第３２卷第１期 指挥控制与仿真 Ｃｏｍｍａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ＆Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｖｂ１．３２ Ｎ０．１ Ｆｅｂ．２ＯｌＯ ２０１０年２月 文章编号：１６７３．３８１９（２０１０）０１—００９６－０３ 针对窄脉冲雷达测角的相位干涉仪仿真研究 郭振耀 ，邱杰 （１．海装西安代表局，陕西西安摘６１００５４；２．海军航空工程学院，山东烟台２６４００１） 要：以Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ为工具，对相位干涉仪快速准确获取窄脉冲目标雷达的角信息问题进行了仿真研究。 研究表明，相位干涉仪快速、准确获取窄脉冲目标雷达角信息的基本能力主要取决于鉴相器中低通滤波器截止频 率的设计，并给出了截止频率的设计公式。此外，还对读取相关信息的时机和方法等问题进行了研究，给出了相 应的解决方案。 关键词：相位干涉仪；雷达；窄脉冲；鉴相器；低通滤波器 中图分类号：ＴＮ９５７ 文献标识码：Ａ ＤＯｈ １０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７３．３８１９．２０１０．０１．０２５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ａｎｇｌｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｎａｒｒｏｗ Ｐｕｌｓｅ Ｒａｄａｒ ｗｉｔｈ Ｐｈａｓｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ＧＵＯ Ｚｈｅｎ．ｙａｏ’，ＱＩＵ Ｊｉｅ （１．Ｘｉａｎ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｓ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆＮａｖｙ，Ｘｉ’ａｎ ６１００５４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎａｖａｌ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｙａｎｔａｉ ２６４００ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ａｃｑｕｉｒｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｒｒｏｒ ｐｕｌｓｅ ｒａｄａｒ ｗｉｔｈ ｐｈａｓｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｒａｐｉｄｌｙ ａｎｄ ｅｘａｃｔｌｙ ｉＳ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ａｃｑｕｉｒｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｒｒｏｗ ｐｕｌｓｅ ｒａｄａｒ ｒａｐｉｄｌｙ ａｎｄ ｅｘａｃｔｌｙ ｃｏｍｅ ｍａｉｎｌｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｔｏｐ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ ｐａｓｓ ｉｌｆｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｏｐ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ｇｉｖｅｎ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒｅａｄｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅｓ ｒｅ ａｇｅｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈａｓｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｒａｄａｒ；ｎａｒｒｏｗ ｐｕｌｓｅ；ｐｈａｓｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｌＯＷ ｐａｓｓ ｉｌｆｔｅｒ 现代导弹注重隐蔽攻击，特别强调在复杂电磁环 境中的反侦察能力，以此提高生存和突防能力，因而 以雷达等辐射源为寻的目标的被动寻的制导技术将会 发挥越来越重要的作用。 对于对面攻击导弹（如反舰导弹等），雷达目标 雷达的角信息的问题进行研究，并用Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ 进行定量仿真分析和说明。 １ 相位干涉仪基本原理 最简单的单平面（以下均指方位平面）单基线相 位干涉仪由两个通道组成，图１所示为其原理方框图。 （以下简称为目标）的方位角是最重要的信息。就单 平面被动测角技术而言，相位干涉仪具有精度高、频 带宽、原理清晰、技术相对成熟等优点，因此，相位 干涉仪成为了对面攻击导弹被动寻的制导技术的重要 选择。 相对于一般用途的相位干涉仪，用于导弹被动寻 的制导的相位干涉仪有一些特殊性，这主要表现在以 下几个方面Ｌ１１： １胙为相位干涉仪探测对象的雷达目标通常以脉 冲方式工作，雷达脉冲宽度可以窄至０．１ｕｓ量级，相 位干涉仪必须有快速、准确获取目标角信息的能力。 ２）相位干涉仪天线的空间布局问题。 ３）由于弹上空间和承载重量有限，应尽量减少相 图１ 单平面单基线相位干涉仪原理框图 当来自目标雷达的平面电磁波信号从与天线视轴 夹角为０的方向入射（即入射角为０）时，天线１、２ 接收信号的相位差为 ： ’ 位干涉仪的硬件，同时充分发挥软件的作用。 ４）为保证实时性，应对测向算法进行最大限度的 优化。 本文中，将主要针对快速、准确获取窄脉冲目标 收稿日期：２００９．１０．ｏｌ 修回日期：２００９．１２．０７ ，ｓｉｎ０ （１） 式中： 为信号波长；，为两天线间距，称为基线 长度。 如果两个通道的相位响应一致，则接收机１、２ 作者简介：郭振耀（１９６２一），男，山西绛县人，高级工程 师，研究方向为雷达与电子战。 邱杰（１９５７一），男，硕士，教授。 输出信号（以下分别称为基准信号和比较信号）的相位 差仍然为 ，经过鉴相器可以取出相位差信息： 第１期 指挥控制与仿真 ９７ Ｕｃ＝Ｋｃｏｓ￣ｌ （２） 但实际上，由于基准信号和比较信号都是脉冲信 号， 和 也都是脉冲信号。一般而言，其脉冲宽 度与基准信号和比较信号的宽度一致，但由于低通滤 波器的频带响应有限， 和 还呈现出振荡。 Ｕｓ＝Ｋｓｉｎ￣ｊ 式中， 为通道增益。 再进行变换、处理，可以得到： ：ａｒｃｔａｎ（ＵｓｉＵｃ （３） 图３所示是一组设计参数下图２所示鉴相器的波 进一步可得： Ｏ＝ａｒｃｓｉｎ（ ／２ｘｔ） 形，其中第一个波形是基准信号的实部（中频），第 二、三个波形分别是己 和 。设计参数如下： ・（４） 相对于图１所示的原理框图，实际的相位干涉仪 ・中频频率：２００ＭＨｚ； 基准信号脉冲宽度（比较信号同）：０．１ｕｓ； 有很大的不同（如为了解决高的测角精度与大的无模 糊测角范围之间的矛盾，采用各种多基线组合方案）， 但从鉴相器得到各个通道信号的相位差，则是任何相 位干涉仪都必须首先解决的共同问题。 ２关于鉴相器的分析昭ｌ 鉴相器可由两路乘法器和低通滤波器组成，如图 ２所示。 对于脉冲雷达而言，快速、准确地获取其角信息 的问题主要发生在鉴相器及其相关部分，其主要原因 是基准信号与比较信号在鉴相器中相乘后产生多个新 的频率分量，经过低通滤波器后输出的携带相位差信 息的脉冲信号不可避免地会有过渡过程，这就产生了 如何设计低通滤波器以及在什么时候读取、如何读取 相位信息的问题。 Ｃｏｒｔｌｐｌｅｘ ｔｏ ＲｅａＩ－ｌｍａａ２ 图２鉴相器的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型 图２中，分别通过Ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｏ Ｒｅａ１．Ｉｍａｇ １、２模 块，复数的基准信号被分解为正交的实部和虚部，复 数的比较信号被提取出实部。 基准信号的实部与比较信号的实部相乘后经低通 滤波器ＬＰＦ１模块输出；基准信号的虚部与比较信号 的实部相乘后经同样的低通滤波器ＬＰＦ２模块输出。 理论上，基准信号的实部与比较信号的实部相乘 后再经低通滤波将得到相位差的余弦信号，即有： ｕｃ＝Ｋｃｏｓ￣。 基准信号的虚部与比较信号的实部相乘后再经低 通滤波将得到相位差的正弦信号，即有：Ｕ ＝Ｋｓｉｎ￣￣。 ・低通滤波器【３】： 其类型为巴特沃思；阶数为１０；截止频率为 ｆｃ＝１０ＭＨｚ 由图３可见， 和 相对于输入有较大的滞后， 而且没有稳定段，成为纯起伏波形，因此，无法从中 得到（２）式所示相位差信息。 要得到相位差信息，需要对低通滤波器进行合理 设计，以保证所产生的 和 的滞后小，过渡过程 短，有足够长的稳定段。对低通滤波器的设计涉及其 类型、阶数，等等，关键是截止频率。 在这里，截止频率的设计规则与频谱分析的一般 理论（傅立叶级数和傅立叶变换）不尽一致。 理想情况下， ，和 都应是规则的脉冲信号。 以ｕ 为例，如果将其看作周期信号则可以表示成为以 下的傅立叶级数的形式： （，）＝堕 ＋２ 砉勋（等）ｃ。ｓ— ，（５ 式中， 为雷达信号的脉冲重复周期， ｏ４：２ｚ／ｒ，； 为雷达信号的脉冲宽度；Ｓａ（．）为辛克 函数。 按照傅立叶级数的理论，从频谱的角度看，信号 的主要能量都集中在第一个零点以内，因此可以将低 通滤波器的截止频率 设置为ｆｃ＝ｌ／ｒ，对于 ＝０．１ｕｓ， ＝ＩＯＭＨｚ。 但显然，如图３所示，将 设置为１０ＭＨｚ是不 可接受的。 图３一组设计参数下图２所示鉴相器的波形 ９８ 郭振耀，等：针对窄脉冲雷达测角的相位干涉仪仿真研究 第３２卷 图４为将 设置为２０ＭＨｚ和４０ＭＨｚ时的情况。 图４ａ ＝２／ｒ的波形 图４ｂ ：４／ｒ的波形 由图４可见， ：２／ｆ时，输出滞后仍然大，过 脉冲宽度）ｒ确定后，鉴相器中低通滤波器的截止频 渡过程长，无稳定段； ＝４／ｒ时，输出滞后明显减 率随之而定，应为 ：１０／ｆ。 小，过渡过程变短，有短暂稳定段。 ２）低通滤波器的截止频率确定后，对于接收机的 通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真和比较可知，当取 ＝１０／ｒ时 中频提出了。显然，接收机的中频 必须大于 （如图５所示），输出的滞后很小，过渡过程很短， ，一般应有： 稳定段占了很大的比例。进一步提高截止频率，改善 ２ （６） 非常有限，已经没有太大的意义了。 换句话说，最窄脉冲宽度越小，接收机的中频就 要越高。例如，对于０．１ｕｓ的最窄脉冲宽度，接收机 的中频应取在２００ＭＨｚ。 除了截止频率外，低通滤波器的类型和阶数也对 输出波形有影响。通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真、比较可知，众 多类型的滤波器中，具有最大平坦特性的巴特沃思滤 波器效果较好。对于巴特沃思滤波器而言，阶数取８～ １０为好。 ３读取相位信息的时机和方法 所谓读取相位信息的时机指的是读取上述的低通 滤波器的输出信号的时机。显然，被读取相位信息的 图５ ＝１０／ｒ时的波形 信号应该具有一定幅度和持续时间，读取时机应该避 开低通滤波器输出的过渡过程，选在稳定段。相关电 由上述分析可以得出以下结论： 路的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型如图６所示。 １）系统要处理的最窄脉冲宽度（以下简称为最窄 图６确定读取相位信息时机的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型 图６中，门限检测部分保证被读取相位信息的信 号具有一定的幅度（由参数ＴｈｒｅｓｈｏｌｄＰＤ确定）；门 —（下转第１０３页） 第ｌ期 指挥控制与仿真 ｌＯ３ 置上，分别计算并对比如表１所示。 表１ 火箭助飞鱼雷不同落点对入水姿态角产生的误差对比 计算结果说明，火箭助飞鱼雷落点如果在来路所 在的平面内偏移，将会使其垂直方向上的鱼雷影像产 ５结束语． 生较大的角度误差，而偏离此平面产生的误差较小与 本文采用高速摄影方法利用图像处理技术，对火 鱼雷在空中左右摇摆较小有关。这足以说明传统方法 箭助飞鱼雷人水姿态角的海上测量方法进行探讨，其 为什么仅在其垂直方向上采用光测方法测量的原因。 切实可行性在文中作出了计算和说明，可以为有效考 本文提出的测量方法，即在来路方向上架设另外一台 核火箭助飞鱼雷人水姿态角提供有益帮助和借鉴。 摄像仪，正是对垂向摄像的矫正。这也是本文方法的 参考文献： 【１］曹晓娟，王崇伟．火箭助飞鱼雷的关键技术研究［Ｊ］．鱼雷 创新点之一。 技术，２０００，８（１）：６—８． 根据前面推导过程和得出的结论可知： ［２】周明，高涌，等．火箭助飞鱼雷的最优落水区研究［Ｊ】．舰 １） 越接近于９０。，越说明火箭助飞鱼雷在ＸＯＺ 船科学技术，２００６，２８（３）：７４．７７． 平面内摆动越小， 越接近 ，，说明ｂ点的海上测量 ［３】路龙龙．空投鱼雷入水技术研究［Ｄ】．中国优秀硕士学位 占主要份量，反之亦然。 论文全文数据库，２００６（１０）． ２）火箭助飞鱼雷入水姿态角与鱼雷影像的大小无 【４］薛晓中，邵大燮，等．火箭助飞鱼雷的空中弹道研究［Ｊ］． 关，这说明只要能拍到鱼雷入水前的系列图像，就可 弹道学报，１９９８，１０（２）：８２．８６． 解算人水姿态角。 【５】基于ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件的摇摆试验台设计【ｏＬ］． ３）ａ、ｂ两处的摄像仪不需同时开机，只需它们 ［２００７－２—１６］．ｈｔｔｐ：／／ｘｓｍｊ．ｍｏｌｄｓ．ｃｎ／ｈｔｍｌ／２００７０２／１６／１０３６１ ０８ １４．ｈｔｍ 和摇摆仪时钟对准、频率统一并且走时准确即可。 【６】左飞．Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋数字图像处理开发入门与编程实践 ［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００８． （上接第９８页） 限检测的输出与其自身延迟（通过ＩｎｔｅｇｅｒＤｅｌａｙ模块） 息问题进行了研究。研究表明，相位干涉仪快速、准 后相与（通过ＬＯ模块），再触发一个单稳态触发器 确获取窄脉冲目标雷达角信息的基本能力主要取决于 （自制的ＳＳＳ Ｔｒｉｇｇｅｒ模块）产生一个宽度为最窄脉冲 鉴相器中低通滤波器截止频率 的设计。该截止频率 宽度５０％的读取脉冲。 的设计应遵照 ：１０／ｆ的规则，而不是按照频谱分析 显然，延迟相与部分即保证了被处理信号具有一 的一般理论得出的 ：１／ｆ的规则。另外，还对实际 定的持续时间（避免短脉冲干扰），又避开了低通滤 工作中必须要解决的读取相位信息的时机和方法问题 波器输出的过渡过程（Ｉｎｔｅｇｅｒ Ｄｅｌａｙ模块的延迟时间 进行了研究，给出了切实可行的解决方案。 为最窄脉冲宽度的２５％）。 上述研究成果已经应用于一项科研项目中，为该 理论上，读取相位信息就是进行式（３）所示的计 算。这里所说的方法，主要是通过求读取脉冲持续时 项目的相关软件和硬件设计提供了清晰而准确的指 间内的平均值来避免噪声干扰和信号起伏的影响，以 导，避免了设计上的错误和盲目调试，缩短了相关的 得到稳定、可靠、高精度的相位信息。求均值可以针 设计和研制周期，节约了经费，取得了较好的效果。 对 和 进行，也可以针对由式（３）得到的 进 参考文献： 【１】赵国庆．雷达对抗原理［Ｍ】．西安：西安电子科技大学出 行。后者相对于前者可以减少一半的运算量。具体的 版社，１９９９． 电路模型在此不拟赘述。 『２ 杨万海．雷达系统建模与仿真【２１Ｍ】．西安：西安电子科 ４结束语 技大学出版社，２００７． 本文以Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ为工具，通过仿真、比较， ［３】薛年喜．Ｍａｔｌａｂ在数字信号处理中的应用［Ｍ］．北京：清 华大学出版社，２００３． 对相位干涉仪快速、准确获取窄脉冲目标雷达的角信
