第7章角度测量

第七章角度测量主要内容测角物理基础测角方法天线波束扫描方法自动测角角度测量任务:测定目标的角坐标，包括方位角和俯仰角。物理基础：电波直线传播天线的方向性天线的方向图特点极值性对称性单调性（主瓣内）天线的方向图技术指标半功率波束宽度副瓣电平测角方法方法：振幅法相位法技术指标：测角范围测角精度分辨力相位法测角接收机接收机12目标方向法线方向R＝dsind基本原理0210222sinRfttfdcsinRd波程差：02jftste两天线基线长度d,目标方位角θ，发射信号0121jfttste0222jfttste两天线回波信号相位差：利用多个天线所接收回波之间的相位差进行测角。相位法测角系统组成混频器混频器自动增益控制自动增益控制本振中放中放相位比较器由于在较低频率上容易实现比相,故通常将两天线收到的高频信号经与同一本振信号差频后,在中频进行比相。u1=U1cos(ωt-φ)u2=U2cos(ωt)uI1=UI1cos［(ω-ωL)t-φ-φL］uI2=UI2cos［(ω-ωL)t-φL］uL=ULcos(ωLt+φL)相位法测角1212211212dduuuuuu相位检波器u1=U1cos(ωt-φ)u2=U2cos(ωt-90°)输入信号当选取U2U1时1212oooddddUUUKUKU相位法测角112122211sin21sin2dddduUUUuUUU12121sinooodddddUUUKUKUKU相位检波器输出电压为u1=U1cos(ωt-φ)u2=U2cos(ωt-90°)相位法测角11sinoddUKUKU1sinodUKU•当φ＜30°,输出电压Uo与φ近似为线性关系：0210222sinRfttfdc•单值测量范围是-π/2~π/2相位法测角2cos2cosdddddd2cosd测角的误差：相位差φ值测量不准,将产生测角误差结论：方位角越大，测角误差越大；基线长度越大，测角误差越小；多值性增大d虽然可提高测角精度,但当d加大到一定程序时,φ值可能超过2π,此时φ=2πN+ψ,其中N为整数;ψ＜2π,而相位计实际读数为ψ值。0210222sinRfttfdc相位法测角2sin21212dNd2sin21313多基线解决测角模糊（确定N）短基线长基线接收机接收机12d123接收机12d13R12R13131212131312131213ddddN振幅法测角基本原理利用天线收到的回波信号的幅度值分类最大信号法等信号法最大信号法优点：简单、作用距离远缺点：测量精度不高；不能判别目标偏离波束轴线的方向,故不能用于自动测角。广泛应用于搜索、引导雷达等信号法(a)(b)12OCBA0121212OC方向OA方向OB方向测角采用两个相同且彼此部分重叠的波束，通过比较两个波束回波的强弱判断目标偏离等信号轴的方向和角度。等信号法11011000()()(())1()()()kttkktFFFuKFKFKF波束收到的目标回波信号22022000()()(())2()()()()kttktkktFFFuKFKFKFKF波束收到的目标回波信号0t等信号法12()()()()tkttktuFuF比幅法：0t根据比值的大小可以判断目标偏离θ0的方向,查找预先制定的表格就可估计出目标偏离θ0的数值。(a)(b)(c)102tF1()F2()()响应(差波束)()响应(和波束)响应和差法：+-12uu等信号法0t优点：(1)测量精度高，因为等信号轴附近方向图斜率较大,目标略微偏离等信号轴时,两信号强度变化较显著。比最大信号法高约一个量级。(2)根据两个波束收到的信号的强弱可判别目标偏离等信号轴的方向,便于自动测角。缺点：(1)系统复杂；(2)等信号轴方向不是方向图的最大值方向,故在发射功率相同的条件下,作用距离比最大信号法小些。等信号法等信号法常用来进行自动测角,应用于跟踪雷达中。(a)(b)12OCBA0121212OC方向OA方向OB方向天线波束扫描波束形状扇形波束针状波束波束扫描方式机械扫描电扫描波束形状扇形波束一维窄波束，一维宽波束圆周扫描、扇形扫描(a)(b)O扇形波束通常在水平面内很窄,故方位角有较高的测角精度和分辨力。垂直面内很宽,以保证同时监视较大的仰角空域。针状波束两维窄波束螺旋扫描、分行扫描和锯齿扫描00仰角扫描范围(a)(b)(c)方向角仰角波束形状采用针状波束可同时测量目标的距离、方位和仰角,且方位和仰角两者的分辨力和测角精度都较高。主要缺点是因波束窄,扫完一定空域所需的时间较长,即雷达的搜索能力较差。天线波束的扫描方法天线收发开关接收机距离高度显示器发射机天线摆动机构飞机目标机械性扫描馈源不动、反射体动馈源动、反射体不动等长度的波导输出喇叭输入喇叭特点：简单、机械运动惯性大。扫描速度不高电扫描相位扫描法频率扫描法时间延迟法天线波束的扫描方法特点：无惯性限制、扫描速度快，波束控制灵活；扫描过程中波束展宽，天线增益减小，扫描角度范围有限；天线系统复杂。相位扫描法2k(N－1)0012kN－1dddsin02jftste000101202sin212sin2jfttjdjfttjkdjfttkEeEEeEeEeEe11()20sin()21sin()2NNjkkNEEEe发射信号2sind原理：在阵列天线上采用控制移相器相移量的方法改变各阵元的激励相位，从而实现波束的电扫描。)sin2(21sin)sin2(2sin1)(21sin)(2sin1|)(||)(|)(maxddNNNNEEF00sinsinsin1()sinsinsinNdFNd02sinddd012kN-102k(1)NsindM'M波束指向天线阵法线方向00相位扫描法00,()1F方向图最大值指向为阵列法线方向方向图最大值指向为方向0同相波前0,()1F相位扫描的栅瓣问题00sinsinsin1()sinsinsinNdFNd不出现栅瓣的条件：避免测角的多值性……－0)sin(sinπ0d00(sinsin)11sin12ddd相扫天线的波束宽度00sin0.7070.433xx时x=波束指向为天线阵面法线方向时的宽度0.5sinsinsinsin1()sinsinsin1000.866()()NdNdFNddNradNdN000sinsincos0000sinsinsinsinsinsin11()sinsinsinsinsinNNddFNNdd0.50.500()cosrad000000sinsinsinsincos11()cossinsinsinNNddFNNdd相位扫描的天线波束宽度波束扫描时的波束宽度随着扫描角度增大，波束展宽，天线增益下降。同相馈电阵列天线有效长度，相比法线方向减小。Ndcosθ0相扫天线带宽由于雷达工作频率变化会引起波束指向的变化，通常需要使波束指向的变化相对于波束宽度小于某一允许值，从而频率的变化受到限制，相应有带宽要求百分比带宽Ba(%)=2(δf/f)×100000.50.502sintan10.874sinasdffB考虑单个阵元的方向性等间距和等幅馈电的阵列天线副瓣较大，可采用振幅加权和“密度”加权降低副瓣电平。()()()NeFFF直线阵列的方向性图相当于等幅序列的付里叶变换，但数字频率变量被代替。相位扫描天线实例每个面阵扫描-60度到60度整个120度的方位范围，因此覆盖整个空域需要三个面阵潜射弹道导弹预警，平均功率145KW，阵面直径30.6m，作用距离4500Km。（80年代）美国AN/FPS-115“铺路爪”三坐标雷达功能：能够同时、迅速、精确地测量雷达探测空域内大量目标的三个坐标值。要求：快速提供大空域多批量目标的三坐标测量数据，并具有较高的测量精度和分辨力。采用针状波束。数据率：衡量三坐标雷达获得信息速度。单位时间内雷达对指定探测空域内任一目标所能提供数据的次数。或者是雷达对指定空域探测一次所需要时间的倒数。1rsrsfVTNTDTVN数据率定义自动测角天线自动跟踪目标，并将目标的坐标数据传送给计算机处理系统。基本原理利用角误差鉴别器产生与角误差相关的误差电压，经处理得到误差信号，控制天线向误差减小的方向运动，对准目标。自动测角的原理和自动距离跟踪的原理类似，需要闭环控制系统。方法圆锥扫描自动测角系统。（顺序波瓣法）单脉冲自动测角系统。（同时波瓣法）角误差鉴别器目标角度控制器天线波束指向'ue=k(-')自动测角原理和方法等信号法测角圆锥扫描自动测角系统原理：输出信号近似为幅度受正弦波调制的脉冲串，其调制频率为天线的圆锥扫描频率，调制深度取决于目标偏离等信号轴方向的大小，而调制波的起始相位由目标的偏离等信号轴的方向决定。圆锥扫描自动测角系统天线轴线对准目标，输出为一串等幅脉冲。天线轴线偏离目标方向，输出信号为一串幅度受到调制的脉冲RABOsRR0xyst圆锥扫描自动测角系统RABOsRR0xyst2222002coscos()ssRRRRtt220'0000200''()(cos())()[12cos()]()cos()()()2()():2()ssmsmUkFkFtFUUtFUUtUkFUUmFmFFmF调制深度：角误差鉴别器的灵敏度圆锥扫描自动测角系统c000=cos()=cos()mssUtUt001cos()2U误差电压001sin()2U方位角误差电压：俯仰角误差电压：振幅Um表示目标偏离等信号轴的大小,而初相φ0则表示目标偏离的方向,例如,φ0=0表示目标只有方位角误差。圆锥扫描雷达组成发射机自动距离跟踪系统显示器接收机高频部分自动增益控制距离支路中放检波器角跟踪支路中放检波器收发开关伺服放大器伺服放大器功率放大器功率放大器高低角相位鉴别器方位角相位鉴别器锥扫频率调谐放大器脉冲检波器视频放大器2134波门单脉冲自动测角系统基本原理：雷达天线在一个角平面内有两个部分重叠的波束。将这两个波束同时收到的信号进行和差处理，分别得到和信号和差信号。差信号反映了目标角度偏离轴线方向的程度，将该差信号通过放大变换后加到驱动电机，控制天线向