下载文档原格式
雷达原理大作业单脉冲自动测角的原理及应用学院：电子工程学院作者：2016年5月21日单脉冲自动测角的原理及应用一．摘要单脉冲测角法是属于振幅法测角中的等信号法中的一种，其测角精度高，抗干扰能力强，在现实中得到了广泛的应用。
而其中对于接收支路要求不太严格的双平面振幅和差式单脉冲雷达，更是备受青睐。
本文首先讲述了单平面振幅和差式单脉冲雷达自动测角的原理，再简述了双平面振幅和差式单脉冲雷达自动测角的结构框图，接着简述了本文仿真所用的一些原理和公式推导，包括天线方向图函数及其导数的推导，最后做了基于高斯形天线方向图函数的单脉冲自动测角，基于辛克函数形天线方向图函数的单脉冲自动测角，和基于高斯形天线方向图函数的双平面单脉冲自动测角。
源代码在附录里。
二．重要的符号说明三．单平面振幅和差式单脉冲自动测角原理单脉冲测角法是属于振幅法测角中的等信号法中的一种。
在单平面内，两个相同的波束部分重叠，交叠方向即为等信号轴的方向。
将这两个波束接收到的回波信号进行比较就可以在一定范围内，一定精度要求下测到目标的所在角度。
因为两个波束同时接到回波，故单脉冲测角获得目标角误差信息的时间可以很短，理论上只要分析一个回波脉冲即可，所以称之为“单脉冲”。
因取出角误差的具体方式不同，单脉冲雷达种类很多，其中应用最广的是振幅和差式单脉冲雷达，其基本原理说明如下：1.角误差信号雷达天线在一个平面内有两个重叠的部分，如下图1所示：图1.振幅和差式单脉冲雷达波束图(a)两馈源形成的波束 (b)和波束 (c)差波束振幅和差式单脉冲雷达取得角误差信号基本方法是将这两个波束同时收到的信号进行和差处理，分别得到和信号和差信号。
其中差信号即为该角平面内角误差信号。
若目标处在天线轴方向（等信号轴），误差角0ε=，则两波束收到的回波信号振幅相同，差信号等于0。
目标偏离等信号轴而有一个误差角ε时，差信号输出振幅与ε成正比而其符号则由偏离方向决定。
2.和差比较器这里主要使用双T 插头，示意图如下图2（a ）所示。
单脉冲比相法测角代码引言单脉冲比相法是一种常用的测角方法，用于计算目标物体相对于测量者的角度。
通过测量两个脉冲信号之间的比例，可以精确计算出目标物体的角度。
本文将介绍单脉冲比相法的原理，并编写一个示例代码来演示该测角方法的实现。
原理单脉冲比相法是基于信号处理技术的测角方法，其原理可以分为以下几步：1. 发送脉冲信号首先，测量者向目标物体发送一个脉冲信号。
该脉冲信号可以是声波、电磁波等形式的信号。
发送脉冲信号的目的是为了探测目标物体的位置和距离。
2. 接收脉冲信号目标物体接收到发送的脉冲信号后，会产生一个反射信号。
这个反射信号会被测量者接收到。
接收到的信号通常会受到一些噪声和干扰，需要进行信号处理来提取有效信息。
3. 信号预处理在进行信号处理之前，需要对接收到的信号进行预处理。
这包括滤波、放大、去噪等步骤。
信号预处理的目的是提高测量的精度和准确性。
4. 相位差测量经过信号预处理后，我们可以得到两个脉冲信号的波形。
比如，我们可以使用傅里叶变换将波形转换为频谱，然后计算两个信号频谱之间的相位差。
相位差可以用来计算目标物体的角度。
5. 计算角度通过测量的相位差，我们可以计算出目标物体相对于测量者的角度。
这通常需要一些几何和三角计算。
示例代码下面是一个使用Python编写的示例代码，演示了如何使用单脉冲比相法来测量角度：import numpy as npdef measure_angle(pulse1, pulse2):# 信号预处理pulse1_processed = preprocess_signal(pulse1)pulse2_processed = preprocess_signal(pulse2)# 相位差测量phase_diff = calculate_phase_difference(pulse1_processed, pulse2_processed)# 计算角度angle = calculate_angle(phase_diff)return angledef preprocess_signal(signal):# 信号滤波filtered_signal = filter_signal(signal)# 信号放大amplified_signal = amplify_signal(filtered_signal)# 信号去噪denoised_signal = denoise_signal(amplified_signal)return denoised_signaldef filter_signal(signal):# 使用滤波算法对信号进行滤波filtered_signal = signal# TODO: 实现滤波算法return filtered_signaldef amplify_signal(signal):# 对信号进行放大amplified_signal = signal# TODO: 实现放大算法return amplified_signaldef denoise_signal(signal):# 对信号进行去噪denoised_signal = signal# TODO: 实现去噪算法return denoised_signaldef calculate_phase_difference(signal1, signal2):# 通过傅里叶变换计算相位差fft1 = np.fft.fft(signal1)fft2 = np.fft.fft(signal2)phase_diff = np.angle(fft2 / fft1)return phase_diffdef calculate_angle(phase_diff):# 根据相位差计算角度angle = phase_diff# TODO: 实现角度计算算法return angle结论单脉冲比相法是一种常用的测角方法，可以通过测量两个脉冲信号之间的比例来计算目标物体的角度。
龙源期刊网
单脉冲和差通道幅—相失衡分析与改善
作者：王得旺郭金良韩国强
来源：《现代电子技术》2012年第19期
摘要：为了提高单脉冲和差通道的幅相一致性，以降低测角误差，研究了幅相失衡的机理及解决途径。
对此，结合单脉冲和差测角体制，分析和差通道幅相失衡的原理，并仿真其对测角特性的影响。
最后，在分析理论校正模型的基础上，提出了基于FPGA的数字式校正方案，并给出了实现流程。
实践表明，该方法具有较好的可行性，能有效控制和差信号的一致性。
关键词：单脉冲；通道失衡；测角特性； FPGA。
相位和差单脉冲雷达测角性能分析
马振球;崔嵬
【期刊名称】《北京理工大学学报》
【年(卷),期】2009()8
【摘要】根据二维相位和差单脉冲雷达系统实现结构,分析和仿真了天线-和差器、和差器、通道处理3部分电路的不理想对测角性能的影响.结果表明,天线-和差器的幅度不一致影响测角大小,相位不一致影响测角大小和测角极性;和差器阻抗不匹配影响测角大小和极性;通道处理电路幅度不一致影响测角大小,相位不一致影响测角极性.在不理想因素中,天线-和差器相位不一致对测角性能的影响最小,天线-和差器幅度不一致以及和差器阻抗不匹配的影响较大.
【总页数】6页(P726-731)
【关键词】单脉冲雷达;相位和差;三通道不一致;魔T
【作者】马振球;崔嵬
【作者单位】北京理工大学信息与电子学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN958.4
【相关文献】
1.二维相位和差单脉冲雷达的测角性能分析 [J], 毛祺;安红;周先敏
2.相位和差单脉冲测角算法在某雷达中的应用 [J], 张汉光;薛广然;毕进;马可
3.部分相关MIMO雷达比幅单脉冲测角性能分析 [J], 程增飞;赵永波;李慧;水鹏朗
4.相位和差单脉冲测角算法在某雷达中的应用 [J], 张汉光;薛广然;毕进;马可
5.相位和差式单脉冲接收机测角性能的改善 [J], 岳海鉴;张玉斌
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
摘要测角即是测定目标的俯仰角和方位角，它是目标定向、精确制导的重要组成部分。
和差单脉冲测角由于其快速性、精确性而获得了广泛应用。
运用信号处理理论与MATLAB仿真软件相结合的思想进行测角仿真，不仅能够提供方便快捷的运算，还能获得很好的精确度。
本文首先建立了仿真信号模型，分析了天线方向图，仿真得到了二维和三维的天线和差波束方向图；其次对几种常见的测角方法、单脉冲系统的实现形式进行了介绍；最后综合前几章的内容，在不同环境条件下对系统进行了测试分析。
得到了目标的角度误差曲线。
关键词：和差波束，测角，雷达信号，天线方向图ABSTRACTAngle measurement is to measure the azimuth and elevation angle of the detected targets, it’s a crucial part of target direction-finding and precision guiding. Sum and difference monopulse radar is widely used for its short information acquisition time and high angle measurement precision. The combination of signal processing theory and MATLAB simulation software can produce efficient operation as well as good accuracy.Firstly, this dissertation studies the model of signal environment, analyzes the radar antenna model, and simulates the 2-D and 3-D sum and difference antenna patterns. Secondly, several commonly used target angle-tracking methods as well as realization of monopulse system isintroduced. Finally, tests are carried out on the system in presence of different errors and error curve is obtained.Keywords: sum and difference beam, angle measurement, radar signal,antenna pattern目录第一章引言 11.1课题背景 11.2 MATLAB在信号处理中的应用 11.3 主要工作及章节安排 2第二章信号环境的建模与仿真 32.1 角度测量处理模型 32.2 常用雷达信号 32.2.1 线性调频信号 32.2.2 相位编码信号 52.3 回波信号 62.4 噪声及杂波信号 82.4.1 雷达目标噪声 92.4.1.1 幅度噪声 92.4.1.2 角噪声 92.4.1.3 距离噪声 92.4.2 发射和接收噪声 10 2.4.2.1 发射机噪声 102.4.2.2 接收机噪声 102.4.3 杂波及干扰信号 10 2.4.3.1 杂波信号 102.4.3.2 干扰信号 102.5 本章小结 11第三章雷达天线 133.1 天线参数 133.1.1 方向性增益 133.1.2 功率增益 133.1.3 天线辐射方向图 14 3.2天线方向图数学模型 14 3.3 天线和差波束方向图 163.3.1 和波束性能 163.3.2 差波束性能 173.4 三维天线建模 183.5 本章小结 22第四章测角方法及其比较 234.1相位法测角 234.1.1 基本原理 234.2振幅法测角 274.2.1 最大信号法 284.2.2 等信号法 304.3 和差脉冲测角 334.3.1基本原理 334.3.2 单平面振幅和差单脉冲测角 36 4.3.3 双平面振幅和差单脉冲测角 37 4.4 本章小结 37第五章仿真测角系统设计与测试 38 5.1 角度敏感器和角信息变换器 385.1.1幅度敏感系统 385.1.2.相位敏感系统 395.1.3幅相组合敏感系统 405.2 角信息变换器 405.3 角度鉴别器 405.4 基本实现形式 415.4.1 幅度—幅度单脉冲系统 415.4.2 和差单脉冲系统 415.5单脉冲系统的变化实现形式 425.5.1 误差通道合并双路单脉冲系统 43 5.5.2 和差通道合并双路单脉冲系统 43 5.5.3 幅相组合双通道单脉冲系统 43 5.6 解角误差 445.7 仿真系统功能概述 475.7.1 仿真场景设定子系统 475.7.2 仿真数据获取及分析子系统 49 5.8 仿真测角系统的测试 495.8.1 仿真参数设置 505.8.2 仿真结果 515.8.3 仿真结果分析 525.9 本章小结 55第六章全文总结 56参考文献 57致谢 58外文资料原文 59外文资料译文 69第一章引言1.1课题背景对目标的定向，是雷达的主要任务之一，单脉冲定向是雷达定向的一个重要方法。
雷达原理大作业单脉冲自动测角的原理及应用学院：电子工程学院作者：2016年5月21日单脉冲自动测角的原理及应用一.摘要单脉冲测角法是属于振幅法测角中的等信号法中的一种，其测角精度高，抗干扰能力强，在现实中得到了广泛的应用。
而其中对于接收支路要求不太严格的双平面振幅和差式单脉冲雷达，更是备受青睐。
本文首先讲述了单平面振幅和差式单脉冲雷达自动测角的原理，再简述了双平面振幅和差式单脉冲雷达自动测角的结构框图，接着简述了本文仿真所用的一些原理和公式推导，包括天线方向图函数及其导数的推导，最后做了基于高斯形天线方向图函数的单脉冲自动测角，基于辛克函数形天线方向图函数的单脉冲自动测角，和基于高斯形天线方向图函数的双平面单脉冲自动测角。
源代码在附录里。
.重要的符号说明三.单平面振幅和差式单脉冲自动测角原理单脉冲测角法是属于振幅法测角中的等信号法中的一种。
在单平面内，两个相同的波束部分重叠，交叠方向即为等信号轴的方向。
将这两个波束接收到的回波信号进行比较就可以在一定范围内，一定精度要求下测到目标的所在角度。
因为两个波束同时接到回波，故单脉冲测角获得目标角误差信息的时间可以很短，理论上只要分析一个回波脉冲即可，所以称之为“单脉冲”。
因取出角误差的具体方式不同，单脉冲雷达种类很多，其中应用最广的是振幅和差式单脉冲雷达，其基本原理说明如下：1•角误差信号雷达天线在一个平面内有两个重叠的部分，如下图1所示:图1•振幅和差式单脉冲雷达波束图（a ）两馈源形成的波束 （b ）和波束（c ）差波束振幅和差式单脉冲雷达取得角误差信号基本方法是将这两个波束同时收到的信号进行 和差处理，分别得到和信号和差信号。
其中差信号即为该角平面内角误差信号。
若目标处在天线轴方向（等信号轴），误差角 0 ,则两波束收到的回波信号振幅相同，差信号等于0。
目标偏离等信号轴而有一个误差角 时，差信号输出振幅与成正比而其符号则由偏离方向决定。
2•和差比较器这里主要使用双 T 插头，示意图如下图 2（a ）所示。
仿真题目一 单脉冲和差测角仿真
题目要求：采用高斯型天线方向图绘制单脉冲和差测角的和、差波束及∑
∆
波形，并将
∑∆数据制表，以便找出偏离等信号轴的角度，给定∑∆
的值即可给出偏离角度。
1. 单脉冲和差测角原理
雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性，分为振幅法和相位法两大类，其中振幅法测角又分为最大信号法和等信号法，等信号测角采用两个相同且彼此部分重叠的波束，其方向图如下图1所示，若目标处在两波束的交叠轴OA 方向，则两波束收到的信号强度相等，否则一个波束收到的信号强度高于另一个，故常称OS 为等信号轴。
当两个波束收到的回波信号相等时，等信号轴所指的方向即为目标方向。
若目标处在OB 方向，波束2的回波比波束1的强，处在OC 方向时，则与之相反，因此比较两个波束回波的强弱就可以判断目标偏离等信号轴的方向，并可用查表的方法估计出偏离等信号轴的大小。
图1 等信号测角（a ）波束（b ）显示器画面
设天线电压方向性函数为)(θF ，等信号轴OA 的指向为0θ，则波束1、2的方向性函数可分别写为
)
()()()()()(2211o k o k F F F F F F θθθθθθθθθθ--==-+==
k θ为0θ与波束最大值方向的偏角。
用等信号法测量时，波束1接收到的回波信号)()(11t k KF KF u θθθ-==，波束2收到的回波电压值)()-()(22t k t k KF KF KF u θθθθθ+=-==，式中t θ为目标偏离等信号轴0θ的角度，这里对1u 和2u 信号进行和差法处理，可以获得目标信号t θ的信
息。
由1u 及2u 可以求得其差值)(θ∆及和值)(θ∑，即
)]()([)()()(21t k t k F F K u u θθθθθθθ+--=-=∆)]()([)()()(21t k t k F F K u u θθθθθθθ++-=+=∑
在等信号轴附近差信号及和信号分别可近似表示为
k d dF o t t θθθ
θθθ=≈∆|)
(2)(
k F o t )(2)(θθ≈∑
即可求得其和差波束)(θ∑及)(θ∆，如图2所示。
归一化的和差值为
o d dF F o t θθθ
θθθ==∑∆|)()(， 由于
∑
∆
正比于目标偏离0θ的角度t θ，故可用它来判读t θ的大小及方向。
图2 和差测角法（a ）两波束的方向图（b ）差波束响应（c ）和波束响应
2. 单脉冲和差测角仿真
为半功率波束宽度，
，为高斯型天线方向图函数r r
e f θθθθ2)(
3863.1)(-=在8mm 波段， ，mm d mm k 160,7302===λπ3/,2.13-3-db k db d θθλθ==波束倾角天线波束宽度为。
Matlab 仿真程序及结果如下：
k=0.730;%参数设定 d=0.160;
labda=2*pi/k; %波长
theta_3db=1.2*labda/d;%天线波束宽度
theta_k=theta_3db/3; %相对等场强方向的波束倾斜角 theta=-2*theta_3db:0.2:2*theta_3db;
f1=exp(-1.3863*(theta-theta_k).^2/theta_3db^2); f2=exp(-1.3863*(theta+theta_k).^2/theta_3db^2); sigma=f1+f2; delta=f1-f2;
figure,subplot(221),plot(theta,f1,'r-'),grid on
hold on ,plot(theta,f2),xlabel('角度\theta'),ylabel('两个响应');
subplot(222),plot(theta,sigma),xlabel('角度\theta'),ylabel('和波束\Sigma'),grid on
subplot(223),plot(theta,delta),xlabel('角度\theta'),ylabel('差波束\Delta'),grid on
subplot(224),plot(theta,(delta./sigma)),grid on xlabel('角度\theta'),ylabel('\Delta/\Sigma')
3.
∑
∆
数据制表， 由于最大单值测角范围为有限，因此只考虑θ在[-30°,30°]范围内的数据，本文中为简化内容，只讨论[-15°，15°]范围内的数值。
利用一次回归曲线拟合，得到对应的一次曲线。
Matlab 程序及结果如下：
k=0.730;
d=0.160;%参数设定 labda=2*pi/k; %波长
theta_3db=1.2*labda/d;%天线波束宽度
theta_k=theta_3db/3; %相对等场强方向的波束倾斜角 theta=-15:1:15;
f1=exp(-1.3863*(theta-theta_k).^2/theta_3db^2); f2=exp(-1.3863*(theta+theta_k).^2/theta_3db^2);
sigma=f1+f2;%和波束函数 delta=f1-f2;%差波束函数 t=[-15:1:15]';
f=[-0.2115 -0.1978 -0.1840 -0.1701 -0.1562 -0.1422 -0.1281 -0.1140 -0.0999 -0.0857 -0.0715 -0.0572 -0.0429 -0.0286 -0.0143 0 0.0143 0.0286 0.0429 0.0572 0.0715 0.0857 0.0999 0.1140 0.1281 0.1422 0.1562 0.1701 0.1840 0.1978 0.2115]'; x=[ones(size(t)) t]; a=x\f
f3=[ones(size(t)) t]*a;
figure ，plot(theta,(delta./sigma),'g-')
xlabel('角度\theta'),ylabel('\Delta/\Sigma'); grid on hold on
plot(t,f3,'r-') a =
0.0000
0.0142
得到直线方程为θ0142.0=∑∆
从程序运行结果可以看出，利用二次回归曲线拟合得到的圆点直线和原始数据绘制出来的直线基本上重合，可以看出，结果的误差是很小的。
得到下面的表格：
接上表
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13
14
15 0
0.0143 0.0286 0.0429 0.0572 0.0715 0.0857 0.0999 0.1140 0.128
1 0.142
2 0.1562 0.1701 0.1840 0.1978 0.2115 0
0.0142 0.0284 0.0425 0.0567 0.0709 0.0851 0.0992 0.1134 0.127
6
0.1418
0.1560
0.1701
0.1843
0.1985
0.2127
由上表也可以看出计算得到的和曲线拟合出来的结果误差很小。
θ
-15 -1
4
-13 -12 -11
-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1
算得
∑
∆ -0.2115 -0.1978 -0.1840 -0.1701
-0.1562 -0.1422 -0.1281 -0.1140 -0.0999 -0.0857 -0.0715 -0.0572 -0.0429 -0.0286 -0.0143 拟合
得∑∆
-0.2127
-0.1985 -0.1843
-0.1701
-0.1560
-0.1418
-0.1276
-0.1134
-0.0992
-0.0851
-0.0709
-0.0567
-0.0425
-0.0284
-0.0142。
