發(fā)明與現(xiàn)有脫靶量測(cè)量裝置相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：采用一維相掃體制對(duì)檢靶區(qū)域進(jìn)行高速連續(xù)掃描，檢測(cè)數(shù)據(jù)率高，可同時(shí)對(duì)多個(gè)高速小目標(biāo)進(jìn)行可靠檢測(cè)；采用寬帶線性調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距體制和單脈沖和差測(cè)角體制對(duì)目標(biāo)進(jìn)行矢量脫靶量測(cè)量，脫靶量測(cè)量精度高，為打靶提供更可靠的評(píng)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(cè)量裝置可應(yīng)用于海面、地面各型試驗(yàn)基地和靶場(chǎng)，用于測(cè)量各類導(dǎo)彈、炮彈、航彈、火箭彈等被測(cè)目標(biāo)相對(duì)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(cè)的脫靶量測(cè)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(cè)距原理圖，其中圖3(a)是發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)的時(shí)頻關(guān)系曲線圖，圖3(b)是回波信號(hào)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(hào)產(chǎn)生器的電路原理圖。圖5是本發(fā)明脫靶量測(cè)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(cè)中，雷達(dá)中心指向靶心，與正北方向夾角為α°，雷達(dá)相對(duì)于靶標(biāo)的距離為L(zhǎng)。脫靶量測(cè)量雷達(dá)放置在著彈區(qū)外，采用一維相掃體制對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)距體制對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行測(cè)量。雷達(dá)對(duì)掃描空域發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，當(dāng)有目標(biāo)進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)，采用寬帶線性調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距和單脈沖和差測(cè)角方式，對(duì)目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的距離R′和方位θ'進(jìn)行矢量脫靶量測(cè)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(duì)于雷達(dá)的距離R′和方位θ′換算成相對(duì)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(duì)于雷達(dá)的距離和方位角度，R、θ分別為目標(biāo)相對(duì)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(hào)波長(zhǎng)，θ0即為波束相對(duì)于法向方向的偏移角度?？梢姡刂聘鱾€(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(cè)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(cè)角方式，即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方位角度的高精度測(cè)量。由公式(2)可知，波束指向θ0與波長(zhǎng)λ是一一對(duì)應(yīng)的，當(dāng)信號(hào)頻率或波長(zhǎng)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(duì)帶寬(帶寬與中心頻率之比)很小，頻率或波長(zhǎng)在帶內(nèi)的變化對(duì)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(cè)量精度，采用大帶寬調(diào)頻信號(hào)，頻率或波長(zhǎng)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(hào)的調(diào)頻帶寬分為幾段，每一段可認(rèn)為是窄帶系統(tǒng)，測(cè)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(chǔ)在波位控制器的存儲(chǔ)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(hào)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(cè)量雷達(dá)的角度檢測(cè)精度。參閱圖3。本發(fā)明采用線性調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距體制對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行測(cè)量。在圖3(a)為發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)的時(shí)頻關(guān)系示意圖和圖3(b)為回波信號(hào)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(hào)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(cè)量回波信號(hào)差頻就可以測(cè)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(hào)線性度越難做高，由圖3的測(cè)距原理可知，如果發(fā)射信號(hào)的頻率調(diào)制信號(hào)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(huì)引起一定的測(cè)距誤差，一般調(diào)制信號(hào)的線性度越高，那么由其引起的測(cè)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(hào)產(chǎn)生技術(shù)，提高調(diào)制信號(hào)的線性度。參閱圖4。本發(fā)明中寬帶線性調(diào)頻信號(hào)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(hào)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(hào)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(jí)，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(hào)產(chǎn)生和頻信號(hào)后作為PLL的基準(zhǔn)信號(hào)；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(hào)。參閱圖5。在本發(fā)明中，脫靶量測(cè)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(hào)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(hào)處理器，為雷達(dá)系統(tǒng)提供線性調(diào)頻信號(hào)及時(shí)鐘信號(hào)；中頻接收機(jī)連接和差網(wǎng)絡(luò)，并相連信號(hào)處理器，將回波信號(hào)送至信號(hào)處理器進(jìn)行脫靶量檢測(cè)；數(shù)據(jù)處理器連接信號(hào)處理器，對(duì)信號(hào)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(hào)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(hào)，經(jīng)接收組件、和差網(wǎng)絡(luò)形成和、差兩路信號(hào)，混頻后得到差頻信號(hào)并送至兩路中頻接收機(jī)。接收系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大后分成兩對(duì)I/Q支路信號(hào)送給信號(hào)處理器。信號(hào)處理器完成FFT、對(duì)消、頻域CFAR，通過自動(dòng)檢測(cè)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(duì)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(duì)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。