雷达对抗原理(赵国庆)第三章

测向技术频域取样频域变换频域顺序取样频域同时取样测频方法搜索式超外差接收机射频调谐晶体视放接收机多波道晶体视放接收机信道化接收机频率—相位变化频率—时间变化频率—空间变化频率—幅度变化比相法瞬时接收机（瞬时测频接收机）压缩接收机声光接收机多波段比幅接收机空域取样空域变换空域顺序取样空域同时取样测向方法最大振幅法测向等信号法测向透镜馈电的多波束线阵测向透镜馈电的多波束圆阵测向方位—相位变化方位—幅度变化相位干涉仪测向线性相位多模圆阵测向全向振幅比较法测向测向的主要技术指标测角精度和角度分辨率测角范围、瞬时视野角度搜索概率和搜索时间测向系统灵敏度测向系统灵敏度是指测向系统天线口面上能够正常测向的最小输入信号功率密度D(单位为dBm/m2)测向的基本方法测向原理分类振幅法测向、相位法测向波束扫描分类顺序波束、同时波束测向的基本方法振幅法测向根据测向天线系统侦收信号的相对幅度大小确定信号的到达角（DOA）。相位法测向根据测向天线系统侦收同一信号的相对相位差确定信号到达角。振幅法测向最大信号法采用波束扫描体制或多波束体制，以侦收到信号最强方向作为信号所在方向。等信号法主要用于对辐射源的跟踪，测向精度高，但测向范围小。比较信号法采用多个不同波束指向的天线，覆盖一定空域，根据各天线侦收同一信号的相对幅度大小确定信号所在方向。振幅法测向图3―1波束搜索法测向的原理搜索速度慢速可靠搜索1、在雷达天线扫描一周的时间内，侦察天线只扫描一个波束宽度。2、在雷达天线指向侦察天线的时间内，至少接收到Z个连续的雷达发射脉冲。快速可靠搜索1、在雷达天线扫描一个波束宽度时间内，侦察天线至少扫描一周。2、在侦察天线指向雷达的时间内，至少接收到Z个连续的雷达发射脉冲。消除雷达天线扫描影响的搜索法测向系统混频器对数中放本振减法器混频器对数中放至处理机定向天线A全向天线B(a)定向天线A方向图全向天线B方向图（b)具有辅助天线对消的搜索法测向系统（a)系统组成；（b）A、B天线方向图()()()()cos()()()cosAARBAStFtFtAttStFtAtt()lg[()()()cos()lg[()()cosAAARiBBAiUtKFtFtAttUtKFtAtt()lg[()]AoRBKUtFtKA、B两支路收到的信号经混频、对数中放输出的电压经减法器对消输出的电压FR(t)、FA(t)分别为侦察天线和雷达天线的扫描函数，A(t)为脉冲包络函数全向振幅单脉冲测向技术全向振幅单脉冲测向技术采用N个相同方向图函数的F(θ)天线，均匀布设在360°方位内。相邻天线的张角θS=360°/N，各天线的方位指向分别为Fi(θ)=F(θ-iθS)i=0,…,N-1(3―15)每个天线接收的信号经过各自振幅响应为Ki的接收通道,输出脉冲的对数包络信号si(t)=lg［KiF(θ-iθS)A(t)］i=0,…,N-1(3―16)四天线全向振幅单脉冲测向原理图（a)系统组成（b）四天线方向图相邻比幅法假设天线方向图对称，F(θ)=F(-θ)，当雷达方向位于任意两天线之间，且偏离两天线等信号方向的夹角φ时，对应通道输出信号S1(t),S2(t)分别为S1(t)=lg［K1F(θS/2-φ)A(t)］S2(t)=lg［K2F(θS/2+φ)A(t)］相减后以分贝(dB)为单位的对数电压比R为如果F(θ)函数在区间［-θS，θS］内具有单调性，就可确定目标方向。121210(()())(/2)10lg[](/2)SSRStStKFKF例如：θr为F(θ)的半功率波束宽度当K1=K2时,可得对θr、θS和R求全微分,可以得到角度测量时的系统误差dφθr越小则各项误差的影响也越小，这是由于波束越窄测向的斜率越高的缘故。21.3863()()rFe2212()12SrrSRdBR22261212rrrrSSSSdRdRddR全方向比幅法（NABD）对称天线函数F(θ)可展开傅氏级数:000()cos2()cos()()cos()0,,1kkkiSkSkFakaFkdFFiakkiiN用权值cos(iθS)，sin(iθS)，i=0,…,N-1，对各天线输出信号取加权和：简化后得：1010()()cos()()()sin()NiSiNiSiCFiSFi11011101()cos(1)cos(1)22()sin(1)sin(1)22iNiNiiiNiNiiNNCaiNaiNNNSaiNaiN当天线数量较大时,天线函数的高次展开系数很小再次简化后：利用C(θ),S(θ)可无模糊地进行全方位测向11()cos2()sin2NCaNSa()arctan[]()SC由于高斯函数的周期展开式收敛较快,在同样波束宽度下,高斯函数的测向误差小于半余弦函数;由于宽波束的展开式收敛较快,所以宽波束时的测向误差小于窄波束时的测向误差。NABD测向时也应适当地选择天线方向图函数和波束宽度。(a)高斯、半余弦两种天线方向图函数(b)6元高斯天线比幅测向的误差曲线(c)6元半余弦天线比幅测向误差曲线多波束测向···()F0()F1()F1()NF多波束测向的原理示意图测向接收机0()F1()F2()F1()NF0l1l2l1Nl天线阵变长馈线聚焦区输出口......罗特曼透镜馈电多波束原理图罗特曼透镜馈电多波束原理图罗特曼透镜馈电多波束原理图罗特曼透镜馈电多波束原理图当平面电磁波由θ方向到达天线阵时,各天线阵元的输出信号为()2()(),()sin0,,1jiiStStediNd为相邻天线的间距。连接各天线阵元到聚焦区的可变长度馈线等效电长度为Li,对应的相移量为20,,1iiLiN,2,0,,1ijijdijN(3―34)由聚焦区口i到输出口j的等效路径长度为di,j,相移量为罗特曼透镜通过对测向系统参数的设计和调整，使j输出口的天线振幅方向图函数Fj(θ)近似为从而使N个输出口具有N个不同的波束指向。110,,0{}{}NNiiijijdNLd、、、,1()0sin()()0,,1()iijNjjijijNFejN10{}Njj相位法测向2sinL测角范围——短基线测角精度——长基线解决的方法：多基线相位干涉仪2sinL2cosdL图3―11一维三基线相位干涉仪测向的原理四天线接收的信号经过各信道接收机(混频、中放、限幅器),送给三路鉴相器。其中“0”信道为鉴相基准。三路鉴相器的6路输出信号分别为sinφ1,cosφ1,sinφ2,cosφ2,sinφ3,cosφ3,在忽略三信道相位不平衡误差的条件下,1112133212sin2sin42sin4=16lll(3―44)比幅法测向主要问题：各信道幅度匹配问题各信道放大器、检波器之间的幅度平衡问题。相位干涉仪测向主要问题：不能同时对多信号测向阵列测向技术阵列信号处理最主要的两个研究方向：自适应空域滤波（自适应阵列处理）数字波束形成（DBF)空间谱估计利用阵列对信号空域参数估计，重点到达角（DOA）估计空间谱估计子空间分解类算法（20世纪70年代末）通过对阵列接收数据的数学分解（特征分解等），将接收数据分为两个相互正交的子空间（信号子空间和噪声子空间）。利用子空间的正交特性构造出“针状”空间谱，提高算法的分辨率。多重信号分类（MUSIC）算法（噪声子空间类算法）旋转不变子空间（ESPRIT)算法（信号子空间类算法）子空间拟合类（20世纪80年代后期）子空间拟合类算法可归结为多维参数的优化问题。最大似然（ML）方向估计的似然函数式非线性的，求解其最优解需要举行多维搜索，运算量巨大。加权空间拟合（WSF）多维MUSIC（MD-MUSIC)虽然子空间拟合算法有计算量大的缺点，但与子空间分解类算法相比，估计性能优良，尤其在低信噪比、小快拍数据情况下，比子空间分解类算法估计性能好很多。另外ML、WSF在相干源情况下仍能有效估计。测向需要在几个因素之间折中：精度、灵敏度和速度。采用相位干涉仪的方法，既可以是单脉冲的，也可以实现一定程度的积累。测向要确保全方位，天线很可能是全向的，于是灵敏度不是很高，可以用高灵敏度的监视接收机引导。需要记住的一个原则是，测向精度往往是需要用速度或时间来‘换取’的。一个测向设备的界面测向设备可以是很小的，下图是1～1300兆的整个设备的一个照片，该设备的天线阵直径为1.2米，所使用的接收机为EB200，图形终端是一个商用的笔记本计算机。把设备移到另一辆车上去，大约需要15分钟。测向设备一例测向的一种界面