雷达大作业

单脉冲自动测角系统的应用摘要：本文简要介绍了单脉冲雷达的特点，并主要说明了振幅和差式单脉冲雷达的工作原理。单脉冲自动测角系统不仅具有重要的理论研究意义，同时也大量地被应用在军事民用等诸多领域。本文不仅在理论上对单脉冲自动测角系统进行了分析，同时结合实际生活中的两个应用实例——无人飞行器跟踪测角体制以及对地观测卫星对目标的跟踪技术，对单脉冲测角系统在具体问题上的工作方式与分析方法给予了详细的解释与分析。关键词：单脉冲雷达，角度跟踪，角误差信号，无人飞行器的角度跟踪，卫星的目标跟踪。0.引言单脉冲自动测角属于同时波瓣法测角,理论上,它只需要分析一个回波就能提取角误差信息(目标偏离波束中心指向的角度)。由于取出角误差的具体方法不同,单脉冲自动测角通常分为振幅和差式单脉冲测角与相位和差式单脉冲测角,文中主要介绍的是高精度、稳健性好、实现简单的振幅和差式单脉冲测角法。1.单脉冲雷达1.1定义单脉冲雷达是能从单个回波脉冲信号中获得目标全部角坐标信息的跟踪雷达。1.2特点单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达。它有较高的测角精度、分辨率和数据率，但设备比较复杂。单脉冲雷达早在60年代就已广泛应用。美国、英国、法国和日本等国军队大量装备单脉冲雷达，主要用于目标识别、靶场精密跟踪测量、弹道导弹预警和跟踪、导弹再入弹道测量、火箭和卫星跟踪、武器火力控制、炮位侦察、地形跟随、导航、地图测绘等；在民用上主要用于中交通管制。目前使用的单脉冲雷达基本上都实现了模块化、系列化和通用化，具有多目标跟踪、动目标显示、故障自检、维修方便等特点。1.3分类按提取角误差信息的方法不同，分为幅度比较单脉冲雷达和相位比较单脉冲雷达两种。2.单脉冲自动测角基本原理及解角误差方法2.1基本原理单脉冲自动测角的定向原理:用几个独立的接收支路来同时接收目标的回波信号,然后再将这些信号加以比较,就可以获得目标的角误差信息,将其转换成误差电压,然后将此误差电压放大变换后加到驱动电动机,控制天线向误差减小的方向运动。雷达天线在一个角平面内有两个部分重叠的波束,如图1所示。振幅和差式单脉冲雷达取得角误差信号的基本方法是将这两个波束同时收到的信号经过和差比较器的处理,分别得到和信号与差信号,和差波束如图2和图3所示。和信号振幅为两信号振幅值之和,相位与到达和端的两信号相位相同,且与目标偏离天线轴的方向无关。差信号的振幅与误差角成正比,并且目标偏于天线轴的侧向不同时差支路的相位差是180°,所以差信号的振幅表明了目标误差角的大小,相位表明了目标实际偏离天线轴的方向。2.2解角误差方法差信号的振幅不仅与目标偏离天线轴的角度大小有关。而且还与目标的大小和距离有关,这样对于同一角误差方向的目标,如果只从差支路信号幅值判断其角误差大小,则会因为目标的大小或远近导致回波的强度不同而产生多值问题。由于和信号的幅值也与目标的大小和距离有关,所以和差两路信号幅度相除后得到的角误差信息就只与目标偏离天线轴的角度大小有关,因而利用和差归一电路采用和信号幅值Σ去除差信号幅值Δ的方法就能得到角误差大小不随上述因素而改变。方位角误差δ和俯仰角误差δ的大小为δ=Δθ/Σ(1)δ=Δε/Σ(2)角误差的符号取决于和信号与差信号之间的相位关系。理想情况下,和信号与差信号之间不是同相,就是反相,但实际上由于噪声和各种误差的影响,两者的相位差可能在0°或180°左右摆动,所以采用的判断方法是(φΣ-φθ)≤±90°,δ的符号S为“+1”(φΣ-φθ)≥±90°,δ的符号S为“-1”(3)(φΣ-φε)≤±90°,δ的符号S为“+1”(φΣ-φε)≥±90°,δ的符号S为“-1”(4)由求得的角误差大小和符号通过S曲线查表就可以得出实际的角误差信息。求解角误差信息的过程如图所示。3.单脉冲自动测角系统的应用3.1无人飞行器跟踪测角体制3.1.1自跟踪测角设备的作用及意义飞行器由于自身体积、重量限制,天线一般采用小型的全向天线,而为了保证测控系统能够远距离地传输测控及侦察信息,地面站必须采用增益高的定向天线来跟踪移动的飞行器,这就需要由天线自动跟踪系统来完成。3.1.2常用的跟踪测角体制及实现方案单脉冲体制自跟踪接收系统是利用成对波束接收飞行器或被跟踪目标信号的振幅或相位同时比较,得到目标偏离等信号轴的量值和方向有关的误差信号。这里只对单平面(方位)单脉冲体制跟踪测角方案进行讨论。单脉冲跟踪系统有双通道、3通道和单通道之分,双通道或3通道跟踪接收时,和、差信号各自通过不同信道传送。由于信道的不一致性,必然引起和信号与差信号的相位特性和幅度特性的不一致。因此制作设备时要求2路或3路信道部件的一致性高,这在技术上实现起来较困难和复杂。实际应用中采取在射频部分用一个低频信号对差信号进行调制,将调制后的差信号与和信号合成后,在一个通道内进行其余的射频及中频处理,即为单通道单脉冲跟踪方式。单脉冲分为比幅单脉冲和比相单脉冲2种方式。在比幅单脉冲方式下,天线的基线长度远小于1λ,无论目标处于什么位置,2馈源接收到信号的相位是一致的,因此对信号的幅度差进行同时比较;而在比相单脉冲方式下,天线基线长度远大于1λ,两馈源接收到信号位差进有相位差,因此对信号的相位差进行同时比较得到目标偏离天线轴的角误差信号。比相单脉冲和比幅单脉冲的处理基本相同,只是在比相单脉冲方式中,和信号先要经过π/2移相。单通道比幅单脉冲体制自跟踪接收系统常用的方案,其设备组成框图如图所示。3.2对地观测卫星地面站的目标跟踪技术3.2.1单平面比幅单脉冲测角原理在抛物面天线焦点附近对称设一对馈源,从而在空间形成两个对天线轴对称偏置0角的波束,如图所示。若目标方向偏离天线轴的误差角为T时,A、B波束方向性图分别为)(FA与)(FB。若接收目标信号)(tE为:式中:Em为接收信号振幅;wc为接收信号角频率。天线A、B波束接收信号为:当0T,将)(F在0处按泰勒级数展开,并略去高次项后分别为:式中：)()('FF为天线测角灵敏度。为减少接收机对信号放大时的幅度与相位不一致对测角精度的影响,将EA、EB两信号在高频和差器实现两信号的相加与相减,相加的信号称为和信号,相减的信号称为差信号。高频和差器可采用高频相位环或双T电桥等,在高频相位环中输人的EA与EB相位相同,各经4移相加至和输出端,由于相移相同,故两信号相加;两信号分别经4和43的移相加至输出端,由于两信号相移差2对应相位差180度,故在差输出端两信号相减。两信号相加与相减可以用矢量的加减表示。当EEBA时,和信号与差信号同相,反之差信号与和信号相位相反。由于输人信号EA,EB分为两路故每路功率为原来的21,而电压为21,和差器输出为：从(6)和(7)式中可看出,差信号的振幅比例于误差角T,差信号与和信号的相位差则对应目标偏差天线轴的正负方向。对应和信号)(tE和差信号)(tE的方向性图分别用)(F和F)(F表示,如图(C)所示,在天线轴上的)(F最大,而)(F为最小。图中“十”或“一”表示)(F对)(F同相或反相。3.2.2双平面比幅单脉冲测角原理在跟踪空间目标时必须采用双平面比幅单脉冲测角系统,其基本原理与单平面比幅单脉冲测角原理相似,典型的双平面比幅单脉冲测角系统是由四喇叭馈源在空间形成四个波束,四波束轴(最大值)对天线轴上下左右对称偏置,其角度皆为0。从单平面的测角工作原理可以推得,若将天线轴左边两个波束与右边两个波束分别相加后,用类似单平面的测角处理可得到目标偏离天线轴的方位误差信号)(tEA。同理将上下两两波束分别相加后再进行比较可得到俯仰角误差信号)(tE。若天线接收信号为)(tE,则经过和差器后和信号)(tE与差信号)(tEA、)(tE分别为:式中：)(FA,)(FB,)(FC,)(FD为波束A,B,C,D的方向性图；A,E为目标对天线轴的误差角T在方位和俯仰方向的误差分解值：为天线角灵敏度。3.2.3跟踪接收系统跟踪接收系统采用单通道跟踪接收机,其方框图如图所示。工作过程如下:来自馈线系统的方位、俯仰载波信号先调制,再相加,然后与来自馈线系统的和信号”载波一起藕和,三者合一后进行单路传输,经高放、混频、中频电路外差放大后,再经相关幅度检波,提取方位俯仰角误差跟踪信号。单通道跟踪接收机的优点,概括起来主要有:1)传输通道为一个,设备可大大减化,可靠性明显提高,设备成本也相应降低。2)方位、俯仰角误差载波信号合成采用微带集成技术,设备的稳定性很高。3)由于单路传输,完全避免了差通道与和通道之间的一致性调式,操作使用极其方便。4)角跟踪误差信号在低频相关提取,电路简单,稳定可靠。3.2.4跟踪伺服系统跟踪伺服系统的方框图如图所示。它是一个闭环控制系统。采用单脉冲跟踪方式,其工作过程如下:在一个脉冲的间隔时间内确定天线波速偏离卫星的方向,从而伺服系统信号处理部分驱动天线座的方位轴,俯仰轴带动反射面迅速对准卫星;当天线的波束对准卫星时,天线只能收到“和波束”的信号,两个“差波束”信号输出为零;当天线的波束偏离卫星时,天线除接收到“和信号”外,还接收到“方位差”和“俯仰差”两个误差信号,用“和信号”作为基准信号来鉴别误差信号的相位,从而决定“归零”的方向。4.结束语进人21世纪,随着空间技术、电子技术、无线电通信技术、计算机技术、自动控制技术、纳米技术等高新技术的迅猛发展，自动测角技术在不断地完善与发展。测角系统通常不是一个单独的系统,它是测控系统中的一个组成部分,常与测距、测速等系统组合在一起,具体与发射信号形式有关。选择哪种测角体制工作不仅与系统的规模、测角精度、角速度精度,而且与作用距离等性能,设备的复杂程度、可靠性、经济性、便于管理与维修,当前与长远的用途等都有关系,所以应综合全面分析后才能确定。参考文献：【1】丁鹭飞，耿富录编著，雷达原理，西安电子科技大学出版社，2002。【2】毛建华编著，单脉冲雷达精确测角及其工程实现，西安电子科技大学,2009。【3】梁士龙,郝祖全编著，单脉冲雷达的一种角误差提取方法，系统工程与电子技术,2003。【4】谷学敏等编著，航天无线电测控技术，中国人民解放军国防科技大学出版,1984。【5】M.I.Skolnik编著，雷达手册，谢卓译，国防工业出版社,1978。【6】陈芳允,贾乃华编著,卫星测控手册,科学出版社,1992。