经典雷达资料-第20章测高和三坐标雷达-4

同时波束转换技术的基本精度在角估计的同时波束转换方法中，天线同时形成两个或更多的雷达接收波束，并在平行接收通道中对其进行处理。单个发射的波束覆盖了接收时要被同时处理的角度区域。堆积波束、单脉冲和相位干涉都是用于目标仰角估计的同时波束转换法的例子。这些技术在雷达系统中的实现差异很大，但它们的基本精度都可用相同的方式进行分析，并可用与式（20.11）相同的形式来表示近似的结果。因为这种技术中的接收波束是同时形成和处理的，所以如果需要的话，则接收通道间回波的相对相位能用以帮助提高测角的精度。如果采用这种技术，则此处理过程就被称为相位干涉或简称为相参，从而必须保持接收通道间的相位上的紧密匹配。（b）多波速顺序波束、不起伏目标图20.4（续）基本精度单脉冲通常，单脉冲是指一种雷达技术。它利用一对同时形成的接收波束中回波的幅度和或相位样本，从单个脉冲发射来估计目标回波的到达角（见18.3节）。在历史上，这个名词一直指同时产生和处理一个接收和波束及一个接收差（或）波束有关。这些波束之所以这样命名，是因为用以形成它们的是早期且目前仍普遍的方法，即通过分别加减天线孔径的两半部分的方法。这种方法是产生和、差波束对的相对廉价的方法，但从性能的观点来看，未定是最佳方法。此外，在许多相控阵应用，特别是馈源只占整个雷达造价的一小部分的应用中不必对它加以限制。通常和波束要设计成能获得良好的探测能力和副瓣，然后对差波束进行优化以便实现所需精度的性能，也许还有其他的约束条件。和波束的规定特性相对于波束轴线第20章测高和三坐标雷达·787·大致呈偶对称，而差波束相对于同一个轴大致呈奇对称。通常假设差波束被调整或校准到与和波束同相，两个方向图之比为实数，与到达角的关系是相对于波束轴线的奇函数。单脉冲技术根据检测入射辐射的方法分类，即根据天线和波束形成技术，而不根据随后如何处理和组合各种波束和通道以产生角度的估计来分类[36][37]。幅度比较单脉冲和相位比较单脉冲是天线波束形成检测技术的类别。在幅度比较单脉冲中，天线波束形成的装置产生一对和、差波束，不失一般性，通常假设它们是同相的，即其比值是实数。在相位比较单脉冲中，在仰角上可分离两个或多个天线或辐射——接收单元装置用来产生两个波束，这两个波束除了有取决于接收目标回波入射角的相位差之外，在理想情况下均是完全相同的。这些技术可以在概念上通过数学上的和、差或在物理上通过无源射频混合合成装置互相转换。相位比较单脉冲系统的基本精度性能与由这种方法转换而得的幅度比较单脉冲系统相同，反之亦然。因此，这里从幅度比较单脉冲的概念可得出基本的精度性能。有多种基于和、差波束对实现单脉冲处理的方法，其功能框图如图20.5所示。其中，有些方法对基本单脉冲精度性能有重要的影响。在每一种实现方法中，单次发射的回波在同时形成的和、差波束中被接收并被进行相参处理。在如图20.5（a）所示的全矢量单脉冲中，两个复样本（I，Q）全被使用，以便计算出复数的单脉冲比的统计值。此计算的统计值，即测得的单脉冲比提供了相对于差波束零点的目标到达角进行计算机查表的根据。简单地说，计算机查表函数就是单脉冲比值的表格形式。它表示假设的差波束天线方向图与假设的和波束天线方向图之比与偏离轴线的角度之间的关系。在查表过程中，把测得的单脉冲比输入表格，反过来找出相应的偏离轴线的角度。如图20.5（b）所示中的全矢量单脉冲处理与如图20.5（a）所示中的有些区别。在如图20.5（b）所示中，在决定系统噪声系数的低噪声放大之后，采用射频正交混合设备来合成相位上相差90°的差波束与和波束信号，即+jΔ。在差通道中，进行合成的目的是使差通道中信号的强度与和通道中信号的幅度近似相等。这使得接收机中不可避免的非线性在两个通道中具有相同的影响，从而减少了接收链非线性对精度性能的影响。在不存在非线性的情况下，如图20.5（a）和（b）所示中的两种技术在数学上是相同的，这是因为cosImj1ImjIm（20.17）因此，它们都提供了全矢量单脉冲处理的基本精度性能，可由下式给出，即2/1)2(rmsexffWW)18.20(式中，)(/)()(ff,x=和波束中的信噪比，式中其他参数列表说明如下，即连续孔径离散孔径阵列第20章测高和三坐标雷达·788·)()(xWWxWW孔径照度函数WxxxWWxxxWxxWWxxWW)d)(sin2jexp()()()d)(sin2jexp()()(d)(d)(2/122/12nnn=1,N阵列加权矢量WxWWx)sin2jexp)()(sin2jexp)(不同的作者用不同的方法定义了单脉冲灵敏度因子[38]。为了本章的目的，将单脉冲灵敏度因子定义为一个常数。该常数是为了把波束轴向信噪比2倍的平方根变换为rmse时，在rmse的分母中所需的一个比例常数。以这种方式定义的单脉冲灵敏度因子具有包含全部目标到达仰角信息的所需特性。第20章测高和三坐标雷达·789·图20.5单脉冲处理的功能框图用于全矢量单脉冲的单脉冲灵敏度因子为fWWggfKT0（20.19）式中，0/)()(gg=归一化至单位增益的和波束电压方向图；0/)()(TTTTGGgg=归一化至单位增益的发射波束电压方向图。第20章测高和三坐标雷达·790·对于正交孔径照射函数，其中0*1kNkkWW（实际中通常如此），此等式可简化为2/12)1(fggfKT（20.20）对于几种感兴趣的情况，图20.6对此性能进行了图解说明。图中画出了归一化灵敏度因子k=K/L与u-空间到达角u=L/sin的关系。其中，以和差波束的轴线作为参考。单脉冲灵敏度因子在轴线角度上达到峰值并对称于轴线角度。图20.6（a）的两条曲线对应于均匀照射的和波束。在第一种情况中，差波束通过均匀照射口径的上、下两半相减来形成。对于这种差波束照射函数，归一化的轴线单脉冲灵敏度为/2（约1.57）。偏离轴线时，尽管单脉冲比率的斜率增加，但由于两通道中的信噪比降低及单脉冲比率f()绝对值的增加，灵敏度仍将降低。可以看出，通过使用线性奇孔径照射函数产生差波束，具有均匀和波束的全矢量单脉冲的轴线方向灵敏度最大值约为1.8。图20.6（a）的第二条曲线给出了线性奇差波束孔径照射的性能。一旦给定了孔径高度和射频波长，则实际单脉冲灵敏度因子便能从归一化灵敏度中算出。举例来说，如果L/=31.75，则对应于线性奇差波束照射函数,轴线方向上的单脉冲灵敏度是0.05715V/（V·msine）。对于信噪比为20dB的目标回波，有效的u-空间角度覆盖范围约为20，这对应于1.24mSines的基本精度。对于均匀波束,与和波束主瓣零点至零点的宽度相对应。这是单脉冲的基本优点，因为它允许单脉冲波束间有合理的间隔以便覆盖大的监视空域。孔径加权可增加覆盖范围，但以损失单脉冲灵敏度和基本精度为代价。和波束Taylor孔径加权、差波束Bayliss孔径加权对轴线方向单脉冲灵敏度的影响示于如图20.6（b）所示中。图中用均匀和波束、线性奇差波束情况下的灵敏度进行了归一化，并画出了它随用来规定Taylor和Bayliss加权的n及副瓣比（SLR）这两个参数而变化的情况。应当注意的是，图中给出的n和SLR的组合并不是都能构成孔径照射设计的良好选择。通过模拟技术在射频或中频进行相参信号处理，然后在两通道中完成包络和相位检波有时是方便且经济的。在幅度单脉冲中，相位检测的目的仅仅是为了说明目标回波发生在波束的半部分。然后经过对包络检波后信号强度比值的查表确定偏离轴线的角度。相对于全矢量单脉冲，这种方法的主要缺点是在轴线上或邻近轴线处精度下降。由于它采用模拟技术而非数字技术，所以它在相参信号处理中缺少灵活性。不正确的相位检测概率会降低幅度单脉冲处理在轴线方向上的基本精度性能。这种不正确的概率是指目标实际上在轴线之上而把它判定在轴线之下的概率，反之亦然。在波束轴线上，这种概率为0.5，可导致轴线方向上的基本精度比全矢量单脉冲的基本精度差2倍。在偏离轴线的角度上，相位检测错误概率取决于信噪比。在远离波束轴线角度上，信噪比减小，导致错误概率再次接近0.5。在中间角度上，可达到错误概率最小、精度最高的状况。如图20.5（d）所示的最后一种单脉冲实现方案称为相位单脉冲。这种处理不同于相位干涉技术。它也被某些作者[36][37]称为相位比较单脉冲。图中的射频或中频混合电路用来正交（即具有90°的相移）组合和、差通道。然后用精确的相位检波器检测出两通道之间的相位差。如图20.5（d）所示中的矢量图，其基本原理在于此相位差同差信号与和信号之比是一一对应的。在相位单脉冲中，牺牲偏离轴线处的精度而获得在两接收处理通道中具有相等幅度的信号。如果需要的话，则可对两通道中的信号进行强硬限幅而不影响相位单脉冲处理的基本精度。原则上说，相位单脉冲可用于缓和对接收处理动态范围的严格要求。但是，其他方第20章测高和三坐标雷达·791·面的性能将受到影响，在进行权衡的过程中必须仔细地加以考虑。相位单脉冲相对于矢量或幅度单脉冲的另一优点是，通道与通道间精确的幅度匹配的需求将会降低。图20.6单脉冲的基本精度相位单脉冲处理没有利用在两个波束中可供使用的目标到达角的全部信息，其基本精度性能受到损失。相位单脉冲的基本精度在轴线方向上与矢量单脉冲的精度相同，但在偏离轴线时将更快地下降。全矢量单脉冲运用了目标回波中的所有可用的信息，在所有的目标到达角均具有优良的灵敏度。对3种实现方案进行比较时，采用了均匀照射孔径和波束及均匀半孔径差波束。如图20.7所示，在用矢量单脉冲处理来测高的雷达中，可以通过对来自同时波束转换中多个脉冲或子脉冲的回波进行相干预合成，以形成目标到达仰角的一次测量。在这种方法中，第20章测高和三坐标雷达·792·对差通道与和通道的回波进行脉间相参互相关运算，然后用和通道中的非相参积累所确定的项对互相关和的实部归一化以产生测量的单脉冲比值。用于对测量的单脉冲比值进行归一化的同样的非相参也可在目标检测逻辑中用做检测门限。多个脉冲相参的单脉冲的均方根误差rmse与单个脉冲的单脉冲均方根误差的差别仅在于分母平方根中采用的脉冲个数。因此如图20.6所示中的结果经按适当的比例修正后也可使用。图20.7多脉冲矢量单脉冲处理堆积波束堆积波束是用于目标仰角估计的同时波束转换技术的另一个例子。在堆积波束中，一对波束的处理包括对幅度比较表的查表。其基本精度也可用式（20.11）的形式来表示。在堆积波束雷达中，发射波束必须设计成覆盖所有堆积中的接收波束，因此与堆积中的接收波束相比，仰角波束宽度较宽。良好的近似方法是假设它在仰角上无方向性，因而它就不是影响其基本精度性能的因子了。图20.8以归一化的灵敏度因子k=K/L与归一化的Sine空间到达角u=L/sin之间的关系来表示堆积中一对均匀照射的波束的基本精度性能。目标在u空间的到达仰角u以波束中间交点为参考。图中给出了u空间中的各种波束间隔。此技术的灵敏度在相交角度处达到峰值，且相对于此角度是对称的，交点处的灵敏度取决于波束之间的间隔。当u空间波束间隔为1.2时，交点处灵敏度达到最大值1.95。均匀的堆积波束对提供的u空间覆盖范围约为2-u。其中，u为目标处于两个波束的主瓣中相对应的u空间的波束间隔。在此范围之外，目标处于波束之一的副瓣中。堆积波束雷达在特殊的余割平方型监视波束中进行检测；因此这种情况在检测中过程中不敏感。于是，为了消除模糊的可能性，应当在u≤1时条件下，堆积均匀照射的波束。通过孔径加权可增加每一个波束对的覆盖范围。在此情况下，波