第3章--雷达的方向测量和定位

第3章雷达的方向测量和定位3.1概述3.1.1测向的目的对雷达的方向测量也就是测量雷达辐射的电磁波信号的等相位波前。雷达侦察系统测量雷达辐射源所在方向的主要目的有以下5点。（1）信号分选和识别。在雷达侦察系统的工作环境中可能存在着大量的辐射源,各辐射源的所在方向是彼此区分的重要信息之一,第3章雷达的方向测量和定位且受环境的影响较小,具有相对的稳定性,因此,辐射源所在方向是雷达侦察系统中信号分选和识别的重要参数。（2）引导干扰方向。在测出威胁雷达方向并且需要实施干扰的条件下,将干扰发射机能量集中在威胁雷达方向进行有效干扰。（3）引导武器系统辅助攻击。根据所测出的威胁雷达方向,引导反辐射导弹、红外、激光和电视制导等武器对威胁雷达实施攻击。第3章雷达的方向测量和定位（4）为作战人员提供威胁告警,指明威胁方向,以便采取战术机动。（5）辅助实现对辐射源定位。利用空间多点所测得的威胁雷达方向、时差等,确定威胁雷达在空间中的位置。第3章雷达的方向测量和定位3.1.2测向的方法1.根据测向原理分类雷达侦察系统对雷达辐射源测向的基本原理是利用侦察测向天线系统的方向性,也就是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,并依此分为振幅法测向和相位法测向。1)振幅法测向所谓振幅法测向，就是根据测向天线系统侦收信号的相对幅度大小来确定信号的到达角。主要的测向方法有:最大信号法、等信号法和比较信号法等。第3章雷达的方向测量和定位最大信号法通常采用波束扫描体制或多波束体制,以侦收到信号最强的方向作为雷达所在方向。它的优点是:信噪比较高,侦察距离较远;缺点是:测向精度较低。比较信号法通常采用多个不同波束指向的天线,覆盖一定的空间,根据各天线侦收同一信号的相对幅度大小来确定雷达的所在方向。它的优点是测向精度较高,缺点是系统较复杂。等信号法主要用于对辐射源的跟踪,其测向精度高,但测向范围较小,典型应用于反辐射导弹等。第3章雷达的方向测量和定位2)相位法测向所谓相位法测向，就是根据测向天线系统侦收同一信号的相对相位差来确定信号的到达角,也可以通过相位差解调出角度误差信号,驱动天线对辐射源实施被动跟踪。由于相对相位差来源于相对波程差与波长的比值,而雷达信号的波长较短,相位变化对波程差很灵敏,因此,相位法测向的无模糊测角范围较小,天线系统较集中(基线较短)。第3章雷达的方向测量和定位2.根据波束扫描分类波束,一般是指天线的振幅响应,其中振幅响应最强的方向称为波束指向。波束扫描是指其波束指向随着时间的变化。雷达侦察天线的波束扫描方法主要有顺序波束法和同时波束法。1)顺序波束法顺序波束法测向是通过窄波束天线在一定的测角范围内连续扫描来测量雷达所在方向的,也称为搜索法测向。它的优点是:设备简单,体积小,重量轻;缺点是:瞬时视野小,截获概率低,截获时间长。第3章雷达的方向测量和定位2)同时波束法采用多个独立波束覆盖需要侦收的空域,无需进行波束的扫描,也称为非搜索法测向。此方法瞬时视野宽,截获概率高,截获时间短,但设备较复杂。第3章雷达的方向测量和定位3.1.3测向系统的主要技术指标测向系统是侦察机的重要组成部分,其技术指标应满足侦察机的整体战技指标要求,并因侦察机的用途、性能而异。这里仅列出一般测向系统的主要技术指标。1.测角精度δA和角度分辨力ΔAδA一般用测角误差的均值和方差来度量,它包括系统误差和随机误差。系统误差是由于系统失调引起的,在给定的工作频率、信号功率和环境温度等条件下,它是一个固定偏差(均值不为零)。随机误差主要是由系统内、外噪声引起的。角度分辨力ΔA是指能够被区分开的两个辐射源的最小角度差。第3章雷达的方向测量和定位2.测角范围ΩAOA、瞬时视野ΩIAOA、角度搜索概率PA(T)和搜索时间TΩAOA是指测向系统能够检测辐射源的最大角度范围,是ΩIAOA指在给定时刻测向系统能够测量的角度范围。PA(T)是指测向系统在给定的搜索时间T内,可测量出给定辐射源角度信息的概率。搜索时间T则是指对于给定辐射源,达到给定搜索概率PA所需要的时间。对于搜索法测向,ΩIAOA仅对应于波束宽度,ΩAOA则为波束的扫描范围,PA(T)和搜索时间T取决于双方天线的扫描方式和扫描参数;对于非搜索法测向,ΩIAOA=ΩAOA,只要侦收信号功率高于灵敏度,测向系统就可以测定辐射源角度。第3章雷达的方向测量和定位3.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)或在给定测向系统天线增益GR或有效接收面积AR(单位为m2)条件下的测向接收机灵敏度PRmin(单位为dBm)。二者的换算关系为PRmin=D+10lgAR=D+10lg(GRλ2/4π)dBmAR=GRλ2/4π(3―1)第3章雷达的方向测量和定位3.2振幅法测向3.2.1波束搜索法测向技术波束搜索法测向的原理如图3―1所示。侦察测向天线以波束宽度θr、扫描速度vr在测角范围ΩAOA内进行连续搜索。当接收到的雷达辐射信号分别高于、低于测向接收机检测门限PT时,记下波束的指向θ1、θ2,并以其平均值作为角度的一次估值:^^121()2(3―2)第3章雷达的方向测量和定位图3―1波束搜索法测向的原理第3章雷达的方向测量和定位在搜索过程中,侦察波束在雷达辐射源方向具有一定的驻留时间tr=θr/vr,当tr大于雷达的脉冲重复周期Tr时,可能接收到雷达辐射的一组脉冲信号。在许多情况下,雷达天线波束也处于搜索状态。当其天线旁瓣很低时,只有双方的天线波束互指时,侦察机接收到的雷达信号功率才能达到检测门限。由于天线互指是一个随机事件,搜索法测向的本质是两个窗口函数的重合——几何概率问题。为了提高搜索概率,侦察机必须尽可能地利用已知雷达的各种先验信息,并由此制定自己的搜索方式和搜索参数。第3章雷达的方向测量和定位1.慢速可靠搜索设雷达天线的波束宽度为θa(°),扫描速度为va(°/s),扫描范围为Ωa(°),扫描周期为Ta(s),且Τa=Ωa/va。侦察天线的扫描周期为TR(s),角度搜索范围为ΩAOA(°),扫描速度为vr(°/s),且TR=ΩAOA/vr。侦察机检测雷达方向信息需要Z个连续脉冲,则慢速可靠搜索需同时满足的条件是:(1)在雷达天线扫描一周的时间Ta内,侦察天线最多只扫描一个波束宽度θr,即rrRarAOATT(3―3)第3章雷达的方向测量和定位(2)在雷达天线指向侦察机的时间TS内,至少接收到Z个连续的雷达发射脉冲,即aSaraTTZT(3―4)Tr为雷达的脉冲重复周期。(3―3)、(3―4)式也分别称为慢速条件和可靠条件,其可靠搜索到雷达信号的时间是侦察天线的扫描周期TR,并且假设雷达天线在此时间内是匀速周期扫描的。慢速可靠搜索的主要缺点是所需的TR很长,一般主要用于搜索天线转速较高的雷达。第3章雷达的方向测量和定位2.快速可靠搜索快速可靠搜索需同时满足的条件是:(1)在雷达天线扫描一个波束宽度θa的时间内,侦察天线至少扫描一周,即aaaRaaTT(3―5)(2)在侦察天线指向雷达的时间TS内,至少接收到Z个连续的雷达发射脉冲,即rSRrAOATTZT(3―6)第3章雷达的方向测量和定位(3―5)、(3―6)式也分别称为快速条件和可靠条件,其可靠搜索到雷达信号的时间是雷达天线的扫描周期Ｔa。快速可靠搜索主要用于搜索天线转速较低的雷达。当雷达天线转速较高时,侦察机不仅很难满足(3―6)式的可靠条件,也很难实现(3―5)式的快速扫描。不满足慢速可靠搜索和快速可靠搜索条件的搜索法测向一般称为概率搜索,其搜索时间和搜索概率的计算可参见第5章中对截获概率和截获时间的分析。第3章雷达的方向测量和定位3.测角精度δA和角度分辨力ΔA搜索法测角的误差主要有系统误差和随机误差。其中系统误差主要来源于测向天线的安装误差、波束畸变和非对称误差等,可以通过各种系统标校减小。这里主要分析随机误差。测向系统的随机误差主要来自测向系统中的噪声。如图3―2所示,由于噪声的影响,使门限检测的角度θ1、θ2出现了偏差Δθ1、Δθ2,通常其均值为零。由于两次测量的时间间隔较长,可以认为Δθ1、Δθ2是相互独立、同分布的,代入(3―2)式,则角度测量均值第3章雷达的方向测量和定位图3―2第3章雷达的方向测量和定位设检测门限处的信号电平为A(最大增益电平的一半),噪声电压均方根为σn,天线波束的公称值为A/θr,将噪声电压换算成角度误差的均方根值^11221211[]()()22E是无偏的。角度测量方差^12111[][][][]222DDD12([]///nrrnDASNASN(3―9)第3章雷达的方向测量和定位可见,最大信号法测角的方差与波束宽度的平方成正比,与检测门限处的信噪比成反比。如果在搜索法测角的过程中,雷达天线也处于扫描状态,则侦察机接收到的雷达脉冲列将受到侦察天线和雷达天线双方的扫描调制,其结果不仅会使最大信号的出现位置发生变化,还将使收到的雷达脉冲列包络发生非对称畸变,影响角度测量的准确性。代入(3―8)式可得2^[]2/rDSN(3―10)第3章雷达的方向测量和定位为了消除由于雷达天线扫描等因素引起的信号幅度起伏对角度测量的影响,可以增加一个参考支路,如图3―3(a)中的B支路。它采用无方向性天线,对定向支路(A支路)中的信号起伏进行对消处理,保持定向信号的稳定。假设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,则图3―3(a)中,A、B支路收到的信号分别为()()()()cos()()()cosAARBAStFtFtAttStFtAtt(3―11)第3章雷达的方向测量和定位图3―3具有辅助天线对消的搜索法测向系统(a)系统组成；(b)A、B天线方向图第3章雷达的方向测量和定位经过混频、对数中放后的输出电压分别为()lg[()()()cos()lg[()()cos]AAARiBAAiUtKFtFtAttUtKFtAtt(3―12)式中,ωi为中频频率。经减法器对消后的输出电压为lg[()]AoRBKUFtK(3―13)第3章雷达的方向测量和定位它只与侦察机定向天线的扫描有关。不难证明,图3―3(b)也能获得(3-13)式的结果。辅助支路B不仅能够消除雷达天线扫描对测向的影响,也能够消除发射信号起伏、电波传播起伏等的影响,还能够用于旁瓣匿影。如图3―2(b)所示,适当调整两路的相对增益,使定向天线的所有旁瓣接收信号电平都低于无方向性天线的接收信号电平,只有当A支路信号电平高于B支路信号电平时才进行测向处理。搜索法测向的角度分辨力主要取决于测向天线的波束宽度,而波束宽度又主要取决于天线口径d。根据瑞利光学分辨力准则,当信噪比高于10dB时,角度分辨力为70/()ord(3―14)第3章雷达的方向测量和定位3.2.2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,如图3―4所示。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)第3章雷达的方向测量和定位图3―4第3章雷达的方向测量和定位图3―4第3章雷达的方向测量和定位1.相邻比幅法假设天线方向图满足对称性,F(θ)=F(-θ),如图3―5所示,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为φ时,对应的通道输出信号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)］(3―17)第3章雷达的方向测量和定位相减后以分贝(dB)为单位的