第六章第六章 作业解析作业解析 第六章第六章 作业解析作业解析 第六章第六章 作业解析作业解析 第七章第七章 角度测量角度测量huangchuanbocq@:15182388504 V网网: 66286 西南科技大学国防科技学院西南科技大学国防科技学院黄传波黄传波 角度测量角度测量主要内容主要内容u测角方法测角方法u波束的扫描方法波束的扫描方法u相控阵雷达相控阵雷达u 数字雷达数字雷达u 三坐标雷达三坐标雷达u自动测角原理和方法自动测角原理和方法 本章知识点本章知识点Ø雷达测角的理论基础、相位法测角原理雷达测角的理论基础、相位法测角原理Ø振幅法测角的基本原理、三天线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Ø天线波束基本形状、天线波束扫描基本方法天线波束基本形状、天线波束扫描基本方法Ø天线相位扫描、频率扫描、时间延迟扫描法的基本工作原理天线相位扫描、频率扫描、时间延迟扫描法的基本工作原理Ø相控阵雷达、数字雷达及三坐标雷达基本工作原理、常见的相控阵雷达、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多波束形成技术Ø雷达目标高度测量的计算雷达目标高度测量的计算Ø圆锥扫描自动测角基本原理、单脉冲自动测角基本原理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角度测量 本章重点本章重点Ø相位法测角原理、三天线相位法测角原理相位法测角原理、三天线相位法测角原理Ø振幅法测角的基本原理振幅法测角的基本原理Ø天线相位、频率及时间延迟扫描法的基本原理天线相位、频率及时间延迟扫描法的基本原理Ø相控阵雷达、数字雷达及三坐标雷达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角度测量 7.1 概述概述 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 7.3 天线波束的扫描方法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自动测角的原理和方法 角度测量角度测量 一、雷达角度坐标的确定一、雷达角度坐标的确定•方位角α，高低角β•绝对坐标表示法： 方位角α——基准为正北，顺时针方向为正 高低角β——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 概概 述述 二、测角的物理基础二、测角的物理基础•电磁波在均匀介质中以光速匀速直线传播•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 概概 述述 四、天线方向图近似表示四、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 概概 述述 •高斯函数7.1 概概 述述 •辛克函数7.1 概概 述述 五、天线方向图的主要技术指标五、天线方向图的主要技术指标•半功率波束宽度θ0.5[F(θ0.5)≈0.707]——影响测角精度•副瓣电平——影响雷达的抗干扰性能7.1 概概 述述 六、雷达测角性能的度量六、雷达测角性能的度量•测角范围测角范围•测角速度测角速度•角度分辨力角度分辨力•测角准确度测角准确度•测角精度测角精度7.1 概概 述述 •角度分辨力——雷达将相同距离上相互靠近的两个目标区分开 的最小角度θ0.5角度分辨力由角度分辨力由天线半功率天线半功率波束宽度波束宽度决定决定7.1 概概 述述 测角方法测角方法振幅法振幅法相位法相位法最最大大信信号号法法等等信信号号法法最最小小信信号号法法两两天天线线相相位位法法三三天天线线相相位位法法7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 q 7.2.1 相位法测角相位法测角 1. 基本原理基本原理 相相位位法法测测角角利利用用多多个个天天线线所所接接收收回回波波信信号号之之间间的的相相位位差差进进行行测测角角。
如图 7.1 , 设在θ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波程程差差ΔR而产生一相位差相位差φ, (7.2.1) 其中λ为雷达波长如用相位计进行比相, 测测出出其其相相位位差差φ, 就就可可以以确确定目标方向定目标方向θ 图图 7.1 相位法测角方框图相位法测角方框图 由于在较较低低频频率率上上容容易易实实现现比比相相, 故通常将两天线收到的高频信号经与同一本振信号差频后, 在中频进行比相 设两高频信号为 u1=U1 cos (ωt-φ)u2=U2cos (ωt) 本振信号为 uL=ULcos (ωLt+φL) 其中，φ为两信号的相位差；φL为本振信号初相u1和uL差频得 uI1=UI1cos［(ω-ωL)t-φ-φL］ 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 u2与uL差频得 uI2=UI2cos［(ω-ωL)t-φL］ 可见，两中频信号uI1与uI2之间的相位差仍为φ 图 7.2 接接收收信信号号经经过过混混频频、、放放大大后后再再加加到到相相位位比比较较器器中中进进行行比比相相。
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 图图 7.2 相位法测角方框图相位法测角方框图 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 为便于讨论, 设变压器的变压比为1∶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φ成比例的响应为此目的, 当相位差为φ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 (ωt-φ)u2=U2=cos (ωt-90°) 图图 7.3 二极管相位检波器电路及矢量图二极管相位检波器电路及矢量图(a) 电路电路; (b) U2>>U1; (c) U2=1/2U1 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 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°-φ) 由图 7.3(a)知： 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 图图 7.3 二极管相位检波器电路及矢量图二极管相位检波器电路及矢量图(a) 电路电路; (b) U2>>U1; (c) U2=1/2U1 当选取当选取U2>>U1时时, 由矢量图 7.3(b)可知 图图 7.3 二极管相位检波器电路及矢量图二极管相位检波器电路及矢量图(a) 电路电路; (b) U2>>U1; (c) U2=1/2U1 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 故相位检波器输出电压为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)所示测测出出Uo, 便便可可求求出出 显然, 这种电路的单值测量范围是-π/2~π/2当 ＜30°, Uo≈KdU1 , 输出电压Uo与 近似为线性关系 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 当选取当选取1/2U1=U2时时, 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有良好的线性关系, 但单值测量范围仍为-π/2~π/2为了将单值测量范围扩大到 2π, 电路上还需采取附加措施 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 图7.4 相位检波器输出特性(a)U2>>U1; (b)U2=1/2U17.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 2. 测角误差与多值性问题测角误差与多值性问题 相相位位差差φ值值测测量量不不准准, 将将产产生生测测角角误误差差, 它们之间的关系如下［将式(7.2.1)两边取微分］: (7.2.3) 由由式式(7.2.3)看看出出, 采采用用读读数数精精度度高高(dφ小小)的的相相位位计计, 或或减减小小λ/d值值(增增大大d/λ值值), 均均可可提提高高测测角角精精度度。
也也注注意意到到：：当当θ=0 时时, 即即目目标标处处在在天天线线法法线线方方向向时时, 测测角角误误差差dθ最最小小当当θ增增大大, dθ也也增增大大, 为为保保证证一一定定的的测测角角精精度度, θ的的范范围有一定的限制围有一定的限制 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 增大d/λ虽然可提高测角精度, 但由式(7.2.1)可知, 在感兴趣的θ范围(测角范围)内, 当当d/λ加加大大到到一一定定程程序序时时, φ值值可可能能超超过过 2π, 此时φ=2πN+ψ, 其中N为整数; ψ＜2π, 而相位计实际读数为ψ值 由于N值未知, 因而真实的φ值不能确定, 就出现多多值值性性(模模糊糊)问问题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 测角方法及其比较测角方法及其比较 图图 7.5 三天线相位法测角原理示意图三天线相位法测角原理示意图 比较有效的办法是利用三三天天线线测测角角设备, 间间距距大大的的 1、、3 天天线线用用来来得得到高精度测量到高精度测量, 而间距小的而间距小的 1、、2 天线用来解决多值性天线用来解决多值性, 如图7.5所示。
7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 1、2天线间距小满足单值测角范围1、3天线间距大保证测角精度高 设目标在θ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, 使天天线线 1、、2 收收到到的的信信号号之之间间的的相相位位差差在测角范围内均满足: (7.2.4) φ12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 测角方法及其比较测角方法及其比较 由相位计2读出, 但实际读数是小于 2π的ψ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(7.2.4)的近似值, 只要 的读数误差值不大, 就可用它确定N, 即把把(d13/d12) 除除以以 2π, 所所得得商商的的整整数数部部分分就就是是N值值然后由式(7.2.4)算出 并确定θ由于d13/λ值较大, 保证了所要求的测角精度。
7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 q 7.2.2 振幅法测角振幅法测角 Ø 1. 最大信号法最大信号法 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单基基地地脉脉冲冲雷雷达达而言, 接接收收机机输输出出的的脉脉冲冲串串幅幅度度值值被被天天线线双双程程方方向向图图函函数数所所调调制制找找出出脉脉冲冲串串的的最最大大值值(中中心心值值), 确确定定该该时时刻刻波波束束轴轴线线指指向向即即为为目目标标所所在方向在方向, 如图 7.6(b)的①所示 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 在人人工工录录取取的雷达里, 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(θt)时, 不不一一定定有有回回波波脉脉冲冲, 就是说, Δθs将产生相应的““量化量化””测角误差测角误差。
如天线转动角速度为ωar/min, 脉冲雷达重复频率为fr, 则两脉冲间的天线转角为7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 在自自动动录录取取的雷达中, 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回波波脉脉冲冲串串“开开始始”和和“结结束束”时时的的角角度度, 两两者的中间值就是目标的方向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, 脉脉冲冲串串在在二二进进制制量量化化前前先先进进行行积积累累, 如图 7.6(b)中②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③、 ④所示, 它的基本原理和距离门做距离跟踪相同。
图图 7.6 最大信号法测角最大信号法测角 (a) 波束扫描波束扫描; (b) 波型图波型图 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 (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⑤), θB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 测角方法及其比较测角方法及其比较 最大信号法测角的优优点点一是简简单单; 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, 对检测发现目标发现目标是有利的 其主要缺缺点点是直接测量时测量精精度度不很高, 约为波束半功率宽度(θ0.5)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不能能判别目标偏离波束轴线的方向, 故不能用于自动测角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 测角方法及其比较测角方法及其比较 Ø 2. 等信号法等信号法 等信号法测角采采用用两两个个相相同同且且彼彼此此部部分分重重叠叠的的波波束束, 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为为等等信信号号轴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7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 等信号轴等信号轴1、、2波束波束收到回波相等收到回波相等2波束波束收到回波强收到回波强1波束波束收到回波强收到回波强图图 7.7 等信号法测角等信号法测角 (a) 波束波束; (b)K型显式器画面型显式器画面 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 设天线电压方向性函数为F(θ), 等信号轴OA的指向为θ0, 则波束 1、2 的方向性函数可分别写成: F1(θ)=F(θ1)=F(θ+θk-θ0)F2(θ)=F(θ2)=F(θ-θ0-θk)θk为θ0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(θ)=KF(θk-θt), 波束2收到的回波电压值u2=KF2(θ)=KF(-θk-θt)=KF(θk+θt), 式中θt为目标方向偏离等信号轴θ0的角度对对u1和和u2信信号号进进行行处处理理, 可可以以获获得得目目标标方方向向θt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 测角方法及其比较测角方法及其比较 v (1) 比幅法比幅法: 求两信号幅度的比值 根据比值的大小可以判断目标偏离θ0的方向, 查找预先制定的表格就可估计出目标偏离θ0的数值 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 v (2) 和差法和差法: 由u1及u2可求得其Δ(θ)=u1(θ)-u2(θ) =K［F(θk-θt)-F(θk+θt)］ 在等信号轴θ=θ0 附近, 差值Δ(θ)可近似表达为 差值Δ(θt)及和值Σ(θt), 即图图 7.8 和差法测角和差法测角7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 而和信号 Σ(θt)=u1(θ)+u2(θ)=K［F(θk-θt)+F(θk+θt)］ 在θ0附近可近似表示为： Σ(θt)≈2F(θ0)k 即可求得其和、差波束Σ(θ)与Δ(θ), 如图 7.8 所示。
归一化的和差值 (7.2.7) 因为Δ/Σ正正比比于于目目标标偏偏离离θ0的的角角度度θt, 故故可可用用它它来来判判读读角角度度θt的的大大小小及及方向方向 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 等信号法中, 两个波束可以同时存在, 若用两套相同的接收系统同时工作, 则称同同时时波波瓣瓣法法; 两波束也可以交替出现, 或只要其中一个波束, 使它绕OA轴旋转, 波束便按时间顺序在 1、 2 位置交替出现, 只要用一套接收系统工作, 则称顺序波瓣法顺序波瓣法 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 等信号法的主要优点优点是: (1) 测测角角精精度度比比最最大大信信号号法法高高, 因为等信号轴附近方向图斜斜率率较较大大, 目标略略微微偏偏离离等等信信号号轴轴时, 两信号强强度度变变化化较较显显著著 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) 根根据据两两个个波波束束收收到到的的信信号号的的强强弱弱可可判判别别目目标标偏偏离离等等信信号号轴轴的的方方向向, 便便于于自自动动测测角角。
等信号法的主要缺缺点点：一是测测角角系系统统较较复复杂杂; 二是等等信信号号轴轴方方向向不不是是方方向向图图的的最最大大值值方方向向, 故在发发射射功功率率相相同同的条件下, 作作用用距距离离比比最最大大信信号号法法小小些些 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 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 7.3 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 7.3.1 波束形状和扫描方法波束形状和扫描方法Ø 1. 扇形波束扇形波束 扇形波束的水平面和垂直面内的波束宽度有较大差别, 主要扫描方式是圆周扫描和扇扫圆周扫描和扇扫 图图 7.9 扇形波束圆周扫描扇形波束圆周扫描 (a) 地面雷达地面雷达; (b) 机载雷达机载雷达 圆圆周周扫扫描描时, 波束在水平面内作 360°圆周运动(图 7.9), 可观察雷达周围目标并测定其距离和方位角坐标所用波束通常在水水平平面面内内很很窄窄, 故方位角有较高的测角精度和分辨力。
垂垂直直面面内内很很宽宽, 以保证同时监视较大的仰角空域地面搜索型雷达垂直面内的波束形状通常做成余余割割平平方方形形, 这样功率利用比较合理, 使同一高度不同距离目标的回波强度基本相同7.3 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 由雷达方程知， 回波功率为 式中，G为天线增益; R为斜距; K1为雷达方程中其它参数决定的常数若目标高度为H, 仰角为β, 忽略地面曲率, 则R=H/sin β=H csc β, 代入上式得 若目标高度一定, 要保持Pr不变, 则要求G/csc2β=K(常数), 故 即天线增益天线增益G(β)为余割平方形为余割平方形 7.3 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 专专门门用用于于测测高高的的雷雷达达, 采采用用波波束束宽宽度度在在垂垂直直面面内内很很窄窄而而水水平平面面内内很很宽宽的的扇扇形形波波束束, 故故仰仰角角有有较较高高的的测测角角精精度度和和分分辨辨力力雷达工作时, 波束可在水平面内作缓慢圆周运动, 同时在一定的仰角范围内做快速扇扫(点头式) 当对某一区域需要特别仔细观察时, 波束可在所需方位角范围内往返运动, 即做扇形扫描扇形扫描。
7.3 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 Ø 2. 针状波束针状波束 针针状状波波束束的的水水平平面面和和垂垂直直面面波波束束宽宽度度都都很很窄窄采用针状波束可同时测量目标的距离、方位和仰角, 且方位和仰角两者的分分辨辨力力和测测角角精精度度都较高主要缺缺点点是因因波波束束窄窄, 扫扫完完一一定定空空域域所所需需的的时时间间较较长长, 即雷达的搜索能力较差 7.3 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 图图 7.10 针状波束扫描方式针状波束扫描方式(a) 螺旋扫描螺旋扫描; (b) 分行扫描分行扫描; (c) 锯齿扫描锯齿扫描 根据雷达的不同用途, 针针状状波波束束的的扫扫描描方方式式很多, 图 7.10 图(a)为螺旋扫描, 在方位上圆周快扫描, 同时仰角上缓慢上升, 到顶点后迅速降到起点并重新开始扫描; 图(b)为分行扫描, 方位上快扫, 仰角上慢扫; 图(c)为锯齿扫描, 仰角上快扫而方位上缓慢移动 7.3 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 Ø1. 机械性扫描机械性扫描 利用整个天线系统或其某一部分的机械运动来实现波束扫描的称为机械性扫描机械性扫描。
如环视雷达、跟踪雷达，通常采用整个天线系统转动的方法7.3 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 图图 7.11 馈源不动反射体动的机械性扫描馈源不动反射体动的机械性扫描 而图7.11是馈馈源源不不动动, 反反射射体体相相对对于于馈馈源源往往复复运运动动实现波束扇扫的一个例子不难看出, 波波束束偏偏转转的的角角度度为为反反射射体体旋旋转转角角度度的两倍的两倍7.3 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 图图 7.12 风琴管式扫描器示意图风琴管式扫描器示意图 图 7.12 为, 由一个输入喇叭和一排等长波导组成, 波导输出口按直线排列, 作为抛物面反射体的一排辐射源当当输输入入喇喇叭叭转转动动依依次次激激励励各各波波导导时时, 这这排排波波导导的的输输出出口口也也依依次次以以不不同同的的角角度度照照射射反反射射体体, 形形成成波波束束扫扫描描这这等等效效于于反反射射体体不不动动, 馈馈源源左左右右摆摆动动实现波束扇扫实现波束扇扫 7.3 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 机械性扫描的优优点点是简单其主要缺缺点点是机械运动惯性大, 扫描速度不高近年来快速目标、洲际导弹、人造卫星等的出现, 要求雷达采用高增益极窄波束, 因此天线口径面往往做得非常庞大, 再加上常要求波束扫描的速度很高, 用机械办法实现波束扫描无法满足要求, 必须采用电扫描。
7.3 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 Ø 2. 电扫描电扫描 电扫描时, 天天线线反反射射体体, 馈馈源源等等不不必必作作机机械械运运动动因无机械惯性限制, 扫描速速度度可可大大大大提提高高, 波束控制迅速灵便, 故这种方法特别适用于要求波束快速扫描及巨型天线的雷达中电扫描的主要缺缺点点是扫描过程中波波束束宽宽度度将将展展宽宽,因而天天线线增增益益也要减减小小, 所以扫扫描描的角度范范围围有一定限制另外，天线系统一般比较复杂复杂 根据实现时所用基本技术的差别, 电电扫扫描描又又可可分分为为：：相相位位扫扫描描法法、、频率扫描法频率扫描法、、时间延迟法时间延迟法等 7.3 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 1. 基本原理基本原理 图7.13 所示为由N个阵元组成的一维直线移相器天线阵, 阵元间距为d 为简化分析, 先假定每个阵元为无方向性的点辐射源, 所有阵元的馈线输入端为等等幅幅同同相相馈馈电电,各移相器的相移量分别为 0, φ, 2φ, …, (N-1)φ(如图 7.13 所示), 即相相邻邻阵阵元元激激励励电电流流之之间的相位差为间的相位差为φ。
现在考虑偏离法线θ方向远区某点的场强, 它应为各阵元在该点的辐射场的矢量和 因等幅馈电,且忽忽略略各各阵阵元元到到该该点点距距离离上上的的微微小小差差别别对对振振幅幅的的影影响响, 可认为各阵元在该点辐射场的振辐相等, 用E表示若以零号阵元辐射场E0的相位为基准, 则 (7.3.1) 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 式中, ，为由由于于波波程程差差引引起起的的相相邻邻阵阵元元辐辐射射场场的的相相位位差差; φ为相相邻邻阵阵元元激激励励电电流流相相位位差差; kψ为由由波波程程差差引引起起的的Ek对对E0的的相相位位超超前前;kφ为由激励电流相位差引起的由激励电流相位差引起的Ek对对E0的相位迟后的相位迟后 任任一一阵阵元元辐辐射射场场与与前前一一阵阵元元辐辐射射场场之间的相相位位差差为为ψ-φ按等比级数求和并运用尤拉公式, 式(7.3.1)化简为 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 由式(7.3.1)容易看出, 当当φ=ψ时时, 各分量同相相加, 场强幅值最大, 显然 故归一化方向性函数为 (7.3.2)7.3.3 相位扫描法相位扫描法 φ=0 时时, 也就是各阵元等幅同相馈电时, 由上式可知, 当θ=0, F(θ)=1, 即方向图最大值在阵列法线方向。
若φ≠0, 则方向图最大值方向(波束指向)就要偏移, 偏移角θ0由移相器的相移量φ决定, 其关系式为: θ= θ0时, 应有F(θ0 )=1, 由式(7.3.2)可知应满足 (7.3.3) 式(7.3.3)表明, 在θ0方向, 各阵元的辐射场之间, 由于波程差引起的相位差正好与移相器引入的相位差相抵消, 导致各分量同相相加获最大值 显然, 改改变变φ值值, 为为满满足足式式(7.3.3), 就就可可改改变变波波束束指指向向角角θ0, 从从而而形形成成波波束扫描 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 也可以用用图图 7.14 来来解解释释, 可以看出, 图中MM′线上各点电磁波的相位是相同的, 称同同相相波波前前方方向向图图最最大大值值方方向向与与同同相相波波前前垂垂直直(该方向上各辐射分量同相相加), 故故控控制制移移相相器器的的相相移移量量, 改改变变φ值值, 同同相相波波前前倾倾斜斜, 从从而而改改变变波波束束指指向向, 达达到到波波束束扫扫描描的的目目的的 根根据据天天线线收收发发互互易易原原理理, 上上述述天天线线用用作作接接收收时时, 以以上上结结论论仍仍然然成立。
成立 图图 7.14 一维相扫天线简图一维相扫天线简图 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 2. 栅瓣问题栅瓣问题 现在将φ与波束指向θ0之间的关系式φ=(2π/λ)d sinθ0代入式(7.3.2)， 得 (7.3.4) 可以看出, 当(πNd/λ)(sinθ-sinθ0)=0, ±π, ±2π, …, ±nπ(n为整数)时, 分子为零, 若分母不为零, 则有F(θ)=07.3.3 相位扫描法相位扫描法 图图 7.15 方向图出现栅瓣方向图出现栅瓣 而当(πd/λ)(sinθ-sinθ0)=0, ±π, ±2π, …, ±nπ(n为整数)时, 上式分子、分母同为零, 由洛比达法则得F(θ)=1, 由此可知F(θ)为多瓣状, 如图 7.15 所示栅瓣主瓣栅瓣7.3.3 相位扫描法相位扫描法 其中，(πd/λ)×(sinθ-sinθ0)=0, 即θ=θ0时的称为主主瓣瓣, 其余称为栅栅瓣瓣出现栅瓣将会产生测测角角多多值值性性 由图 7.15 看出, 为避免出现栅瓣, 只要保证 即 则可, 因｜sinθ-sinθ0｜≤1+｜sinθ0｜, 故不出现栅瓣的条件不出现栅瓣的条件可取为7.3.3 相位扫描法相位扫描法 当波长λ取定以后, 只要调整阵元间距d以满足上式, 便不会出现栅瓣。
如要在-90°＜θ0＜+90°范围内扫描时, 则d/λ＜1/2, 但通过下面的讨论可看出, 当θ0增大时, 波束宽度也要增大, 故波束扫描范围不宜取得过大, 一般取|θ0|≤60°或|θ0|≤45°, 此时分别是d/λ＜0.53 或d/λ＜0.59为避免出现栅瓣，通常选d/λ≤1/2 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 3. 波束宽度波束宽度 1) 波束指向为天线阵面法线方向时的宽度这时, θ0=0, 即φ=0, 为各阵元等幅同相馈电情况 由式(7.3.2)或式(7.3.1)可得方向性函数为 通常波束很窄, ｜θ｜较小, sin［πd/λ)sinθ］≈(πd/λ)sinθ, 上式变为 (7.3.5) 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 近似为辛克(Sinc)函数, 由此可求出波束半功率宽度波束半功率宽度为 (7.3.6) 其中Nd为线阵长度 当d=λ/2 时 (7.3.7) 顺便指出, 在d=λ/2 的条件下, 若要求θ0.5=1°, 则所需阵元数N=100如果要求水平和垂直面内的波束宽度都为 1°, 则需 100×100 个阵元 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 2) 波束扫描对波束宽度和天线增益的影响扫描时, 波波束束偏偏离离法法线线方向, θ0≠0, 方向性函数由式(7.3.4)表示。
波束较窄时, ｜θ-θ0｜较小, sin［(πd/λ)(sinθ-sinθ0)］≈(πd/λ)(sinθ-sinθ0), 式(7.3.4)可近似为 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 是辛克函数设在波束半功率点上θ的(7.3.8) 值为θ+和θ-(见图 7.16), 由辛克函数曲线, 当 时, 可查出x=±0.443π, 故知当θ=θ+时应有图图 7.16 扫描时的波束宽度扫描时的波束宽度 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 容易证明 sinθ+-sinθ0=sin(θ+-θ0)cosθ0-［1-cos(θ+-θ0)］sinθ0 波束很窄时, θ+-θ0很小, 上式第二项忽略, 可简化为 sinθ+-sinθ0≈(θ+-θ0)cosθ0 代入式(7.3.8), 整理得扫描时的波束宽度扫描时的波束宽度θ0.5s为 (7.3.9) 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 其中，θ0.5为波束在法线方向时的半功率宽度; λ为波长上式也可从概念上定性地得出, 因为波束总是指向同相馈电阵列天线的法线方向, 将图7.16 中的同相波前MM′看成同相馈电的直线阵列, 但有效长度为Nd cos(θ0), 代入式(7.3.6)便得式(7.3.9)。
7.3.3 相位扫描法相位扫描法 从式(7.3.9)可看出, 波波束束扫扫描描时时, 随随着着波波束束指指向向θ0的的增增大大, θ0.5s要要展展宽宽, θ0越大越大, 波束变得愈宽波束变得愈宽例如θ0=60°, θ0.5s ≈2θ0.5 随随着着θ0增增大大，，波波束束展展宽宽，，会会使使天天线线增增益益下下降降我们用阵元总数为N0的方天线阵来说明 假定天线口径面积为A, 无损耗, 口径场均匀分布(即口面利用系数等于1), 阵元间距为d, 则有效口径面积A=N0d2, 法线方向天线增益为 (7.3.10) 当d=λ/2 时, G(0)=N0π 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 如果波束扫到θ0方向, 则天线发射或接收能量的有效口径面积As为面积A在扫描等相位面上的投影, 即As=Acosθ0=Nod2cosθ0如果将天线考虑为匹配接收天线, 则扫描波束所收集的能量总和正比于天线口径的投影面积As, 所以波束指向处的天线增益为 当当d=λ/2 时时, G(θ0)=N0πcosθ0=N0π 可见增益随θ0增大而减小 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 如果在方位和仰角两个方向同时扫描, 以θ0α和θ0β表示波束在方位和仰角方向对法线的偏离, 则 当θ0α=θ0β=60°时, G(θ0α, θ0β)=N0π/4, 只有法线方向增益的1/4。
7.3.3 相位扫描法相位扫描法 总之, 在波束扫描时, 由于在在θ0方方向向等等效效天天线线口口径径面面尺尺寸寸等于天天线线口口径径面面在在等等相相面面上上的的投投影影(即即乘乘以以cosθ0), 与法法线线方方向向相比, 尺尺寸寸减减小小, 波波束束加加宽宽, 因而天天线线增增益益下下降降, 且随随着着θ0的的增增大大而而加加剧剧所以波束扫描的角范围通常限制在±60°或±45°之内若要覆盖半球若要覆盖半球, 至少要三个面天线阵至少要三个面天线阵 必须指出, 前面讨论方向性函数时, 都是假定每个阵元是无方向性的, 当当考考虑虑单单个个阵阵元元的的方方向向性性时时, 总总的的方方向向性性函函数数应应为为上上述述结结果果与与阵阵元元方方向向性性函函数数之之积积设阵元方向性函数为Fe(θ), 阵列方向性函数为F(θ)［式 7.3.4］, 则N阵元线性阵总的方向性函数FN(θ)为: FN(θ)=Fe(θ)·F(θ)当阵元的方向性较差时, 在波束扫描范围不大的情况下, 对总方向性函数的影响较小, 故上述波束宽度和天线增益的公式仍可近似应用 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 另外，等等间间距距和和等等幅幅馈馈电电的的阵阵列列天天线线副副瓣瓣较较大大(第第一一副副瓣瓣电电平平为为-13dB), 为为了了降降低低副副瓣瓣, 可可以以采采用用“加加权权”的的办办法法。
一种是振振幅幅加加权权, 使得馈给中间阵元的功率大些, 馈给周围阵元的功率小些另一种叫密密度度加加权权, 即天线阵中心处阵元的数目多些, 周围的阵元数少些 4. 相扫天线的带宽相扫天线的带宽 相相扫扫天天线线的的工工作作频频带带取决于馈馈源源设设计计和天天线线阵阵的的扫扫描描角角度度这里着重研究阵面带宽 相扫天线扫描角θ0时, 同同相相波波前前距距天天线线相相邻邻阵阵元元的的距距离离不不同同而而产产生生波波程程差差dsinθ0(见图 7.12), 如如果果用用改改变变相相邻邻阵阵元元间间时时间间迟迟延延值值的的办办法法获获得得倾倾斜斜波波前前,则则雷雷达达工工作作频频率率改改变变时时不不会会影影响响电电扫扫描描性性能能但相相扫扫天天线线阵阵中中所所需需倾倾斜斜波波前前是是靠靠波波程程差差对对应应的的相相位位差差ψ=(2π/λ)d sinθ获获得得的的, 相相位位调调整整是是以以 2π的的模模而而变变化化的的, 它它对对应应于于一一个个振振荡荡周周期期的的值值, 而而且且随随着着工工作作频频率率改改变变，，波束的指向也会发生变化波束的指向也会发生变化, 这就限制了天线阵的带宽这就限制了天线阵的带宽。
7.3.3 相位扫描法相位扫描法 当工作频率为当工作频率为f, 波束指向为波束指向为θ0时, 位于离阵参考点第n个阵元的移相量ψ为 如如工工作作频频率率变变化化δf, 而移相量ψ不变, 则波波束束指指向向将将变变化化δθ, δθ满足以下关系式: 频频率率增增加加时时，，δθ为为负负值值, 表表明明此此时时波波束束指指向向朝朝法法线线方方向向偏偏移移扫扫描描角角θ0增增大大, δθ亦增加亦增加 用百分比带宽百分比带宽Ba(%)=2(δf/f)×100 表示式(7.3.11)时, (7.3.12)(7.3.11)7.3.3 相位扫描法相位扫描法 波束扫描随频率变化所允许的增量和波束宽度有关扫扫描描时时的的波波束束宽度宽度θB(s)=θB/cosθ0, θB为法线方向波束宽度为法线方向波束宽度将式(7.3.12)变换为 (7.3.13) 上式中带宽因子k=Ba(%)/θB(°) 如果允许|δθ/θB(s) |≤1/4, 则由式(7.3.13)可求得 当扫描角θ0增大时, 允许的带宽变小如θ0=60°, 则得此时k=1, 即百分比带宽 Ba(%)=θB (°) 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 上面分析了单单频频工工作作时时(相当于连续波)指指向向与与频频率率变变化化的的关关系系。
然而大多数雷达工作于脉脉冲冲状状态态, 其辐射信号占有一个频带, 当天线扫描偏离法线方向时, 频谱中的每一分量分别扫向一个有微小偏差的方向, 已经有人分析研究了此时各频率分量在远场区的合成情况很明显，在在脉脉冲冲工工作作时时，天天线线增增益益将将低低于于单单频频工工作作时时的的最最大大增增益益, 如果允许辐射到目标上的能量可以减少 0.8dB, 则当波束扫描角θ0=60°时可得到 Ba(%)=2θB (个脉冲) 天线阵面孔径增大时天线阵面孔径增大时, 波束波束θB减小减小, 则允许的带宽则允许的带宽Ba(%)也相应减小也相应减小 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 相相扫扫天天线线的的带带宽宽也可从从时时域域上上用用孔孔径径充充填填时时间间或或等等效效脉脉冲冲宽宽度度来来表表示示当天线扫描角为θ0时, 由于存在波程差, 将能量充填整个孔径面所需时间为 D为天线孔径尺寸, c为光速 能有效通过天线系统的脉冲度τ应满足 τ≥T 其对应的频带为B=1/τ将孔径尺寸D与波束宽度θB的关系引入, 且知道百分比带宽Ba(%)为: B/f×100=Ba(%), 则可得到, 当取最小可用脉宽即τ=T时, 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 扫描角扫描角θ0越大越大, Ba(%)越小越小。
当 90°扫描时可得 Ba(%)=2θB (°) 当脉宽等于孔径充填时间时, 将产生 0.8dB的损失, 脉宽增加则损失减少 为为了了在在空空间间获获得得一一个个不不随随频频率率变变化化的的稳稳定定扫扫描描波波束束, 就就需需要要用用迟迟延延线线而而不不是是移移相相器器来来实实现现波波束束扫扫描描, 在每一阵元上均用时间迟延网络是不实用的, 因为它很耗费且损耗及误差较大7.3.3 相位扫描法相位扫描法 图图 7.17 用子阵和时间迟延的相扫阵列用子阵和时间迟延的相扫阵列 一种明显改善带宽的办法是用子子阵阵技技术术(如图 7.17所示)， 即数个阵元组合为子阵而在子阵之间加入时间迟延单元, 天线可视为由子阵组成的阵面；7.3.3 相位扫描法相位扫描法 子阵的方向图形成“阵元”因子, 它们用移相器控制扫描到指定方向, 每个子阵均工作于同一模式, 当频率改变时其波束将有偏移, 子阵间的扫描是调节与频率无关的迟延元件7.3.3 相位扫描法相位扫描法 图图 7.18 频率变化时子阵相控阵的方向图频率变化时子阵相控阵的方向图 7.3.3 相位扫描法相位扫描法 如图 7.28 所示, 如果相邻阵元间的传输线长度为l, 传输线内波长为λg, 则相邻阵元间存在一激励相位差 (7.3.17) 改改变变输输入入信信号号频频率率f, 则则λg改改变变, Φ也也随随之之改改变变, 故故可可实实现现波波束束扫扫描描。
这这种种方法称为方法称为频率扫描法频率扫描法 图图 7.28 频扫直线阵列频扫直线阵列7.3.4 频率扫描频率扫描 通常l应取得足够长, 这对提高波束指向的频率灵敏度有好处(下面说明), 所以Φ值一般大于 2π, 式(7.3.17)可改写成 (7.3.18) 式中，m为整数；｜φ｜＜2π 当θ0=0, 即波束指向法线方向时, 设λg=λg0(相应的输入信号频率为f0), 此时所有阵元同相馈电, 上式中，φ=0, 由此可以确定 (7.3.19) 这里用具具有有一一定定长长度度的的传传输输线线代替了相相扫扫法法串串联联馈馈电电中中插插入入主主馈馈线线内内的的移移相相器器, 因此插插入入损损耗耗小小, 传传输输功功率率大大, 同时只只要要改改变变输输入入信信号号的的频频率率就可以实现波束扫描就可以实现波束扫描, 方法比较简便 7.3.4 频率扫描频率扫描 若θ0≠0, 即波束偏离法线方向, 则当当θ=θ0时时, 相相邻邻阵阵元元之之间间由由波波程程差差引起的相位差正好与传输线引入的相位差相抵消引起的相位差正好与传输线引入的相位差相抵消, 故有 得 (7.3.20) 式中，d为相邻阵元间距；λ为为自自由由空空间间波波长长(相应输入端信号频率为f)。
已知λ(或f), 并算出λg, 由式(7.3.20)可确定波束指向角θ0λg根根据据传传输输线线的的特性及工作波长而定特性及工作波长而定 7.3.4 频率扫描频率扫描 图 7.29 给出了阵元间距d=λ0/2 时波束指向角θ0与频率的关系曲线λ0为波束指向法线方向时的自由空间波长, 称为法法线线波波束束波波长长, 相应的信号频率为f0图中横坐标为相对频移Δf/f0, Δf=f-f0, f为波束指向θ0方向时的信号频率虚线所示为f＜f0时的关系曲线 图图 7.29 指向角指向角θ0与相对频移与相对频移Δf/f0关系曲线关系曲线 (a) 矩形波导矩形波导 (b) 同轴线同轴线 7.3.4 频率扫描频率扫描 波束指向角θ0对频率f的变化率叫波波束束指指向向的的频频率率灵灵敏敏度度由图看出, m愈愈大大, 即即l愈愈长长(λg0一一定定), 频频率率灵灵敏敏度度就就愈愈高高, 也就是用用较较小小的的频频偏偏量量Δf, 可可以以获获得得较较大大的的波波束束扫扫描描范范围围另外，可以看到f＜f0时的频率灵敏度高于f＞f0, 故在m和｜Δf｜相同的情况下, 波波束束扫扫描描范范围围相相对对法法线线方方向向是是不不对对称称的的, 一边范围大一边范围大, 而另一边范围小。
而另一边范围小 7.3.4 频率扫描频率扫描 在在频频扫扫雷雷达达中中, 所所用用脉脉冲冲宽宽度度不不能能太太窄窄, 因因为为信信号号从从图图 7.28 所所示示的的蛇蛇形形传传输输线线的的始始端端传传输输到到末末端端需需要要一一定定时时间间, 只只有有当当脉脉冲冲宽宽度度大大于于该该传传输输时时间间时时, 才才能能保保证证所所有有阵阵元元同同时时辐辐射射如如果果脉脉冲冲太太窄窄, 势势必必有有一一部部分分阵阵元元因因信信号号还还未未传传输输到到或或已已通通过过而而不不能能同同时时辐辐射射能能量量, 引引起起波波束束形形状状失失真真 由于频频扫扫雷雷达达中中波波束束指指向向角角θ0与与信信号号源源频频率率一一一一对对应应, 也就是依依据据频频率率来来确确定定目目标标的的角角坐坐标标, 因而雷达信号源的频率应具有很高的稳定度和准确度, 以保证满足测角精度的要求 温度变化导致波导热胀冷缩, 使l、d、α发生变化, 从而改变波束指向, 引起测角误差为了消除温温度度误误差差, 可把频扫天线置于一恒温的天线罩内或采用线膨胀系数小的金属材料, 或采用其它温度补偿方法。
7.3.4 频率扫描频率扫描 图图 7.30 频扫天线直线阵频扫天线直线阵(a) 串联频扫阵列串联频扫阵列; (b) 并联频扫阵列并联频扫阵列 图图 7.31 简单频扫天线简单频扫天线(a) 宽壁耦合到偶极子辐射器宽壁耦合到偶极子辐射器; (b) 窄壁与缝隙天线耦合窄壁与缝隙天线耦合 7.3.4 频率扫描频率扫描 图图 7.32 采用圆柱形反射器的频扫天线采用圆柱形反射器的频扫天线 图图 7.33 平面阵列天线平面阵列天线 7.3.4 频率扫描频率扫描 1. 概述概述Ø相位控制阵列：相位控制阵列：多个天线单元排成，各阵元馈电相位按一定程序灵活控制，完成特定的空间扫描Ø优点：优点：•相扫，无机械惯性，快速波束捷变•多目标、远距离、高数据率、高可靠性•多功能、多波束、自适应抗干扰Ø缺点：缺点：•波束宽度随扫描方向变化7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 Ø移相器控制波束的发射与接收移相器控制波束的发射与接收–无源阵：收发共用一个或几个发射机和接收机–有源阵：每个阵元都连有可提供所需辐射功率的收发（Ｔ/Ｒ）固态组件，即都是有源的•固态组件的功率源是低功率的•各阵元辐射功率在空间进行合成•各阵元辐射信号间相位关系固定，即相参•各阵元的相位和振幅分布可按要求控制7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 Ø有源阵的优点有源阵的优点:•功率源直接联在阵元后面，馈源和移相器的损耗不影响雷达性能；接收机噪声系数由T/R组件中的低噪声放大器决定•阵元馈源和移相器功率容量低，轻便廉价•大量低功率固态源取代易损坏的高电压、 大功率发射机，系统可靠性提高•固态阵和数字波束形成及阵列信号处理技术相结合，天线性能改善潜力大7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 Ø移相器–移相器：实现相扫的关键器件–对移相器的要求：•移相精确、性能稳定、频带和功率容量大、便于快速控制、激励功率和插入损耗小、体积小、重量轻等–移相器的种类：•PIN二极管移相器、铁氧体移相器、数字式移相器等7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 馈馈源源：：也称为集波器、馈波器。
通常指馈源盘，馈馈源源系系统统是馈源盘、极化器和过渡波导的总称，有时也简称为馈源 馈源盘馈源盘又称为馈源扬声器，天线常用馈源盘形式有角锥扬声器、圆锥扬声器、开口波导和纹波扬声器等过渡波导过渡波导的作用是固定极化方向，以便于高频头连接 相控阵雷达的馈电方式主要分为：相控阵雷达的馈电方式主要分为：空间馈电空间馈电和强制馈电强制馈电两种 2. 相控阵雷达的馈电和馈相方式相控阵雷达的馈电和馈相方式7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 1)空间馈电空间馈电方式主要分为：反射镜式反射镜式和透镜式透镜式, 如图 7.19 所示 图图 7.19 光学馈电系统光学馈电系统 (a) 透镜系统透镜系统; (b) 反射镜系统反射镜系统 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 由馈馈源源送送出出的的电电波波照射到反反射射面面或或透透镜镜孔孔面面时, 由各各辐辐射射元元接收, 经反反射射或或透透射射, 再由各各辐辐射射元元辐辐射射出去, 只要孔面上辐辐射射元元足足够够多多, 就可在在空空间间形形成成窄窄波波束束以适当的规律改改变变反反射射镜镜中中或或透透镜镜中中各各移移相相器器的的相相对对相相移移量量, 就可实实现现波波束束扫扫描描。
其中反反射射镜镜式式只只有有一一个个阵阵列列面面, 各各辐辐射射元元先先接接收收电电波波, 经经移移相相器器移移相相后后, 传传输输到到末末端端(短短路路端端)全全反反射射, 再再移移相后相后, 由同一辐射元辐射出去由同一辐射元辐射出去 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 由于馈源辐射的为球球面面波波, 使平平面面的的透透镜镜或或反反射射镜镜阵阵列列面面的激激励励相相位位因因存存在在路路径径差差(球面径差)而引引起起附附加加差差异异, 造成扫扫描描角角误误差差这可以在在结结构构上上或计计算算机机配配相相时时加加以以修修正正例例如如使旁旁边边移移相相器器的的相相移移量量小小于于中中间间移移相器的相移量相器的相移量, 以抵消球面径差引起的附加相位迟后抵消球面径差引起的附加相位迟后 利用空间馈电时, 雷达本身结构大体保持不变例如，从收发设备到天线馈源可不必改动，只要做一个移相器天线阵列面即可, 因此做起来比较简单 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 2) 强制馈电系统强制馈电系统 又称为传输线馈电传输线馈电, 这是因为在这种馈电系统中，功率源到阵列元之间采用了一定数量的微波微波耦合元件和传输线耦合元件和传输线。
它可分为串联馈电串联馈电和并联馈电并联馈电 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 (1) 串串联联馈馈电电(如图7.20 所示)高频信号以以行行波波方方式式沿沿主主馈馈线线传传输输, 经经定定向向耦耦合合器器依依次次给给阵阵元元馈馈电电, 调调节节耦耦合合度度, 就就可可调调节节加加到到各各阵阵元元的的功功率率的的大大小小, 实实现现振振幅幅加加权权，，降降低低副副瓣瓣移移相相器器可可以以放放在在各各分分支支内内或或串串在在主主馈馈线线内内, 后后者者在在波波束束控控制制时时各各移移相相器器的的相相移移量量相相同同, 但但要要求求移移相相器器能能承承受受大大功功率率, 且插入损耗小且插入损耗小 图图 7.20 串联馈电示意图串联馈电示意图 (a) 端馈电端馈电; (b) 中心馈电中心馈电 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 (2) 并并联联馈馈电电(如图 7.21 所示)它它把把整整个个阵阵列列分分成成许许多多子子阵阵列列, 每每个个子子阵阵列列传传输输通通道道长长度度相相同同, 发发射射功功率率以以多多级级均均分分的的方方式式馈馈给给每每个个阵阵元元, 因而每每个个移移相相器器承承受受功功率率都都不不大大。
适适当当组组合合子子阵阵列列, 并并调调整整它它们们的的相相位位和电流振幅和电流振幅, 可得到良好的方向图和扫描特性良好的方向图和扫描特性 图图 7.21 并联馈电示意图并联馈电示意图 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 3. 移相器移相器 移相器是实现相扫的关键器件对对它它的的要要求求是是：：移相的数值精确，性能稳定，频带和功率容量足够，便于快速控制，激励功率和插入损耗小，体积小，重量轻等v 1) PIN二二极极管管移移相相器器 这种移相器以PIN二极管为控制元件, 它利用了PIN管在正偏和反偏时的两种不同状态, 外接调谐元件LT和CT, 构成理想的射频开关, 如图 7.37 为其一例正正偏偏压压时时, CT与引线电感Ls发生串联谐振, 使射频短路; 反反偏偏时时, Ci和CT一起与LT发生并联谐振而呈现很大的阻抗这时可把PIN管看作一个单刀单掷开关用两只互补偏置的PIN管可构成单刀双掷射频开关 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 利用PIN管管在在正正偏偏和和反反偏偏状状态态具具有有不不同同的的阻阻抗抗或或其其开开关关特特性性，可构成多种形式的移相器。
图图 7.37 PIN二极管开关电路二极管开关电路 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 图图 7.38 开关线型移相器开关线型移相器 (a) 换接线型换接线型; (b) 环行器型环行器型 图7.38 两两种种开开关关线线型型移移相相器器, 其中环行器用来提供匹配的输入和输出开开关关在在不不同同位位置置时时, 有有一一个个传传输输路路径径差差Δl, 从从而而得得到到一一个个差差相相移移Δφ=2πΔl /λg 这种移相器较简单, 但带宽较窄也可可以以利利用用PIN管管正正反反向向偏偏置置时时不不同同的的阻阻抗抗值值做做成成加加载载线线移移相相器器, 或或将将PIN管管与与定定向向耦耦合合器器结结合合构构成成移移相相器器, 它它们们都有较大的工作带宽都有较大的工作带宽 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 PIN管管移移相相器器的的优优点点是体积小，重量轻, 便于安装在集成固体微波电路中, 开关时间短(50 ns~2 μs), 性能几乎不受温度的影响, 激励功率小(1.0~2.5 W), 目前能承受峰值功率约为 10 kW, 平均功率约 200 W, 所以是有前途的器件。
缺点缺点是频带较窄和插入损耗大 v 2) 铁铁氧氧体体移移相相器器 其其基基本本原原理理是是利用外外加加直直流流磁磁场场改变波波导导内内铁铁氧氧体体的导磁系数的导磁系数, 因而改变电磁波的相速改变电磁波的相速, 得到不同的相移量不同的相移量 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 图 7.25 所示为常用的一种铁氧体移相器, 在矩形波导宽边中央有一条截截面面为为环环形形的的铁铁氧氧体体环环,环中央穿有一根磁磁化化导导线线根据铁氧体的磁磁滞滞特特性性(见图 7.25(a)), 当磁磁化化导导线线中中通通过过足足够够大大的的脉脉冲冲电电流流时时, 所产生的外外加加磁磁场场也也足足够够强强(它与磁化电流强度成正比), 铁铁氧氧体体磁磁化化达达到到饱饱和和, 脉脉冲冲结结束束后后, 铁氧体内便会有一个剩剩磁磁感感应应(其强度为Br)当所加脉冲极极性性改改变变时, 剩磁感应的方向也相应改变剩磁感应的方向也相应改变(其强度为-Br)7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 图图 7.25 铁氧体移相器铁氧体移相器 (a) 铁氧体磁滞回线铁氧体磁滞回线; (b) 相移器结构相移器结构 这两两个个方方向向不不同同的的剩剩磁磁感感应应对波导内传输的TE10波波来说，对对应应两两个个不不同同的的导导磁磁系系数数, 也就是两两种种不不同同极极性性的的脉脉冲冲在在该该段段铁铁氧氧体体内内对对应应有有两两个个不不同同的的相相移移量量, 这对二进制数控很有利。
铁铁氧氧体体产产生生的的总总的的相相移移量量为为这这两两个个相相移移量量之之差差(称差差相相移移)只只要要铁铁氧氧体体环环在在每每次次磁磁化化时时都都达达到到饱饱和和, 其其剩剩磁磁感感应应大大小就保持不变小就保持不变, 这样，差相移的值便取决于铁氧体环的长度差相移的值便取决于铁氧体环的长度 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 铁铁氧氧体体移移相相器器的的特特点点是是: 铁氧体环的两个不同数值的导导磁磁系系数数分别由两个方向相反的剩剩磁磁感感应应来维持, 磁化导线中不必加维持电流, 因此所需激励功率比其它铁氧体移相器小 铁氧体移相器的主要优优点点是： 承受功率较高，插入损耗较小，带宽较宽其缺缺点点是：所需激励功率比PIN管移相器大，开关时间比PIN管移相器长，较笨重 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 v 3) 数数字字式式移移相相器器 为了便于波束控制, 通常采用数字式移相器如果要构构成成n位位数数字字移移相相器器, 可可用用n个个相相移移数数值值不不同同的的移移相相器器(PIN管管的的或或铁铁氧氧体体的的)作作为为子子移移相相器器串串联联而而成成。
每个子移相器应有相相移移和和不不相相移移两两个个状状态态, 且前前一一个个的的相相移移量量应应为为后后一一个个的的两两倍倍处在最小位的子相移器的相移量为Δφ=360°/2n, 故n位数字移相器可得到位数字移相器可得到 2n个不同相移值个不同相移值 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 例如四位数字移相器, 最小位的相移量为Δφ=360°/24=22.5°, 故可由相移值分别为 22.5°, 45°, 90°, 180°的四四个个子子相相移移器器串串联联而成, 如图 7.26 所示，每每个个子子移移相相器器受受二二进进制制数数字字信信号号中中的的一一位位控控制制, 其中“0”对对应应该该子子移移相相器器不不移移相相, “1”对对应应移移相相例如，控制信号为 1010, 则四位数字移相器产生的相移量为φ=1×180°+0×90°+1×45°+0×22.5°=225°四位数字移相器可从 0°到 337.5°，每隔 22.5°取一个值, 可取 24=16 个值图图 7.26 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 图图 7.41 铁氧体数字移相器示意图铁氧体数字移相器示意图图 7.41 为四位铁氧体数字移相器的原理图。
7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 数字移相器的移移相相量量不不是是连连续续可可变变的的, 其结果将将引引起起天天线线阵阵面面激激励励的的量量化化误误差差,从而使使天天线线增增益益降降低低,均均方方副副瓣瓣电电平平增增加加,并产产生生寄寄生生副副瓣瓣,同时还使使天天线主瓣的指向发生偏移线主瓣的指向发生偏移 设数字移相器为B位, 则量化相位误差δ在±π/2B范围内均匀分布, 误差方差值为δ2=π2/3(22B), 由此引起天线增益下降为 (7.3.14) B=2 时, 增益损失 1dB; B=4 时, 增益损失 0.06dB, 故选择B=3~4 时, 天线增益的损失均可容忍 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 由相移量化误差引起的均方副瓣电平增加可表示为 (7.3.15) 此处N为天线阵的阵元数; B=3 时, 副瓣较主瓣低 47dB; B=4 时, 则副瓣低于主瓣 53 dB, 对一般应用是可以接受的但由由于于实实际际的的相相移移量量化化误误差差分分布布不不是是随随机机的的而而具具有有周周期期性性, 因因而而会会产产生生寄寄生生的的量量化化副副瓣瓣。
在周期性三角形分布条件下，其峰值为1/22B, 此值较大而需设法降低, 一种办法就是破坏其周期性规律 相移量化所产生的最大指向误差Δθ为 (7.3.16) 式中，θB为波束宽度 例如B=4 时, Δθ/θB=0.049 为可能产生的最大指向误差 7. 4 相控阵雷达相控阵雷达 7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 7.6.1 引言引言 雷达工作时常需要测量目标在空间的三三个个坐坐标标值值: 距距离离、、方方位位角角、、仰仰角角通通常常的的监监视视雷雷达达只只能能测测量量距距离离和和方方位位角角这这两两个个坐坐标标通常用一部“点头”式测高雷达配合二坐标的空中监视雷达协同工作, 监监视视雷雷达达发发现现目目标标并并测测得得其其距距离离和和方方位位角角, 同同时时将将目目标标坐坐标标数数据据送送给给测测高高雷雷达达, 该雷达具有窄的仰角波束, 并在在仰仰角角方方向向““点点头头””扫扫描描, 可以较准准确确地地测测定定目目标标的的仰角和高度仰角和高度 这些测量方法的主主要要缺缺点点是测测量量过过程程较较复复杂杂、、缓缓慢慢, 可可以以同同时时容容纳纳的的目目标标数数目目较较少少, 有有时时测测量量精精度度较较差差, 因而不能适应空中目标高速度高密度出现时对雷达测量的要求。
无论是军用或民用的搜索、导航或空中交通管制雷达, 在飞机飞行速度和机动能力日益提高的条件下, 都要求它们加大探测空域, 快速、精确地测出多批次目标的三个坐标值20世纪50 年代后期开始, 为适应这种需要, 逐步出现了各类三三坐坐标标雷雷达达, 它它能能同同时时迅速地、迅速地、 精确地测量雷达探测空域内大量目标的三个坐标值精确地测量雷达探测空域内大量目标的三个坐标值 7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 对对三三坐坐标标雷雷达达的的主主要要要要求求是是能能快快速速提提供供大大空空域域、、多多批批量量目目标标的的三三坐坐标标测测量量数数据据, 同同时时要要有有较较高高的的测测量量精精度度和和分分辨辨力力通常用数数据据率率作为衡量三坐标雷达获得信息速度的一个重要指标；数据率这个指标也反映了雷达各主要参数之间的关系在三坐标雷达中, 为了提高测量方位角和仰角的精度和分辨力精度和分辨力, 通常都采用针状波束针状波束 7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 数数据据率率定义为单单位位时时间间内内雷雷达达对对指指定定探探测测空空域域内内任任一一目目标标所所能能提提供供数数据据的的次次数数。
可以看出，数数据据率率D也也等等于于雷雷达达对对指指定定空空域域探探测测一一次次所所需需时时间间(称称扫扫描描周周期期Ts)的的倒倒数数, 因波束每扫描一次, 则对待测空域内的每一目标能够提供一次测量数据 若雷雷达达待待测测空空域域立立体体角角为为V, 波波束束宽宽度度立立体体角角为为θ, 雷雷达达重重复复周周期期为为Tr, 重重复复频频率率为为fr, 雷雷达达检检测测时时所所必必需需的的回回波波脉脉冲冲数数为为N, 为此，必必须须保保证证波波束束对对任任一一目目标标照照射射时时间间不不小小于于NTr(即波束在某一位置停留的时间不应短于NTr), 则雷达波束的扫描周期为 (7.4.1) 7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 7.6.2 三坐标雷达的数据率三坐标雷达的数据率 设雷达作用距离为Rmax, 则目标回波的最大延迟时间为 c为光速若取Tr=1.2tr max, 则波束扫描周期Ts的倒数为雷达的数据率雷达的数据率D, 故 (7.4.2) 波束立体角θ和待测空域立体角V可按以下方法计算: 球面上的某一块面积除以半径的平方定义为这块面积相对球心所张的立体角。
7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 假定雷达波束在在两两个个平平面面内内的的宽宽度度相相同同,设θa=θβ=θb, 则波束在以距距离离R为为半半径径的的球球面面上上切切出出一一个个圆圆［见图 7.55(a)］, 我们把该圆的内内接接正正方方形形作为波波束束扫扫描描中中的的一一个个基基本本单单元元, 以保证波束扫描时能覆盖整个空域［见图7.34(b)］由图可知, 正方形的面积为 , 故波束立体角（波束范围）为 图图7.34 波束立体角计算波束立体角计算7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 同理, 若若波波束束宽宽度度θα与与θβ不不相相等等, 则波波束束立立体体角角为为θ=θαθβ/2若待测空域的方位范围为α1~α2, 仰角范围为β1~β2, 则由图 7.56 可求出待测空域立体角为 其中S为待测空域所截的以R为半径的球面面积 7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 图图 7.56 待测空域立体角计算待测空域立体角计算7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 Ø 1. 单波束三坐标雷达单波束三坐标雷达 为了同时测定仰角和方位角, 雷达天线的针状波束必须在方位角和俯方位角和俯仰角两个平面仰角两个平面进行扫描。
实现两个平面上的扫描可以采用机械扫描和电扫描相结合, 也可以在两维上均用电扫描 通常的三坐标雷达采用在方方位位角角上上机机械械扫扫描描以测定目标的距距离离和和方方位位角角, 在方位上机械慢慢扫扫的同时在仰仰角角方方向向波波束束用用电电扫扫描描进行快快速速扫描以测定仰角7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 图图 7.57 机械扫描与频率扫描混合系统机械扫描与频率扫描混合系统 如图 7.57 所示，仰仰角角快快扫扫用用频频率率扫扫描描实实现现频扫是较早期三坐标雷达采用的一种快扫方式, 仰角频扫系统是顺序波瓣法的一种形式, 可以将相邻波瓣的输出振幅用比幅法测角由由于于不不同同波波束束位位置置对对应应的的频频率率各各异异, 这种方法的测角精度较差这种方法的测角精度较差 7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 针针状状波波束束在在仰仰角角的的快快扫扫可可以以采采用用相相位位扫扫描描的的办办法法, 也就是对阵天线每行阵元馈电输出端的移移相相器器进进行行电电控控这种电扫方法是最灵活且目前用的最多的一种相位扫描方法, 它可以灵活地形成和、差波束, 采用顺序扫描或随机扫描; 波形设计和波束指向可以完全独立。
波波束束扫扫描描也也可可以以采采用用双双平平面面均均为为电电子子扫扫描描的的系系统统, 如图 7.58 所画的示意图早期采用一维相扫一维频扫, 而目前用得更多的则是相相位位-相相位位电电扫扫系系统统, 就是相相控控阵阵雷雷达达由于它具有灵活、 快速的波束扫描能力, 因而可以实现快速改变波束指向和波束的驻留时间, 亦即根据需要灵活控制波束在任一指向的数据率再加上计算机控制、波形产生、信号和数据处理的功能, 使相控阵雷达有以下一些具体优点控阵雷达有以下一些具体优点: 7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 图图 7.58 双平面电子扫描系统示意图双平面电子扫描系统示意图(a) 相位相位-频率电扫描系统频率电扫描系统; (b) 相位相位 - 相位电扫描系统相位电扫描系统 7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 ü (1) 搜索时的功功率率和和能能量量可以在计算机控制下变化而获得最佳分配, 这可以用改变不同波束指向时的驻留时间以及发射波形来获得, 同时这两个参数的选择还影响消除杂波的能力ü (2) 搜搜索索和和跟跟踪踪的的功功能能可可以以独独立立地地进进行行, 搜索到并确认为目标后, 精确的参数估计可在跟踪模式下完成, 这时可改变驻留时间和采用最佳波形。
跟踪时的数据率可自适应地改变，以适应诸如跟踪启动和目标机动的情况ü (3) 多多功功能能工工作作, 即搜索的同时可以跟踪多个目标 工作的模式亦是多样的, 可灵活变化 7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 Ø 2. 多波束三坐标雷达多波束三坐标雷达 多多波波束束三三坐坐标标雷雷达达就就是是在在一一个个(或或两两个个)平平面面内内同同时时存存在在数数个个相相互互部部分分重重叠叠的的波波束束若每个波束的立体角与单波束三坐标雷达一样为θ, 现假定有M个波束, 则总总的的波波束束立立体体角角为为θ2=Mθ故故与与单单波波束束三三坐坐标标雷雷达达相相比比, 在在搜搜索索空空域域和和精精度度等等相相同同的的条条件件下下, 数数据据率率提提高高到到原原来来的的M倍倍是是可可能能的的 必必须须强强调调的的是是用用增增加加波波束束的的数数目目来来提提高高数数据据率率D, 要要相相应应地地增增加加发发射射功功率率, 以保证每个波束所探测的空域均有足够的距离覆盖能力, 否否则则, 假假定定M个个波波束束均均分分发发射射功功率率, 而而总总的的发发射射功功率率仍仍和和单单波波束束雷雷达达一一样样, 则则每每个个波波束束的的回回波波功功率率减减小小至至原原来来的的1/M,为为了了达达到到同同样样的的检检测测概概率率, 必必须须增增加加脉脉冲冲积积累累数数N, 其其结结果果是是与与单单波波束束雷雷达达相相比比, 数数据据率率并并没没有有提提高高, 甚甚至至还还可可能能降降低低(当积累不理想时)。
7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 图7.59 称为偏偏焦焦多多波波束束三三坐坐标标雷雷达达, 天线的馈源为多个喇叭, 在抛物面反射体的焦平面上垂直排例, 由由于于各各喇喇叭叭相相继继偏偏离离焦焦点点, 故故在在仰仰角角平平面面上上可以形成彼此部分重叠的多个波束可以形成彼此部分重叠的多个波束 图图7.59 7.59 偏焦多波束三坐标雷达原理方框图偏焦多波束三坐标雷达原理方框图收发开关收发开关接收机接收机7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 发发射射时时, 功功率率分分配配器器将发射机的输输出出功功率率按一定比例分分配配给给多多个个馈馈源源通通道道, 并同同相相激激励励所所有有馈馈源源喇喇叭叭, 使在仰仰角角平平面面上上形成一个覆覆盖盖多多个波束范围的形状近似为余割平方形的合成发射波束个波束范围的形状近似为余割平方形的合成发射波束 接接收收时时, 处在不不同同仰仰角角上上的的目目标标所所反反射射的的信信号号, 分分别别被被相相应应的的馈馈源源喇喇叭叭所所接接收收, 进进入入各各自自的的接接收收通通道道, 其输输出出回回波波信信号号代代表表目目标标在在该该仰仰角角波波束束中中的的响响应应。
将相相邻邻通通道道的的输输出出信信号号进进行行比比较较, 就可测测量量目目标标的的仰仰角角; 将各通道的输出相加后各通道的输出相加后, 即可得到所监视全仰角空域的目标回波即可得到所监视全仰角空域的目标回波7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 下下面面具具体体分分析析同同时时波波瓣瓣法法测测量量目目标标仰仰角角的的过过程程 如图7.60 所示，目标处于OA方向,与n、n+1 仰角波束相交的等信号轴方向偏离Δβ 设接收波束电压方向图函数电压方向图函数F(β)可用指数函数表示,相邻波束在半功率点相交将相邻波束收到的信号电压取对数后相减, 即获得差电压值为 式中，F0(β)为发射方向性函数；k为比例常数 7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 图 7.39 比较信号法测角原理图(a)原理方框图; (b) 波束分布图;(c) 比较器输出电压值随仰角变化图 7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 可计算得到 可见，相相减减输输出出电电压压ΔU与与Δβ成成正正比比, 测出ΔU便知Δβ, 最后得目目标标仰仰角角β0=βn+Δβ, 其中βn为第n和n+1 个波束的等信号方向。
采采用用这这种种方方法法测测量量目标仰角时目标仰角时, 若信噪比为若信噪比为20 dB, 精度可达精度可达θ0.5β的的1/10左右左右 7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 –收发都用多波束–接收多波束，发射宽波束，收发覆盖相同空域–接收多波束用得较多，因为：•功率弱，技术上易实现，控制和处理灵便功率弱，技术上易实现，控制和处理灵便–多波束形成方法•空间馈电、射频延迟线、移相法、子天线阵、中频延迟线、空间馈电、射频延迟线、移相法、子天线阵、中频延迟线、 光频光频（光纤实现）（光纤实现）7.6.5 多波束形成技术多波束形成技术 7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 v 1. 射频延迟线多波束形成系统射频延迟线多波束形成系统 图图 7.65 高频延迟线多波束形成系统高频延迟线多波束形成系统 各阵列元阵列元接收到的信号信号通过水平平行放置的传输波导水平平行放置的传输波导, 再经定向耦合定向耦合器耦合到倾斜放置的多根相加波导中相加器耦合到倾斜放置的多根相加波导中相加, 并分别送到各自的接收通道分别送到各自的接收通道相邻阵元的信号相邻阵元的信号到达相加波导相加相加波导相加时, 由于存在路径差路径差Δl, 两者间将引入一个相相位差位差Δφ(=2π(Δl-nλg)/λg, n为某个整数，λg为波导波长)。
7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 这这就就意意味味着着波波束束偏偏在在某某个个方方向向, 只只有有该该方方向向来来的的回回波波信信号号, 其其波波程程差差引引起起的的相相位位差差才才能能与与Δφ抵抵消消, 使使各各路路信信号号在在相相加加波波导导中中同同相相相相加加, 接接收收机机输入信号输入信号最大最大 其波束指向角波束指向角θ0与与Δl的的关系关系为其中，d为相邻阵列元之间的距离；λ为自由空间波长7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 由于各各条条相相加加波波导导放放置置的的倾倾斜斜角角β不不同同, Δl不不同同, 因而各各条条相相加加波波导导所所相相应应的的波波束束指指向向也也就就不不同同每每个个接接收收通通道道对对应应一一个个波波束束指指向向, M根根β角角不同的相加波导及相应多个接收通道就对应着不同的相加波导及相应多个接收通道就对应着M个波束个波束 由图不难求出7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 v 2. 用移相法获得多波束的系统用移相法获得多波束的系统 图7.66每每个个阵阵列列元元接接收收到到的的信信号号经放放大大后均均分分成成三三路路通过三三个个移移相相器器, 然后按按一一定定规规律律三三路路一一组组相相加加，形成三三个个波波束束。
三个波束的指指向向角角分分别别为为-θ0, 0, θ0,相相应应于于相相邻邻阵阵元元之之间间引引入入的的相相位差位差7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 d为相邻阵元的间距若若相相位位差差Δφ不不变变, 则三三个个波波束束是是固固定定的的, 若若Δφ可可变变, 则波波束束在在空空间间可可进进行行扫扫描描这这里里的的移移相相器器组组(波束形成网络)可以放放在射频部分在射频部分, 也可以放在中频部分放在中频部分 -Δφ, 0, Δφθ0与与Δφ的关系的关系为 7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 v 3. 中频延迟多波束形成系统中频延迟多波束形成系统 图7.68因因为为经经与与同同一一本本振振信信号号源源混混频频后后各各阵阵元元接接收收的的信信号号之之间间的的相相位位差差保保持持不不变变, 再通通过过中中频频延延迟迟线线, 也可以在在相相邻邻阵阵元之间引入所需的相位差元之间引入所需的相位差 每每个个阵阵列列元元接接收收到到的的信信号号经经变变频频和和中中放放后, 分分别别激激励励一一条条延延迟迟线线, 从每条延迟线的适适当当位位置置抽抽取取信信号号相相加加就可合合成成波波束束, 依依靠靠选选定定不不同同的的抽抽头头位位置置即可形成指向不同的多个波束形成指向不同的多个波束。
图 7.417.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 7.6.6 高度测量高度测量 根据测得的目标斜距和仰角, 并考虑到地球曲率和大气折射地球曲率和大气折射的影响, 可按图 7.70 所示的几何关系计算目标高度图中R为目标的斜距; β为目标的仰角; ht是目标的高度; ha是雷达天线的高度; ae为考虑大气折射后的地球等效半径, 当大气折射系数随高度的变化梯度为-0.039×10-8m时,ae=(4/3)a=8490 km; a=6370km, 为地球曲率半径 大气折射使电波传播路径发生弯曲, 采用等效半径后, 可认为可认为电波仍按电波仍按直线传播直线传播图图 7.70 目标高度的计算目标高度的计算7.6 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 由余弦定理 用二项式展开后, 忽略二次方以上各项, 并利用ha<
图图 7.71 圆锥扫描圆锥扫描 (a) 锥扫波束锥扫波束; (b) 垂直于等信号轴的截面垂直于等信号轴的截面 如果取一个垂直于等信号轴的平面, 则波束截面及波束中心(最大幅射方向)的运动轨迹等如图 7.71(b)所示 图图 7.71 圆锥扫描圆锥扫描(a) 锥扫波束锥扫波束; (b) 垂直于等信号轴的截面垂直于等信号轴的截面 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 波束在作圆锥扫描的过程中, 绕着天线旋转轴旋转, 因因天天线线旋旋转转轴轴方方向向是是等等信信号号轴轴方方向向, 故故扫扫描描过过程程中中这这个个方方向向天天线线的的增增益益始始终终不不变变当当天天线线对准目标时对准目标时, 接收机输出的回波信号为一串等幅脉冲接收机输出的回波信号为一串等幅脉冲 如如果果目目标标偏偏离离等等信信号号轴轴方方向向, 则在扫描过程中波波束束最最大大值值旋旋转转在在不不同同位位置置时时, 目目标标有有时时靠靠近近有有时时远远离离天天线线最最大大辐辐射射方方向向, 这使得接接收收的的回回波波信信号号幅幅度度也也产产生生相相应应的的强强弱弱变变化化。
下面要证明, 输输出出信信号号近近似似为为正正弦弦波波调调制制的的脉脉冲冲串串, 其调调制制频频率率为为天天线线的的圆圆锥锥扫扫描描频频率率ωs, 调调制制深深度度取决于目目标标偏偏离离等等信信号号轴轴方方向向的的大大小小, 而调调制制波波的的起起始始相相位位φ则由目目标标偏偏离离等等信信号号轴轴的的方向决定方向决定 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 在跟踪状态时, 通常误差ε很小而满足ε<<δ, 由简单的几何关系可求得θ角的变化规律为 θ≈δ-εcos (ωst-φ0) φ0为OA与x轴的夹角;θ为为目目标标偏偏离离波波束束最最大大方方向向的的角角度度, 它决定了目目标标回回波波信信号号的的强强弱弱设收发共用天线, 且其天线波束电压方向性函数为F(θ), 则收到的信号电压振幅收到的信号电压振幅为 U=kF2(θ)=kF2(δ-εcos(ωst-φ0)) 将上式在δ处展开成台劳级数并忽略高次项, 则得到 (7.5.1) 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 式中，U0=kF2(δ), 为天线轴线对准目标时收到的信号电压振幅。
式(7.5.1)表明, 对对脉脉冲冲雷雷达达来来讲讲, 当当目目标标处处于于天天线线轴轴线线方方向向时时, ε=0, 收收到到的的回回波波是是一一串串等等幅幅脉脉冲冲; 如如果果存存在在ε时时, 收收到到的的回回波波是是振振幅幅受受调调制制的的脉脉冲冲串串, 调调制频率等于天线锥扫频率制频率等于天线锥扫频率ωs, 而调制深度而调制深度 正比于误差角度ε 定义测角率 为单位误差角产生的调制度, 它表征角误差鉴别器的灵敏度 (7.5.1) 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 误差信号uc=Umcos(ωst-φ0)=U0m cos(ωst-φ0)的振幅Um表示目标偏离等信号轴的大小, 而初相φ0则表示目标偏离的方向, 例如, φ0 =0 表示目标只有方位误差 跟踪雷达中通常有方方位位角角和仰仰角角两个角度跟踪系统, 因而要要将将误误差差信信号号uc分分解解为为方方位位和和仰仰角角误误差差两两部部分分, 以控控制制两两个个独独立立的的跟跟踪踪支支路路 其数学表达式，为 uc=Umcos(ωst-φ0)=Umcosφ0 cosωst+Umsinφ0 sinωst 即 分 别 取 出 方 位 角 误 差Umcosφ0=U0ηεcosφ0和 仰 角 误 差Um sinφ0=U0ηεsinφ0。
误误差差电电压压分分解解的的办办法法是是采采用用两两个个相相位位鉴鉴别别器器, 相相位位鉴鉴别别器器的的基基准准电电压压分分别别为为Ukcosωst和和Uksinωst, 基基准准电电压压取取自自和和天天线线头头扫扫描描电电机同轴的基准电压发电机机同轴的基准电压发电机 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 圆圆锥锥扫扫描描雷雷达达中中, 波波束束偏偏角角δ的的选选择择影影响响甚甚大大增大δ时该点方向图斜率F′(δ)亦增大, 从而使测角率测角率 加加大大, 有有利利于于跟跟踪踪性性能能与此同时, 等等信信号号轴轴线线上上目目标标回回波波功功率率减减小小, 波波束束交交叉叉损损失失Lk(与与波波束束最最大大值值对对准准时时比比较较)随随δ增增大大而而增增加加, 它将降降低低信信噪噪比比而对性能不利综合考虑, 通常选δ=0.3θ0.5左右较合适, θ0.5为半功率波束宽度 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 2. 圆锥扫描雷达的组成圆锥扫描雷达的组成 图图 7.72 圆锥扫描雷达组成方框图圆锥扫描雷达组成方框图7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 图图 7.73 一个向着雷达站飞行的目标的接收信号的高频波形一个向着雷达站飞行的目标的接收信号的高频波形 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 这样的误差信号将使系统的角灵敏度变化，如果不设法消除，将使系统工作性能变坏。
必须在接收机里加上自动增益控制电路，用以消除目标距离及目标截面积大小等对输出误差电压幅度的影响，使输出误差电压只取决于误差角而与距离等因素无关 7.7.3 振幅和差单脉冲雷达振幅和差单脉冲雷达 Ø 1. 振幅和差式单脉冲雷达振幅和差式单脉冲雷达 (1) 角角误误差差信信号号 雷达天线在一个角平面内有两两个个部部分分重重叠叠的波束, 如图7.74(a)所示, 振振幅幅和和差差式式单单脉脉冲冲雷雷达达取取得得角角误误差差信信号号的的基基本本方方法法是是将将这这两两个个波波束束同同时时收收到到的的信信号号进进行行和和、、差差处处理理, 分别得到和信号与差信号分别得到和信号与差信号图图7.74 振幅和差式单脉冲雷达波束图振幅和差式单脉冲雷达波束图7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 图 7.74(b)、(c)所示 其中差信号即为该该角角平平面面内内的的角角误误差差信信号号 由由图图7.74(a)可可以以看看出出; 若若目目标标处处在在天天线线轴轴线线方方向向(等等信信号号轴轴), 误误差差角角ε=0, 则则两两波波束束收收到到的的回回波波信信号号振振幅幅相相同同, 差差信信号号等等于于零零。
目目标标偏偏离离等等信信号号轴轴而而有有一一误误差差角角ε时时, 差差信信号号输输出出振振幅幅与与ε成成正正比比而而其其符符号号(相相位位)则则由由偏偏离离的的方方向向决决定定和和信信号号除除用用作作目目标标检检测测和和距距离离跟跟踪踪外外, 还还用用作作角角误差信号的相位基准误差信号的相位基准图图7.74 振幅和差式单脉冲雷达波束图振幅和差式单脉冲雷达波束图7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 (2) 和和差差比比较较器器与与和和差差波波束束 和和差差比比较较器器(和和差差网网路路)是单脉冲雷达的重要部件, 由由它它完完成成和和、、差差处处理理, 形形成成和和差差波波束束用得较多的是双双T接接头头, 如图 7.75(a)所示, 它有四个端口; Σ(和)端、 Δ(差)端和 1、2 端 假定四个端都是匹配的, 则从从Σ端端输输入入信信号号时时, 1、、2 端端便便输输出出等等幅幅同同相相信信号号, Δ端端无无输输出出; 若若从从1、、2 端端输输入入同同相相信信号号, 则则Δ端端输输出出两两者者的的差差信信号号, Σ端端输输出出和和信信号号 和差比较器的示意图如图 7.75(b)所示, 它的1、2 端与形成两个波束的两相邻馈源 1、2 相接。
图图 7.75 双双T接头及和差比较器示意图接头及和差比较器示意图 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 发发射射时时, 从从发发射射机机来来的的信信号号加加到到和和差差比比较较器器的的Σ端端, 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FΣ(θ), 如图如图 7.74(b)所示所示 接接收收时时, 回回波波脉脉冲冲同同时时被被两两个个波波束束的的馈馈源源所所接接收收两两波波束束接接收收到到的的信信号号振振幅幅有有差差异异(视视目目标标偏偏离离天天线线轴轴线线的的程程度度), 但但相相位位相相同同(为了实现精密跟踪, 波束通常做得很窄, 对处在和波束照射范围内的目标, 两馈源接收到的回波的波程差可忽略不计)这两个相位相同的信号分别加到和差比较器的 1、2 端7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 这时, 在在Σ(和和)端端, 完完成成两两信信号号同同相相相相加加, 输输出出和和信信号号设设和信号为EΣ, 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无关。
假假定定两个波束的方向性函数完全相同, 设为F(θ), 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Σ端时保持不变, 两波束相对天线轴线的偏角为δ, 则对于θ方向的目标, 和信号的振幅为 式中，FΣ(θ)=F(δ-θ)+F(δ+θ)，为为接接收收和和波波束束方方向向性性函函数数, 与与发发射射和和波波束束的的方方向向性性函函数数完完全全相相同同; 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 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 在在和和差差比比较较器器的的Δ(差差)端端, 两两信信号号反反相相相相加加, 输输出出差差信信号号, 设设为为EΔ若到达Δ端的两信号用E1、E2表示, 它们的振幅仍为E1、 E2, 但相位相反, 则差信号的振幅为 EΔ=｜EΔ｜=｜E1-E2｜ EΔ与方向角θ的关系用上述同样方法求得 EΔ=kFΣ(θ)［F(δ-θ)-F(δ+θ)］ =kFΣ(θ)FΔ(θ) 式中 FΔ(θ)=F(δ-θ)-F(δ+θ) 即和差比较器Δ端对应的接收方向性函数为原来两方向性函数之差, 其方向图如图 7.74(c)所示, 称为差波束差波束。
7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 现假定目标的误差角为ε, 则差信号振幅为EΔ=kFΣ(ε)FΔ (ε)在跟踪状态, ε很小, 将FΔ(ε)展开成台劳级数并忽略高次项, 则 因ε很小, 上式中FΣ(ε)≈FΣ(0); η=FΔ′(0)/FΣ(0) 由由上上式式可可知知, 在在一一定定的的误差角范围内误差角范围内, 差信号的振幅差信号的振幅EΔ与误差角与误差角ε成正比成正比 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 EΔ的的相相位位与与E1、、E2中中的的强强者者相相同同 例如, 若目标偏在波束 1 一侧, 则E1＞E2, 此时EΔ与E1同相, 反之, 则与E2同相由由于于在在Δ端端E1 、、E2相相位位相相反反, 故故目目标标偏偏向向不不同同, EΔ的的相相位位差差 180° 因此, Δ端输出差信号的振幅大小表明了目标误差角ε的大小, 其其相相位位则则表表示示目目标标偏偏离离天天线线轴轴线线的的方方向向 和差比较器可以做到使和信号EΣ的相位与E1、E2之一相同由由于于EΣ的的相相位位与与目目标标偏偏向向无无关关, 所以只只要要用用和和信信号号EΣ的的相相位位为为基基准准, 与与差差信信号号EΔ的相位作比较的相位作比较, 就可以鉴别目标的偏向。
就可以鉴别目标的偏向 总之, 振幅和差单脉冲雷达依靠和差比较器的作用得到图 7.74 所示的和、 差波束, 差差波波束束用用于于测测角角, 和和波波束束用用于于发发射射、、 观观察察和和测测距距, 和和波波束束信信号还用作相位比较的基准号还用作相位比较的基准 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 (3) 相相位位检检波波器器和和角角误误差差信信号号的的变变换换和和差差比比较较器器Δ端端输输出出的的高高频频角角误误差差信信号号还还不不能能用用来来控控制制天天线线跟跟踪踪目目标标, 必必须须把把它它变变换换成成直直流流误误差差电电压压, 其其大大小小应应与与高高频频角角误误差差信信号号的的振振幅幅成成比比例例, 而而其其极极性性应应由由高高频频角角误误差差信信号号的的相相位位来来决决定定这一变换作用由相相位位检检波波器器完成为此, 将将和和、、差差信信号号通通过过各各自自的的接接收收通通道道, 经经变变频频中中放放后后一一起起加加到到相相位位检检波波器器上上进进行行相相位位检检波波, 其中和信号为基准信号和信号为基准信号相位检波器输出为 U=KdUΔcos φ 其中，UΔ∝EΔ, 为中频差信号振幅; φ为和、差信号之间的相位差, 这里φ=0 或φ=π, 因此 φ=0 φ=π 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 因为加加在在相相位位检检波波器器上上的的中中频频和和、、差差信信号号均均为为脉脉冲冲信信号号, 故相位检波器输出为正或负极性的视频脉冲正或负极性的视频脉冲(φ=π为负极性), 其幅度与差信号的振幅即目标误差角ε成比例, 脉冲的极性脉冲的极性(正或负正或负)则反映了目标偏离天线则反映了目标偏离天线轴线的方向轴线的方向。
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图 7.76 画出了相位检波器输出视频脉冲幅度U与目标误差角ε的关系曲线, 通常称为角鉴角鉴别特性别特性图图 7.76 角鉴别特性角鉴别特性 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 (4) 单单平平面面振振幅幅和和差差单单脉脉冲冲雷雷达达的的组组成成根据上述原理, 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 7.77 所示系系统统的的简简单单工工作作过过程程为为: 发发射射信信号号加加到到和和差差比比较较器器的的Σ端端, 分分别别从从 1、、2 端端输输出出同同相相激激励两个馈源励两个馈源7.77单平面振幅和差单脉冲雷达的简化框图单平面振幅和差单脉冲雷达的简化框图7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 图图 7.77 单平面振幅和差单脉冲雷达简化方框图单平面振幅和差单脉冲雷达简化方框图 接接收收时时, 两两波波束束的的馈馈源源接接收收到到的的信信号号分分别别加加到到和和差差比比较较器器的的 1、、2 端端, Σ端输出和信号, Δ端输出差信号(高频角误差信号)。
和和、、差差两两路路信信号号分分别别经经过过各各自自的的接接收收系系统统(称称为为和和、、差差支支路路)中放后, 差差信信号号作作为为相相位位检检波波器器的一个输入信号的一个输入信号, 和信号分三路和信号分三路: 一路一路经检波视放后作为测距和显示用经检波视放后作为测距和显示用; 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 另另一一路路用用作作和和、、差差两两支支路路的的自自动动增增益益控控制制, 再再一一路路作作为为相相位位检检波波器器的的基基准准信信号号和、差两中频信号在相位检波器进行相位检波, 输输出出就就是是视视频频角角误误差差信信号号, 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和圆圆锥锥扫扫描描雷雷达达一一样样, 进进入入角角跟跟踪踪之之前前, 必必须须先先进进行行距距离离跟跟踪踪, 并并由由距距离离跟跟踪踪系系统统输输出出一一距距离离选选通通波波门门加加到到差差支支路路中中放放, 只只让让被被选选目目标标的的角角误误差差信号通过信号通过 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 (5) 自自动动增增益益控控制制。
为为了了消消除除目目标标回回波波信信号号振振幅幅变变化化(由由目目标标大大小小、、距距离离、、有有效效散散射射面面积积变变化化引引起起)对对自自动动跟跟踪踪系系统统的的影影响响, 必必须须采采用用自自动动增增益益控控制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 可可以以证证明明, 由由和和支支路路信信号号作作自自动动增增益益控控制制后后, 和和支支路路输输出出基基本本保保持持常常量量, 而而差差支支路路输输出出经经归归一一化化处处理理后后其其误误差差电电压压只只与与误误差差角角ε有有关关而而与与回回波波幅度变化无关幅度变化无关 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 为为了了对对空空中中目目标标进进行行自自动动方方向向跟跟踪踪, 必必须须在在方方位位和和高高低低角角两两个个平平面面上上进进行行角角跟跟踪踪, 因而必须获得方位和高低角误差信号为此, 需需要要用用四四个个馈馈源源照照射射一一个个反反射射体体, 以以形形成成四四个个对对称称的的相相互互部部分分重重叠叠的的波波束束。
在在接接收收机机中中, 有有四四个个和和差差比比较较器器和和三三路路接接收收机机(和和支支路路、、 方方位位差差支支路路、、高高低低角角差差支路支路), 两个相位鉴别器和两路天线控制系统两个相位鉴别器和两路天线控制系统等7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 Ø 2. 双平面振幅和差单脉冲雷达双平面振幅和差单脉冲雷达 图图 7.79 双平面振幅和差单脉冲雷达原理方框图双平面振幅和差单脉冲雷达原理方框图 图 7.79 中A、B、C、D分别代表四个馈源显然, 如如四四个个馈馈源源同同相相辐辐射射共共同同形形成成和和方方向向图图接接收收时时, 四四馈馈源源接接收收信信号号之之和和(A+B+C+D)为为和和信信号号(比较器比较器 3 的的Σ端的输出端的输出); (A+C)-(B+D)为方位角为方位角7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 误误差差信信号号(比比较较器器 3 的的Δ端端输输出出); (A+B)-(C+D)为为高高低低角角误误差差信信号号(比比较较器器 4 的的Σ端输出端输出); 而而(A+D)-(B+C)为无用信号为无用信号, 被匹配吸收负载所吸收。
7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 如如果果用用抛抛物物面面反反射射体体产产生生两两组组(方方位位和和仰仰角角)相相互互部部分分重重叠叠的的波波束束, 则则其馈源可采用多个偏焦且对称配置的喇叭或一个多模馈源喇叭其馈源可采用多个偏焦且对称配置的喇叭或一个多模馈源喇叭 我们知道, 雷达接收信号功率与天线轴向增益平方成正比, 在单脉冲雷达中, 也就是与与和和波波束束增增益益平平方方成成正正比比而测角灵敏度则与波束交叠处的斜率有关, 通常用差波束在θ=0 处的斜率表示这个斜率称为差斜率它与差波束(因而与相互交叠产生差波束的每个独立波束)的宽度和最大辐射方向的增益有关产产生生差差波波束束的的各各独独立立波波束束的的最最大大增增益益越越大大, 差差波波束束的的最最大大增增益益就就越越大大, 差差斜斜率率也也就就越越大大, 测测角角越越灵灵敏敏, 因因而而测测角角精精度度就就越越高高我们希望和和、、差差波波束束最最大大辐辐射射方方向向的的增增益益都都能能达达到到最最大大, 使使测测距距和和测测角角的的性性能能都达到最佳都达到最佳 Ø 3. 振幅和差单脉冲雷达的馈源振幅和差单脉冲雷达的馈源 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 图图 7.80 最佳照射及和差矛盾最佳照射及和差矛盾(a) 最佳照射最佳照射; (b) 和最佳和最佳; (c) 差最佳差最佳 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 图图 7.81 满足和、差波束最佳时的馈源分布满足和、差波束最佳时的馈源分布 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 图图 7.82 五喇叭馈源五喇叭馈源(a) 理想馈源口径场分布理想馈源口径场分布; (b) 五喇叭馈源结构五喇叭馈源结构 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 图图 7.83 五模馈源五模馈源 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 7.7.4 相位和差单脉冲雷达相位和差单脉冲雷达 图 7.84，它的天线由两个相隔数个波长的天线孔径组成, 每每个个天天线线孔孔径径产产生生一一个个以以天天线线轴轴为为对对称称轴轴的的波波束束, 在在远远区区, 两两方方向向图图几几乎乎完完全全重重叠叠, 对对于于波波束束内内的的目目标标, 两两波波束束所所收收到到的的信信号号振振幅幅是是相相同同的的。
当当目目标标偏偏离离对对称称轴轴时时, 两天线接收信号由于波程差引起的相位差为两天线接收信号由于波程差引起的相位差为 图图 7.84 相位和差单脉冲雷达原理方框图相位和差单脉冲雷达原理方框图 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 当θ很小时, 式中，d为天线间隔; θ为目标对天线轴的偏角所以二天线收到的回波为相位相差φ而幅度相同的信号, 通过和差比较器取出和信号与差信号利用图 7.85 上的矢量图, 可求得和信号EΣ与差信号EΔ和信号为 图图 7.85 矢量图矢量图 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 差信号为 当θ很小时， 图图 7.85矢量图矢量图 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 设设目目标标偏偏在在天天线线 1一一边边, 各各信信号号相相位位关关系系如如图图 7.85 所所示示, 若若目目标标偏偏在在天天线线 2一一边边, 则则差差信信号号矢矢量量的的方方向向与与图图 7.85 所所示示的的相相反反, 差差信信号号相相位位也也反反相相所以差差信信号号的的大大小小反反映映了了目目标标偏偏离离天天线线轴轴的的程程度度, 其其相相位位反反映映了了目目标标偏偏离离天天线线轴轴的的方方向向。
由图7.85 还看出，和、差信号相位相差 90°, 为了用相位检波器进行比相, 必须把其中一路预先移相 90°图图 7.84 中中，，将将和和、、 差差两两路路信号经同一本振混频放大后信号经同一本振混频放大后, 差信号预先移相差信号预先移相 90°,然后加到相位然后加到相位检检波波器器上上, 相相位位检检波波器器输输出出电电压压即即为为误误差差电电压压, 其余各部分的工作情况同振幅和差单脉冲雷达, 不再重复 图图 7.85 矢量图矢量图 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 7.7.5 圆锥扫描系统与单脉冲系统的比较圆锥扫描系统与单脉冲系统的比较 1. 角跟踪精度角跟踪精度 (1) 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, 在在此此期期间间, 目目标标振振幅幅起起伏伏噪噪声声也也叠叠加加在在锥锥扫扫调调制制信信号号(角角误误差差信信号号)上上形形成成干干扰扰, 而而自自动动增增益益控控制制电电路路的的带带宽宽又又不不能能太太宽宽, 以以免免将将频频率率为为锥锥扫扫频频率率的的角角误误差差信信号号也也平平滑滑掉掉, 因因而而不不能能消消除除目目标标振振幅幅起起伏伏噪噪声声的的影影响响, 在在锥锥扫扫频频率率附附近近一一定定带带宽宽内内的的振振幅幅起起伏伏噪噪声声可可以以进进入入角角跟跟踪踪系系统统。
引引起起测测角角误误差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 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 (2) 圆圆锥锥扫扫描描雷雷达达的的角角误误差差信信号号以以调调制制包包络络的的形形式式出出现现, 它它的的能能量量存存在在于于上上、、下下边边频频的的两两个个频频带带内内, 而而单单脉脉冲冲雷雷达达的的角角误误差差信信息息只只存存在在于于一一个个频频带带内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 0.1~0.2 密位 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 2. 天线增益和作用距离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单脉脉冲冲用用和和波波束束测测距距, 差差波波束束测测角角, 合合理理设设计计馈馈源源可可使使和和波波束束的的增增益益与与差差波波束束的的增增益益同同时时最最大大, 因因而而使使测测距距测测角角性性能能最最佳佳。
而而对对于于圆圆锥锥扫扫描描雷雷达达, 由由于于其其天天线线波波束束偏偏离离天天线线轴轴线线一一个个角角度度(通通常常选选波波束束偏偏角角δ=0.25θ0.5, 即即等等信信号号轴轴在在双双程程方方向向图图的的半半功功率率点点), 跟跟踪踪时时收收到到的的信信号号功功率率比比单单脉脉冲冲雷雷达达约约小小 3 dB, 因因而而在在相相同同天天线线增增益益、、 发发射射功功率率、、接接收收机机噪噪声声系系数数情情况况下下, 单单脉脉冲冲雷雷达达比比圆圆锥锥扫扫描描雷雷达达作作用用距距离离远远, 测测距距精精度度高高并且, 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% 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 3. 角信息的数据率角信息的数据率 单单脉脉冲冲雷雷达达比比圆圆锥锥扫扫描描雷雷达达高高单脉冲雷达理论上讲只要一个脉冲就可获得一次角信息, 数据率为fr(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fr/4, 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fr /10。
4. 抗干扰能力抗干扰能力 圆圆锥锥扫扫描描雷雷达达易易受受敌敌方方的的回回答答式式干干扰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而单脉冲雷达没有回答式干扰的影响 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 5. 复杂程度复杂程度 单单脉脉冲冲雷雷达达在在结结构构上上和和技技术术上上复复杂杂, 需需要要多多个个性性能能完完善善的的宽宽频频带带馈馈源源和和高高频频和和差差比比较较器器, 多多路路接接收收机机要要求求性性能能一一致致, 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, 加工工艺要求高圆锥扫描雷达只要一路接收机, 结构简单, 加工也容易 因此，要要求求精精密密跟跟踪踪尤尤其其是是远远程程精精密密跟跟踪踪的的雷雷达达常常用用单单脉脉冲冲体体制制但但对对于于测测量量精精度度要要求求不不高高的的雷雷达达可可采采用用圆圆锥锥扫扫描描体体制制。
如果对信标(装在目标上)进行跟踪, 目标振幅噪声的影响可以忽略, 这时简单的圆锥扫描雷达可以达到和单脉冲雷达大体相同的测量精度, 也是可以考虑的选择 7.7 自动测角的原理和测角精度自动测角的原理和测角精度 第七章第七章 作业作业 第七章第七章 作业作业 第七章第七章 作业作业 。