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1、第六章 作业解析,第六章 作业解析,第六章 作业解析,第七章 角度测量, 电话:15182388504 V网: 66286 西南科技大学国防科技学院,黄传波,角度测量,主要内容 测角方法 波束的扫描方法 相控阵雷达 数字雷达 三坐标雷达 自动测角原理和方法,本章知识点 雷达测角的理论基础、相位法测角原理 振幅法测角的基本原理、三天线相位法测角原理 天线波束基本形状、天线波束扫描基本方法 天线相位扫描、频率扫描、时间延迟扫描法的基本工作原理 相控阵雷达、数字雷达及三坐标雷达基本工作原理、常见的多波束形成技术 雷达目标高度测量的计算 圆锥扫描自动测角基本原理、单脉冲自动测角基本原理,角度测量,本章
2、重点 相位法测角原理、三天线相位法测角原理 振幅法测角的基本原理 天线相位、频率及时间延迟扫描法的基本原理 相控阵雷达、数字雷达及三坐标雷达基本原理,角度测量,7.1 概述 7.2 测角方法及其比较 7.3 天线波束的扫描方法 7.4 相控阵雷达、数字雷达及三坐标雷达 7.5 自动测角的原理和方法,角度测量,一、雷达角度坐标的确定 方位角，高低角 绝对坐标表示法： 方位角基准为正北，顺时针方向为正 高低角基准为水平面，向上方向为正 相对坐标表示法： 测出目标相对于天线轴线的偏离角，再根据天线轴线的实际角度，计算出目标实际角度。,7.1 概 述,二、测角的物理基础 电磁波在均匀介质中以光速匀速直
3、线传播 雷达天线具有方向性,三、实际空间电磁波传播非线性影响 实际空气介质的非均匀性使电磁波传播轨迹弯曲 近距离测角，影响可以忽略 远距离测角，测量数据必须修订,7.1 概 述,四、天线方向图近似表示 天线的方向性用方向性函数表示 电场强度幅度的归一化 余弦函数,7.1 概 述,高斯函数,7.1 概 述,辛克函数,7.1 概 述,五、天线方向图的主要技术指标 半功率波束宽度0.5F(0.5)0.707 影响测角精度 副瓣电平 影响雷达的抗干扰性能,7.1 概 述,六、雷达测角性能的度量 测角范围 测角速度 角度分辨力 测角准确度 测角精度,7.1 概 述,角度分辨力 雷达将相同距离上相互靠近的
4、两个目标区分开 的最小角度。,0.5,角度分辨力由天线半功率波束宽度决定,7.1 概 述,7.2 测角方法及其比较,7.2 测角方法及其比较,7.2.1 相位法测角 1. 基本原理 相位法测角利用多个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角。 如图 7.1 , 设在方向有一远区目标, 则到达接收点的目标所反射的电波近似为平面波。由于两天线间距为d, 故它们所收到的信号由于存在波程差R而产生一相位差,(7.2.1),其中为雷达波长。如用相位计进行比相, 测出其相位差, 就可以确定目标方向。,图 7.1 相位法测角方框图,由于在较低频率上容易实现比相, 故通常将两天线收到的高频信号经与同一本振信号差
5、频后, 在中频进行比相。 设两高频信号为,u1=U1 cos (t-) u2=U2cos (t),本振信号为,uL=ULcos (Lt+L),其中，为两信号的相位差；L为本振信号初相。u1和uL差频得,uI1=UI1cos(-L)t-L,7.2 测角方法及其比较,u2与uL差频得,uI2=UI2cos(-L)t-L,可见，两中频信号uI1与uI2之间的相位差仍为。,图 7.2 。接收信号经过混频、放大后再加到相位比较器中进行比相。其中自动增益控制电路用来保证中频信号幅度稳定, 以免幅度变化引起测角误差。,图 7.2 相位法测角方框图,7.2 测角方法及其比较,为便于讨论, 设变压器的变压比为1
6、1, 电压正方向如图 7.3(a)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,u1=U1cos (t-) u2=U2=cos (t-90),图 7.3 二极管相位检波器电路及矢量图(a) 电路; (b) U2U1; (c) U2=1/2U1,7.2 测角方法及其比较,U1、U2为u1、u2的振幅, 通常应保持为常值。现在u1在相位上超前u2的数值为(90-)。 由图 7.3(a)知：,7.2 测角方法及其比较,图 7.3 二极管相位检波器电路及矢量图(a) 电路; (b) U
7、2U1; (c) U2=1/2U1,当选取U2U1时, 由矢量图 7.3(b)可知,图 7.3 二极管相位检波器电路及矢量图(a) 电路; (b) U2U1; (c) U2=1/2U1,7.2 测角方法及其比较,故相位检波器输出电压为,其中Kd为检波系数。由式(7.2.2)可画出相位检波器的输出特性曲线, 如图 7.4(a)所示。测出Uo, 便可求出 。 显然, 这种电路的单值测量范围是-/2/2。当 30, UoKdU1 , 输出电压Uo与 近似为线性关系。,7.2 测角方法及其比较,当选取1/2U1=U2时, 由矢量图 7.3(c)可求得:,则输出,输出特性如图7.4(b)所示, 与Uo有
8、良好的线性关系, 但单值测量范围仍为-/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。,7.2 测角方法及其比较,图7.4 相位检波器输出特性 (a)U2U1; (b)U2=1/2U1,7.2 测角方法及其比较,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(7.2.1)两边取微分:,(7.2.3),由式(7.2.3)看出, 采用读数精度高(d小)的相位计, 或减小/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d最小。当增大, d也增大, 为保证一定的测角精度, 的范围有一定的限
9、制。,7.2 测角方法及其比较,增大d/虽然可提高测角精度, 但由式(7.2.1)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=2N+, 其中N为整数; 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。,7.2 测角方法及其比较,图 7.5 三天线相位法测角原理示意图,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7.5所示。,7.2 测角方法及其比较,1、2天线间距小
10、 满足单值测角范围,1、3天线间距大 保证测角精度高,设目标在方向。天线 1、2 之间的距离为d12, 天线 1、3 之间的距离为d13, 适当选择d12, 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:,(7.2.4),12由相位计 1 读出。,根据要求, 选择较大的d13, 则天线 1、3 收到的信号的相位差为,7.2 测角方法及其比较,由相位计2读出, 但实际读数是小于 2的。为了确定N值, 可利用如下关系:,(7.2.5),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(7.2.5)标出的 具有的误差为相位计误差的d13/d12倍, 它只是式(7.2
11、.4)的近似值, 只要 的读数误差值不大, 就可用它确定N, 即把(d13/d12) 除以 2, 所得商的整数部分就是N值。然后由式(7.2.4)算出 并确定。由于d13/值较大, 保证了所要求的测角精度。,7.2 测角方法及其比较,7.2.2 振幅法测角,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 7.6(b)的所示。 ,7.2 测角方法及其比较,在人工录取的雷达里, 操纵员在显示器画面上看到回
12、波最大值的同时, 读出目标的角度数据。 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。,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。,如天线转动角速度为ar/min, 脉冲雷达重复频率为fr, 则两脉冲间的天线转角为,7.2 测角方法及其比较,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
13、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 7.6(b)中的实线所示, 积累后的输出将产生一个固定迟延(可用补偿解决), 但可提高测角精度。,7.2 测角方法及其比较,最大信号法测角也可采用闭环的角度波门跟踪进行, 如图 7.6(b)中的、 所示, 它的基本原理和距离门做距离跟踪相同。,图 7.6 最大信号法测角
14、 (a) 波束扫描; (b) 波型图,7.2 测角方法及其比较,(7.2.6a),式中, E/N0为脉冲串能量和噪声谱密度之比, Kp为误差响应曲线的斜率(图 7.6(b)的), B为天线波束宽度,Lp为波束形状损失, (S/N)m是中心脉冲的信噪比; n=t0fr, 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 , 则得,(7.2.6b),用角波门技术作角度测量时的精度(受噪声影响)为,7.2 测角方法及其比较,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,
15、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。,7.2 测角方法及其比较,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 7.7(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 7.7(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,
16、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。,7.2 测角方法及其比较,等信号轴,1、2波束 收到回波相等,2波束 收到回波强,1波束 收到回波强,图 7.7 等信号法测角 (a) 波束; (b)K型显式器画面,7.2 测角方法及其比较,设天线电压方向性函数为F(), 等信号轴OA的指向为0, 则波束 1、2 的方向性函数可分别写成:,F1()=F(1)=F(+k-0) F2()=F(2)=F(-0-k),k为0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u1=KF1()=KF(k-t), 波束2收到的回波电压值u2=KF2()=KF(-k-t)=KF(k+t), 式中t为目标方向偏离等信号轴0的角度。对u1和u2信号进行处理, 可以获得目标方向t的信息。,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。,7.2 测角方法及其比较,(1) 比幅法: 求两信号幅
