雷达原理-第七章-角度测量分析

第六章作业解析1、解：频率计指示：MHzcRf32300250222测距精度：mcFR875.1102221035010222656距离分辨力：mcFR75.31022103501022656发射频率接收频率发-收频差第六章作业解析2、解：距离2FcR，式中，,,Fc分别为电波传播速度，收发频差，调频斜率测距误差mfcR5.110541010010346383、解：（1）当准确跟踪时，图中A、B、C、D、E五点波形ABCDE第六章作业解析（2）回波脉冲中心滞后两波门中心、且0t/2,图中A、B、C、D、E五点波形ABCDE（3）该时间鉴别器的时间误差鉴别特性-3/2-/20/23/2t第七章角度测量[e-mail]电话:[phone]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概述二、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•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nFcos)(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22)(aeF7.1概述•辛克函数bbFsin)(7.1概述五、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两个目标区分开的最小角度。θ0.5角度分辨力由天线半功率波束宽度决定7.1概述测角方法振幅法相位法最大信号法等信号法最小信号法两天线相位法三天线相位法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.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程差ΔR而产生一相位差φ,sin22dR(7.2.1)接收机接收机12目标方向法线方向R＝dsind其中λ为雷达波长。如用相位计进行比相,测出其相位差φ,就可以确定目标方向θ。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频后,在中频进行比相。设两高频信号为u1=U1cos(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。混频器混频器自动增益控制自动增益控制本振中放中放相位比较器图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∶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°)＋－＋－121u121u＋－ud1ud2u2u2Uo1Uo2Uou1(a)121U121Usin211UU2Ud2Ud1121U121UUd2Ud1(b)(c)VD1VD2图7.3(a)电路;(b)U2U1;(c)U2=1/2U17.2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°-φ)。由图7.3(a)知：1221212121uuuuuudd＋－＋－121u121u＋－ud1ud2u2u2Uo1Uo2Uou1(a)121U121Usin211UU2Ud2Ud1121U121UUd2Ud1(b)(c)VD1VD27.2测角方法及其比较图7.3(a)电路;(b)U2U1;(c)U2=1/2U1当选取U2U1时,由矢量图7.3(b)可知sin21sin2112221211UUUuUUUudddd＋－＋－121u121u＋－ud1ud2u2u2Uo1Uo2Uou1(a)121U121Usin211UU2Ud2Ud1121U121UUd2Ud1(b)(c)VD1VD2图7.3(a)电路;(b)U2U1;(c)U2=1/2U17.2测角方法及其比较故相位检波器输出电压为sin12121UKUKUKUUUdddddooo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-π/2~π/2。当＜30°,Uo≈KdU1,输出电压Uo与近似为线性关系。＋－＋－121u121u＋－ud1ud2u2u2Uo1Uo2Uou1(a)121U121Usin211UU2Ud2Ud1121U121UUd2Ud1(b)(c)VD1VD27.2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:2145sin2122145sin2121211UUUUdd则输出245sin245sin11UKUKUddo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。＋－＋－121u121u＋－ud1ud2u2u2Uo1Uo2Uou1(a)121U121Usin211UU2Ud2Ud1121U121UUd2Ud1(b)(c)VD1VD27.2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2πUo2π0(a)(b)2πUo2π0KdU1sin(45＋)2°KdU1sin(45－)2°－7.2测角方法及其比较2.相位差φ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］:2cos2cosdddddd(7.2.3)由式(7.2.3)看出,采用读数精度高(dφ小)的相位计,或减小λ/d值(增大d/λ值),均可提高测角精度。也注意到：当θ=0时,即目标处在天线法线方向时,测角误差dθ最小。当θ增大,dθ也增大,为保证一定的测角精度,θ的范围有一定的限制。7.2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d/λ加大到一定程序时,φ值可能超过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接收机接收机12d123接收机12d13R12R1313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,使天线1、2收到的信号之间的相位差在测角范围内均满足:Nd2sin21313(7.2.4)2sin21212dφ12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2π的ψ。为了确定N值,可利用如下关系:1212131312131213dddd(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(d13/d12)除以2π,所得商的整数部分就是N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。13121312131212137.2测角方法及其比较7.2.2振幅法测角1.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①所示。(a)目标tAaA＝at①幅度t/at＝A/a幅度t/atti②aftA27.2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。rasf160360这样,天线轴线(最大值)扫过目标方向(θt)时,不一定有回波脉冲,就是说,Δθs将产生相应的“量化”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。(a)目标tAaA＝at①幅度t/at＝A/a幅度t/atti②aftA2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