通信工程毕业论文—基于MATLAB的和差脉冲测角的研究和仿真（含外文翻译）

摘 要 I 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 ABSTRACT II ABSTRACT Angle 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 is introduced 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 III 目录 第一章 引言 1 1 1 课题背景 1 1 2 MATLAB 在信号处理中的应用 1 1 3 主要工作及章节安排 2 第二章 信号环境的建模与仿真 3 2 1 角度测量处理模型 3 2 2 常用雷达信号 3 2 2 1 线性调频信号 3 2 2 2 相位编码信号 5 2 3 回波信号 6 2 4 噪声及杂波信号 8 2 4 1 雷达目标噪声 9 2 4 1 1 幅度噪声 9 2 4 1 2 角噪声 9 2 4 1 3 距离噪声 9 2 4 2 发射和接收噪声 10 2 4 2 1 发射机噪声 10 2 4 2 2 接收机噪声 10 2 4 3 杂波及干扰信号 10 2 4 3 1 杂波信号 10 2 4 3 2 干扰信号 10 2 5 本章小结 11 第三章 雷达天线 13 3 1 天线参数 13 3 1 1 方向性增益 13 3 1 2 功率增益 13 3 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 16 3 3 1 和波束性能 16 目录 IV 3 3 2 差波束性能 17 3 4 三维天线建模 18 3 5 本章小结 22 第四章 测角方法及其比较 23 4 1 相位法测角 23 4 1 1 基本原理 23 4 2 振幅法测角 27 4 2 1 最大信号法 28 4 2 2 等信号法 30 4 3 和差脉冲测角 33 4 3 1 基本原理 33 4 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 38 5 1 1 幅度敏感系统 38 5 1 2 相位敏感系统 39 5 1 3 幅相组合敏感系统 40 5 2 角信息变换器 40 5 3 角度鉴别器 40 5 4 基本实现形式 41 5 4 1 幅度 幅度单脉冲系统 41 5 4 2 和差单脉冲系统 41 5 5 单脉冲系统的变化实现形式 42 5 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 44 5 7 仿真系统功能概述 47 5 7 1 仿真场景设定子系统 47 5 7 2 仿真数据获取及分析子系统 49 目录 V 5 8 仿真测角系统的测试 49 5 8 1 仿真参数设置 50 5 8 2 仿真结果 51 5 8 3 仿真结果分析 52 5 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 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 之所以叫 单脉冲 是因为这种方法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 1 单脉冲雷达系统中 目标的角位置信息是将回波 信号加以成对比较得到的 在进行这种比较时 系统输出电压只取决于信号的到 达角 单脉冲探测技术的作用就是首先选择一个具体的目标 然后在角度 距离 有时还在频率 或者速度 坐标上跟随目标的路线 其中角度跟踪也即测角就是 测定目标的方位角和俯仰角 单脉冲测角的基本原理是运用指向目标 或发射机 的有方向性的天线波束 测量接收信号的到达角 为实现这样的目的 天线必须 有这样的特性 它能测量指向误差 并将该指向误差作为适用于控制天线位置的 信号 单脉冲测角属于同时波瓣测角 在一个平面内 两个相同的波束部分重叠 其交叠方向即为等信号轴 将这两个波束同时接收到的回波信号进行和差处理 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 理论上只需分析一个回波脉冲就可以 确定角误差 为了能够在两个正交的角坐标上得到单脉冲角度偏离估计值并进行 角度跟踪 基本的单脉冲必须有三个通道 且通道之间都需要保持良好的幅度和 相位响应的一致性 单脉冲技术由于其良好的测角 角跟踪性能和抗干扰能力 因此除了在跟踪雷达中应用之外 还广泛应用到各种武器平台的控制雷达当中 1 2 MATLAB 在信号处理中的应用 现代雷达系统日益变得复杂 难以用简单直观的分析方法进行处理 往往需 要借助计算机来完成对系统各项功能和性能的仿真 利用计算机来进行雷达系统 仿真具有方便 灵活以及经济的特点 而 MATLAB 提供了强大的仿真平台 可以 为大多数仿真系统提供方便快捷的运算 根据雷达信号处理的主要方式 运用信 号处理理论与 MATLAB 仿真软件相结合的思想 可以确定仿真模型 2 该模型应 该具有将包含杂波的信号输入信号处理机的动态处理过程 利用 MATLAB 的仿真 平台 能够方便的产生所需类型的回波信号 以及信号与各类干扰 噪声的组合 2 能够方便的进行信号处理 消除不需要的信号及干扰 提取或加强由目标所产生 的回波信号 一般来说 在 MATLAB 上进行系统仿真应该有如下步骤 3 1 首先确定研究的对象及要解决的问题 然后根据要解决的问题提出系统仿真 所要达到的目的和要求 2 根据所研究的问题和目的 确定合理的系统模型 并给出数学表达式 这也 是仿真成败的关键 一般要求模型尽量简单 但又要与原型保持一致 3 确定具体的系统结构 描述方法 参数 4 确定仿真次数 打印仿真结果或直接绘制出曲线 5 最后对结果进行分析 判断 看是否达到仿真目的和要求 1 3 主要工作及章节安排 本文主要是在 MATLAB 下进行和差脉冲测角的研究和仿真 研究和仿真的 内容主要有 雷达信号 天线 各种测角方法及其比较 并且着重对比幅和差单 脉冲测角进行了仿真 各章节大致安排如下 1 第一章 简要介绍了当下最为常见的单脉冲探测技术 并对 MATLAB 在系 统仿真及信号处理方面的作用进行了介绍 2 第二章 提出了具体的角度处理模型 对雷达的发射信号 目标回波信号 以及在噪声存在条件下的回波信号进行了建模和仿真 3 第三章 对天线方向图进行了介绍 介绍了三种天线方向图函数模型 仿真 了二维和三维天线方向图及和差波束方向图 4 第四章 对常用的测角方法进行了介绍及对比 5 第五章 对单脉冲系统的具体实现形式进行介绍 对比 重点仿真了和差比 幅测角 建立了具体仿真系统 并对在不同信噪比条件下仿真结果进行了对 比 第二章 信号环境的建模与仿真 3 天线调制 和差波束形成 回波信号接收 和差波束形成 和差通道幅度比较 目标角度 方位角 俯仰 角计算 0FK 雷达发射信号 杂波 目标 干扰 第二章 信号环境的建模与仿真 现代雷达的体制多种多样 根据雷达体制的不同 可以选用各种各样的信号形式 雷达信号形式的不同 对发射机和射频部分和调制器的要求也不同 对于常规 雷达的简单脉冲波形而言 调制器主要满足脉冲宽度 脉冲重复频率和脉冲波形 脉冲上升沿 下降沿 和顶 部的不稳定 的要求 一般困难不大 但对于复杂调制 射频放大器 调制器往往要用一些特殊措施才能满足 2 1 角度测量处理模型 目标角度测量的基本处理流程框图如 图 2 1 其处 理的基本原理是 发射机产生电磁信号 如正弦波短脉 冲 经由天线调制 辐射到空中 发射信号的一部分 被目标拦截并向许多方向再辐射 向后再辐射回到雷达 的信号被雷达天线采集 并送到接收机 在接收机中 该信号被处理以检测目标的存在并且确定其位置 2 2 常用雷达信号 4 5 6 2 2 1 线性调频信号 线性调频信号也称为 chirp 信号 它是通过对载波 进行线性频率调制而得到的 调频信号的频率变化规律 可以是单调增加的 也可以是单调减小的 还可以是按 V 字型变化的 图 2 1 线性调频矩形脉冲信号的复数表达式可以写成 MERGEFORMAT 2 1 02 jftstue 其中 MERGEFORMAT 2 2 21 jKttrctT 为信号的复包络信号 T 为脉冲宽度 且 4 MERGEFORMAT 2 3 12 0TttrecT 信号的瞬时频率可以写成 MERGEFORMAT 2 2001 2idfftKftt 4 其中 K B T 为频率变化斜率 当 k 大于零时 表示频率递增 当 k U1 c U2 1 2U1 26 设变压器的变压比为 1 1 电压正方向如 图 4 3 所示 相位比较器输出端应能 得到与相位差 成比例的响应 为达到此目的 当相位差为 的两高频信号加到 相位检波器之前 其中之一要预先移相 90 因此相位检波器两输入信号为 MERGEFORMAT 4 7 12uUcos wt 90 为 的振幅 通常应保持为常值 现在 在相位上超前 的数值为1U21u2 12U 由 图 4 3 知 90 MERGEFORMAT 4 8 12121dduu 当选取 U2 U1 时 由矢量图 4 3 b 可知 MERGEFORMAT 4 9 1212sindUu 故相位检波器输出电压为 MERGEFORMAT 0102121sindddKU 4 10 其中 为检波系数 由式 MERGEFORMAT 4 10 可画出相位检波器的输出特性dK 曲线 如 图 4 4 所示 测出 便可求出 显然 这种电路的单值测量范围是 0U 2 2 当 30 度时 输出电压 与 近似为线性关系 1du 0 当选取 1 2U1 U2 时 由矢量 图 4 3 c 可求得 MERGEFORMAT 4 11 11 2sin 45 2 dU 则输出 MERGEFORMAT 011sin 45 sin 45 22ddKKU 4 12 输出特性如 图 4 4 所示 与 有良好的线性关系 但单值测量范围仍为 0U 2 2 为了将单值测量范围扩大到 2 电路上还需采取附加措施 第四章 测角方法及其比较 27 图 4 4 相位检波输出特性图 a U2 U1 b U2 1 2U1 4 1 2 测角误差与多值性问题 相位差 值测量不准 将产生测角误差 它们之间的关系如下 将式两边取微 分 MERGEFORMAT 4 13 2cosdd 由式 MERGEFORMAT 4 13 看出 采用读数精度高 小 的相位计 或减d 小 d 值 增大 d 值 均可提高测角精度 也注意到 当 0 时 即目标处在 天线法线方向时 测角误差 最小 当 增大 也增大 为保证一定的测角精d 度 的范围有一定的限制 增大 d 虽然可提高测角精度 但由式可知 在感兴趣的 范围 测角范围 内 当 d 加大到一定程序时 值可能超过 2 此时 其中 N 为整数 2 2 而相位计实际读数为 值 由于 N 值未知 因而真实的 值不能确定 就出现多值性 模糊 问题 必须解决多值性问题 即只有判定 N 值才能确定目标方 向 比较有效的办法是利用三天线测角设备 间距大的 1 3 天线用来得到高精度 测量 而间距小的 1 2 天线用来解决多值性 如 图 4 5 所示 28 图 4 5 三天线相位法测角原理示意图 设目标在 方向 天线 1 2 之间的距离为 天线 1 3 之间的距离为 12d13d 适当选择 使天线 1 2 收到的信号之间的相位差在测角范围内均满足 12d MERGEFORMAT 4 14 1212sin 由相位计 1 读出 根据要求 选择较大的 则天线 1 3 收到的信号的相位12 3d 差为 MERGEFORMAT 4 15 1313sin2 由相位计 2 读出 但实际读数是小于 2 的 为了确定 N 值 可利用如下关13 系 MERGEFORMAT 4 16 1321312d 根据相位计 1 的读数 可算出 但包含有相位计的读数误差 由式 12 MERGEFORMAT 4 15 标出的 具有的误差为相位计误差的 倍 它只是式3 132 d MERGEFORMAT 4 16 的近似值 只要 的读数误差值不大 就可用它确定 N 即12 把 除以 2 所得商的整数部分就是 N 值 然后由式 算出并确定 132 d1 13 由于 值较大 保证了所要求的测角精度 4 2 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 第四章 测角方法及其比较 29 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 4 2 1 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 如图 4 6 的 a 所示 如天线转动角速度为 r min 脉冲雷达aw 重复频率为 则两脉冲间的天线转角为rf 3601asrf 这样 天线轴线 最大值 扫过目标方向 时 不一定有回波脉冲 就是说 将产t s 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 图 4 6 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 图 4 7 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 30 图 4 7 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 4 7 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 MERGEFORMAT 4 02 2 BpBnp mLKENS 17 式中 E N0 为脉冲串能量和噪声谱密度之比 为误差响应曲线的斜率 图 4 7 中pK 的 为天线波束宽度 为波束形状损失 是中心脉冲的信噪比 B pL m 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 0rntf 1 4pKL 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 的 20 0 5 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 第四章 测角方法及其比较 31 信号法测角广泛应用于搜索 引导雷达中 4 2 2 等信号法 等信号法测角采用两个相同且彼此部分重叠的波束 其方向图如 图 4 8 a 所示 如果目标处在两波束的交叠轴 OA 方向 则由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 如 图 4 8 b 所示 故常常称 OA 为等信号轴 当两个波束收到的回波信号相等时 等信号轴所指方向即为目标方向 如果目标 处在 OB 方向 波束 2 的回波比波束 1 的强 处在 OC 方向时 波束 2 的回波较波束 1 的弱 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 查表的办法估计出偏离等信号轴的大小 图 4 8 等信号测角 a 波束 b K 型显示器画面 假定两个波束的方向性函数完全相同 设为 等信号轴指向为 则波F 0 束 1 2 的方向性函数可分别写成 MERGEFORMAT 4 18 11022 kF 为 与波束最大值方向的偏角 k 0 设波束 1 2 接收到的回波信号分别表示为 MERGEFORMAT 4 19 1 02 kuKF 式中 为目标方向偏离等信号轴 的角度 对 信号进行处理 就可t 01u2 以获得目标方向 的信息 t 32 比幅法 求两信号的幅度比值 时 根据比值大小可12 ktFu 0 以判断目标偏离的方向 查找预先制定的表格就可以估计出目标偏离的角度 数值 和差法 由 u1 和 u2 可求得其差值 及和值 t t 图 4 9 和差法测角 12 ktktuKF MERGEFORMAT 4 20 现假定目标的误差角为 在等信号轴 附近 差值 可以近似表示为 0 MERGEFORMAT 4 21 2dk 而和信号为 12 ktktuKF MERGEFORMAT 4 22 在等信号轴附近近似有 第四章 测角方法及其比较 33 MERGEFORMAT 4 23 0 2F K 即可求得和差波束 归一化的和差值为 与 MERGEFORMAT 4 24 00 d 因为 正比于目标偏离 的角度 故可用它来判读角度的大小及方向 0 图 4 10 为采用简化的辛格天线方向图函数画出的天线方向图及和差波束天线 方向图以及角度 的函数图像 20 10 0 10 20 30 400 0 2 0 4 0 6 0 8 1 一一 一 a 一一 一 一一一一一一一一 20 10 0 10 20 30 40 1 0 5 0 0 5 1 一一一 一 一 b 一一 一 一一一一一 20 10 0 10 20 30 400 0 5 1 1 5 2 一一一 一 一 c 一一 一 一一一一一 5 10 15 5 0 5 一一一 一 一 d 一一 一一 一 图 4 10 a 两波束方向图 b 差波束 c 和波束 d 归一化和差值 等信号法的主要优点是 1 测角精度比最大信号法高 因为等信号轴附近方向图斜率较大 目标略微偏离等 信号轴时 两信号强度变化较显著 由理论分析可知 对收发共用天线的雷达 精度 约为波束半功率宽度的 2 比最大信号法高约一个量级 2 根据两个波束收到的信号的强弱可判别目标偏离等信号轴的方向 便于自动测 34 角 等信号法的主要缺点 1 是测角系统较复杂 要得到很好的测角精度需要非常复杂的设备系统 2 是等信号轴方向不是方向图的最大值方向 故在发射功率相同的条件下 作用距 离比最大信号法小些 若两波束交点选择在最大值的 0 7 0 8 处 则对收发共用天 线的雷达 作用距离比最大信号法减小约 20 30 等信号法常用来进行自动 测角 即应用于跟踪雷达中 4 3 和差脉冲测角 4 3 1 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 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 4 11 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 图 4 11 b c 图 4 11 振幅和差式单脉冲波束图 a 两波束 b 和波束 c 差波束 第四章 测角方法及其比较 35 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 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 图 4 12 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 图 4 12 a 双 T 接头 b 和差比较器示意图 36 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 EkFkk MERGEFORMAT 4 25 式中 为接收和波束方向性函数 与发射和波束的方向 FF 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 若到E 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 MERGEFORMAT 4 12 EEkFF 26 其中 即和差比较器的 端对应的接收方向性函数 F 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 在跟踪状态下 EkF 很小 将 展开成泰勒级数并忽略高次项 则有 MERGEFORMAT 0 EkFk A 4 27 因为 MERGEFORMAT 4 28 0 F 所以 MERGEFORMAT 4 29 0Ek A 又因为 很小 上式中 F 因此有 MERGEFORMAT 4 0 0kkF AA 第四章 测角方法及其比较 37 30 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 MERGEFORMAT 4 31 22E 0 kF 将两式相除 得 MERGEFORMAT 4 32 2 0k AA 所以 角误差信号与和差信号的振幅比成正比 即 MERGEFORMAT 4 33 E0F A 4 3 2 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 13 如图 4 13 所示 系统的简单工作过程为 发射信号加到和差比较器的 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 38 图 4 13 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 有关而与回波幅度变化无关 4 3 3 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在 图 3 5 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 4 4 本章小结 本章对几种常见的测角方法进行了介绍 对比 相位法测角是利用回波信号 第四章 测角方法及其比较 39 的相位差异来结算角度误差的 振幅法测角分为最大信号法和等信号法 两者发 射的波束数不同 等信号法为同时多波束 和差脉冲测角就是在此基础上进行的 最后还给出了在单平面 双平面内的振幅和差脉冲测角的方框图 40 第五章 仿真测角系统设计与测试 随着雷达技术的发展及其各种应用的不同 从文献资料中人们常常会看到各 种样式的实际单脉冲雷达 对单脉冲雷达系统类型的划分也各有不同 不同类型 的名称也不一样 任何实际的单脉冲测角系统必须包含一下基本的部分 角度敏感器 角度信 息变换器和角度鉴别器 如 图 5 1 所示 角度敏感器 角度信息变换器 角度鉴别器 图 5 1 单脉冲系统基本组成框图 图中 角度敏感器是用来对目标的角位置及其变化敏感并形成包含目标角信 息的信号 其基本类型有幅度敏感器 相位敏感器以及幅相组合敏感器 角信息变换器是用来将角度敏感器得到的包含角信息的信号 变换成为两个 独立通道之间的幅度相位关系或幅度和相位关系的组合 以适应后面不同的角鉴 别处理形式 角度鉴别器的作用是将变换器得到的信号幅相关系组合与信号到达角 角度 偏离 构成单值关系 以得到单值的角度信息量 5 1 角度敏感器和角信息变换器 14 角度敏感器有 3 种不同的基本形式 即幅度敏感 相位敏感 和幅相组合敏 感 5 1 1 幅度敏感系统 在幅度敏感系统中 天线形成两个相同并且其指向分别为等信号方向 或零 轴 偏置 时的方向 零轴上 两个波束幅度相等 即当目标位置在零轴的指0 向上时 两波束比幅后的输出为零 当目标从零轴偏离 角时 则低波束接收信 号大于高波束接收信号 这两个信号幅度之差就决定了目标偏置零轴的角度大小 两个幅度之差的符号 正或者负 则表示目标偏离角的方向 将幅度敏感图画成 波束 图 5 2 如下 第五章 仿真测角系统设计与测试 41 图 5 2 幅度敏感系统波束图 将波束图用 F1 F2 表示 则其角敏感差响应为 MERGEFORMAT 5 1 12 F 5 1 2 相位敏感系统 在相位敏感系统中 目标角信息量通过一堆相距 L 相同波束且指向相同的 天线的接收信号来得到目标角度信息的 图 5 3 相位敏感系统波束示意图 设目标在 方向 由图中两个天线相位中心到目标的路径差为 MERGEFORMAT 5 2 sin RL 即相位差 MERGEFORMAT 5 3 2si 式中 为波长 L 为两天线之间的距离 为目标偏角 这里可以通过选择合适的 L 值来克服由于出现相位模糊而造成的测量模糊 42 5 1 3 幅相组合敏感系统 在幅相组合敏感系统中 同时利用幅度敏感和相位敏感 它采用一堆相距 的相同波束天线 但两个波束指向分别与等信号方向偏置 其幅相信号关系0 式上述幅度敏感与相位敏感的组合 5 2 角信息变换器 角信息变换器的作用主要是将角度敏感器传来的角信息形成两个独立通道信 号之间的幅度和相位关系组合 以适应于不同的鉴别器处理 由幅相敏感信号变换成和差鉴别处理 其变换关系如 图 5 4 所示 其中 S1 S2 分别表示在一个角平面内两个同时波束接收到的信号 S1 S2 包含幅度及相位信 息 图 5 4 角信息变换器 由幅相敏感信号变换成和差鉴别处理 其变换关系如 图 5 4 a 由和差信号变换成幅度鉴别处理 其变换关系如 图 5 4 b 5 3 角度鉴别器 在单脉冲系统中 角度鉴别器实际上就是单脉冲信号处理器或单脉冲复比计 算器 角度鉴别器的作用就是形成仅仅与角度偏离大小和方向有关 而与信号绝 对值大小无关的角误差信号 即所谓的单值关系 角度鉴别器同样也有三种实现 形式 幅度鉴别器 相位鉴别器以及和差鉴别器 幅度鉴别器就是在单脉冲系统中仅对两路信号的幅度进行鉴别 通常有两种 形式 采用对数中频放大的鉴别器以及采用视频和归一化的鉴别器 相位鉴别器就是通过由角度敏感器和角信息变换器来的两路信号相位进行鉴 别 从而求得单脉冲复比的输出 相位鉴别器鉴别的是由角度敏感器和交换器来 第五章 仿真测角系统设计与测试 43 的两路独立的信号的相位信息 相位鉴别采用限幅中频放大器和相位检波器完成 和差鉴别器可以有两种形式 采用 AGC 中频归一化的和差鉴别器以及采用视 频归一化的和差鉴别形式 由角信息变换器来的和差信号经混频后 分别为 MERGEFORMAT 5 4 cos twt 经由以和信号进行 AGC 的中频放大器后输出为 MERGEFORMAT 5 5 tt A 再将 与 送到相位检波器 则输出为两信号点积 t At 5 4 基本实现形式 由前面的基本角度敏感器 即幅度敏感 相位敏感 和幅相组合敏感以及三 种基本角度鉴别器 即幅度鉴别 相位鉴别和和差鉴别 将其进行组合 原理上 可以形成九种单脉冲系统的实现形式 然而在实际的基本系统中 典型应用的只 有四种 即幅度敏感幅度鉴别单脉冲系统 相位敏感相位鉴别单脉冲系统 幅度 敏感和差鉴别单脉冲系统 以及相位敏感和差鉴别单脉冲系统 而最常用的为幅 度和差单脉冲系统和相位和差单脉冲系统 5 4 1 幅度 幅度单脉冲系统 幅度 幅度单脉冲系统是指在单脉冲系统中利用目标回波信号的幅度定向 幅度角敏感 和幅度测角 幅度角鉴别 来确定目标角位置的方法 幅度 幅 度单脉冲系统利用两个指向分别与等信号方向偏置 的波束所接收信号的幅度0 差大小确定目标偏离零轴的角度大小 幅度差的符号确定目标角度偏离的方向 当目标处在零轴上时 两信号波束接收信号的幅度相等 其差为零 幅度 幅度单脉冲系统的缺点主要是 要求两路接收通道的响应必须保持严 格的幅度匹配 系统任何幅度不平衡或不稳定都将直接引起角偏离大小的估值误 差 44 5 4 2 和差单脉冲系统和 差单脉冲系统是采用幅度或相位定向与和 差角度测量的单脉冲系统 最常用的是幅度 和差单脉冲系统和相位 和差单脉冲系统 幅度和差脉冲工作流程及原理如下 两个分别与零轴方向偏离 的天线波束0 方向图 F1 与 F2 其中 MERGEFORMAT 5 6 0F1 2 两天线波束接收的目标回波信号 MERGEFORMAT 5 7 12 sjSeF 式中 s 为在 方向目标的回波信号 sje 同时送入和差变换器进行矢量相加和相减 得 12 S MERGEFORMAT 5 8 12 S 从而形成和差特性 和差信号形成后 分别送至接收机的和通道与差通道进行混频和放大 并经自动增益控制用和信号对和差通道进行增益控制 控制后的输出分别为 和支路输出为 差支路输出为 则两路信号经相位检波器后 输出单脉 冲角误差信号为 MERGEFORMAT 5 9 cos 对于测角 该误差信号用来对目标角偏离 相对于等信号方向 估值 对于 角跟踪系统 该误差信号则送至角伺服系统以控制天线波束位置向误差减小的角 方向运动 以实现对目标的连续角跟踪 其和信号除用于相位检波器作为参考信 号外 还送至目标检测 目标截获 对目标精密测距和对目标测速 与其他单脉冲系统相比 振幅和差单脉冲系统的主要优点是 对通道响应之 间的匹配要求可以大大降低 5 5 单脉冲系统的变化实现形式 单脉冲技术 由于其良好的测角 角度跟踪性能和抗干扰能力 因此除了在 精密跟踪雷达中应用之外 还被广泛的应用在各种武器平台的武器控制雷达中 第五章 仿真测角系统设计与测试 45 以及现代搜索雷达中 为了能够在两个正交的角坐标上得到单脉冲角度偏离进行估值 并进行角度 跟踪 基本的单脉冲系统必须有三个通道 其通道之间需要保持良好的幅度以及 相位一致性 这个要求可以和差单脉冲系统当中有所放松 20 世纪的 60 至 70 年代间 当时基于真空管技术的接收机硬件量很大 且难 于保持通道之间的一致性 因而人们为了使问题简化 提出了各种各样的通道合 并技术 即双通道单脉冲技术及单通道单脉冲技术还有圆锥单脉冲技术等 当然 这种合并简化必然会以牺牲某些方面为代价 如数据率降低或信噪比降低 5 5 1 误差通道合并双路单脉冲系统 一种通道合并方案是将方位误差与俯仰误差通道合并为一个双通道的单脉冲 系统 它是利用调制器将方位及俯仰两路误差信号通过正交调制合成一路误差信 号 然后进行处理 待相位检波器输出后再进行正交解调 分离出方位角以及俯 仰角误差信号 然后在用于测角或跟踪 这当中的调制可以是音频调制 即用两个正交的音频信号分别去调制方位角 误差和俯仰角误差 调制合成后输出一路角误差信号 再经单脉冲处理相位检波 输出的合成信号 用正交音频信号去解调 即可恢复方位 俯仰误差信号 5 5 2 和差通道合并双路单脉冲系统 另外一种合成方式是先将两路差信号进行合并 然后再与和信号合并 这种 和差通道合并的双路单脉冲系统除了可减少一个通道外 还可以进一步降低两通 道之间的幅相匹配要求 并且在其中一路接收通道失效的情况下 系统仍能正常 工作 这是以性能下降为代价的 5 5 3 幅相组合双通道单脉冲系统 再一种用方法是幅度和相位组合定向与和差角度鉴别测量 这样可以获得两 个正交角坐标误差信息的双通道单脉冲系统 这个系统采用两个天线 两天线在 垂直面形成两个波束 其指向相互偏离大约一个波束宽度 而在水平面两波束相 互平行 并相隔间距 L 这样天线则在垂直面用幅度进行角度敏感 而在水平面 则用相位进行角度敏感 两个相位检波器一个形成俯仰误差信号 另一个形成方 位误差信号 该系统的特点是仅用两个天线波束 两个接收通道 则可以获取两 个正交角度坐标的目标偏离信号 这一点对于重量和体积收到严格限制的条件下 46 应用特别重要 根据前几章介绍的 MATLAB 下系统仿真方法以及在角度测量过程当中所需要的 各个模块 结合单脉冲测角系统的实现形式 本文设计实现了一个简单的仿真软 件系统 用以模拟测角系统的工作模式和效果 该系统模拟仿真了发射的信号和 接收信号的波形 以及经目标反射 混入噪声杂波后的回波信号图 整个测角系 统的设计以及实现均在 MATLAB 下完成 仿真界面由 MATLAB 的 GUI 搭建 5 6 解角误差 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俯仰角误差信号 为此需要四个馈源照射一个反射体 以形成四个对称的相互重叠的波束 在 图 3 5 已经给出的两坐标 方位和俯仰 振幅和差式单脉冲系统框图中 目标回波从天线的输出端加到和差波导桥进行信 号的相加和相减 由波导桥输出的高频和信号及差信号又分别加到和差接收支路 在其中被混频为中频信号 同时放大到所需的电平 差信号的振幅就确定了角误 差的大小 而和信号与差信号之间的相位差则确定了角误差的符号 即目标对于 等强信号方向的偏移方向 振幅和差式单脉冲雷达系统中 其测角理论可以将雷达信号看出采用和波束 发射出去 然后利用和波束 方位差波束和俯仰差波束三个通道分别接收目标的 回波信号 最后通过信号处理解出角误差的大小和方向 前面对目标回波模型进行了详细介绍 其形式如下 122R 3412234 ddftTRTftT TRGDteLt F MERGEFORMAT 5 10 其中振幅方向图函数 和功率方向图函数 成平方关系 F G 假设目标信号到达方向偏角为 相对于等强信号方向 则和波束接收 信号为 12234 djftTDteFRL MERGEFORMAT 5 11 方位差波束接收信号为 第五章 仿真测角系统设计与测试 47 12234 djftTDteFRL MERGEFORMAT 5 12 俯仰差波束接收信号为 12234 djftTteFRL MERGEFORMAT 5 13 目标回波信号经过混频和放大后 同时考虑到自动增益控制的作用以及和差 通道幅相校正后 可以得到方位差通道鉴相器的输出为 MERGEFORMAT 5 14 tFSt 俯仰差通道鉴相器的输出为 MERGEFORMAT 5 15 tStF 假设空间四个子波束的分别如 图 3 6 所示 子波束在方位面和俯仰面相对中 心轴的偏离角分别为 同时空间子波束方向图函数采用式 0 MERGEFORMAT 3 4 的建模方式 空间四个子波束的方向图函数分别为式 MERGEFORMAT 3 5 到 MERGEFORMAT 3 8 的形式 当相对入射角 很小时 可以利用泰勒级数公式做如下公式简化 200000 FFoF A A MERGEFORMAT 5 16 MERGEFORMAT 5 17 000 A MERGEFORMAT 5 18 MERGEFORMAT 5 19 000 FF A 将式 MERGEFORMAT 5 16 MERGEFORMAT 5 17 MERGEFORMAT 5 18 MERGEFORMAT 5 19 同时代入式 MERGEFORMAT 3 9 到 MERGEFORMAT 3 11 可以得到空间和差方向图函数的化简表达式如下 48 MERGEFORMAT 5 0000 4 FF AA 20 将式 MERGEFORMAT 5 20 分别代入后便可得到方位差通道和俯仰差通道鉴 相器的输出近似为 0000004 FFStt AAAA MERGEFORMAT 5 21 其中 分别为方位面 俯仰面天线方向图函数在 处的归一化斜率 0 系数 该参数在天线方向图函数设定后便可计算得到 在测量得到两通道鉴相器输出信号 后便可估计出目标相对偏 St t 角 为 MERGEFORMAT 5 22 tS 现假设方位面天线方向图采用简化的函数模型 利用式 MERGEFORMAT 5 22 可以仿真得到三种简化天线方向图函数模型下目标方位偏角的估计值 在 其中一个平面的目标偏角如 图 5 5 其中仿真参数如下 天线主瓣 3dB 宽度 2 度 第一副瓣 3dB 宽度 1 度 第一副瓣最大电平 g1 20dB 平均副0 1 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 2 1 5 1 0 5 0 0 5 1 1 5 2 一一一一一一一 一 一一 一一 一一 一一 第五章 仿真测角系统设计与测试 49 瓣电平 g2 40dB 图 5 5 单平面解角误差 上图为在不考虑噪声 干扰的情况下信号归一化和差值 实际信号总是包含 各种噪声或干扰 当雷达目标回波与杂波 干扰 噪声等掺杂在一起时 通常采 用信噪比或信干比作为评价雷达发现目标能力好坏的一种度量 5 7 仿真系统功能概述 根据前几章内容 设置仿真系统 该仿真系统的界面大致可分为四个区域 1 控制区 主要是对仿真过程进行控制 重新设定仿真参数 对仿真数据 进行分析等 2 信号参数设定区 主要是对发射信号参数进行设定 包括前几章涉及到 的发射波波长的设定 线性调频信号 二相编码信号的选择 天线方向 图类型的选择 辛可型天线方向图或余弦型天线方向图 以及天线参数 的设定 包括天线主瓣 3dB 宽度 第一副瓣 3dB 宽度 两波束偏离等信 号轴的角度等 测角方法的选择 和差比幅测角或比相法测角 3 环境参数设定区 包括设定环境中可检测到的静止目标个数 目标的 RCS 参数 以及目标所处环境的信噪比 4 显示区域 包括目标探测效果显示区域 目标参数显示区 当前目标角 度显示区 信号波形显示区 还包括仿真时间显示等 综合起来 这四个区域大致可以划分为两个子系统 仿真场景设定子系 统以及仿真数据获取及分析子系统 5 7 1 仿真场景设定子系统 整个仿真系统初始界面如 图 5 6 50 图 5 6 仿真界面图 其中仿真场景设定子系统主要用于完成以下功能 1 目标类型 参数及数目的选择 此处目标主要为静止目标 设定好目标 个数后 通过随机数 随机将目标设定在雷达所能探测的区域内 即距 离雷达 80km 的圆域内 另外设定好目标 RCS 2 信号参数的设定 主要是通过设定角度测量的方式 信号类型 采用的 天线方向图的数学模型 3 目标角度测量精度的设定 主要是指发现目标的条件 通过设定目标扫 描范围实现 4 当前仿真场景的数据显示 主要为系统当前仿真运行时间 图 5 7 为设定四个静止仿真目标时 四个目标在平面中的分布图像 第五章 仿真测角系统设计与测试 51 图 5 7 目标平面分布图 5 7 2 仿真数据获取及分析子系统 主要是用于完成测量目标的动态显示 完成以下功能 1 当目标位于测量范围内时 将目标示于显示区内 2 根据发现目标距离的远近 在噪声存在的条件下 动态显示目标幅度图像 3 根据所采用天线函数类型 显示出用于发射和接收的天线方向图 4 当前最后一个探测到的目标的角度误差函数图像 5 8 仿真测角系统的测试 为了能够快速检测出目标 系统应该首先工作在搜索状态下 以提高对目标 的检测能力 该系统仅对平面内的情况进行了仿真模拟 只考虑方位角 也就是 假设等信号轴与目标始终在一个平面内 图 5 8 给出了当前目标相对于雷达的参 数 由图看出 由于测角是在平面内进行的 而且目标为静止目标 因此目标参数俯 仰角一栏均为零度 速度也均为零 52 图 5 8 目标参数图 5 8 1 仿真参数设置 该测角系统的主要仿真设置参数为 最大探测距离距离 R 80Km 雷达工作波长 0 02 米 雷达抗干扰因子 D 2 5 光传播速度 C 3 m s 810 目标延时 2R C 雷达发射信号 线性调频信号 天线波束扫描范围 5 天线方向图函数模型 简化辛可函数模型 目标多普勒频移 fd 2 其中 表示目标的运动速度 此处假设目标为RA A 静止目标 则 fd 0 频率变化范围 B 10 6 脉冲宽度 T 10 频率变化斜率 K B T 天线 3dB 宽度 10 天线第一副瓣 3dB 宽度 6 天线第一副瓣最大电平 20dB 天线平均副瓣电平 40dB 两波束偏离等信号轴角度 3 信噪比 snr 无噪声 50dB 60dB 70dB 角度测定在一个平面内进行 三维角平面可以类似推导 由于噪声是随机的 因此对于每个信噪比值 产生三条曲线对比 第五章 仿真测角系统设计与测试 53 图 5 9 系统运行效果图 5 8 2 仿真结果 图 5 9 为仿真测角系统在 MATLAB 下的运行抓图 图 5 10 为通过数据分析按 钮获得的该目标的相对误差曲线 当系统判定发现目标后 应立即转让跟踪状态 获取实测的目标角度信息 利用目标反射回的信号 通过和波束 差波束予以接 收 再经混频 中放 自动增益控制等信号处理过程 便可获取目标方位信息 需要说明的是 为了减小仿真的复杂程度 在本系统中 由于没有仿真信号经目 标反射 在通过天线接收这一过程 因而最终通过数据分析得到的是目标在扫描 范围内的相对误差曲线 在实际测量中 是可以通过比较回波信号的幅度值 获 得具体角度的 54 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5 0 2 0 15 0 1 0 05 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 一一一 一 一一 一一 图 5 10 60dB 下相对误差曲线 5 8 3 仿真结果分析 根据 5 6 节的误差推导式 利用测角系统的仿真环境 当固定目标距离为 80km 其他参数不变时 分析在不同信噪比条件下的误差曲线 图 5 11 无噪声时的相对误差曲线 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 10 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 0 45 一一一 一 一一 一一 一 一 第五章 仿真测角系统设计与测试 55 图 5 11 为在 snr 为零时的目标角度相对误差曲线 其中相对误差值为目标偏 离等信号轴角度值的函数 由图中可以看出 当不存在噪声时 该系统有很好的 测量精度 相对误差不足 1 量级 具体角度值及相对误差列于表 5 1 表 5 1 目标角度真值 度 0 1 0 2 0 3 0 4 0 6 0 7 0 8 0 9 1 估计值 度 0 100 0 200 0 3001 0 4003 0 6009 0 7014 0 8020 0 9029 1 0040 相对误差 0 000 0