5第三章----方向测量和定位原理(第五次课)

北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所方向测量和定位原理方向测量和定位原理北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所上次课回顾上次课回顾上次课回顾上次课回顾一、测向技术概述二、典型的测向技术1.测向意义1.比幅单脉冲测向原理2.测向原理3测向方法冲测向原理2.干涉仪测3.测向方法分类干涉仪测向技术北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所上次课回顾上次课回顾上次课回顾上次课回顾测向意义一、测向意义1为辐射源的分选和识别提供可靠的依据：1.为辐射源的分选和识别提供可靠的依据：辐射源空间位置不会突变；到达角是信号分选与识别的重要参数。2.为电子干扰和摧毁攻击提供引导3.为作战人员提供危险告警：给出辐射源跟踪照射告警引导反辐射导弹等攻击给出辐射源跟踪照射告警；引导反辐射导弹等攻击。4.为辐射源的定位提供参数：通过多站或单个运动站定位。北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所上次课回顾上次课回顾测向上次课回顾上次课回顾二、测向原理•利用测向天线系统对不同方向到达电磁波所具有的振幅或相位响应来确定辐射源的来波方向北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所上次课回顾上次课回顾上次课回顾上次课回顾三、测向方法分类按照测向的技术体制可分为振幅三、测向方法分类•按照测向的技术体制可分为：振幅法测向和相位法测向。•1.振幅法测向•（1）最大信号法•（2）最小信号法•（3）比较信号法北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所上次课回顾上次课回顾上次课回顾上次课回顾三、测向方法分类•2.相位法测向测向方法分类•2.相位法测向•相位法测向系统通常有多个不同的位置或指向的单元，根据比较不同天线侦收到或指向的单元，根据比较不同天线侦收到同一辐射源信号的相位差确定信号的到达角，也称为比相法。角，也称为比相法。北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所上次课回顾上次课回顾上次课回顾上次课回顾三、测向方法分类3.其他测向方法三、测向方法分类时差法：利用不同方向来波信号到达不同天线的时间差来测向天线的时间差来测向多普勒测向法：多普勒测向法：将不同方向来波信号到达方向转化为不同的信号多普勒频率值转化为不同的信号多普勒频率值幅度—相位混合方法空间谱估计法空间谱估计法北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所上次课回顾上次课回顾上次课回顾上次课回顾四比幅单脉冲测向技术四、比幅单脉冲测向技术相邻比幅法的天线方向图北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所上次课回顾上次课回顾上次课回顾上次课回顾五、干涉仪测向技术五干涉仪测向技术单基线相位干扰仪原理图北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所本次课内容提纲本次课内容提纲本次课内容提纲本次课内容提纲一、其他测向技术二、对辐射源的定位技术二、对辐射源的定位技术北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所本次课问题本次课问题本次课问题本次课问题1.与传统测向方法相比，空间谱传谱估计方法具有什么突出优点？2.无源定位技术分类有哪些？2.无源定位技术分类有哪些北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所二、典型的测向其他测向技术（）环形天线测向法技术其他测向技术（一）环形天线测向法图7环形天线测向法北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所二、典型的测向技术其他测向技术技术其测术（一）环形天线测向法环形天线：最简单的测向系统是由单匝和多匝导线构成的单一平面，称为环形天线。（）环形天线测向法环形天线具有8字形方向，如图7，当天线旋转时，通过环形天线平面的磁通量(磁力线)也随着变化。1.如果环形天线的平面与来波方向一致，则穿过环形天线平面通过环形天线平面的磁通量(磁力线)也随着变化。2.如果环形天线的平面与来波方向垂直，因为没有磁力线穿过的磁力线数最大，接收信号也最大，也即天线方向图最大方向；2.如果环形天线的平面与来波方向垂直，因为没有磁力线穿过环形平面，环形天线接收不到信号，也即天线方向图最小方向。因此可以通过转动天线来获得来波方向的角度。显然环形天线测向属于波束搜索振幅法测向。北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所二、典型的测向技术其他测向技术技术其测术（）环形天线测向法存在的问题：环形天线测向存在示向度双值性的问题。为了解决这个问题，需要与环形天线同时使用一根无方向性（一）环形天线测向法为了解决这个问题，需要与环形天线同时使用一根无方向性天线。解决方法：如图7所示。将这两副天线接收到的信号在接收机的输人端相加，就在平面方向形成了如图所示的心脏形极坐标方向图。，这种方向图只有一个最小值，它与环形天线方向图的最小值相差90°，根据不同的频率，来自杆状天线的放大器增益必须调到适当值，当来自环形天线输出的最大电压与杆状天线输出相同时，就能产生单一的最小值。根据最小信号的方向，可以唯一地确定辐射源的方向。北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所二、典型的测向技术其他测向技术技术其他测向技术优点缺点优点所需技术设备最少缺点耗时长误差大：所需技术设备最少：只要有转动和听觉设备的接收机，关掉自动增益配上这耗时长、误差大：该方法测向时需要天线机械旋转搜索，耗费时间较长，测向误差般在±5°±10°（RMS）掉自动增益，配上这种天线就可以测向。误差一般在±5～±10（RMS）范围内。价格低廉：目前在低频端，如引起侧向误差：由于环形天线有水平边，对非目前在低频端，如ELF(极低频)、VLF(甚低频)、LF(低频)和MF(中频)频段仍有使用。垂直极化电波有作用，特别是对经电离层反射的短波，反射后极化方向往往有变化，环形天线水平边接收后引起极化影响的测向误差尤收后引起极化影响的测向误差，尤其在夜间更为严重。北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所二、典型的测向技术其他测向技术（）多普勒测向技术技术其他测向技术（二）多普勒测向技术图8多普勒测向原理图9多普勒频率变化曲线示意图北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所二、典型的测向技术其他测向技术技术其他测向技术如图8所示。假定有一个旋转天线，其围绕基准点天线旋转，当旋转的接收天线沿圆周路径向辐射源方向运动时，多普勒效应使得接收频率明显增加；当天线在圆周路径的另一边背离辐射源方向接收频率明显增加；当天线在圆周路径的另边背离辐射源方向运动时，接收频率则明显降低。当测向天线做圆周运动时，会使来波信号的相位受到正弦调制。设以圆周运动的中心点为相位参考点，其信号的相位为，运动天线接收信号的瞬时相位为，ϕ()tϕ考点，其信号的相位为，运动天线接收信号的瞬时相位为，于是有ϕ()ϕ()cos()cttktϕωϕθ=++Ω−式中，为信号的角频率，为天线旋转角频率，为来波方向角度，相位常数，其中为天线转动的圆周半径，为信号波长这时测向天线所收到的信号的表达式为ωΩθ2/ckrπλ=rλ()U为信号波长，这时测向天线所收到的信号的表达式为()Ut()cos[cos()]cUtAtktωϕθ=++Ω−北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所二、典型的测向技术其他测向技术技术其他测向技术多普勒效应使测向天线收到的信号产生调相，多普勒相移为，于是有Dϕ于是有相应的多普勒频移为cos()Dcktϕθ=Ω−相应的多普勒频移为当或者时当或者时达()sin()Ddcftkttϕθ∂==−Ω−∂0tθΩπ()0ftπ3π()ft当或者时，；当或者时，达到正的最大值或者负的最大值。由于旋转角频率已知，可以通过寻找频率零点或最大值点时刻t来确定来波方向。如图9所示。0tθΩ−=π()0dft=2tπθΩ−=2()dftΩθ北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所二、典型的测向技术其他测向技术技术其他测向技术实际的多普勒测向系统中，天线单元并不机械旋转，而是在圆个单采高高周上安装多个对称排列的天线单元，采用高速电子开关快速切高速电子开关快速切换换，依次接通各个天线单元，这样就相当于单一天线实现旋转效应，其结果便产生了多普勒频移。该频移信号为一个正弦波，频率变化的周期等于假定单一天线的旋转周期。为了得到多普勒频移的正弦波，必须使用低通滤波器进行平滑。将多普勒频移正弦波的相位与基准电压的相位进行比较，即可测定方位角。移弦波的相位与基准压的相位行较即可测定方位角多普勒测向法可以用来测定大约范围内的来波方向仰0020~90定角，在有仰角存在时，相当于天线基线变短，多普勒频移变小，由此可推断出仰角。北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所二、典型的测向技术其他测向技术技术其他测向技术多普勒测向技术多用于VHF和UHF频段的通信信号，在某种程度上也可用于HF频段。多普勒测向体制的特点是它可以采段多普勒测向体制的特点是它可以采用中、大基础天线阵，准确度也高，没有间距误差，极化误差小，可测仰角。多普勒测向体制的缺点是抗干扰性较差，多普勒测向体制的缺点是抗干扰性较差，对于有调制信号会引入测向误差。环形天线、爱德考克、瓦特森‐瓦特、乌兰韦伯和多普勒测向技术主要针对连续波通信信号测向，其天要针对连续波通信信号测向，其天线单元主要适应于HF、VHF和UHF频段通信信号，并且由于需要波束扫描，所以测向所需的时间较长扫描，所以测向所需的时间较长。北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所二、典型的测向其他测向技术技术其他测向技术（三）多波束测向法（三）多波束测向法目的：可达到在空间同时搜索的目的。手可以采用天线阵列构成多波束进行测向，类似于雷达的相控阵天线原理手段似于雷达的相控阵天线原理。利用相加、放大、混合耦合和固定移相的Butler矩阵形成多波瓣方向图，如图10所示。实现功能它可以在单一平面内进行波瓣扫描，也可以进行波瓣间的比幅。功能优典型的多波束测向设备，如线性相位多模圆形阵是种全向高精度测向系统它既具有干涉仪的高测角精优势一种全向高精度测向系统。它既具有干涉仪的高测角精度，又具有全向比幅单脉冲系统的高方位截获概率。北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所二、典型的测向其他测向技术（）多波束测向法技术其他测向技术（三）多波束测向法图10多波束测向法北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所二、典型的测向其他测向技术（四）阵列测向与空间谱估计技术技术其他测向技术（四）阵列测向与空间谱估计技术图11高分辨阵列测向系统示意框图北京理工大学雷达与对抗技术北京理工大学雷达与对抗技术研究所北京理工大学雷达与对抗技术研究所二、典型的测向技术其他测向技术技术其他测向技术（四）阵列测向与空间谱估计技术如图11所示，设一共有M个天线阵元，相邻天线阵元的间距为d，信号到达相邻阵元的时间差为（四）阵列测向与空间谱估计技术式中，为来波方向，C为电波在自由空间的传播速度。如果将第一θ阵元作为参考，这样第m个阵元的输出信号为各收到的信号均为第阵元信号()的副本为噪声它与信()各收到的信