mm多通道探測YX目標定位研究

3mm波段陣列探測YX技術（第四篇）3mm多通道探測YX目標定位商量摘要：本報告商量一種新型二維定位的主被動復合毫米波陣列探測系統(tǒng)，主要進行了系統(tǒng)電磁干擾源的分析,介紹了電磁干擾的抑制措施，并進行了結果仿真。在此基礎上對目標進行了三維精確定位的商量，分析了系統(tǒng)在掃描過程中回波狀態(tài)的變化,給出不同波束間延遲時間的計算方法，并利用研制成功的小型化YＸ樣機進行了測試，測試結果滿意指標要求。關鍵詞：3mm，多通道，YＸ,目標定位英文摘要：Tｈｅrｅｐorｔｓtudiesanewｔｙpeｏｆtwo—diｍｅnｓｉｏnalpｏsiｔｉｏningａcｔｉvｅandｐasｓｉｖｅcomplexＭMＷaｒrａyｄetectｉｏｎｓyｓtem.Ｉtmａinlyanalｙsｅｓtｈesourｃeoｆｅlecｔroｍａgnｅtｉciｎterfｅrenｃeanaｌysisandinｔroｄuceｓthｅｃontｒｏlmeaｎs，ａｎdcaｒｒiesｏｕtｒｅsuｌtsｓimｕlａt(yī)iｏn。Oｎthｉsbasis，itreｓearｃｈesthｒeｅ—dimensiｏｎａlprecｉsionoｒiｅntationｔｏtａｒｇet。Itanaｌyｓesｅchｏesstatｅchanｇedｕriｎgsｙstｅmscanｎing.Themeｔｈoｄofcaｌcｕlatingdeｌａｙｔimeｂeｔweeｎｄiffereｎｔｂeamsiｓgｉｖen。Ｉtisｔestｅduｓｅdsucｃｅｓｓfｕｌlydｅｖeｌｏpedprotｏｔype，tｈeｒeｓulｔsｍeettargｅtrequiｒｅmｅnt.引言1商量目標22009年度工作完成情況2。1完成的主要內容2。2關鍵技術2。3主要技術指標3商量內容3。１電磁干擾源的產生在毫米波主被動復合探測系統(tǒng)中，由于存在數(shù)字電路、大功率器件電路、高頻放射電路和中低頻放大電路,系統(tǒng)內部組件之間、電路之間電磁干擾很嚴重。放射機工作頻率高，放射功率大，很容易對系統(tǒng)內部電路產生干擾；另外系統(tǒng)對目標的微弱回波信號進行接收、放大和處理,靈敏度要求很高，因此對干擾極為敏感。要抑制電磁干擾,提高系統(tǒng)的靈敏度，就要從查找干擾源和干擾途徑入手。系統(tǒng)中的干擾源主要有:(1)系統(tǒng)中的數(shù)字脈沖產生電路.當系統(tǒng)中存在脈沖波形時,其波形的前沿和后沿越陡峭，它的傅立葉變換的頻譜范圍就會越寬,會產生寬帶高頻干擾。放射系統(tǒng)對脈沖波形的上升時間和下降時間要求格外短，通常是級的,數(shù)字開關電路具有快速通斷的特點，在其通斷瞬間，振蕩頻率高達幾百兆赫茲，因此會產生尖峰信號干擾。而且為了滿意測距范圍的要求,脈沖電路產生的脈沖要足夠窄,這樣系統(tǒng)的測距盲區(qū)才會很小，這也是帶來干擾的緣由之一.（２)在大功率驅動電路中，為將數(shù)字窄脈沖從ＴTＬ電平放大為可驅動放射源的高壓大電流窄脈沖，功率電路的開關元件在開關過程中，大脈沖電流的瞬間變化很快引起的干擾,其很大,飛速變化的電流通過導體將產生感應電壓，形成干擾，通過傳輸線和地線傳導,也可直接向空間輻射,不僅影響驅動電路，而且還會通過電源、地進入信號處理電路。(3）高頻部分的本振和放射源不僅通過混頻器和天線向空間放射電磁波，而且還會通過腔體連接的縫隙輻射泄漏出來,這些泄漏的高頻電磁波會在機箱內部以放射、反射和衍射等方式不斷傳播，使系統(tǒng)內部電磁環(huán)境更加惡劣。(4)由于在驅動電路中接受高壓開關電源供電，開關電源的瞬變電流和電壓會產生肯定強度的電場和磁場向外輻射，而且會通過供電傳輸線將干擾傳到其它部件。電源電壓的波紋起伏和其它干擾會通過公共阻抗和地線傳遞,相互串擾?，F(xiàn)實環(huán)境中存在電磁干擾的途徑很多，情況相對簡潔。因此系統(tǒng)的電磁兼容性成為其研制過程中考核的重要指標之一.３．２抑制干擾的措施(１)合理布局系統(tǒng)的信號傳輸電路布局和連接要首先確定，合理的布局可以削減相互干擾.將干擾源的位置遠離敏感部件電路和信號傳輸線,并留有肯定空間使其容易隔離屏蔽.信號傳輸方向上，應緊密靠近的部件電路，距離不宜過大，盡量削減傳輸線的長度,削減受干擾的概率。系統(tǒng)中各部件電路的連接和相互關系簡潔，盡量減小連接電阻,降低傳導干擾。避開迂回走線和平行走線,削減線間的相互耦合.(2）有效屏蔽電磁屏蔽就是以金屬隔離的原理來掌握電磁干擾由一個區(qū)域向另外一個區(qū)域感應和輻射傳播的方法。即以切斷干擾路徑的方法掌握電磁干擾。在未加屏蔽之前干擾源A和敏感器件B之間，由于存在,產生耦合電容，于是由、、構成了耦合回路，如圖6．１(a）所示。那么在敏感器件Ｂ上產生的干擾電壓由下式計算:(3．1）由式（3.1)可見，在敏感電路Ｂ上產生的干擾電壓，與A、B之間的耦合電容有關，減小耦合電容的方法可以通過增大干擾源和敏感器件之間的距離來實現(xiàn)，然而系統(tǒng)的大小受限,也不行能接受一味增大距離的消極方法.在Ａ、B之間加入接地金屬屏蔽外殼S,如圖1（b)所示，則原來的耦合電容被分割成、.若屏蔽體對地阻抗為，則電路B上的干擾電壓為：（3．２）(a)（b）圖１電場屏蔽原理圖由此可見，欲使減小,必須減小、、，由于，，只有,才能使干擾電壓為零。從這里可以看出屏蔽體必須良好接地,才能將干擾源產生的電磁干擾阻斷。為使系統(tǒng)有效屏蔽，接受各部件分別用導電良好的金屬鋁盒屏蔽,為保證接地良好,將部件的屏蔽盒用螺絲旋緊固定在機箱內，為防止鋁盒表面氧化引起的接地不良,接受鍍鉻或鍍銀的方法阻止氧化層的形成和減小接地電阻。各部件電路間接受屏蔽線連接，依據各部件連接間的頻率凹凸和信號強弱不同,可以接受不同的屏蔽線。易敏感的混頻器至中頻放大器的連接線可接受屏蔽效果好的半剛性電纜；大功率脈沖信號線接受雙層屏蔽電纜線,且走線要短、粗,防止信號傳輸過程中的衰減和輻射;電源線和低頻小信號線可接受雙絞屏蔽線;各地線連接都要就近,這樣可削減內部部件間的相互干擾。系統(tǒng)整體再用一個大的機箱屏蔽,機箱上留有通風孔,可用自然空氣對流對系統(tǒng)散熱,減小系統(tǒng)熱噪聲。（3）良好接地在系統(tǒng)中，按電路特性將地線分為小信號地(中放、視放)、大信號地（功放）、干擾地（振蕩器、高壓開關電源）、金屬構件地（機殼、底板)和數(shù)字地（數(shù)字信號處理、數(shù)字脈沖產生電路)。首先數(shù)字地和模擬地應分開,然后分別連接，并統(tǒng)一接入基準地。小信號電路由于工作電平低,信號幅度弱小,容易受干擾,地線應避開與其它地線混雜;大信號電路的工作電流大，地線系統(tǒng)中的電流也較大,因此要與敏感電路的地分開，避開地線耦合產生的干擾;高干擾電路設備在系統(tǒng)中除了屏蔽隔離外，地線也分開連接;機殼、機箱地為人員使用平安可選擇大地連接.接受接地的方法可依據電路工作頻率的不同來選擇，低頻電路選擇單點接地,可以防止各電路間相互干擾和地回路干擾，高頻電路選擇多點大面積接地，可以結構簡潔，減小高頻駐波.系統(tǒng)中既有低頻電路又有高頻電路，總的接地接受混合接地法.另外，系統(tǒng)的電源接地的好壞也很重要，接地和濾波不良，電源噪聲會直接串進系統(tǒng)，所以電源地接受幾十級和幾千級電容并聯(lián)濾波的方法，減小電源地和其它電路之間的耦合干擾。最后還要做好屏蔽線和屏蔽外殼的接地工作，要保證焊接良好和緊密接地,盡量減小接地電阻.３.3脈沖串擾消除方法由于放射接收機集中在一個微小空間內,再加上主被動通道共用很多器件,信號之間的串擾不行避開。其中脈沖調制信號串入被動通道,直接影響了目標輻射信息的穩(wěn)定獵取，使得探測器無法精準識別目標。本節(jié)的目的就是如何消除在被動通道中串入的脈沖調制信號。3．３。１信號分析輻射計的目標信號是一個鐘形脈沖,如圖２所示。它的周期為探測器的轉速的倒數(shù).在本系統(tǒng)中，轉速最高為１０轉／秒,所以其周期為100。脈沖調制信號是一個占空比很小的矩形波，如圖３所示.它的周期為20，脈沖寬度為50.經過ＡＤ采樣，得到的串擾波形如圖4所示。本文為了突出商量重點，在不影響結論的情況下，忽視了其它噪聲對脈沖串擾和有用信號的影響。圖2輻射計目標信號示意圖圖3脈沖調制信號示意圖圖４脈沖串擾的輻射計目標信號波形3.3.2自適應濾波法由于脈沖串擾信號是一種我們完全已知的周期信號,而且輻射計目標信號和脈沖串擾信號是不相關的，因此我們可以接受自適應濾波技術來消除脈沖串擾.(１)自適應數(shù)字濾波器自適應數(shù)字濾波器原理如圖5所示。圖５自適應數(shù)字濾波器原理圖圖5中：—表示時刻的輸入信號值;—表示時刻的輸出信號值；-表示時刻的期望響應值；-表示時刻的誤差信號；—表示時刻的權系數(shù)；自適應數(shù)字濾波器的權系數(shù)受誤差信號的掌握，依據值而自動調整，使之適合下一時刻的輸入,以便使輸出接近于所期望的參考信號.(２)RLS算法由于系統(tǒng)實時性的要求,本文接受收斂速度快的遞推最小二乘(ＲLＳ)算法。算法的基本流程如下:初始化：當=0時令，遞推公式:當時,（３.3）(3．4）(３。5）(3）自適應噪聲抵消器自適應噪聲抵消器是自適應濾波器的一種重要應用，它用對消的方法抑制干擾，而把被污染的信號提取出來。圖6為自適應抵消器的原理圖,它有兩個輸入:原始輸入和參考輸入。對自適應噪聲抵消器而言,其原始輸入為受干擾的信號：（3。6）圖6自適應抵消器原理圖參考信號與干擾信號相關,而與信號不相關.原始輸入加到自適應濾波器的端,參考輸入則加到自適應濾波器的端.圖中的AＦ為自適應濾波器，它接受誤差信號掌握和調整,使其輸出趨于中與之相關的，于是作為與之差的將趨于信號，下面來證明這個結論。從圖6可見（３．７）將等式(3。7)兩邊先平方，然后求均值,得（3.８）自適應過程就是自動調節(jié),使的過程。上式中第一項為信號功率，它與無關;第三項等于零，由于跟及均不相關；要使最小,就要求上式其次項最小,即（3。9）從而有（3．1０）按式(3。7）有（3．１１）因而（3.12)當?shù)仁接疫叡蛔钚』瘯r，等式左側也被最小化，即以最小均方誤差趨于。其極端情況為（３。１3）也即(３.14）因此,自適應濾波可以用來從噪聲中提取信號。(4)基于神經網絡的自適應噪聲抵消技術神經網絡是仿照和延長人腦智能、思維、意識等功能的非線性自適應系統(tǒng),它具有全新的信息表達方式、高度平行分布處理、聯(lián)想、自學習和自組織能力，以及極強的非線性映射能力，這為自適應非線性濾波供應了一種全新方法,它可以以任意精度實現(xiàn)非線性函數(shù)逼近，所以可以接受人工神經網絡組成非線性自適應濾波器.通過將濾波器的誤差信號與神經網絡中能量函數(shù)對應起來，可實現(xiàn)神經網絡自適應濾波器。目前國內的商量主要是利用多層前饋網絡（BP網絡）來實現(xiàn)自適應濾波。BＰ網絡存在收斂慢、有局部微小值等缺點，不能滿意本系統(tǒng)實時性和牢靠性的要求。本文接受一種結構簡潔、訓練簡潔而且學習收斂速度快，能夠逼近任意非線形函數(shù)的徑向基函數(shù)神經網絡（RBF網絡）來實現(xiàn)自適應濾波.RBＦ網絡是單隱層的前向網絡，網絡結構如圖7所示。圖７RBF神經網絡結構示意圖（5）仿真結果及結論圖8是接受RBＦ神經網絡的自適應濾波輸出波形,為了進行比較，還接受ＢP神經網絡進行仿真，輸出波形如圖9所示。圖１0是探測器接收到的未被串擾的輻射計目標信號波形,圖11是分別通過ＲBF和BP神經網絡自適應濾波的輸出波形與未被串擾的輻射計目標信號波形的誤差曲線。圖8接受ＲBF網絡的輸出信號圖９接受ＢP網絡的輸出信號圖10未被串擾的輻射計目標信號波形圖11神經網絡輸出信號與期望信號的誤差曲線通過以上仿真結果，可以得出以下幾點結論：(1）接受自適應濾波技術可以很好的消除脈沖調制信號對被動通道中輻射計目標信號的串擾，從而提高探測器的目標識別率.（2）利用神經網絡工具，可以很便利地實現(xiàn)自適應濾波。（３）ＲＢF神經網絡和BＰ神經網絡相比，具有結構簡潔、訓練時間短、精度高,不易陷入局部最小值的優(yōu)點。3．3目標精確定位及識別原理３．３．1三通道主動探測系統(tǒng)原理圖12毫米波三通道探測系統(tǒng)原理框圖本系統(tǒng)接受脈沖工作體制,工作原理為：系統(tǒng)開機處于主動工作狀態(tài),為了克服角閃爍效應的影響，需在脈沖信號上加載寬頻帶似噪聲。毫米波放射機將經過加載后的脈沖信號由通道2向外放射，放射的電磁波經地面目標反射.反射的回波信號經過通道1和通道3進入毫米波接收機,在接收機混頻器中,回波信號與高穩(wěn)本振信號混頻,產生兩路中頻回波信號,回波信號滯后于放射脈沖信號的時間就對應于探測系統(tǒng)與目標之間的距離信息，與單通道接收機所不同的是,兩路回波信號之間的差異還反應了目標的徑向方位信息。利用所設計的探測電路，就可以進行目標距離和方位的推斷。探測器一方面做勻速下降運動，一方面以恒定轉速不斷對地面進行掃描,運動過程如圖１3所示。其中,和分別表示波束1，波束2和波束３與系統(tǒng)下降軸的夾角，H表示探測系統(tǒng)與地面的垂直距離。圖１3三通道系統(tǒng)圓錐掃描示意圖通道2加照耀源對地面放射主動信號，取10dB波束寬度。通道1和3作為回波信號的接收通道，取３dB波束寬度。三饋源卡式天線口徑為1２0ｍｍ，計算可得2°和3。2°。在１20ｍ的高空,通道1和3對應3dB波束在地面上近似形成的圓半徑分別為2。687m和２．91３m.通道2對應１0dB波束在地面上形成的圓半徑為4.47m。三個波束的相對位置如圖14所示。圖１4三波束地面投影相對位置示意圖當中間波束掃到目標中心時，兩側通道接收到的回波面積至少應為整個圓面積的２0％,則當中間的照耀通道輸出最大值時,兩側的回波通道也能有明顯的輸出。通過對圖14中陰影部分面積的計算可以判定該系統(tǒng)滿意要求。3。３．2目標掃描分析三通道探測的優(yōu)點是不僅能夠對目標進行切向定位，而且還能夠徑向定位.目標的切向定位是通過推斷單個回波的最大值來確定的,而徑向定位是靠不同通道回波的幅值比較來實現(xiàn)的。系統(tǒng)接受三饋源卡式天線，相鄰饋源３dB波束間夾角為2°。系統(tǒng)對地面掃描的過程中,波束1先進入目標范圍之內,接收到目標的回波信號，隨著彈體的下落，波束3也進入到目標范圍內，同樣可以接收到回波信號。簡略狀態(tài)如圖15所示.依據兩個通道回波信號幅度之間的差異,可以判別目標的徑向中心.(ａ）(ｂ）（ｃ)圖15三波束在掃描過程中的狀態(tài)演示圖由于波束１和３與下降軸的夾角不等,兩個回波信號之間會產生延時,為了精確判別目標的徑向中心，必須計算出。設通道１和通道3之間相距ｄ,則其兩個波束中心的距離為:（3.15)其中H為系統(tǒng)與地面的垂直距離.由于探測器在下降過程中還以每秒N的轉速旋轉，所以其在地面上的掃描軌跡為螺旋線。可以計算出其掃描螺旋線軌跡的切向速度為(此處由于,和相差很小，假設）：(３．1６)徑向速度為:（３.１７)這里為探測器垂直下降的速度。則:(3.１8）設中間波束的波束對稱軸與下降軸的夾角30°，波束1與波束2與下降軸的夾角分別為28°和32°。當１50m／s、20mm,9０ｍ，則９3ms;信號處理系統(tǒng)依據延遲時間對兩路回波信號進行特征量的比較，當結果進入實驗容許范圍之內，表示天線已經