雷达低角跟踪性能影响分析

单脉冲雷达角度跟踪原理引言单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达。

它有较高的测角精度、分辨率和数据率，但设备比较复杂。

单脉冲雷达早在60年代就已广泛应用。

美国、英国、法国和日本等国军队大量装备单脉冲雷达，主要用于目标识别、靶场精密跟踪测量、弹道导弹预警和跟踪、导弹再入弹道测量、火箭和卫星跟踪、武器火力控制、炮位侦察、地形跟随、导航、地图测绘等；在民用上主要用于中交通管制。

目前使用的单脉冲雷达基本上都实现了模块化、系列化和通用化，具有多目标跟踪、动目标显示、故障自检、维修方便等特点。

中国的跟踪雷达技术的发展大体上分为两个阶段。

在50年代仿制圆锥扫描体制的炮瞄雷达、机载截击雷达等；50年代末期开始单脉冲技术的研究。

1960～1961年间研制出第一个微波复合比较器，对单脉冲天线的实现起了推动作用。

1963年研制成功第一部单脉冲体制试验雷达，随后陆续研制出各种用途的单脉冲跟踪雷达。

一、单脉冲雷达分类根据从回波中获取角信息的方式(测角法)不同，单脉冲雷达可分为振幅法(比幅)、相位法(比相)和综合法(振幅相位)3种。

这3种测角法又可用3种角度鉴别器(振幅式、相位式、和差式)中的任何一种来获得目标的角度信息，因此综合起来有9种形式的单脉冲雷达系统，其中以振幅和差式单脉冲雷达系统用的最多。

通常分为有振幅比较单脉冲雷达和相位比较单脉冲雷达两大类。

二、工作原理单脉冲雷达每发射一个脉冲，天线能同时形成若干个波束，将各波束回波信号的振幅和相位进行比较，当目标位于天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位相等，信号差为零；当目标不在天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位不等，产生信号差，驱动天线转向目标直至天线轴线对准目标，这样便可测出目标的高低角和方位角，从各波束接收的信号之和，可测出目标的距离，从而实现对目标的测量和跟踪。

它具有圆锥扫描雷达所没有的优点：获得角误差信息的时间短(以微秒计算)；不受回波振幅起伏变化的影响；测角精度高；测角支路抗幅度调制干扰(如回答式倒相干扰)的能力强。

基于相控阵雷达的多波束低角跟踪方法摘要：对低空/超低空目标进行跟踪测量时，雷达波束照射到海面上，此时雷达接收到的回波信号是目标的回波与海面反射信号之和，这将造成雷达测量出的回波相位中心不能指向目标，而是随目标的距离和高度变化起伏，从而形成了多路径误差，如果不采取一定措施，雷达将无法稳定开展目标跟踪，甚至会导致目标丢失。

多路径效应与雷达架高、目标高度、目标距离、雷达工作频率、海面反射系数、雷达电磁波极化等因素均有关系。

一直以来，对低空目标的探测与跟踪性能都是跟踪雷达的核心指标，是影响雷达反导防空性能的主要瓶颈。

关键词：相控阵雷达；多波束与常规体制雷达比较，相控阵雷达有着波束控制灵活、反应迅速、能同时进行多目标跟踪测量等优势。

在低空目标探测与跟踪方面，根据多路径误差产生机理，相控阵雷达采用同时多波束、多频率模式进行低角跟踪，理论上能够抑制多路径效应，提高雷达低角跟踪精度。

1 多径模型及测角误差1.1 多径模型采用平面多径反射模型来分析多路径对雷达目标测量的影响，如图1所示，直射返回的路径为Rd,直射返回路径的仰角为θd,镜面反射的路径为R1、R2,镜面反射路径的仰角为θr,入射余角为ψ,雷达天线架高为hr,目标的高度为ht。

图1 多路径条件下目标测量模型图由图1可得出，直射返回路径与镜面反射路径两者的波程之差δ是：δ=Rd(cosθdcosψ-1) (1)1.2 测角误差采用最常用的单脉冲测角模型对雷达角度测量误差进行分析。

在存在多路径的情况下，直射返回路径与镜面反射路径的和路、差路合成矢量的关系如图2所示，sΣd为直射返回的和路信号，sΔd为直射返回的差路信号，sΣi为直射返回的和路信号，sΔi为直射返回的差路信号，sΣ为2种路径矢量合成后的和路信号，sΔ为2种路径矢量合成后的差路信号。

图2 多路径情况下矢量合成示意图利用和信号sΣ完成归一化处理，差路信号与和路信号的单脉冲幅度比为：sΔsΣ=VΔVΣ⋅1-ρ1+ρ (2)式中：VΔ是差路的接收电压；VΣ是和路的接收电压；ρ为复反射系数，ρ=|ρ|ejϕ,ϕ是直射返回路径与镜面反射路径两者的相位差，结果可由公式(1)波程差δ得出：ϕ=2πλδ≈4πhrhtRdCf (3)多路径条件下的角度测量误差Δθ可由目标仰角θd、复反射系数ρ、相位差ϕ用公式(4)表示：Δθ=θd2|ρ|2+2|ρ|cosϕ|ρ|2+2|ρ|cosϕ+1 (4)2 常用低角跟踪技术目前常用低角跟踪技术主要包括波束锐化、捷变频、偏轴跟踪等技术，这些低角跟踪技术各有优缺点，简单介绍如下。

脉冲雷达目标角闪烁分析与抑制摘要：本文介绍了单脉冲雷达与目标角闪烁的关系，以双散射点模型为例，描述了角闪烁产生的原理、条件和影响，并结合工作实际给出了几种抑制角闪烁的方法。

关键词：雷达；双散射点；角闪烁1引言角闪烁通常认为是目标的效应，但某种程度上也跟雷达有关。

当雷达不能分辨复杂目标的单个散射点时，就会发生角闪烁，因此有些雷达基本不受角闪烁的影响，而另一些雷达则受到很大影响。

角闪烁影响所有闭环角跟踪的雷达系统，是目标近距离跟踪时的主要测角误差源[1]。

像球体等“单散射点”目标，到达雷达天线的回波具有均匀平坦的波平面，平面有一个取决于到达角的倾角，不会产生角闪烁，如图1（a）所示。

形状复杂的目标在雷达分辨单元内具有多个散射中心，每个散射中心都会散射电磁波，他们各自的回波到达天线的倾角稍有不同，雷达接收到的回波就是这些散射电磁波的矢量和，如图1（b）所示。

(a)单散射点(b)多散射点图1目标对雷达波散射示意图用于外弹道测量的单脉冲雷达，其测角系统是按照处理均匀回波信号设计的，在处理复杂目标的不均匀回波时，测量的到达角可能使天线指向目标边缘之外，从而引起跟踪中断。

而且，距离越近，目标的角度延伸越大，角闪烁造成的误差也越大。

因此，掌握目标角闪烁产生的原理，采取有效的方法抑制角闪烁，是提高雷达跟踪稳定性的方法之一。

2目标模型的角闪烁分析假设某目标模型，在雷达分辨单元内有两个散射点，对称分布在离天线平面法线为±θD/2的位置上，如图2所示[2]。

图2目标角闪烁双散射点模型这两个散射点回波的相对幅度为a（a＜1），相位差为α。

当相位差较小时（一般不超过90°），测量相对大散射点的角误差为：（2. 1）由式（2.1）可以看出，两散射点目标的跟踪误差Δθ与目标的角度延伸θD成正比。

当雷达天线与目标的距离增大时，角度延伸θD减小，跟踪误差Δθ也变小；反之，当雷达天线与目标的距离减小时，角度延伸θD增大，跟踪误差Δθ也变大。

低空监视雷达信号处理方法研究低空监视雷达在对低空目标进行探测时,由于多径效应的存在,直达信号与多径信号同时进入天线波束主瓣,两者矢量叠加,使回波信号幅度和相位发生改变。

同时直达信号与多径信号强烈相干,且难以分辨,严重影响了低空监视雷达对目标的检测与跟踪性能,甚至造成目标丢失。

因此,如何抑制多径效应对目标检测与跟踪的影响,对低空监视雷达探测性能的提升非常重要。

本文从多径效应这一关键问题出发,通过建立的低空多径回波几何模型,研究了直达信号与多径信号的几何关系。

接着分析了影响多径信号的反射系数以及多径阵列信号的回波模型,同时还详细介绍了单脉冲测角原理,并分析了多径下影响目标检测概率与低角跟踪精度的主要因素。

然后,以本文建立的理想平面对称镜面反射模型为基础,分析了多径效应对目标检测的影响,还研究了多径下影响低空目标回波信号幅度和功率的主要因素,并推导了低空目标回波信号与多径传播因子的关系。

接着对多径下低空监视雷达目标检测方法进行了研究,推导并仿真分析了采用频率分集技术的多频M/N检测器的检测性能曲线,再通过大量实验仿真,得出了使多频M/N检测器具有最佳检测性能时所对应的M值。

接下来,为了降低多径对低空监视雷达低角跟踪性能的影响,本文在多径阵列信号模型的基础上,通过对天线方向图进行改进,首先设计了最优对称差波束,进而实现了对称波束单脉冲测角法。

接着通过设计双单脉冲的和波束与差波束方向图,实现了双零点单脉冲测角法。

再分别仿真并验证了两种算法对解决多径下低角跟踪问题的有效性,同时分析了两种算法的测角性能。

由于以上两种改进的单脉冲测角算法均有各自的优缺点及应用场景,所以最后本文通过对两种算法的算法流程、复杂度以及测角精度进行仿真对比分析,给出了不同场景下,对称波束法与双零点法的最小SNR与最小可测仰角表。

最后总结并给出了不同的雷达场景与精度要求情况下,如何选择合适的低角跟踪算法,从而达到节省资源,提高低空监视雷达低角跟踪精度的目的,给实际工程提供了理论参考。