单脉冲雷达

雷达大作业单脉冲雷达在测角方面的应用班级：1302019姓名：指导教师：魏青第1页一、引言1、背景对目标的定向，是雷达的主要任务之一，单脉冲定向是雷达定向的一个重要方法。之所以叫“单脉冲”，是因为这种方法只需要一个目标回波脉冲，就可以给出目标角位置的全部信息。单脉冲技术由于其良好的测角、角跟踪性能和抗干扰能力，因此除了在跟踪雷达中应用之外，还广泛应用到各种武器平台的控制雷达当中。本文分析了标定方法确定天线方向图信息的理论有效性，给出利用标定结果进行宽带单脉冲测角的方法。2、简介宽带单脉冲雷达是将传统的单脉冲雷达加载宽带信号。在宽带信号观测下，目标可认为由一系列孤立的散射点组成。从而宽带单脉冲雷达测角实际上是测定一系列散射点的角度。宽带单脉冲雷达测角具有广泛的应用价值，除了标跟踪，还可以应用于三维成像。根据对宽带单脉冲测角的基本原理分析可知，天线方向图在测角中发挥了重要的作用，目前的文献在讨论宽带单脉冲测角时，通常都是采取与文献类似的方法:根据理论模型，设定方向图函数。对于实际的宽带单脉冲雷达系统，方向图函数通常并不是严格的满足理论模型。此外，精确测量实际雷达系统的方向图际雷达系统进行标定来为测角提供必要的方向图信息。二、单脉冲雷达的自动测角系统中的优势1、角度跟踪精度与圆锥扫描雷达相比，单脉冲雷达的角度跟踪精度要高得多。其主要原因有以下两点：第一，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圆锥扫描调制信号（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，以免将频率为圆锥扫描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较宽，故目标振幅起伏噪声的影响基本可以消除。第二、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一倍。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0.1-0.2密位。第2页2、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。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更远、测距精度更高。并且，圆锥扫描雷达的角跟踪灵敏度的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%。3、角度信息的数据率单脉冲雷达比圆锥扫描雷达高。单脉冲雷达理论上只要一个脉冲就可以获得一次角信息，数据率为rf（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得一次角信息。圆锥扫描一周内至少需要四个脉冲，因而理论数据率是4rf，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10rf。三、单脉冲雷达系统多路接收是实现单脉冲定向的技术方法，单脉冲定向的关键就在于用几个独立的接收支路同时接收目标的回波信号，然后再将这些信号加以处理比较，最终计算得到目标信号的到达角。通常，在三维空间对一个目标定向要采用四个独立的接收支路：方位面两个支路，俯仰面两个支路。根据角度鉴别器和测角方法的不同，单脉冲雷达系统一般可以分为九种类型，如下表所示。下图给出了两维角坐标（方位和俯仰）振幅和－差式单脉冲雷达系统框图。测角方法（角度鉴别器的类型）三种定向方法的基本单脉冲雷达振幅法相位法综合法振幅法相位法和差式振幅——振幅振幅——相位振幅和——差相位——振幅相位——相位相位和——差综合振幅综合相位综合和——差第3页四、单脉冲定向原理对目标的定向，即测定目标的方向，是雷达的主要任务之一。单脉冲定向是雷达定向的一个重要方法。所谓“单脉冲”，是指使用这种方法时，只需要一个目标回波脉冲，就可以给出目标角位置的全部信息。根据从回波信号中提取目标角信息的特点，可以将单脉冲定向分为两种基本的方法：振幅定向法和相位定向法，分别见于下图。除了上述两种方法外，由它们合成的振幅—相位定向法（或称为综合法）也得到了广泛的应用。1、振幅定向法振幅定向法是用天线接收到的回波信号幅度值来进行角度测量的，该幅度值的变化规律取决于天线方向图以及天线的扫描方式。振幅定向法可以分为最大信号法和等信号法两大类，其中等信号法又可以分为比幅法和和差法。第4页如图所示，平面两波束相互部分交叠，其等强信号轴的方向已知，两波束中心轴与等强信号轴的偏角0也已知。假设目标回波信号来向与等强信号轴向的夹角为θ，天线波束方向图函数为F(θ)，则两个子波束的方向图函数可分别写成0201)(FFFF两波束接收到的目标回波信号可以表示成：022011FKFKuFKFKuaaaa其中aK为回波信号的幅度系数。对于比幅法，直接计算两回波信号的幅度比值有：0021FFuu根据上式比值的大小可以判断目标回波信号偏角θ的方向，再通过查表就可以估计出θ的大小。对于和差法，由1u和2u可计算得到其和值u及差值u分别如下:00210021FFKuuuFFKuuuaa其中00)(FFF称为和波束方向图；00)(FFF称为差波束方向图。若θ很小（在等强信号轴附近），根据泰勒公式可以将0F和0F展开近似为：002000002000FFoFFFFFoFFF进一步可以得到：0022FKuFKuaa第5页归一化和差信号值可得:00FFuu(2-6)其中00FF是天线方向图在波束偏转角0处的归一化斜率系数。即可计算得到目标回波信号偏角θ为：1uu对于振幅定向法来说，其优点是测向精度较高，便于自动测角，缺点是系统较复杂，作用距离较小等。2、相位定向法相位定向法是将两个天线接收到的信号相位加以比较以确定目标在一个座标平面内方向。如上图所示，对于遥远区域内的点目标，目标回波可近似看成是两列平行波分别入射到两天线上，因而两天线接收到的目标回波信号振幅相同而相位不同。两天线接收到的目标回波信号时差为：Cdsin其中C为电磁波在空气介质中的传播速度。则对应的相位差为：sin2d如果我们能测出信号到达天线1和2的相位差，那么，我们就能得到信号到达的方向θ为：d2arcsin相位定向法容易得到较高的精度，这是它突出的优点，其缺点是容易引起相位差的测量模糊，并需要对信号频率进行测量。五、MATLAB仿真结果：第6页附录：代码k=0.75;d=0.20;labda=2*pi/k;theta_3db=1.2*labda/d;theta_k=theta_3db/3;theta=-1.7*theta_3db:0.1:1.7*theta_3db;f1=exp(-1.3863*(theta-theta_k).^2/theta_3db^2);f2=exp(-1.3863*(theta+theta_k).^2/theta_3db^2);sigma=f1+f2;delta=f1-f2;figure,subplot(221),plot(theta,f1,'g-'),gridonholdon,plot(theta,f2),xlabel('\theta'),ylabel('两馈源形成的波束');subplot(222),plot(theta,sigma),xlabel('\theta'),ylabel('和波束\Sigma'),gridonsubplot(223),plot(theta,delta),xlabel('\theta'),ylabel('差波束\Delta'),gridonsubplot(224),plot(theta,(delta./sigma)),gridonxlabel('\theta'),ylabel('归一化\Delta/\Sigma')