雷达大作业-振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用

雷达原理大作业

振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用

指导老师：魏青

振幅和差脉冲测角

基本原理

单脉冲自动测角属于同时波瓣测角法，在一个角平面内，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，就可取得目标在这个平面上的角误差信号，然后将此误差电压放大变换后加到驱动电动机控制天线向减小误差的方向运动。因为两个波束同时接收到回波，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就可以确定角误差，所以叫“单脉冲”。这种方法可以获得很高的测角精度，故精密跟踪雷达通常采用它。

由于取出角度误差信号的具体方法不同，单脉冲雷达的种类很多，应用最广的是振幅和差式单脉冲雷达，该方法的实质实际上是利用两个偏置天线方向图的和差波束。

和差脉冲法测角的基本原理为：

①角误差信号。雷达天线在一个角平面内有两个部分重叠的波束如错误!未找到引用源。所示：

振幅和差式单脉冲雷达取得角误差信号的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。与和差信号相应的和差波束如错误!未找到引用源。(b) (c)。

振幅和差式单脉冲波束图

（a）两波束；（b）和波束；（c）差波束

其中差信号即为该角平面内的角误差信号。若目标处在天线轴向方向（等信号轴），误差角为零，则两波束收到的回波信号幅度相同，差信号等于零。目标偏离等信号轴而有一误差角时，差信号输出振幅与误差角成正比，而其符号（相位）则由偏离的方向决定。和信号除用作目标检测和距离跟踪外，还用作角误差信号的相位基准。

②和差波束形成原理： 和差比较器是单脉冲雷达的重要部件，由它完成和差处理，形成和差波束。以错误!未找到引用源。（a）中的双T接头为例,它有四个端口,∑（和）端、△（差）端和1、2端，这四个端口是匹配的。

发射时，从发射机来的信号加到和差比较器的∑端，1、2端输出等幅同相信号，△端无输出，两个馈源同相激励，并辐射相同功率，结果两波束在空间各点产生的场强同相相加，形成发射和波束。和方向图用来发射，和方向图和差方向图用来接收，差方向图接收的信号提供角度误差信号的幅度。

接收时，回波脉冲同时被两个波束馈源所接收。两波束接收到的信号振幅有差异，但相位相同，即信号从1、2端输入同相信号，则△端输出两者的差信号，∑端输出两者的和信号。

这时，在∑（和）端，完成两信号同相相加，输出和信号。设和信号为E，其振幅为两信号振幅之和，相位与到达和端的两信号相位相同，且与目标偏离天线轴线的方向有关。假定两个波束的方向性函数完全相同，设为F（），两波束接收到的信号电压振幅为E1、E2，并且到达和差比较器∑端时保持不变，两波束相对天线轴线的偏角为，则对于方向的目标，和信号振幅为：

122()()()()()[()()]()EEEEkFFkFFkFFFkF

式中()()()FFF为接收和波束方向性函数，与发射和波束的方向性函数完全相同；k为比例系数，它与雷达参数、目标距离、目标特性等因素有关。

在和差比较器的△（差）端，两信号反向相加，输出差信号，设为E，若到（a）双T接头; (b)和差比较器示意图 达△端的两信号用E1、E2表示，他们的振幅仍为E1、E2，但相位相反，故差信号的振幅为:

12()[()()]()()EEEEkFFFkFF

其中()()()FFF。即和差比较器的△端对应的接收方向性函数为原来两方向性函数之差。

现假定目标的误差角为，则差信号振幅为()()EkFF，在跟踪状态下，很小，将()F展开成泰勒级数并忽略高次项，则有：

()()()[(0)(0)]EkFFkFFFg

因为

(0)()()0FFF

所以

()(0)EkFFg

又因为很小，上式中()(0)FF

因此有：

()(0)(0)(0)EkFFkFFgg

由上式可知，在一定的误差角范围内，差信号的振幅与误差角成正比。

同理，对于和信号振幅：

22E=()(0)kFkF

将两式相除，得：

2(0)(0)(0)E(0)(0)kFFEFFkFgg

所以，角误差信号与和差信号的振幅比成正比，即

(0)E(0)FEFg

单平面振幅和差单脉冲测角

根据比幅和差单脉冲测角原理,可画出单平面振幅和差单脉冲雷达的基本组成方框图，如图所示。系统的简单工作过程为:发射信号加到和差比较器的Σ端,分别从1、2端输出同相激励两个馈源。接收时, 两波束的馈源接收到的信号分别加到和差比较器的1、2端,Σ端输出和信号,Δ端输出差信号(高频角误差信号)。和、差两路信号分别经过各自的接收系统(称为和、差支路)。中放后,差信号作为相位检波器的一个输入信号,和信号分三路:一路经检波视放后作为测距和显示用;另一路用作和、差两支路的自动增益控制,再一路作为相位检波器的基准信号。和、差两中频信号在相位检波器进行相位检波,输出就是视频角误差信号,变成相应的直流误差电压后, 加到伺服系统控制天线跟踪目标。和圆锥扫描雷达一样,

进入角跟踪之前,必须先进行距离跟踪,并由距离跟踪系统输出一距离选通波门加到差支路中放,只让被选目标的角误差信号通过。

单平面振幅和差单脉冲雷达简化方框图

为了消除目标回波信号振幅变化(由目标大小、距离、有效散射面积变化引起)对自动跟踪系统的影响,必须采用自动增益控制。由和支路输出的和信号产生自动增益控制电压。该电压同时去控制和差支路的中放增益,这等效于用和信号对差信号进行归一化处理,同时又能保持和差通道的特性一致。由和支路信号作自动增益控制后,和支路输出基本保持常量,而差支路输出经归一化处理后其误差电压只与误差角ε有关而与回波幅度变化无关。

双平面振幅和差单脉冲测角

为了对空中目标进行自动方向跟踪,必须在方位和高低角两个平面上进行角跟踪,因而必须获得方位和高低角误差信号。为此,需要用四个馈源照射一个反射体,以形成四个对称的相互部分重叠的波束。在接收机中,有四个和差比较器和三路接收机，即和支路、方位差支路、俯仰差支路,两个相位鉴别器和两路天线控制系统等。

双平面振幅和差单脉冲雷达的原理框图已经给出，其工作原理与单平面雷达原理是一致的，只是获取和差信号的数目不相同。双平面脉冲雷达采用三路接收机同时工作，将差信号与和信号做幅度比较后，去多误差信号，包括误差信号的大小和方向。因此工作中要求三路接收机的工作特性严格一致，各路接收机幅相特性不一致的后果是测角灵敏度境地并产生测角误差。

单脉冲定向原理

对目标的定向，即测定目标的方向，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。所谓“单脉冲”，是指使用这种方法时，只需要一个目标回波脉冲，就可以给出目标角位置的全部信息。根据从回波信号中提取目标角信息的特点，可以将单脉冲定向分为两种基本的方法：振幅定向法和相位定向法，分别见于下图。除了上述两种方法外，由它们合成的振幅—相位定向法（或称为综合法）也得到了广泛的应用。

图单脉冲振幅定向法

图 单脉冲相位定向法

振幅法测角

振幅法测角是用天线收到的回波信号幅度值来做角度测量的，该幅度值的变化规律取决于天线方向图以及天线扫描方式。振幅法测角可分为最大信号法和等信号法两大类。

最大信号法 当天线波束作圆周扫描或在一定扇形范围内作匀角速扫描时, 对收发共用天线的单基地脉冲雷达而言, 接收机输出的脉冲串幅度值被天线双程方向图函数所调制。找出脉冲串的最大值(中心值), 确定该时刻波束轴线指向即为目标所在方向, 如错误!未找到引用源。的（a）所示。

如天线转动角速度为awr/min, 脉冲雷达重复频率为rf, 则两脉冲间的天线转角为

°360160asrwf。

这样,天线轴线(最大值)扫过目标方向(t)时,不一定有回波脉冲,就是说,s将产生相应的“量化”测角误差。

在人工录取的雷达里, 操纵员在显示器画面上看到回波最大值的同时,读出目 最大信号法扫描图

标的角度数据。采用平面位置显示(PPI)二度空间显示器时,扫描线与波束同步转动,根据回波标志中心(相当于最大值)相应的扫描线位置,借助显示器上的机械角刻度或电子角刻度读出目标的角坐标。

在自动录取的雷达中,可以采用以下办法读出回波信号最大值的方向:一般情况下,天线方向图是对称的,因此回波脉冲串的中心位置就是其最大值的方向。测读时可先将回波脉冲串进行二进制量化,其振幅超过门限时取“1”,否则取“0”,如果测量时没有噪声和其它干扰,就可根据出现“1”和消失“1”的时刻,方便且精确地找出回波脉冲串“开始”和“结束”时的角度,两者的中间值就是目标的方向。通常,回波信号中总是混杂着噪声和干扰,为减弱噪声的影响, 脉冲串在二进制量化前先进行积累, 如错误!未找到引用源。中的实线所示,积累后的输出将产生一个固定迟延,但可以提高测角精度。

最大信号法测角波形图

最大信号法测角也可采用闭环的角度波门跟踪进行, 如图所示, 它的基本原理和距离门做距离跟踪相同。用角波门技术作角度测量时的精度(受噪声影响)为

02/2(/)BpBnppmLKENKSN

式中, E/N0为脉冲串能量和噪声谱密度之比, pK为误差响应曲线的斜率,B为天线波束宽度,pL为波束形状损失,(/)mSN是中心脉冲的信噪比;0rntf为单程半功率点波束宽度内的脉冲数。在最佳积分处理条件下可得到 /1.4ppKL。

最大信号法测角的优点一是简单;二是用天线方向图的最大值方向测角,此时回波最强, 故信噪比最大,对检测发现目标是有利的。

其主要缺点是直接测量时测量精度不很高,约为波束半功率宽度(0.5)的 20%左右。因为方向图最大值附近比较平坦, 最强点不易判别,测量方法改进后可提高精度。另一缺点是不能判别目标偏离波束轴线的方向,故不能用于自动测角。最大信号法测角广泛应用于搜索、引导雷达中。

假定两个波束的方向性函数完全相同，设为F()，等信号轴指向为0，则波束1、2的方向性函数可分别写成：

110220()()()()()()kkFFFFFF