振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用..

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用.振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用.专业： 信息对抗技术 学生姓名：石星宇 02123010柯炜鑫 02123049张宇新 02123060指导教师： 魏 青 完成时间：2022年7月3日振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用西安电子科技大学雷达原理论文-目录振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用1一、 自动测角系统

2、简介11.1圆锥扫描雷达简介11.2单脉冲雷达简介1二、振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的优势22.1角度跟踪精度22.2天线增益和作用距离22.3角度信息的数据率32.4抗干扰能力32.5复杂程度3三、 振幅和差单脉冲雷达自动测角原理33.1角误差信号33.2角误差信号的产生43.3角误差信号的转换53.4自动增益控制63.5整体结构6四、振幅和差单脉冲雷达自动测角仿真7五、振幅和差单脉冲雷达的应用9附录10振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的应用一、 自动测角系统简介在火控系统中使用的雷达，必须快速连续地提供单个目标(飞机、导弹等)坐标的精确数值，此外在靶场测量、卫星跟踪、宇宙航行等方面

3、应用时，雷达也是观测一个目标，而且必须精确地提供目标坐标的测量数据。为了快速地提供目标的精确坐标值，要采用自动测角的方法。自动测角时，天线能自动跟踪目标，同时将目标的坐标数据经数据传递系统送到计算机数据处理系统。和自动测距需要有一个时间鉴别器一样，自动测角也必须要有一个角误差鉴别器。当目标方向偏离天线轴线(即出现了误差角)时，就能产生一误差电压。误差电压的大小正比于误差角，其极性随偏离方向不同而改变。此误差电压经跟踪系统变换、放大、处理后，控制天线向减小误差角的方向运动，使天线轴线对准目标。用等信号法测角时，在一个角平面内需要两个波束。这两个波束可以交替出现(顺序波瓣法)，也可以同时存在(同时

4、波瓣法)。前一种方式以圆锥扫描雷达为典型，后一种是单脉冲雷达。1.1圆锥扫描雷达简介圆锥雷达的针状波束的最大辐射方向偏离天线旋转轴一个角度，当波束以一定的角速度绕天线轴旋转时，波束最大辐射方向就在空间画出一个圆锥，故称圆锥扫描。波束在作圆锥扫描的过程中，绕着天线旋转轴旋转，因天线旋转轴方向是等信号轴方向，故扫描过程中这个方向天线的增益始终不变。当天线对准目标时，接收机输出的回波信号为一串等幅脉冲；如果目标偏离等信号轴方向，则在扫描过程中波束最大值旋转在不同位置时，目标有时靠近有时远离天线最大辐射方向，这使得接收的回波信号幅度也产生相应的强弱变化。由此实现对目标的探测，从而完成在角度上对目标的自

5、动跟踪。1.2单脉冲雷达简介单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达。它每发射一个脉冲，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。二、振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中的优势由第一小节我们知道，自动测角系统中常见的雷达体制有圆锥扫描式雷达、单脉冲雷达等，但相比之下，振幅和差单脉冲雷达在自动测角系统中有较大的优势

6、。2.1角度跟踪精度与圆锥扫描雷达相比，单脉冲雷达的角度跟踪精度要高得多。主要有以下两点原因：第一，圆锥扫描雷达至少要经过一个圆锥扫描周期后才能获得角误差信息，在此期间，目标振幅起伏噪声也叠加在锥扫调制信号(角误差信号)上形成干扰，而自动增益控制电路的带宽又不能太宽，以免将频率为锥扫频率的角误差信号也平滑掉，因而不能消除目标振幅起伏噪声的影响，在锥扫频率附近一定带宽内的振幅起伏噪声可以进入角跟踪系统，引起测角误差。而单脉冲雷达是在同一个脉冲内获得角误差信息，且自动增益控制电路的带宽可以较宽，故目标振幅起伏噪声的影响可以基本消除。第二，圆锥扫描雷达的角误差信号以调制包络的形式出现，它的能量存在于

7、上、下边频的两个频带内，而单脉冲雷达的角误差信息只存在于一个频带内。故圆锥扫描雷达接收机热噪声的影响比单脉冲雷达大1倍。单脉冲雷达的角跟踪精度比圆锥扫描雷达的要高一个量级，约为0.10.2密位。2.2天线增益和作用距离单脉冲雷达在增益利用方面比圆锥扫描雷达好。单脉冲用和波束测距，差波束测角，合理设计馈源可使和波束的增益与差波束的增益同时最大，因而使测距测角性能最佳。在相同天线增益、发射功率、接收机噪声系数情况下，单脉冲雷达比圆锥扫描雷达作用距离远，测距精度高。并且，圆锥扫描雷达的角跟踪灵敏度和作用距离不能同时最大，兼顾两者性能，权衡选择波束参数，只能做到角跟踪灵敏度和作用距离约为最大值的88%

8、。2.3角度信息的数据率单脉冲雷达比圆锥扫描雷达高。单脉冲雷达理论上只要一个脉冲就可获得一次角信息，数据率为(脉冲重复频率)。而圆锥扫描雷达必须经过一个圆锥扫描周期才能获取一次角信息。圆锥扫描一周内至少需4个脉冲，因而理论数据率是，考虑到调制包络信号不失真，通常需要10个脉冲以上，所以实际数据率小于。2.4抗干扰能力圆锥扫描雷达易受敌方的回答式干扰。因为敌方接收到的圆锥扫描雷达发射信号也是正弦调制信号，只需要取出调制包络，进行倒相放大，然后去调制高频信号再发射回来，圆锥扫描雷达接收此信号后，天线轴线就跟踪到错误方向上。而单脉冲雷达没有回答式干扰的影响。2.5复杂程度单脉冲雷达在结构上和技术上复

9、杂，需要多个性能完善的宽频带馈源和高频和差比较器，多路接收机要求性能一致，如果各路相位和振幅不平衡，会使测角灵敏度降低并加大测角误差，因而单脉冲雷达技术复杂，加工工艺要求高。由此可见，要求精密跟踪尤其是远程精密跟踪雷达，常用单脉冲体制。下面主要介绍振幅和差单脉冲雷达自动测角的原理。三、 振幅和差单脉冲雷达自动测角原理对于振幅和差单脉冲雷达的自动测角原理，我们可以用下示框图用来理解：3.1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，如图一（a）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，分别得到和信号与差信号。与和、差信号相应的和、差波

10、束如图一(b)、(c)所示。其中差信号即为该角平面内的角误差信号。由图一(a)可以看出；若目标处在天线轴线方向(等信号轴)，误差角=0，则两波束收到的回波信号振幅相同，差信号等于零。目标偏离等信号轴而有一误差角时，差信号输出振幅与成正比而其符号(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。角误差信号多是利用和差比较器产生。和差比较器(和差网路)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。用得较多的是双T接头，如图二所示，它有四个端口；(和)端、(差)端和1、2端。假定四个端都是匹配的，则从端输入信号时，1、2端便输出等幅同相信号，端无输

11、出；若从1、2端输入同相信号，则端输出两者的差信号，端输出和信号。3.2角误差信号的产生发射时，从发射机来的信号加到和差比较器的端，故1、2端输出等幅同相信号，两个馈源被同相激励，并辐射相同的功率，结果两波束在空间各点产生的场强同相相加，形成发射和波束如图一（b）所示。此时，发射脉冲的方向图函数为：接收时，回波脉冲同时被两个波束的馈源所接收。两波束接收到的信号振幅有差异，但相位相同。这两个相位相同的信号分别加到和差比较器的1、2端。其中，和信号的振幅为式中，而差信号的振幅为式中。现假定目标的误差角为，则差信号波束为。在跟踪状态下，很小，可以将展开成麦克劳林级数并忽略高次项，则可得两式作比得：所

12、得结果表示，在一定的误差角范围内，差信号的振幅与误差角成正比。以上得出了角误差信号的大小，而角误差信号的相位则由中的强者决定，哪个回波信号更强，则角误差信号偏向哪边。综上所述，端输出的差信号的振幅表明了目标误差角的大小，其相位则表示目标偏离天线轴线的方向。3.3角误差信号的转换和差比较器端输出的高频角误差信号还不能用来控制天线跟踪目标，必须把它变换成直流误差电压，其大小应与高频角误差信号的振幅成比例，而其极性应由高频角误差信号的相位来决定。这一变换作用由相位检波器完成。为此，将和、差信号通过各自的接收通道，经变频中放后一起加到相位检波器上进行相位检波，其中和信号为基准信号。相位检波器的输出为其

13、中，为和、差信号之间的相位差。相位检波器输出为正或负极性的视频脉冲(=为负极性)，其幅度与差信号的振幅即目标误差角成比例，脉冲的极性(正或负)则反映了目标偏离天线轴线的方向。把它变成相应的直流误差电压后，加到伺服系统控制天线向减小误差的方向运动。3.4自动增益控制前面我们介绍了自动测角的原理，但实际上还有许多性能需要改善。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，需要采用自动增益控制。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。可以证明，由

14、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有关而与回波幅度变化无关。3.5整体结构接下来我们以单平面振幅和差单脉冲雷达的组成为例，分析其系统结构。根据上述原理，可画出单平面振幅和差单脉冲雷达的基本组成方框图，如图三所示。系统的简单工作过程为：发射信号加到和差比较器端，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，端输出和信号，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

15、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。四、振幅和差单脉冲雷达自动测角仿真假设两个波束的方向性函数完全相同，记为，两波束相对天线轴线的偏角为。仿真中，偏角，半功率波束宽度，采用双向工作的高斯函数作为天线方向性函数，因此有和差波束方向性函数分别为：其方向函数图如下所示：由原理分析可知，差信号振幅

16、为，当跟踪目标是出现误差角时，差信号的振幅变为。由于跟踪状态下很小，将展开成泰勒级数并忽略高次项，则有式中；。由上式可知，在一定范围的误差角度范围内，差信号的振幅与误差角度成正比。仿真时，我们假设误差角度，得到如下误差角度与误差电压关系图，符合理论推导。从误差角度与误差电压的关系图中我们可以看出，在跟踪状态下，当目标与雷达天线轴向之间存在一定误差角时，接收天线会产生相应的误差电压。而误差电压的大小反映了误差角的大小，误差电压的极性反映了目标偏离天线轴向的方向。此时，该误差电压将驱动雷达天线靠近目标，使得误差角接近于零，从而实现自动测角（目标跟踪）。五、振幅和差单脉冲雷达的应用单脉冲雷达作为一种

17、精密跟踪雷达，可以精确快速地提供目标坐标的精确位置，早在60年代就已广泛应用于火控系统中。而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，于是也被更多地应用于军用以及民用上。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。附录：clear all,close all,clcN=214; %采样点数r3dB=7.5; %半功率波束宽度e=linspace(-pi

18、/6,pi/6,N); %误差角度范围r=linspace(-20,20,N); %角度范围（横坐标）F=exp(-2.8*(r./r3dB).2); %天线方向图函数F1=exp(-2.8*(3-r)./r3dB).2); %两波束相对天线轴线偏角+-3F2=exp(-2.8*(3+r)./r3dB).2);F_sigema=F1+F2; %和波束F_derta =F1-F2; %差波束E_sigema=F_sigema.2; %和场强E_derta =F_sigema.*F_derta; %差场强F_derta1=diff(F_derta); %差波束的一阶导数yita=max(F_der

19、ta1)/max(F_sigema);E_derta1 =max(F_sigema)2*yita*e; %差信号振幅subplot(311)plot(r,(F),b,r,(F1),r,r,(F2),g)grid onxlabel(角度/theta),ylabel(天线增益F(theta)title(天线方向图)subplot(312)plot(r,(F_sigema),r,r,(F_derta),g)grid onxlabel(角度/theta),ylabel(天线增益F(theta)title(和、差波束方向图)subplot(313)plot(e,E_derta1)xlabel(误差角度/theta),ylabel(误差电压/V)title(误差角度与误差电压关系图)grid onaxis(-pi/6 pi/6 -0.8e-3 0.8e-3)