第 7 章角度测量

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1、第 7 章 角度测量 第 7 章 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 三坐标雷达三坐标雷达 7.5 自动测角的原理和方法自动测角的原理和方法 第 7 章 角度测量 7.1 概概 述述 为为了了确确定定目目标标的的空空间间位位置置, , 雷雷达达在在大大多多数数应应用用情情况况下下, , 不不仅仅要要测测定定目目标标的的距距离离, , 而而且且还还要要测测定定目目标标的的方方向向, , 即即测测定定目目标标的的角角坐坐标标, , 其其中包括目标的中包括目标的方位角方位角和和高低角高低角( (仰角仰角) )。

2、雷雷达达测测角角的的物物理理基基础础是是电电波波在在均均匀匀介介质质中中传传播播的的直直线线性性和和雷雷达达天天线线的的方方向向性性。由由于于电电波波沿沿直直线线传传播播, , 目目标标散散射射或或反反射射电电波波波波前前到到达达的的方方向向, , 即即为为目目标标所所在在方方向向。但但在在实实际际情情况况下下, , 电电波波并并不不是是在在理理想想均均匀匀的的介介质质中中传传播播, , 如如大大气气密密度度、湿湿度度随随高高度度的的不不均均匀匀性性造造成成传传播播介介质质的的不不均均匀匀, , 复复杂杂的的地地形形地地物物的的影影响响等等, , 因因而而使使电电波波传传播播路路径径发发生生偏

3、偏折折, , 从从而而造造成成测测角角误误差差。通通常常在在近近距距测测角角时时, , 由由于于此此误误差差不不大大, , 仍仍可可近近似似认认为为电电波波是是直直线线传传播播的的。当当远远程程测测角角时时, , 应应根根据据传传播播介介质质的情况的情况, , 对测量数据对测量数据( (主要是仰角测量主要是仰角测量) )作出必要的修正。作出必要的修正。第 7 章 角度测量 天天线线的的方方向向性性可可用用它它的的方方向向性性函函数数或或根根据据方方向向性性函函数数画画出出的的方方向向图图表表示示。但但方方向向性性函函数数的的准准确确表表达达式式往往往往很很复复杂杂, , 为为便便于于工工程程计

4、计算算, , 常常用用一一些些简简单单函函数数来来近近似似, , 如如表表 7.1 所所示示。 方方向向图图的的主主要要技技术术指指标标是是半半功功率率波波束束宽宽度度0.5以以及及副副瓣瓣电电平平。在在角角度度测测量量时时0.5的的值值表表征征了了角角度度分分辨辨能能力力并并直直接接影影响响测测角角精精度度, , 副副瓣瓣电电平平则主要影响雷达的抗干扰性能。则主要影响雷达的抗干扰性能。 雷雷达达测测角角的的性性能能可可用用测测角角范范围围、测测角角速速度度、测测角角准准确确度度或或精精度度、角角分分辨辨力力来来衡衡量量。准准确确度度用用测测角角误误差差的的大大小小来来表表示示, , 它它包包

5、括括雷雷达达系系统统本本身身调调整整不不良良引引起起的的系系统统误误差差和和由由噪噪声声及及各各种种起起伏伏因因素素引引起起的的随随机机误误差差。而而测测量量精精度度由由随随机机误误差差决决定定。角角分分辨辨力力指指存存在在多多目目标标的的情情况况下下, , 雷雷达达能能在在角角度度上上把把它它们们分分辨辨开开的的能能力力, , 通通常常用用雷雷达达在在可可分分辨辨条条件件下下, , 同同距距离离的的两两目目标标间间的的最最小小角角坐坐标标之之差表示。差表示。第 7 章 角度测量 表表7.1 天线方向图的近似表示天线方向图的近似表示 第 7 章 角度测量 表表7.1 天线方向图的近似表示天线方

6、向图的近似表示 第 7 章 角度测量 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 7.2.1 相位法测角相位法测角1. 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。如如图图7.1 所所示示, 设设在在方方向向有有一一远远区区目目标标, 则则到到达达接接收收点点的的目目标标所所反反射射的的电电波波近近似似为为平平面面波波。由由于于两两天天线线间间距距为为d, 故故它它们们所所收到的信号由于存在波程差收到的信号由于存在波程差R而产生一相位差而产生一相位差, 由图由图 7.1知知(7.2.1)其其中中为为雷雷达

7、达波波长长。如如用用相相位位计计进进行行比比相相, 测测出出其其相相位位差差, 就就可可以确定目标方向以确定目标方向。 第 7 章 角度测量 图图7.1 相位法测角方框图相位法测角方框图第 7 章 角度测量 由由于于在在较较低低频频率率上上容容易易实实现现比比相相, , 故故通通常常将将两两天天线线收收到到的的高高频频信号经与同一本振信号差频后信号经与同一本振信号差频后, , 在中频进行比相。在中频进行比相。 设两高频信号为设两高频信号为 u1=U1cos(t-); u2=U2cos(t)本振信号为本振信号为 uL=ULcos(Lt+L)其中其中为两信号的相位差；为两信号的相位差；L为本振信号

8、初相。为本振信号初相。u1和和uL差频得差频得 uI1=UI1cos(-L)t-Lu2与与uL差频得差频得uI2=UI2cos(-L)t-L可见，两中频信号可见，两中频信号uI1与与uI2之间的相位差仍为之间的相位差仍为。第 7 章 角度测量 图图7.2 相位法测角方框图相位法测角方框图图图7.2 所所示示为为一一个个相相位位法法测测角角的的方方框框图图。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。其其中中自自动动增增益益控控制制电电路路用用来来保保证证中中频频信信号号幅幅度度稳稳定定, , 以以免免幅幅度度变变化化引引起起测测角误差。角

9、误差。第 7 章 角度测量 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) U2U1; (c) U2=1/2U1第 7 章 角度测量 为为讨讨论论方方便便, , 设设变变压压器器的的变变压压比比为为1 1, 电电压压正正方方向向如如图图 7.3(a)所所示示, 相相位位比比较较器器输输出出端端应应能能得得到到与与相相位位差差成成比比例例的的响响应应。为为此此目目的的, 当当相相位位差差为为的的两两高高频频信信号号加加到到相相位位检检波波器器之之前前, 其其中中之一要预先移相之一要预先移相 90 。因此相位检波。因此相位检波器两输入信号为器两输入信

10、号为u1=U1cos(t-)u2=U2=cos(t-90)U1、U2为为u1、u2的的振振幅幅, 通通常常应应保保持持为为常常值值。现现在在u1在在相相位位上上超超前前u2的数值为的数值为(90-)。 由图由图 7.3(a)知知：第 7 章 角度测量 当选取当选取U2U1时时, 由矢量图由矢量图 7.3(b)可可知知故相位检波器输出电压为故相位检波器输出电压为其其中中Kd为为检检波波系系数数。由由式式(7.2.2)可可画画出出相相位位检检波波器器的的输输出出特特性性曲曲线线, 如如图图 7.4(a)所所示示。测测出出Uo, 便便可可求求出出。 显显然然, 这这种种电电路路的的单单值值测测量量范

11、范围围是是-/2/2。当当30, UoKdU1, 输输出出电电压压Uo与与近近似为线性关系。似为线性关系。第 7 章 角度测量 当选取当选取1/2U1=U2时时, 由矢量图由矢量图 7.3(c)可求得可求得: :则输出则输出输输出出特特性性如如图图7.4(b)所所示示, 与与Uo有有良良好好的的线线性性关关系系, 但但单单值值测测量量范范围围仍仍为为-/2/2。为为了了将将单单值值测测量量范范围围扩扩大大到到 2, , 电电路上还需路上还需采取附加措施。采取附加措施。第 7 章 角度测量 图图7.4 相位检波器输出特性相位检波器输出特性(a)U2U1; (b)U2=1/2U1第 7 章 角度测

12、量 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, 它它们们之之间间的的关关系系如如下下将式将式(7.2.1)两两边取微分边取微分: : (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(d小小)的的相相位位计计, 或或减减小小/d值值(增增大大d/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=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d最最小小。当当增增大大, d也增大也增大, 为保证一定的测角精度为保证一定的测角精度, 的范围的范围有一定

13、的限制。有一定的限制。第 7 章 角度测量 增增大大d/虽虽然然可可提提高高测测角角精精度度, 但但由由式式(7.2.1)可可知知, 在在感感兴兴趣趣的的范范围围(测测角角范范围围)内内, 当当d/加加大大到到一一定定程程序序时时, 值值可可能能超超过过 2, 此此时时=2N+, 其其中中N为为整整数数; 2, 而而相相位位计计实实际际读读数数为为值。值。 由由于于N值值未未知知, 因因而而真真实实的的值值不不能能确确定定, 就就出出现现多多值值性性(模模糊糊)问问题题。必必须须解解决决多多值值性性问问题题, 即即只只有有判判定定N值值才才能能确确定定目目标标方方向向。比比较较有有效效的的办办

14、法法是是利利用用三三天天线线测测角角设设备备, 间间距距大大的的 1、3 天天线线用用来来得得到到高高精精度度测测量量, 而而间间距距小小的的 1、2 天天线线用用来来解解决决多多值性值性, 如图如图7.5所示。所示。第 7 章 角度测量 图图7.5 三天线相位法测角原理三天线相位法测角原理示意图示意图 第 7 章 角度测量 设设目目标标在在方方向向。天天线线 1、2 之之间间的的距距离离为为d12, 天天线线 1、3 之之间间的的距距离离为为d13, 适适当当选选择择d12, 使使天天线线 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在测角范围内均满足围内均满足: :(7.2

15、.4)12由相位计由相位计 1 读出。读出。根据要求根据要求, , 选择较大的选择较大的d13, 则天线则天线 1、3收到的信号的相位差为收到的信号的相位差为第 7 章 角度测量 13由由相相位位计计2读读出出, 但但实实际际读读数数是是小小于于 2的的。为为了了确确定定N值值, , 可利用如下关系可利用如下关系: :(7.2.5)根根据据相相位位计计1 的的读读数数12可可算算出出13, 但但12包包含含有有相相位位计计的的读读数数误误差差, 由由式式(7.2.5)标标出出的的13具具有有的的误误差差为为相相位位计计误误差差的的d13/d12倍倍, 它它只只是是式式(7.2.4)的的近近似似

16、值值, 只只要要12的的读读数数误误差差值值不不大大, 就就可可用用它它确确定定N, 即即把把(d13/d12)12除除以以 2, 所所得得商商的的整整数数部部分分就就是是N值值。然然后后由由式式(7.2.4)算算出出13并并确确定定。由由于于d13/值较大值较大, , 保证了所要保证了所要求的测角精度。求的测角精度。第 7 章 角度测量 7.2.2 振幅法测角振幅法测角 1. 1. 最大信号法最大信号法当当天天线线波波束束作作圆圆周周扫扫描描或或在在一一定定扇扇形形范范围围内内作作匀匀角角速速扫扫描描时时, , 对对收收发发共共用用天天线线的的单单基基地地脉脉冲冲雷雷达达而而言言, , 接接

17、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在方方向向, , 如如图图 7.6(b)7.6(b)的的所所示示。如如天天线线转转动动角角速速度度为为ar/min, 脉脉冲冲雷雷达达重重复复频率为频率为fr, , 则两脉冲间则两脉冲间的天线转角为的天线转角为这这样样, , 天天线线轴轴线线( (最最大大值值) )扫扫过过目目标标方方向向(t)时时, 不不一一定定有有回回波波脉冲脉冲, 就是说就是说, s将产生相应的

18、将产生相应的“量化量化”测角误差。测角误差。第 7 章 角度测量 在在人人工工录录取取的的雷雷达达里里, , 操操纵纵员员在在显显示示器器画画面面上上看看到到回回波波最最大大值值的的同同时时, , 读读出出目目标标的的角角度度数数据据。采采用用平平面面位位置置显显示示(PPI)二二度度空空间间显显示示器器时时, , 扫扫描描线线与与波波束束同同步步转转动动, , 根根据据回回波波标标志志中中心心( (相相当当于于最最大大值值) )相相应应的的扫扫描描线线位位置置, , 借借助助显显示示器器上上的的机机械械角角刻刻度或电子角刻度读出目标的角坐标。度或电子角刻度读出目标的角坐标。第 7 章 角度测

19、量 在在自自动动录录取取的的雷雷达达中中, , 可可以以采采用用以以下下办办法法读读出出回回波波信信号号最最大大值值的的方方向向: : 一一般般情情况况下下, , 天天线线方方向向图图是是对对称称的的, , 因因此此回回波波脉脉冲冲串串的中心位置就是其最大值的方向。的中心位置就是其最大值的方向。测测读读时时可可先先将将回回波波脉脉冲冲串串进进行行二二进进制制量量化化, , 其其振振幅幅超超过过门门限限时时取取“1”, 否否则则取取“0”, 如如果果测测量量时时没没有有噪噪声声和和其其它它干干扰扰, 就就可可根根据据出出现现“1”和和消消失失“1”的的时时刻刻, 方方便便且且精精确确地地找找出出

20、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, 两两者者的的中中间间值值就就是是目目标标的的方方向向。 通通常常, 回回波波信信号号中中总总是是混混杂杂着着噪噪声声和和干干扰扰, 为为减减弱弱噪噪声声的的影影响响, 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, 如如图图 7.6(b)中中的的实实线线所所示示, , 积积累累后后的的输输出出将将产产生生一一个个固固定定迟迟延延( (可可用用补补偿偿解解决决), ), 但可提高测角精度。但可提高测角精度。第 7 章 角度测量 最最大大信信号号法法测测角角也也可可采采用用闭闭环环的的角角度度波波门门跟跟踪踪进进行

21、行, , 如如图图 7.6(b)中中的的、 所所示示, , 它它的的基基本本原原理理和和距距离离门门做做距距离离跟跟踪踪相相同。同。 用角波门技术作角度测量时的精度用角波门技术作角度测量时的精度( (受受噪声影响噪声影响) )为为(7.2.6a)式式中中, , E/N0为为脉脉冲冲串串能能量量和和噪噪声声谱谱密密度度之之比比, Kp为为误误差差响响应应曲曲线线的的斜斜率率(图图 7.6(b)的的), B为为天天线线波波束束宽宽度度,Lp为为波波束束形形状状损损失失, (S/N)m是是中中心心脉脉冲冲的的信信噪噪比比; n=t0fr, , 为为单单程程半半功功率率点点波波束束宽宽度度内的脉冲数。

22、内的脉冲数。在最佳积分处理条件下可得到在最佳积分处理条件下可得到 , , 则得则得(7.2.6b)第 7 章 角度测量 最最大大信信号号法法测测角角的的优优点点一一是是简简单单; ; 二二是是用用天天线线方方向向图图的的最最大大值值方方向向测测角角, , 此此时时回回波波最最强强, , 故故信信噪噪比比最最大大, , 对对检检测测发发现现目目标标是是有利的。有利的。 其其主主要要缺缺点点是是直直接接测测量量时时测测量量精精度度不不很很高高, , 约约为为波波束束半半功功率率宽宽度度(0.5)的的20%左左右右。因因为为方方向向图图最最大大值值附附近近比比较较平平坦坦, , 最最强强点点不不易易

23、判判别别, , 测测量量方方法法改改进进后后可可提提高高精精度度。另另一一缺缺点点是是不不能能判判别别目目标标偏偏离离波波束束轴轴线线的的方方向向, , 故故不不能能用用于于自自动动测测角角。最最大大信信号号法测角广泛应用于搜索、引导雷达中。法测角广泛应用于搜索、引导雷达中。第 7 章 角度测量 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) 波型图波型图第 7 章 角度测量 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) 波型图波型图第 7 章 角度测量 2. 等信号法等信号法等等信信号号法法测测角角采采用用两两个个相相同同且且彼彼

24、此此部部分分重重叠叠的的波波束束, , 其其方方向向图图如如图图 7.7(a)所所示示。如如果果目目标标处处在在两两波波束束的的交交叠叠轴轴OA方方向向, 则则由由两两波波束束收收到到的的信信号号强强度度相相等等, 否否则则一一个个波波束束收收到到的的信信号号强强度度高高于于另另一一个个(如如图图7.7(b)所所示示)。 故故常常常常称称OA为为等等信信号号轴轴。当当两两个个波波束束收收到到的的回回波波信信号号相相等等时时, 等等信信号号轴轴所所指指方方向向即即为为目目标标方方向向。如如果果目目标标处处在在OB方方向向, 波波束束 2 的的回回波波比比波波束束 1 的的强强, 处处在在OC方方

25、向向时时, 波波束束 2 的的回回波波较较波波束束 1 的的弱弱, , 因因此此， 比比较较两两个个波波束束回回波波的的强强弱弱就就可可以以判判断断目目标标偏偏离离等等信信号号轴轴的的方方向向并并可可用用查查表表的的办办法法估计出偏离等信号轴的大小。估计出偏离等信号轴的大小。第 7 章 角度测量 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第 7 章 角度测量 设设天天线线电电压压方方向向性性函函数数为为F(), 等等信信号号轴轴OA的的指指向向为为0, 则则波波束束 1、2 的的方向性函数可分别写成方向性函数可分别写成: :F1()=F(1)=

26、F(+k-0)F2()=F(2)=F(-0-k)k为为0与与波波束束最最大大值值方方向向的的偏偏角角. 用用等等信信号号法法测测量量时时, 波波束束1接接收收到到的的回回波波信信号号 u1=KF1()=KF(k-t), 波波束束2收收到到的的回回波波电电压压值值 u2=KF2()=KF(-k-t)=KF(k+t), 式式中中t为为目目标标方方向向偏偏离离等等信信号号轴轴0的的角角度度。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t的信息。的信息。 第 7 章 角度测量 (1) 比幅法比幅法: : 求两信号幅度的比值求两信号幅度的比值根根据据比比值值的的大大小小可

27、可以以判判断断目目标标偏偏离离0的的方方向向, 查查找找预预先先制制定定的的表格就可估计出目标偏离表格就可估计出目标偏离0的数值。的数值。第 7 章 角度测量 (2) 和差法和差法: 由由u1及及u2可求得其差值可求得其差值(t)及和值及和值(t), 即即()=u1()-u2()=KF(k-t)-F(k+t)在等信号轴在等信号轴=0 附近附近, 差值差值()可近似表达为可近似表达为 而和信号而和信号(t)=u1()+u2()=KF(k-t)+F(k+t)在在0 0附近可近似表示为附近可近似表示为(t)2F(0)k第 7 章 角度测量 即可求得其和、差波束即可求得其和、差波束()与与(), 如图

28、如图 7.8 所示。所示。 归一化的归一化的和差值和差值(7.2.7)因因为为/正正比比于于目目标标偏偏离离0的的角角度度t, 故故可可用用它它来来判判读读角角度度t的的大小及方向。大小及方向。 等等信信号号法法中中, 两两个个波波束束可可以以同同时时存存在在, 若若用用两两套套相相同同的的接接收收系系统统同同时时工工作作, 则则称称同同时时波波瓣瓣法法; 两两波波束束也也可可以以交交替替出出现现, 或或只只要要其其中中一一个个波波束束, 使使它它绕绕OA轴轴旋旋转转, 波波束束便便按按时时间间顺顺序序在在 1、2位位置交替出现置交替出现, , 只要用一套接收系统工作只要用一套接收系统工作,

29、, 则称顺序波瓣法。则称顺序波瓣法。第 7 章 角度测量 图图7.8 和差法测角和差法测角第 7 章 角度测量 等信号法的主要优点是等信号法的主要优点是: : (1) 测测角角精精度度比比最最大大信信号号法法高高, 因因为为等等信信号号轴轴附附近近方方向向图图斜斜率率较较大大, 目目标标略略微微偏偏离离等等信信号号轴轴时时, 两两信信号号强强度度变变化化较较显显著著。 由由理理论论分分析析可可知知, 对对收收发发共共用用天天线线的的雷雷达达, 精精度度约约为为波波束束半半功功率率宽度的宽度的 2%, 比最大信号法高约一个量级。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

30、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。等等信信号号法法的的主主要要缺缺点点：一一是是测测角角系系统统较较复复杂杂; 二二是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, 故故在在发发射射功功率率相相同同的的条条件件下下, 作作用用距距离离比比最最大大信信号号法法小小些些。若若两两波波束束交交点点选选择择在在最最大大值值的的 0.70.8 处处, 则则对对收收发发共共用用天天线线的的雷雷达达, 作作用用距距离离比比最最大大信信号号法法减减小小约约 20%30%。等等信信号号法法常常用用来来进进行行自

31、动测角自动测角, , 即应用于跟踪雷达中。即应用于跟踪雷达中。第 7 章 角度测量 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 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。所用波束通常在水平面内很窄,故方位角有较高的测角精度和分辨力。垂直面内很宽,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割平方形,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

32、。第 7 章 角度测量 图7.9扇形波束圆周扫描(a)地面雷达;(b)机载雷达第 7 章 角度测量 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,忽略地面曲率,则R=H/sin=H csc,代入上式得若目标高度一定,要保持Pr不变,则要求G/csc2=K(常数),故即天线增益G()为余割平方形。第 7 章 角度测量 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。专门用于测高的雷达,采用波束宽度在垂直面内很窄而水平面内很宽的扇形波束,故仰角有较高的测角精度和分辨力。雷达工作时,波束可在水平面内作

33、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)。第 7 章 角度测量 2. 针状波束针状波束针状态束的水平面和垂直面波束宽度都很窄。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辨力和测角精度都较高。主要缺点是因波束窄,扫完一定空域所需的时间较长,即雷达的搜索能力较差。根据雷达的不同用途,针状波束的扫描方式很多,图7.10所示为其中几个例子。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。第 7 章 角度测量 图7.10针状波

34、束扫描方式(a)螺旋扫描;(b)分行扫描;(c)锯齿扫描第 7 章 角度测量 7.3.2 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 1. 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。如环视雷达、跟踪雷达，通常采用整个天线系统转动的方法。而图7.11是馈源不动,反射体相对于馈源往复运动实现波束扇扫的一个例子。不难看出,波束偏转的角度为反射体旋转角度的两倍。图7.12为风琴管式馈源,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。当输入喇叭转动依次激励各波导时,这排波导的输出口也依次以不同的角度照射反射体,形成波束扫描

35、。这等效于反射体不动,馈源左右摆动实现波束扇扫。第 7 章 角度测量 图7.11馈源不动反射体动的机械性扫描第 7 章 角度测量 图7.12风琴管式扫描器示意图第 7 章 角度测量 机械性扫描的优点是简单。其主要缺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。第 7 章 角度测量 2. 电扫描电扫描电扫描时,天线反射体,馈源等不必作机械运动。因无机械惯性限制,扫描速度可大大提高,波束控制迅速灵便,故这种方法特别适用于要求

36、波束快速扫描及巨型天线的雷达中。电扫描的主要缺点是扫描过程中波束宽度将展宽,因而天线增益也要减小,所以扫描的角度范围有一定限制。另外，天线系统一般比较复杂。根据实现时所用基本技术的差别,电扫描又可分为相位扫描法、频率扫描法、时间延迟法等。第 7 章 角度测量 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幅同相馈电,各移相器的相移量分别为0,2,(N-1)(如图7.13所示),即相邻阵元激励电流之间的相位差为。第 7 章 角度测量 图7.13 N

37、元直线移相器天线第 7 章 角度测量 现在考虑偏离法线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,且忽略各阵元到该点距离上的微小差别对振幅的影响,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)第 7 章 角度测量 式中,，为由于波程差引起的相邻阵元辐射场的相位差;为相邻阵元激励电流相位差;k为由波程差引起的Ek对E0的相位引前;k为由激励电流相位差引起的Ek对E0的相位迟后。任一阵元辐射场与前一阵元辐射场之间的相位差为-。按等比级数求和并运用尤拉公式,式(7.3.1)化简为第 7 章 角度测量 由式(7.3.1)容易看出

38、,当=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第 7 章 角度测量 =0时,也就是各阵元等幅同相馈电时,由上式可知,当=0,F()=1,即方向图最大值在阵列法线方向。若0,则方向图最大值方向(波束指向)就要偏移,偏移角0由移相器的相移量决定,其关系式为:=0时,应有F(0)=1,由式(7.3.2)可知应满足(7.3.3)式(7.3.3)表明,在0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,改变值,为满足式(7.3.3),就可改变波束指向角0,从而形成波束扫描。第 7 章 角度测量 也可以用图7.14来解释,

39、可以看出,图中MM线上各点电磁波的相位是相同的,称同相波前。方向图最大值方向与同相波前垂直(该方向上各辐射分量同相相加),故控制移相器的相移量,改变值,同相波前倾斜,从而改变波束指向,达到波束扫描的目的。根据天线收发互易原理,上述天线用作接收时,以上结论仍然成立。第 7 章 角度测量 图7.14一维相扫天线简图第 7 章 角度测量 2. 栅瓣问题栅瓣问题现在将与波束指向0之间的关系式=(2/)d sin0代入式(7.3.2)，得(7.3.4)可以看出,当(Nd/)(sin-sin0)=0,2,n(n为整数 )时 , 分 子 为 零 , 若 分 母 不 为 零 , 则 有 F()=0。 而 当(

40、d/)(sin-sin0)=0,2,n(n为整数)时,上式分子、分母同为零,由洛比达法则得F()=1,由此可知F()为多瓣状,如图7.15所示。第 7 章 角度测量 其中，(d/)(sin-sin0)=0,即=0时的称为主瓣,其余称为栅瓣。出现栅瓣将会产生测角多值性。由图7.15看出,为避免出现栅瓣,只要保证即则可,因sin-sin01+sin0,故不出现栅瓣的条件可取为第 7 章 角度测量 当波长取定以后,只要调整阵元间距d以满足上式,便不会出现栅瓣。如要在-900+90范围内扫描时,则d/1/2,但通过下面的讨论可看出,当0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|0|

41、60或|0|45,此时分别是d/0.53或d/0.59。为避免出现栅瓣，通常选d/1/2。第 7 章 角度测量 图7.15方向图出现栅瓣第 7 章 角度测量 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,0=0,即=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,较小,sind/)sin(d/)sin,上式变为(7.3.5)第 7 章 角度测量 近似为辛克(Sinc)函数,由此可求出波束半功率宽度为(7.3.6)其中Nd为线阵长度。当d=/2时(7.3.7)顺便指出,在d=/2的条件下,若要求0.5=1,则所需阵元数N=100

42、。如果要求水平和垂直面内的波束宽度都为1,则需100100个阵元。第 7 章 角度测量 2)波束扫描对波束宽度和天线增益的影响扫描时,波束偏离法线方向,00,方向性函数由式(7.3.4)表示。波束较窄时, -0 较 小 , sin (d/)(sin-sin0) (d/)(sin-sin0),式(7.3.4)可近似为第 7 章 角度测量 是辛克函数。设在波束半功率点上的值为+和-(见图7.16),由辛克函数曲线,当时,可查出x=0.443,故知当=+时应有(7.3.8)容易证明sin+-sin0=sin(+-0)cos0-1-cos(+-0)sin0波束很窄时,+-0很小,上式第二项忽略,可简化

43、为sin+-sin0(+-0)cos0第 7 章 角度测量 代入式(7.3.8),整理得扫描时的波束宽度0.5s为(7.3.9)其中，0.5为波束在法线方向时的半功率宽度;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Ndcos0,代入式(7.3.6)便得式(7.3.9)。第 7 章 角度测量 图7.16扫描时的波束宽度第 7 章 角度测量 从式(7.3.9)可看出,波束扫描时,随着波束指向0的增大,0.5s要展宽,0越大,波束变得愈宽。例如0=60,0.5s20.5。随着0增大，波束展宽，会使天

44、线增益下降。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=/2时,G(0)=N0。第 7 章 角度测量 如果波束扫到0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=Acos0=Nod2cos0。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d=/2时,G(0)=N0cos0。可见增益随0增大而减小。第 7 章 角度测量 如果在方位和仰角两个方向同时

45、扫描,以0和0表示波束在方位和仰角方向对法线的偏离,则当0=0=60时,G(0,0)=N0/4,只有法线方向增益的1/4。第 7 章 角度测量 总之,在波束扫描时,由于在0方向等效天线口径面尺寸等于天线口径面在等相面上的投影(即乘以cos0),与法线方向相比,尺寸减小,波束加宽,因而天线增益下降,且随着0的增大而加剧。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,至少要三个面天线阵。第 7 章 角度测量 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,当考虑单个阵元的方向性时,总的方向性函数应为上述结果与阵元方向性函数之积。设阵元方向性函数为Fe(),阵列方向性函数

46、为F()式7.3.4,则N阵元线性阵总的方向性函数FN()为:FN()=Fe()F()。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。另外，等间距和等幅馈电的阵列天线副瓣较大(第一副瓣电平为-13dB),为了降低副瓣,可以采用“加权”的办法。一种是振幅加权,使得馈给中间阵元的功率大些,馈给周围阵元的功率小些。另一种叫密度加权,即天线阵中心处阵元的数目多些,周围的阵元数少些。第 7 章 角度测量 4. 相扫天线的带宽相扫天线的带宽相扫天线的工作频带取决于馈源设计和天线阵的扫描角度。这里着重研究阵面带宽。相扫天线扫描角0时,

47、同相波前距天线相邻阵元的距离不同而产生波程差dsin0(见图7.12),如果用改变相邻阵元间时间迟延值的办法获得倾斜波前,则雷达工作频率改变时不会影响电扫描性能。但相扫天线阵中所需倾斜波前是靠波程差对应的相位差=(2/)dsin获得的,相位调整是以2的模而变化的,它对应于一个振荡周期的值,而且随着工作频率改变，波束的指向也会发生变化,这就限制了天线阵的带宽。第 7 章 角度测量 当工作频率为f,波束指向为0时,位于离阵参考点第n个阵元的移相量为如工作频率变化f,而移相量不变,则波束指向将变化,满足以下关系式:频率增加时，为负值,表明此时波束指向朝法线方向偏移。扫描角0增大,亦增加。用百分比带宽

48、Ba(%)=2(f/f)100表示式(7.3.11)时,(7.3.12)第 7 章 角度测量 波束扫描随频率变化所允许的增量和波束宽度有关。扫描时的波束宽度B(s)=B/cos0, B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(%)/B()。如果允许|/B(s)|1/4,则由式(7.3.13)可求得当扫描角0增大时,允许的带宽变小。如0=60,则得此时k=1,即百分比带宽Ba(%)=B()第 7 章 角度测量 上面分析了单频工作时(相当于连续波)指向与频率变化的关系。然而大多数雷达工作于脉冲状态,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

49、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，在脉冲工作时，天线增益将低于单频工作时的最大增益,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0=60时可得到Ba(%)=2B(个脉冲)天线阵面孔径增大时,波束B减小,则允许的带宽Ba(%)也相应减小。第 7 章 角度测量 相扫天线的带宽也可从时域上用孔径充填时间或等效脉冲宽度来表示。当天线扫描角为0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应满足T其对应的频带为B=1/。将孔径尺寸D与波束宽度B的关系引入,且知道百分

50、比带宽Ba(%)为:B/f100=Ba(%),则可得到,当取最小可用脉宽即=T时,第 7 章 角度测量 扫描角0越大,Ba(%)越小。当90扫描时可得Ba(%)=2B()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。第 7 章 角度测量 为了在空间获得一个不随频率变化的稳定扫描波束,就需要用迟延线而不是移相器来实现波束扫描,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。一种明显改善带宽的办法是用子阵技术(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；子阵的方向图形成“阵元”因子,它们用移相器控制

51、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。第 7 章 角度测量 图7.17用子阵和时间迟延的相扫阵列第 7 章 角度测量 图7.18频率变化时子阵相控阵的方向图第 7 章 角度测量 5. 相扫天线馈电方式相扫天线馈电方式1)光学馈电系统光学馈电有时又叫空间馈电,分反射镜式和透镜式,如图7.19所示。图7.19光学馈电系统(a)透镜系统;(b)反射镜系统第 7 章 角度测量 由馈源送出的电波照射到反射面或透镜孔面时,由各辐射元接收,经反射或透射,再由各辐射元辐射出去,只要孔面上辐射元足够多,就可在空间形成窄波束。以适当的规律改变

52、反射镜中或透镜中各移相器的相对相移量,就可实现波束扫描。其中反射镜式只有一个阵列面,各辐射元先接收电波,经移相器移相后,传输到末端(短路端)全反射,再移相后,由同一辐射元辐射出去。第 7 章 角度测量 由于馈源辐射的为球面波,使平面的透镜或反射镜阵列面的激励相位因存在路径差(球面径差)而引起附加差异,造成扫描角误差。这可以在结构上或计算机配相时加以修正。例如使旁边移相器的相移量小于中间移相器的相移量,以抵消球面径差引起的附加相位迟后。利用光学馈电时,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。第 7 章 角度测量 2)强制

53、馈电系统又称为传输线馈电,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耦合元件和传输线。它可分为串联馈电和关联馈电。(1)串联馈电(如图7.20所示)。高频信号以行波方式沿主馈线传输,经定向耦合器依次给阵元馈电,调节耦合度,就可调节加到各阵元的功率的大小,实现振幅加权，降低副瓣。移相器可以放在各分支内或串在主馈线内,后者在波束控制时各移相器的相移量相同,但要求移相器能承受大功率,且插入损耗小。第 7 章 角度测量 图7.20串联馈电示意图(a)端馈电;(b)中心馈电第 7 章 角度测量 (2)并联馈电(如图7.21所示)。它把整个阵列分成许多子阵列,每个子阵列传输通道电长度

54、相同,发射功率以多级均分的方式馈给每个阵元,因而每个移相器承受功率都不大。适当组合子阵列,并调整它们的相位和电流振幅,可得到良好的方向图和扫描特性。第 7 章 角度测量 图7.21并联馈电示意图第 7 章 角度测量 3)有源阵相阵天线的每一个阵元上均连接收发固态组件,组件中的功率源供给阵元所需的辐射功率,从而使每一个阵元都是有源的。发射功率的合成是由分布在天线阵面上多个功率源的辐射功率在空间完成的,这就要求各阵元功率源的高频辐射信号间有严格的相位关系,并能根据天线方向性函数的要求来控制阵面的相位和振幅分布。第 7 章 角度测量 图7.22收发组件原理框图第 7 章 角度测量 有源阵中所用固态组

55、件的功率源是低功率的,雷达所需的高功率是用多个阵元辐射功率在空间合成得到的。通常用的无源阵是用大功率发射机经馈电系统将功率分配到各辐射阵元,无源阵与有源阵相比，无源阵具有下列优点:(1)由于功率源直接联在阵元后面,故馈源和移相器的损耗不影响雷达性能;接收机的噪声系数是由T/R组件中的低噪声放大器决定的。第 7 章 角度测量 (2)由于阵元辐射低功率,故所用馈源和移相器都是低功率容量,可以做得更轻便和便宜。(3)用大量低功率固态源取代易损坏的高电压、大功率发射机,提高了系统的可靠性。(4)固态阵和数字波束形成技术及阵列信号处理相结合后在改善天线性能方面具有很大潜力。第 7 章 角度测量 6. 移

56、相器移相器1)PIN二极管移相器这种移相器以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7.23为其一例。正偏压时,CT与引线电感Ls发生串联谐振,使射频短路;反偏时,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。利用PIN管在正偏和反偏状态具有不同的阻抗或其开关特性，可构成多种形式的移相器。第 7 章 角度测量 图7.23PIN二极管开关电路第 7 章 角度测量 图7.24开关线型移相器(a)换接线型;(b)环行器型第 7 章 角

57、度测量 图7.24画出了两种开关线型移相器,其中环行器用来提供匹配的输入和输出。开关在不同位置时,有一个传输路径差l,从而得到一个差相移=2l/g。这种移相器较简单,但带宽较窄。也可以利用PIN管正反向偏置时不同的阻抗值做成加载线移相器,或将PIN管与定向耦合器结合构成移相器,它们都有较大的工作带宽。PIN管移相器的优点是体积小，重量轻,便于安装在集成固体微波电路中,开关时间短(50ns2s),性能几乎不受温度的影响,激励功率小(1.02.5W),目前能承受峰值功率约为10kW,平均功率约200W,所以是有前途的器件。缺点是频带较窄和插入损耗大。第 7 章 角度测量 2)铁氧体移相器其基本原理

58、是利用外加直流磁场改变波导内铁氧体的导磁系数,因而改变电磁波的相速,得到不同的相移量。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面为环形的铁氧体环,环中央穿有一根磁化导线。根据铁氧体的磁滞特性(见图7.25(a),当磁化导线中通过足够大的脉冲电流时,所产生的外加磁场也足够强(它与磁化电流强度成正比),铁氧体磁化达到饱和,脉冲结束后,铁氧体内便会有一个剩磁感应(其强度为Br)。当所加脉冲极性改变时,剩磁感应的方向也相应改变(其强度为-Br)。这两个方向不同的剩磁感应对波导内传输的TE10波来说，对应两个不同的导磁系数,也就是两种不同极性的脉冲在该段铁氧体内对应有两个不同的

59、相移量,这对二进制数控很有利。铁氧体产生的总的相移量为这两个相移量之差(称差相移)。只要铁氧体环在每次磁化时都达到饱和,其剩磁感应大小就保持不变,这样，差相移的值便取决于铁氧体环的长度。第 7 章 角度测量 图7.25铁氧体移相器(a)铁氧体磁滞回线;(b)相移器结构第 7 章 角度测量 这种移相器的特点是:铁氧体环的两个不同数值的导磁系数分别由两个方向相反的剩磁感应来维持,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点是：承受功率较高，插入损耗较小，带宽较宽。其缺点是：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。第 7 章 角度

60、测量 3)数字式移相器为了便于波束控制,通常采用数字式移相器。如果要构成n位数字移相器,可用n个相移数值不同的移相器(PIN管的或铁氧体的)作为子移相器串联而成。每个子移相器应有相移和不相移两个状态,且前一个的相移量应为后一个的两倍。处在最小位的子相移器的相移量为=360/2n,故n位数字移相器可得到2n个不同相移值。第 7 章 角度测量 例 如 四 位 数 字 移 相 器 ,最 小 位 的 相 移 量 为=360/24=22.5,故可由相移值分别为22.5,45,90,180的四个子相移器串联而成,如图7.26所示，每个子移相器受二进制数字信号中的一位控制,其中“0”对应该子移相器不移相,“

61、1”对应移相。例如，控制信号为1010,则四位数字移相器产生的相移量为=1180+090+145+022.5=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7.27为四位铁氧体数字移相器的原理图。第 7 章 角度测量 图7.26四位数字移相器示意图第 7 章 角度测量 图7.27铁氧体数字移相器示意图第 7 章 角度测量 数字移相器的移相量不是连续可变的,其结果将引起天线阵面激励的量化误差,从而使天线增益降低,均方副瓣电平增加,并产生寄生副瓣,同时还使天线主瓣的指向发生偏移。设数字移相器为B位,则量化相位误差在/2B范围内均匀分布,误差方差值为2=2/3(

62、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=34时,天线增益的损失均可容忍。第 7 章 角度测量 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53dB,对一般应用是可以接受的。但由于实际的相移量化误差分布不是随机的而具有周期性,因而会产生寄生的量化副瓣。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。第 7 章 角度测量 相移量化所产生的最大指向误差为(7.3.16)式中，B为

63、波束宽度。例如B=4时,/B=0.049为可能产生的最大指向误差。第 7 章 角度测量 7.3.4 频率扫描频率扫描如图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g,则相邻阵元间存在一激励相位差(7.3.17)改变输入信号频率f,则g改变,也随之改变,故可实现波束扫描。这种方法称为频率扫描法。这里用具有一定长度的传输线代替了相扫法串联馈电中插入主馈线内的移相器,因此插入损耗小,传输功率大,同时只要改变输入信号的频率就可以实现波束扫描,方法比较简便。第 7 章 角度测量 图7.28频扫直线阵列第 7 章 角度测量 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

64、),所以值一般大于2,式(7.3.17)可改写成(7.3.18)式中，m为整数；2。当0=0,即波束指向法线方向时,设g=g0(相应的输入信号频率为f0),此时所有阵元同相馈电,上式中，=0,由此可以确定(7.3.19)第 7 章 角度测量 若00,即波束偏离法线方向,则当=0时,相邻阵元之间由波程差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；为自由空间波长(相应输入端信号频率为f)。已知(或f),并算出g,由式(7.3.20)可确定波束指向角0。g根据传输线的特性及工作波长而定。第 7 章 角度测量 图7.29给出了阵元间距d=0/2时波束指向角

65、0与频率的关系曲线。0为波束指向法线方向时的自由空间波长,称为法线波束波长, 相应的信号频率为f0。图中横坐标为相对频移f/f0,f=f-f0, f为波束指向0方向时的信号频率。虚线所示为ff0时的关系曲线。波束指向角0对频率f的变化率叫波束指向的频率灵敏度。由图看出,m愈大,即l愈长(g0一定),频率灵敏度就愈高,也就是用较小的频偏量f,可以获得较大的波束扫描范围。另外，可以看到ff0时的频率灵敏度高于ff0,故在m和f相同的情况下,波束扫描范围相对法线方向是不对称的,一边范围大,而另一边范围小。第 7 章 角度测量 图7.29指向角0与相对频移f/f0关系曲线(a)矩形波导;(b)同轴线第

66、 7 章 角度测量 在频扫雷达中,所用脉冲宽度不能太窄,因为信号从图7.28所示的蛇形传输线的始端传输到末端需要一定时间,只有当脉冲宽度大于该传输时间时,才能保证所有阵元同时辐射。如果脉冲太窄,势必有一部分阵元因信号还未传输到或已通过而不能同时辐射能量,引起波束形状失真。由于频扫雷达中波束指向角0与信号源频率一一对应,也就是依据频率来确定目标的角坐标,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、发生变化,从而改变波束指向,引起测角误差。为了消除温度误差,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

67、补偿方法。第 7 章 角度测量 图7.30频扫天线直线阵(a)串联频扫阵列;(b)并联频扫阵列第 7 章 角度测量 图7.31简单频扫天线(a)宽壁耦合到偶极子辐射器;(b)窄壁与缝隙天线耦合第 7 章 角度测量 图7.32采用圆柱形反射器的频扫天线第 7 章 角度测量 图7.33平面阵列天线第 7 章 角度测量 7.4 三三 坐坐 标标 雷雷 达达 7.4.1 引言引言雷达工作时常需要测量目标在空间的三个坐标值:距离、方位角、仰角。通常的监视雷达只能测量距离和方位角这两个坐标。曾经有多种方法来测仰角和高度:工作频率低的早期雷达,地(海)面反射使铅垂面方向图分裂成波瓣形,这时可以利用波瓣形状的

68、规律进行目标仰角估测;V形波束测高是在搜索波束之外再增加一个倾斜45的倾斜波束,前者用来测量目标的距离和方位,增加的倾斜波束用来测定目标的高度;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,监视雷达发现目标并测得其距离和方位角,同时将目标坐标数据送给测高雷达,该雷达具有窄的仰角波束,并在仰角方向“点头”扫描,可以较准确地测定目标的仰角和高度。第 7 章 角度测量 这些测量方法的主要缺点是测量过程较复杂、缓慢,可以同时容纳的目标数目较少,有时测量精度较差,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

69、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,逐步出现了各类三坐标雷达,它能同时迅速地、精确地测量雷达探测空域内大量目标的三个坐标值。第 7 章 角度测量 对三坐标雷达的主要要求是能快速提供大空域、多批量目标的三坐标测量数据,同时要有较高的测量精度和分辨力。通常用数据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,通常都采用针状波束。第 7 章 角度测量 下面讨论三坐标雷达的数据率D。数据率定义为单位时间内雷达对指定

70、探测空域内任一目标所能提供数据的次数。可以看出，数据率D也等于雷达对指定空域探测一次所需时间(称扫描周期Ts)的倒数,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。若雷达待测空域立体角为V,波束宽度立体角为,雷达重复周期为Tr,重复频率为fr,雷达检测时所必需的回波脉冲数为N,为此，必须保证波束对任一目标照射时间不小于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)第 7 章 角度测量 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=1.2trmax,则波束扫描周期Ts的倒数为雷达的数据率D,故(7.4.2)第

71、7 章 角度测量 波束立体角和待测空域立体角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。假定雷达波束在两个平面内的宽度相同,设a=b,则波束在以距离R为半径的球面上切出一个圆见图7.34(a),我们把该圆的内接正方形作为波束扫描中的一个基本单元,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,故波束立体角为。第 7 章 角度测量 图7.34波束立体角计算第 7 章 角度测量 同理,若波束宽度与不相等,则波束立体角为=/2。若待测空域的方位范围为12,仰角范围为12,则由图7.35可求出待测空域立体角为其中S为待测空域所截的

72、以R为半径的球面面积。第 7 章 角度测量 图7.35待测空域立体角计算第 7 章 角度测量 7.4.2 三坐标雷达三坐标雷达 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位角上机械扫描以测定目标的距离和方位角,在方位上机械慢扫的同时在仰角方向波束用电扫描进行快速扫描以测定仰角。如图7.36所示，仰角快扫用频率扫描实现。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

73、幅用比幅法测角。由于不同波束位置对应的频率各异,这种方法的测角精度较差。第 7 章 角度测量 图7.36机械扫描与频率扫描混合系统第 7 章 角度测量 针状波束在仰角的快扫可以采用相位扫描的办法,也就是对阵天线每行阵元馈电输出端的移相器进行电控。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。波束扫描也可以采用双平面均为电子扫描的系统,如图7.37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位-相位电扫系统,就是相控阵雷达。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

74、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:第 7 章 角度测量 图7.37双平面电子扫描系统示意图(a)相位-频率电扫描系统;(b)相位-相位电扫描系统第 7 章 角度测量 (1)搜索时的功率和能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。(2)搜索和跟踪的功能可以独立地进行,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

75、诸如跟踪启动和目标机动的情况。(3)多功能工作,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。第 7 章 角度测量 2. 多波束三坐标雷达多波束三坐标雷达所谓多波束三坐标雷达,就是在一个(或两个)平面内同时存在数个相互部分重叠的波束。若每个波束的立体角与单波束三坐标雷达一样为,现假定有M个波束,则总的波束立体角为2=M。故与单波束三坐标雷达相比,在搜索空域和精度等相同的条件下,数据率提高到原来的M倍是可能的。必须指出,用增加波束的数目来提高数据率D,要相应地增加发射功率,以保证每个波束所探测的空域均有足够的距离覆盖能力,否则,假定M个波束均分发射功率,而总的发射功率仍和单波束

76、雷达一样,则每个波束的回波功率减小至原来的1/M,为了达到同样的检测概率,必须增加脉冲积累数N,其结果是与单波束雷达相比,数据率并没有提高,甚至还可能降低(当积累不理想时)。第 7 章 角度测量 图7.38偏焦多波束三坐标雷达原理方框图(图中TR为收发开关,R为接收机)第 7 章 角度测量 图7.38称为偏焦多波束三坐标雷达,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,由于各喇叭相继偏离焦点,故在仰角平面上可以形成彼此部分重叠的多个波束。发射时,功率分配器将发射机的输出功率按一定比例分配给多个馈源通道,并同相激励所有馈源喇叭,使在仰角平面上形成一个覆盖多个波束范围的形状近似为余割平

77、方形的合成发射波束。接收时,处在不同仰角上的目标所反射的信号,分别被相应的馈源喇叭所接收,进入各自的接收通道,其输出回波信号代表目标在该仰角波束中的响应。将相邻通道的输出信号进行比较,就可测量目标的仰角;将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。第 7 章 角度测量 下面具体分析同时波瓣法测量目标仰角的过程。如图7.39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。设接收波束电压方向图函数F()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()为发射方向性函数；k为比例常数。第 7 章 角度测量

78、可计算得到可见，相减输出电压U与成正比,测出U便知,最后得目标仰角0=n+,其中n为第n和n+1个波束的等信号方向。采用这种方法测量目标仰角时,若信噪比为20dB,精度可达0.5的1/10左右。第 7 章 角度测量 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第 7 章 角度测量 7.4.3 多波束形成技术多波束形成技术 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7.40高频延迟线多波束形成系统第 7 章 角度测量 各阵列元接收到的信号通过水平平行放置的传输波导,再经定向耦合器耦合到倾斜放置的多根相加波导中相加,并分别送到

79、各自的接收通道。相邻阵元的信号到达相加波导相加时,由于存在路径差l, 两者间将引入一个相位差(=2(l-ng)/g,n为某个整数，g为波导波长)。这就意味着波束偏在某个方向,只有该方向来的回波信号,其波程差引起的相位差才能与抵消,使各路信号在相加波导中同相相加,接收机输入信号最大。其波束指向角0与l的关系为第 7 章 角度测量 其中，d为相邻阵列元之间的距离；为自由空间波长。由图不难求出由于各条相加波导放置的倾斜角不同,l不同,因而各条相加波导所相应的波束指向也就不同。每个接收通道对应一个波束指向, M根角不同的相加波导及相应多个接收通道就对应着M个波束。第 7 章 角度测量 2. 中频延迟多

80、波束形成系统中频延迟多波束形成系统这也是一种接收多波束形成系统，图7.41为它的示意图,因为经与同一本振信号源混频后各阵元接收的信号之间的相位差保持不变,再通过中频延迟线,也可以在相邻阵元之间引入所需的相位差。每个阵列元接收到的信号经变频和中放后,分别激励一条延迟线,从每条延迟线的适当位置抽取信号相加就可合成波束,依靠选定不同的抽头位置即可形成指向不同的多个波束。第 7 章 角度测量 图7.41中频延迟多波束形成系统第 7 章 角度测量 3. 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7.42所示为一接收多波束形成系统,此处以三个波束为例。共有三个阵列元。每个阵列元接收到的信号经放大后

81、均分成三路通过三个移相器,然后按一定规律三路一组相加，形成三个波束。三个波束的指向角分别为-0,0,0,相应于相邻阵元之间引入的相位差-,0,。0与的关系为d为相邻阵元的间距。若相位差不变,则三个波束是固定的,若可变,则波束在空间可进行扫描。这里的移相器组(波束形成网络)可以放在射频部分,也可以放在中频部分。第 7 章 角度测量 图7.42用移相法获得多波束第 7 章 角度测量 4. 脉内频扫系统脉内频扫系统图7.43(a)为频扫多波束形成系统。雷达按一定的重复周期发射一个较宽的脉冲,每个宽脉冲由M个频率各不相同的子脉冲组成图7.43(b),这些子脉冲依次激励频扫天线阵列,在空间相继出现M个指

82、向不同的波束。由于这些波束前后出现相差时间很短,因而近似于M个波束同时照射整个覆盖区域。目标的角信息就包含在回波信号的载频上。也就是说，处在不同方向的目标的回波信号,脉宽(子脉冲宽度)和重复周期相同,但载频不同。根据接收机内中心频率与各子脉冲频率相应的M个信道的输出,可确定目标方向。这里，M个信道对应M个指向不同的波束。第 7 章 角度测量 图7.43脉内频扫系统(a)方框图;(b)发射脉冲波形示意图第 7 章 角度测量 这个系统发射的实际上是一种脉内离散调频信号。若改用脉内连续调频信号,也同样适用。这时,每个信道占有一定的频带(与空间每个波束所占频带相应),并通过脉冲压缩处理,得到一个窄脉冲

83、输出。这样不仅有高的角数据率,还具有较高的距离分辨力。脉内频扫系统各信道的信号带宽有一定的限制。例如,假定总的调频带宽为200MHz,各信道所占带宽为20MHz,则每个信道的信号带宽也就限制在20MHz。另外,所有频扫天线有一个共同缺点:不宜采用随机频率捷变技术。脉内频扫技术在现有的三坐标雷达中得到应用。第 7 章 角度测量 5. 数字波束形成系统数字波束形成系统用数字技术实现波束形成时,称之数字波束形成(DBF)。系统的构成如图7.44所示,首先要将阵列天线中每个阵元收到的信号经过混频、中放和正交相位检波,变为正交视频(零中频)信号I和Q分量,再分别经A/D变换器转变为数字量Is和Qs。从图

84、中可看出,各阵元信号均有独立的接收通道,为了保持各阵元信号之间相对的相位关系,各通道所用的本振信号与中频相参信号的相位应严格相同,各接收通道应保持振幅和相位均衡。第 7 章 角度测量 图7.44数字波束形成系统组成框图(a)单波束DBF第 7 章 角度测量 图7.44数字波束形成系统组成框图(b)多波束DBF形成第 7 章 角度测量 正交信号Is和Qs包含了阵元信号的幅度和相位信息,幅度Us和相位s分别为波束形成时要对信号的相位进行控制,在数字信号处理时，可以对它进行复加权，以获得数字式移相。设复权值为w=wI+j wQ=ej=cos+jsin信号为第 7 章 角度测量 将信号乘复权值后即可得

85、到相移后的信号U0，只需改变权值w,即可控制信号的移相量。实际的复乘是由四个实数乘法器完成的,而实乘可用数字式快速乘法-累加器实现。可将上式展开如下:第 7 章 角度测量 改变权值可以控制相移, 也可以改变幅度。例如令:w=wI+jwQ=aej。只改变相位时,对数字信号复加权和相扫天线阵中所接移相器的作用是相同的。波束形成要对阵列天线的各阵元信号加上按线性改变的相移量,在数字波束形成系统中，要对各阵元信号乘以不同的复权值。设天线阵列有N个阵元,设其基频阵元接收信号矢量为S=s1s2sNTsi均为复信号；上标T表示转置。第 7 章 角度测量 波束形成时,将根据波束指向及形状要求,有不同的复加权矢

86、量w,w=w1w2sNT计算求出信号矢量与复加权矢量的内积,即每个信号与权值相乘后的求和输出,即得到该波束的输出信号。第 7 章 角度测量 采用不同的权矢量,分别求它们与阵列输出信号的加权和值,即可获得不同指向的波束。每一个波束有一个独立的输出通路,在数字波束形成系统中,用N个独立通道可以同时形成N个正交波束,如不受正交条件的限制,在原理上可以同时形成远多于N个的波束。例如，同时形成m个独立波束，则有相应的m组复加权矢量，其加权矩阵为W第 7 章 角度测量 数字波束形成技术较之射频和中频波束形成具有一些优点,诸如可同时产生多个独立可控的波束而不损失信噪比;波束特性由权矢量控制,灵活可变;天线具

87、有较好的自校正和低副瓣能力等。更为重要的是,由于在基带上保留了天线阵单元信号的全部信息,因可以采用先进的数字信号处理理论和方法,对阵列信号进行处理,以获得波束的优良性能,例如,形成自适应波束以实现空域抗干扰;采用非线性处理技术以得到改善的角分辨力等。因此DBF技术是一项具有吸引力的新技术,而且随着相关高新技术,诸如超大规模和超高速集成电路(VLSI/VHLSI)、微波单片集成电路(MMIC)等技术的迅猛发展,DBF在雷达及其它领域具有广阔的应用前景。第 7 章 角度测量 图7.45目标高度的计算第 7 章 角度测量 7.4.4 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

88、射的影响,可按图7.45所示的几何关系计算目标高度。图中R为目标的斜距;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 -0.03910-8m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,可认为电波仍按直线传播。第 7 章 角度测量 由余弦定理用二项式展开后,忽略二次方以上各项,并利用haae的条件,最后可得(7.4.3)若目标距离较近,雷达天线架设不高,上式可简化为(7.4.4)第 7 章 角度测量 7.5 自动测角的原

89、理和方法自动测角的原理和方法 7.5.1 圆锥扫描自动测角系统圆锥扫描自动测角系统 1. 基本原理基本原理如图7.46(a)所示的针状波束,它的最大辐射方向OB偏离等信号轴(天线旋转轴)OO一个角度,当波束以一定的角速度s绕等信号轴OO旋转时,波束最大辐射方向OB就在空间画出一个圆锥,故称圆锥扫描。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7.46(b)所示。第 7 章 角度测量 图7.46圆锥扫描(a)锥扫波束;(b)垂直于等信号轴的截面第 7 章 角度测量 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

90、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。下面要证明,输出信号近似为正弦波调制的脉冲串,其调制频率为天线的圆锥扫描频率s,调制深度取决于目标偏离等信号轴方向的大小,而调制波的起始相位则由目标偏离等信号轴的方向决定。第 7 章 角度测量 在跟踪状态时,通常误差很小而满足,由简单的几何关系可求得角的变化规律为-cos(st-0)0为OA与x轴的夹角;为目标偏离波束最大方向的角度,它决定了目标回波信号的强弱。设收

91、发共用天线,且其天线波束电压方向性函数为F(),则收到的信号电压振幅为U=kF2()=kF2(-cos(st-0)将上式在处展开成台劳级数并忽略高次项,则得到(7.5.1)第 7 章 角度测量 式中，U0=kF2(),为天线轴线对准目标时收到的信号电压振幅。式(7.5.7)表明,对脉冲雷达来讲,当目标处于天线轴线方向时,=0,收到的回波是一串等幅脉冲;如果存在时,收到的回波是振幅受调制的脉冲串,调制频率等于天线锥扫频率s,而调制深度正比于误差角度。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。第 7 章 角度测量 误差信号uc=Umcos(st-0)=U0m cos(st-0

92、)的振幅Um表示目标偏离等信号轴的大小,而初相0则表示目标偏离的方向,例如,0=0表示目标只有方位误差。跟踪雷达中通常有方位角和仰角两个角度跟踪系统,因而要将误差信号uc分解为方位和仰角误差两部分,以控制两个独立的跟踪支路。其数学表达式，为uc=Umcos(st-0)=Umcos0cosst+Umsin0sinst 即分别取出方位角误差Umcos0=U0cos 0和仰角误差Umsin0=U0sin0。误差电压分解的办法是采用两个相位鉴别器,相位鉴别器的基准电压分别为Ukcosst和Uksinst,基准电压取自和天线头扫描电机同轴的基准电压发电机。第 7 章 角度测量 圆锥扫描雷达中,波束偏角的

93、选择影响甚大。增大时该点方向图斜率F()亦增大,从而使测角率加大,有利于跟踪性能。与此同时,等信号轴线上目标回波功率减小,波束交叉损失Lk(与波束最大值对准时比较)随增大而增加, 它将降低信噪比而对性能不利。综合考虑, 通常选=0.30.5左右较合适,0.5为半功率波束宽度。第 7 章 角度测量 2. 圆锥扫描雷达的组成圆锥扫描雷达的组成 图7.47圆锥扫描雷达组成方框图第 7 章 角度测量 图7.48一个向着雷达站飞行的目标的接收信号的高频波形第 7 章 角度测量 7.5.2 单脉冲自动测角系统单脉冲自动测角系统 1. 振幅和差式单脉冲雷达振幅和差式单脉冲雷达1)基本原理(1)角误差信号。雷

94、达天线在一个角平面内有两个部分重叠的波束,如图7.49(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、差波束如图7.49(b)、(c)所示。其中差信号即为该角平面内的角误差信号。由图7.49(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。第 7 章 角度测量 图7.49振幅和差式单脉冲雷

95、达波束图第 7 章 角度测量 (2)和差比较器与和差波束。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7.50(a)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。和差比较器的示意图如图7.50(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。第 7 章 角度测量 图7.50双T接头及和差比较器示意图第 7 章 角度测量 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

96、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F(),如图7.49(b)所示。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(视目标偏离天线轴线的程度),但相位相同(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。第 7 章 角度测量 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无关。假定两个波束的方向性

97、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,和信号的振幅为式中，F()=F(-)+F(+)，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。第 7 章 角度测量 在和差比较器的(差)端,两信号反相相加,输出差信号,设为E。若到达端的两信号用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E=E=E1-E2E与方向角的关系用上述同样方法求得E=kF()F(-)-F(+)=kF()F()式中F()=F(-)-F

98、(+)即和差比较器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7.47(c)所示,称为差波束。第 7 章 角度测量 现假定目标的误差角为,则差信号振幅为E=kF()F()。在跟踪状态,很小,将F()展开成台劳级数并忽略高次项,则因很小,上式中F()F(0);=F(0)/F(0)。由上式可知,在一定的误差角范围内,差信号的振幅E与误差角成正比。第 7 章 角度测量 E的相位与E1、E2中的强者相同。例如,若目标偏在波束1一侧,则E1E2,此时E与E1同相,反之,则与E2同相。由于在端E1、E2相位相反,故目标偏向不同,E的相位差180。因此,端输出差信号的振幅大小表明了目标误差角的

99、大小,其相位则表示目标偏离天线轴线的方向。和差比较器可以做到使和信号E的相位与E1、E2之一相同。由于E的相位与目标偏向无关,所以只要用和信号E的相位为基准,与差信号E的相位作比较,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7.47所示的和、差波束,差波束用于测角,和波束用于发射、观察和测距,和波束信号还用作相位比较的基准。第 7 章 角度测量 (3)相位检波器和角误差信号的变换。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

100、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。相位检波器输出为U=KdUcos第 7 章 角度测量 其中，UE,为中频差信号振幅;为和、差信号之间的相位差,这里=0或=,因此=0=因为加在相位检波器上的中频和、差信号均为脉冲信号,故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。图7.51画出了相位检波器输出视频脉冲幅度U与目标误差角的关系曲线,通常称为角鉴别

101、特性。第 7 章 角度测量 图7.51角鉴别特性第 7 章 角度测量 (4)单平面振幅和差单脉冲雷达的组成。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7.52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。

102、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。第 7 章 角度测量 图7.52单平面振幅和差单脉冲雷达简化方框图第 7 章 角度测量 (5)自动增益控制。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

103、时又能保持和差通道的特性一致。可以证明,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。第 7 章 角度测量 2)双平面振幅和差单脉冲雷达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(和支路、方位差支路、高低角差支路),两个相位鉴别器和两路天线控制系统等。图7.53是双平面振幅和差单脉冲雷达的原理方框图。图中A、B、C、D分别代表四个馈源。显然,

104、如四个馈源同相辐射共同形成和方向图。接收时,四馈源接收信号之和(A+B+C+D)为和信号(比较器3的端的输出);(A+C)-(B+D)为方位角误差信号(比较器3的端输出);(A+B)-(C+D)为高低角误差信号(比较器4的端输出);而(A+D)-(B+C)为无用信号,被匹配吸收负载所吸收。第 7 章 角度测量 图7.53双平面振幅和差单脉冲雷达原理方框图第 7 章 角度测量 3)振幅和差单脉冲雷达的馈源如果用抛物面反射体产生两组(方位和仰角)相互部分重叠的波束,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。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

105、和波束增益平方成正比。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=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。产生差波束的各独立波束的最大增益越大,差波束的最大增益就越大,差斜率也就越大,测角越灵敏,因而测角精度就越高。我们希望和、差波束最大辐射方向的增益都能达到最大,使测距和测角的性能都达到最佳。第 7 章 角度测量 图7.54最佳照射及和差矛盾(a)最佳照射;(b)和最佳;(c)差最佳第 7 章 角度测量 图7.55满足和、差波束最佳时的馈源分布第 7 章 角度测量 图7.56五喇叭馈源(a)理想馈源口径

106、场分布;(b)五喇叭馈源结构第 7 章 角度测量 图7.57五模馈源第 7 章 角度测量 2. 相位和差单脉冲雷达相位和差单脉冲雷达 图7.58上画出了一个单平面相位和差单脉冲雷达原理方框图。它的天线由两个相隔数个波长的天线孔径组成,每个天线孔径产生一个以天线轴为对称轴的波束,在远区,两方向图几乎完全重叠,对于波束内的目标,两波束所收到的信号振幅是相同的。当目标偏离对称轴时,两天线接收信号由于波程差引起的相位差为第 7 章 角度测量 图7.58相位和差单脉冲雷达原理方框图第 7 章 角度测量 当很小时,式中，d为天线间隔;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而幅度相同的信号,通

107、过和差比较器取出和信号与差信号。利用图7.59上的矢量图,可求得和信号E与差信号E。和信号为第 7 章 角度测量 差信号为当很小时，第 7 章 角度测量 设目标偏在天线1一边,各信号相位关系如图7.59所示,若目标偏在天线2一边,则差信号矢量的方向与图7.59所示的相反,差信号相位也反相。所以差信号的大小反映了目标偏离天线轴的程度,其相位反映了目标偏离天线轴的方向。由图7.59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7.58中，将和、差两路信号经同一本振混频放大后,差信号预先移相90,然后加到相位检波器上,相位检波器输出电压即为误差电压,其余各部

108、分的工作情况同振幅和差单脉冲雷达,不再重复。第 7 章 角度测量 图7.59矢量图第 7 章 角度测量 7.5.3 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

109、较宽,故目标振幅起伏噪声的影响可以基本消除。第 7 章 角度测量 (2)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。第 7 章 角度测量 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。而对于圆锥扫描雷达,由于其天线波束偏离天线轴线一个角度(通常

110、选波束偏角=0.250.5,即等信号轴在双程方向图的半功率点),跟踪时收到的信号功率比单脉冲雷达约小3dB,因而在相同天线增益、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%。第 7 章 角度测量 3. 角信息的数据率角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

111、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。第 7 章 角度测量 4. 抗干扰能力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。第 7 章 角度测量 5. 复杂程度复杂程度单脉冲雷达在结构上和技术上复杂,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。圆锥扫描雷达只要一路接收机,结构简单,加工也容易。因此，要求精密跟踪尤其是远程精密跟踪的雷达常用单脉冲体制。但对于测量精度要求不高的雷达可采用圆锥扫描体制。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。