5.2 信息提取

在雷达导引头中，边搜索边跟踪和实时跟踪滤波是两种常用的提取目标信息的方法。边搜索边跟踪技术常用于目标机动较小的场合，如反舰导弹雷达导引头可采用边搜索边跟踪技术提取目标角度等信息。实时跟踪滤波技术常用于目标机动较大的场合，如防空导弹雷达导引头可采用频率跟踪系统提取速度信息，采用角跟踪系统提取视线角速率信息等。

5.2.1 速度信息

导弹-目标径向速度由导引头的速度跟踪系统提取，它利用窄带跟踪滤波器，在跟踪多普勒频移的基础上解算出径向速度。

1．多普勒效应

当信号源与观察者之间存在相对运动时，多普勒效应表现为观察者接收到的信号与信号源信号之间的频率差异，其频差称为多普勒频率，它是信号源工作波长和径向速度的函数，即

式中：νr为信号源与观察者的径向速度，即沿视线方向的速度分量；λ为信号源发射信号的波长。

以图5-17所示的空空半主动寻的系统的照射器、目标与导弹相对运动关系为例，分析该系统的多普勒效应[3]。图中：照射器位于I 点，目标位于T点，导弹位于M 点；νI、νT、νM分别为照射器、目标和导弹的速度；角度α、β、γ、ε、φ和θ的数值由照射器、目标和导弹的相对位置及它们的速度矢量的方向决定。

导引头可接收来自照射器的直达波信号，此信号简称直波信号。对导引头而言，这是后向接收信号，其频率为

式中：f0为载波频率；fD,r（t）为后向多普勒频率。

照射器发射的信号，经过目标反射后也到达导引头，此信号称为回波信号。对导引头而言，这是前向接收信号，其频率为

式中：f0为载波频率；fD,f（t）为前向多普勒频率。

导引头以直波信号为基准进行相参处理，提取回波信号相对于直波信号的频差，称这一频差为半主动寻的系统的多普勒频率，即

利用式（5-7）可得

式中：α（t）为导弹速度矢量与导弹-目标连线的夹角；θ1（t）为导弹速度矢量与照射器-导弹连线的夹角；θ（t）为导弹速度矢量与照射器-导弹连线夹角的补角；β（t）为目标速度矢量与导弹-目标连线的夹角；φ（t）为目标速度矢量与照射器-目标连线的夹角；ε（t）为照射器速度矢量与照射器-目标连线的夹角；γ（t）为照射器速度矢量与照射器-导弹连线的夹角。

式（5-11）表明，空空导弹半主动制导系统的多普勒频率不仅与照射器、目标、导弹的速度矢量有关，还与它们的相对位置有关。由式（5-11）可导出其他制导系统的多普勒频率。例如，令照射器的运动速度νI（t）=0，则可以得到地空半主动寻的系统多普勒频率为

又如，令照射器与导弹重合，且vI（t）=νM（t），则可以得到主动寻的系统多普勒频率为

2．外相参速度跟踪

借助外部基准信号获取目标多普勒信息的速度跟踪回路称外相参速度跟踪回路。半主动导引头的速度跟踪回路是典型的外相参速度跟踪回路，它以来自照射器的直波信号为基准，提取来自目标的回波信号与直波信号之间的频差，从而获得多普勒信息。直波锁频接收机和直波锁相接收机是提取基准信号的两种常用模式。

图5-18为采用直波锁频接收机的多普勒信息提取系统。图中直波锁频接收机锁定在鉴频器的中心频率fI上，输入直波信号频率f0+fD,r被转移到微波本振上，使其输出频率为f0−fI+fD,r，并与回波信号混频得回波中频fI+fD。直波中频fI和回波中频fI+fD同时加到多普勒跟踪回路，提取多普勒频率fD。显然，直波锁频接收机游离于多普勒跟踪环路之外，它不是速度跟踪环路的部件。

图5-19为采用直波锁相接收机的多普勒信息提取系统。图中直波锁相接收机是一个三端口锁相环（PLL），从三个端口的频率关系可知，锁相环将直波信号频率与VCO频率转移到本振中，其功能如同一个微波混频器，实现频率搬移，故可称其为锁相移频环。显然，锁相移频环是构成多普勒跟踪回路的一个部件。

3．内相参速度跟踪

借助内部基准信号获取目标多普勒信息的速度跟踪回路称为内相参速度跟踪回路。主动导引头的速度跟踪回路是典型的内相参速度跟踪回路，它以导引头内部的稳定微波源信号为基准，提取来自目标的回波信号与内部基准信号之间的频差，从而获得多普勒信息。主动导引头的速度跟踪回路有两种基本模式：一种是内环式速度跟踪回路；另一种是外环式速度跟踪回路。

图5-20为内环式速度跟踪回路简化框图。系统的相参基准是发射机的主振，锁相移频环将主振信号频率与VCO频率转移到本振上，本振信号与目标回波信号混频获得包含多普勒频率的中频信号，由速度跟踪环路提取多普勒信息。当信道的中频较高时，本振信号频率也可以由主振信号频率与VCO频率上变频得到，可以不用锁相移频环。

图5-21为外环式速度跟踪回路简化框图。系统的相参基准是本振，它是固定频率的稳定微波源，发射频率是由本振频率与VCO频率下变频得到的，雷达导引头通过控制发射信号的频率实现多普勒跟踪。当信道的中频较低时，应采用锁相移频环取代混频器。在这种环路中，目标是环路的一个部件，速度跟踪环路是通过空间闭合的，故称其为外环式速度跟踪回路。

尽管不同体制的速度跟踪回路结构存在较大差异，但它们都是一个自动频率控制（AFC）系统，图5-22给出了速度跟踪环路的通用模型。

应该指出，在半主动导引头中，通常采用连续波信号，多普勒频率对应于导弹-目标相对速度。在主动导引头中，通常采用脉冲信号，当目标回波的多普勒频移大于脉冲重复频率时，回波谱线与发射信号谱线关系产生混乱，造成速度模糊，必须采用解模糊措施。

5.2.2 距离信息

导弹-目标距离可用多种方法提取：对于采用连续波信号的雷达导引头可采用正弦波调频测距；对于采用脉冲信号的雷达导引头可以通过测量回波脉冲的延迟时间提取距离信息；导弹-目标距离也可以利用弹目初始距离和径向速度信息进行解算。

1．调频测距

在采用连续波信号的半主动导引头中，可利用调频测距原理获取导弹-目标距离。设照射信号为

式中：f0为照射信号载频；fm为调制频率；Δfm为频偏。

导引头接收的直波信号与回波信号混频后取差频，且认为多普勒跟踪环路是无差跟踪回路，则频率误差为[3]

式中：τ为回波与直波的电波传播的时间差，计算式为

当πfmτ≪1时，可得

Δf 在半个调制周期内的平均值为

即

只要测得值，也就得到了RTM的估值。图5-23是连续波半主动导引头距离估值系统的原理框图。

图5-23中，相参接收机实现对直波信号与回波信号的差拍处理，速度跟踪环路对差拍信号中的多普勒频率进行跟踪，只要保证速度跟踪环路的带宽小于调制频率fm，鉴频器输出中就存在频率为fm的交流信号，其幅度反映了距离信息。尽管式（5-14）与式（4-76）具有相同的形式，但工程中连续波半主动导引头往往采用式（4-78）所示的正弦调幅波调频信号进行测距。

2．脉冲测距

脉冲重复周期决定了主动导引头的最大探测距离，计算式为

式中：c为光速；Tr为脉冲周期。

发射脉冲宽度决定了主动导引头的最小探测距离，即存在距离探测盲区，其值为

式中：TP为脉冲宽度。

当目标回波的延迟时间大于脉冲周期时，回波脉冲与发射脉冲的对应关系产生混乱，造成距离模糊，应采取解模糊措施。

脉冲导引头测距系统以自动搜捕方式工作，系统以距离预定值为中心，在预定的区域内以距离门为检测单元进行检测，一旦截获目标便转入跟踪状态，使距离波门稳定地套住回波脉冲，从而提取弹目距离信息。

雷达导引头通常采用二阶回路实施距离跟踪，距离跟踪系统原理框图如图5-24所示，它由距离误差产生器、滤波器、速度产生器、距离计数器、前后波门产生器组成。

距离误差产生器是距离跟踪回路的敏感部件。用前波门与后波门分别测量波门内回波脉冲的面积并进行比较，可获得距离误差信息，其工作原理如图5-25所示。

图5-25中，前波门的重合计数值为Nf，后波门的重合计数值为Nr，计数器读入Nf和Nr值，求出距离误差ε。若Nr＞Nf，则ε为正，反之为负。距离误差ε的计算式为

式中：Tc为时钟周期；c为光速。

应该指出，除了前后波门计数比较法获取距离误差之外，还可以采用其他方法得到距离误差。比如通过对回波波形采样估计回波中心位置获取距离误差，也可采用跟踪回波前沿或后沿的方法获取距离误差。

α和β滤波器把误差信号分别送至速度产生器和距离计数器，确保距离跟踪回路稳定工作。当目标运动时，距离计数器根据误差值和速度校正值不断进行调整，使距离门中心始终对准回波中心。

3．解算法测距

距离RMT（t）与径向速度νr（t）的关系为

式中：RMT0为起始距离。

起始距离由发射控制系统或中制导系统提供。导引头在获取初始距离的前提下，利用多普勒跟踪环路提取的径向速度计算出导弹和目标间的距离。

5.2.3 角度信息

雷达导引头的角信息处理系统由测角系统和天线伺服系统组成。

1．测角系统

导引头借助测角系统敏感视线与导弹轴线的夹角，即测量目标反射或辐射信号的到达角。为了提高实时处理和抗干扰能力，导引头通常采用单脉冲测角技术。与雷达一样，导引头测向系统的测向特性是信号到达角的实奇函数，包含了信号到达角的大小和方向。为了获取测向特性，必须采用成对天线接收来自目标的反射或辐射信号。包含在成对接收信号中的到达角的原始数据，是单脉冲天线在接收信号时形成的，通常把天线称为角度敏感器。常用的单脉冲测角系统有三种：振幅式、相位式、振幅和差式。

1）振幅式

单平面内振幅式测角系统如图5-26所示。为了确定目标在一个平面内的角坐标，需要两个相互交叠的天线方向图，这两个方向图的中心相对于等信号方向的偏角分别为+θ0和-θ0。

两天线接收信号的幅度差与信号到达角的关系呈S曲线，图5-27为振幅式测向特性示意图，图5-27（a）为天线方向图，图5-27（b）为测向特性。

振幅式测角系统的天线和测角信道的振幅特性应具备较高的一致性，否则将影响测角精度。在被动导引头中，可采用振幅式测角系统粗测目标方向，作为相位式精确测角系统解角度模糊的依据。

应该指出，利用单一天线波束位置的转换，也可以实现时分比幅测角，如圆锥扫描测角系统等。当波束做圆锥运动时，目标回波信号被调幅，调幅深度反应了目标偏离中心轴线角度的大小，以圆锥扫描频率为基准，还可以解得目标的偏离方向。对于主动导引头，由于圆锥扫描频率容易被侦察与干扰，一般不采用这种体制。对于半主动导引头，导引头天线处于隐蔽锥扫状态，是一种可取的测角体制。

2）相位式

相位式测角系统在被动导引头中得到了广泛的应用，是被动导引头精确测角的主要体制，单平面相位式测角系统如图5-28所示。当目标处于中轴线方向时，两天线接收信号的波程差为零，两路信号的相位差也为零。当目标偏离中轴线时，到达两天线的信号存在波程差，两路信号的相位差不再为零，通过相位比较，可求得目标的偏角。

当天线的基线长度（天线的间距）大于工作波长时，相位式测角系统存在测角模糊，需要采取解模糊措施。相位式测角系统的工作原理和解模糊技术将在第8章中介绍。

应该指出，理论上也可以通过直接测量两路信号的波程差所对应的时延，无模糊地获取角信息。但是，工程中还难以实现高精度测量两路信号的波程差所对应的微小时延。

3）振幅和差式

单平面内振幅和差式测角系统如图5-29所示。两路天线的方向图相互交叠，天线波束中心轴线相对于等信号方向的偏角分别为+θ0和−θ0。天线的接收信号加到和差网络，和信号与差信号分别进入和信道与差信道。差信号电平表征目标相对等信号方向的偏角的大小，差信号与和信号的相位差（同相或反相）反应了目标的偏离方向。

图5-30为振幅和差式测向特性示意图。图5-30（a）为两个偏置的天线方向图，图5-30（b）为两个天线的和差特性。

振幅和差式测角系统具有较高的测角灵敏度和测角精度，通常应用于主动导引头和半主动导引头中。

2．天线伺服系统

雷达导引头角信息处理系统通常与天线伺服系统密切相关。图5-31是角信息处理系统的典型框图。图中：q（t）、θ（t）和e（t）分别为视线角、天线指向角和误差角；（t）为弹体扰动角速率；u（t）为比例于视线角速度的输出电压。

角信息处理系统由角误差解调器和伺服系统组成。伺服系统是一个机电一体化系统，包含驱动通道、陀螺通道和电位器通道。利用电子开关有序组合相应通道，可实现角预定、角稳定和角跟踪功能。

1）角预定

在雷达导引头中，通过角预定可以将目标预置到天线主波束中。必要时，也可以利用角预定系统实现角搜索。图5-31中，当双联开关S1闭合，且S2、S3断开时，伺服系统处于预定状态。预定信号和电位器通道给出的天线位置反馈信号的误差电压通过伺服机构控制天线指向预定方向。

2）角稳定

天线通过传动机构与弹体固联，弹体扰动会牵连天线运动，从而干扰了天线的有用误差信号。为了保证弹体扰动情况下，天线的空间指向不变，需要用惯性元件来稳定导引头天线。以速率反馈陀螺构成稳定回路是常用方法之一。图5-31中，当S2闭合，S1、S3断开时，伺服系统处于稳定状态，由陀螺通道和伺服驱动通道构成稳定回路，实现天线指向与弹体扰动的隔离。

3）角跟踪

单脉冲测角是一种常用的雷达测角方法，它利用同时波瓣比较技术，理论上可以从一个脉冲回波中得到二维角信息。单脉冲测角不同于波束转换或圆锥扫描测角，后两者的多波束位置是顺序产生的，因而不可能从一个脉冲中获取角信息。单脉冲测角系统可以利用多波束得到的幅度、相位或幅度-相位信息进行角度估值。导引头通常采用跟踪式单脉冲测角系统，角误差信息送到导引头的伺服系统中，驱动天线朝减小角误差的方向转动，连续跟踪目标，其测角精度远高于非跟踪式单脉冲测角系统。跟踪式单脉冲测角系统不仅应用于主动导引头，也应用于半主动导引头和被动导引头。

导引头在角跟踪状态下，角误差解调器输出比例于视线角速率的电压。图5-31中，当S2、S3闭合，S1断开时，伺服系统处于跟踪状态，角误差敏感器测量天线与视线间的角误差，并通过伺服驱动通道控制天线对目标进行跟踪。

第11章中将给出有关角预定、角稳定和角跟踪系统的详细分析。

5.2.4 仿形处理

仿形技术在雷达导引头的检测识别、精确跟踪、攻击点选择等方面具有重要意义。

1．一维仿形

一维仿形可用于识别检测，也可用来识别目标的要害部位。例如，探测海面目标时，采用时域高分辨技术实现距离维仿形，可以根据体目标的纵向尺寸，实现识别检测。又如，在反导武器系统中，无线电寻的装置借助频域高分辨技术实现频率维仿形，选择目标的要害部位实施攻击。

2．二维仿形

借助时频二维高分辨技术可实现体目标的二维仿形，可用于识别检测、定中攻击或要害部位攻击。

3．三维仿形

对于近距离体目标，可利用时频域高分辨与单脉冲偏轴测角技术，实现三维仿形。例如，在距离高分辨的基础上，对每一个距离分辨元内的目标散射中心进行单脉冲偏轴测角，可实现距离-方位-俯仰三维仿形。又如，在多普勒高分辨的基础上，对每一个多普勒分辨元内的目标散射中心进行单脉冲偏轴测角，可实现速度-方位-俯仰三维仿形。