第4章 相控阵雷达

• 大量低功率固态源取代易损坏的高电压、 大 功率发射机，系统可靠性提高
• 固态阵和数字波束形成及阵列信号处理技术 相结合，天线性能改善潜力大
第3章 连续波雷达
相控阵雷达简介
• 相控阵雷达简介（续）
– 移相器：实现相扫的关键器件
– 对移相器的要求： • 移相精确、性能稳定、频带和功率容量大、 便于快速控制、激励功率和插入损耗小、体 积小、重量轻等
• 空域滤波及数字波束形成引论（续）
– 自适应干扰对消
• 阵列信号模型 • 阵列协相关矩阵：酉对称、正定 • 特征值与特征矢量及其物理含义 • 最小二乘法：输出最小，纯噪声输出，MSE • 干扰对消权矢量：最小特征矢量
第3章 连续波雷达
空域滤波及数字波束形成引论
• 空域滤波及数字波束形成引论（续）
– 自适应波束形成
• 信号模型 • 最优准则：信号方向增益恒定条件下输出 MSE最小， • 最优解：最大似然解、最大输出SNR
• Capon法（LCMV）的特征空间解释
• 自适应最优波束形成权矢量
• 多功能、多波束、自适应抗干扰
– 缺点：
• 波束宽度随扫描方向变化
第3章 连续波雷达
相控阵雷达简介
• 相控阵雷达简介（续）
– 移相器控制波束的发射与接收
– 无源阵：收发共用一个或几个发射机和接收机 – 有源阵：每个阵元都连有可提供所需辐射功率 的收发（Ｔ/Ｒ）固态组件，即都是有源的 • 固态组件的功率源是低功率的
2D sin 0 / 2 cD sin 0 / f
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
• 若 不变，则频率变化 df 引起的波束指向变 化 d 为
d df tan0 / f
• 代入百分比带宽 Ba(%) = 2(df / f)×100，得 Ba (%) d tan 0 (rad ) 0.29 Ba (%) tan 0 () 200
• 得波束半功率（3dB）宽度
0.5
0.886 50.8 ( rad ) () Nd Nd
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
• 当d = /2时，若要0.5 =1 ，则需阵元 N=100
o
0.5
100 () N
• 当波束指向 0 任意时，在主瓣内 0，得
T D sin 0 / c
– 有效通过天线孔径的脉冲宽度t T , 得
B 100 100 2 B () Ba (%) 100 f ct D sin 0 sin 0
其中
B () 50.8 / D
第3章 连续波雷达
空域滤波及数字波束形成引论
• 空域滤波及数字波束形成引论
0.5 s
0.5 0 (3dB宽 度) cos 0
o
• 0 越大，波束越宽，例 0 = 60 ，0.5s 20.5
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理 （续）
– 波束总是指向同 相馈电阵列天线 的法线方向 – 同相波前 MM’ 的 有效天线孔径为 Ndcos0
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 天线照射方向0由移相器的相移量 决定
– 在0方向，各阵元辐射场由波程差引起的相位差 正好抵消移相器引入的相位差，各分量同相相 加获最大值，F(0)=1 – 改变 值，就可改变波束指向角0 ，从而形成波 束扫描 – 方向图最大值方向同相波前垂直 – 由天线收发互易原理，接收天线，结论相同
1 2 3
d 放大器 放大器
d 放大器
0＋
0
0－
0
0
0
0－
0
0＋
移相法实 现多波束
相加
相加
相加
波束1 波束2 波束3
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理
– 通过移相器改变各阵元激励相位，实现扫描
– 假定所有阵元
• 无方向性
• 等幅同相馈 电 • 相邻阵元激 励电流相位 差为
第3章 连续波雷达
多波束形成技术
• 多波束形成技术（续）
定向耦合器
l1 l2
d
2 波束

波束1 相加波导
波束1相加 波束2相加 波束1 接收机 波 束 选 择 器 高 度 计算机 显示器
射频延迟线多 波束形成系统
波束2 接收机
第3章 连续波雷达
多波束形成技术
1 2 3
• 多波束形成技术（续）
混频 本振 中放
1 1 1 | sin 0 | 2
d
d

2
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 波束宽度
• 波束指向法线方向，即0 = 0，方向性函数
1 N Nd F ( ) sin d sin sin d sin sinc sin N
– 空域匹配滤波
• 阵列空间响应，阵列信号流型 • 多个信号模型 • 空域匹配滤波，同相相加 • 波束副瓣抑制 • 多波束形成
第3章 连续波雷达
空域滤波及数字波束形成引论
第3章 连续波雷达
空域滤波及数字波束形成引论
第3章 连续波雷达
空域滤波及数字波束形成引论
第3章 连续波雷达
空域滤波及数字波束形成引论
• 代入波束宽度B(s) = B /cos0 ，B为法线方 向波束宽度
d
B ( s)
0.29
Ba (%)
B
sin 0
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 由于d B(s), 0 增大, 允许的带宽变小
– 天线孔径, 波束宽度B , 允许的Ba(%) – 天线指向0时, 能量充填整个孔径所需时间为
G ( 0 )
4As

2

4A

2
cos 0
o o
– 波束扫描角范围通常限制在±60 或 ±45 内。 o 若要覆盖整个360 ，一般要用三至四个天线阵
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 各阵元有指向性时，若所有阵元的阵元方向图 Fe() 一致，则总的阵列天线方向图等于阵方向 图F( )与阵元方向图Fe()之积，即 FN ( ) = Fe ( ) · ) F(
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 栅瓣问题
• 在 -90 ~90 内线阵单值测角条件： d ≤ /2
o o
• 当 d ＞ /2 时，在 -90 ~90 内将出现栅瓣
o o
• 波束域（空域频谱）混迭现象：栅瓣是主瓣 在其它方向上的再现，空间信号欠采样
栅瓣
…
主瓣
栅瓣
…
副瓣
– 等间距和等幅馈电的阵列天线副瓣较大(第一副瓣 电平为-13dB)，常需“加权” 降低副瓣 • 振幅加权：中间阵元功率大，周围阵元功率小 • 密度加权：中心阵元密度大，周围阵元密度小
• 采用有方向性的阵元
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 相扫天线的带宽
• 前面对相控阵的讨论只限于窄带信号，B << f • 相控阵天线方向图 F() 随载频 f 变化 f↑=>↓=>d ＞ /2 =>F( ) 压缩，出现栅瓣 • 波束指向0 时线阵孔径两端相位差
• 各阵元辐射功率在空间进行合成
• 各阵元辐射信号间相位关系固定，即相参
• 各阵元的相位和振幅分布可按要求控制
第3章 连续波雷达
相控阵雷达简介
• 相控阵雷达简介（续）
– 有源阵的优点:
• 功率源直接联在阵元后面，馈源和移相器的 损耗不影响雷达性能；接收机噪声系数由T/R 组件中的低噪声放大器决定 • 阵元馈源和移相器功率容量低，轻便廉价
第3章 连续波雷达
wenku.baidu.com
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
• 当=0时为主瓣，其余为栅瓣。只取一个周 期 - ~
d (sin sin 0 )

1 | sin sin 0 |
d
• 因 | sin - sin0 |≤1+| sin0 |，则无栅瓣条件
－ 0
πd

(sin sin 0 )
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
• 方向图函数
Nd sin (sin sin 0 ) 1 F ( ) N d sin (sin sin 0 )
• 当 (Nd /)(sin - sin0) = 0, …, ±n （n为整 数）时，分子为0 ，若分母不为0 ，F() = 0 • 当 ( d /)(sin - sin0) = 0, …, ±n （n为整 数）时，分子分母同为0，F() = 1，即F() 可能出现多瓣
混频
混频
中放
中放 波束1
中频延迟多波 束形成系统
抽 头 延 迟 线
波束2
波束3
第3章 连续波雷达
多波束形成技术
1 2 3
• 多波束形成技术（续）
混频 本振 中放
混频
混频
中放
中放 波束1
中频延迟多波 束形成系统
抽 头 延 迟 线
波束2
波束3
第3章 连续波雷达
－0 ＋0
多波束形成技术
• 多波束形成技术（续）
现代雷达技术
第4章 相控阵雷达
第3章 连续波雷达
本章介绍
• 本章简介
– 相控阵雷达简介
– 多波束形成技术 – 相扫基本原理 – 空域滤波及数字波束形成引论
第3章 连续波雷达
相控阵雷达简介
• 相控阵雷达简介
– 相位控制阵列：多个天线单元排成，各阵元馈电 相位按一定程序灵活控制，完成特定的空间扫描
– 优点： • 相扫，无机械惯性，快速波束捷变 • 多目标、远距离、高数据率、高可靠性
– 移相器的种类：
• PIN二极管移相器、铁氧体移相器、数字式移 相器等
第3章 连续波雷达
多波束形成技术
• 多波束形成技术
– 收发都用多波束
– 接收多波束，发射宽波束，收发覆盖相同空域 – 接收多波束用得较多，因为： • 功率弱，技术上易实现，控制和处理灵便 – 多波束形成方法 • 射频延迟线、中频延迟线、移相法、脉内频 扫、数字波束形成（DBF）
d sin

d 0 0
d

1 2
2 k
k
(N－1) N－1
0 sin
1
d 2 /
N元直线相控阵天线
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 各阵元在方向远区某点辐射场的场强矢量和为
E( ) E0 E1 Ei EN 1
– 等幅馈电时，各阵元在该点辐射场的振辐为E。 以0号阵元为相位基准，则 N sin ( ) j N 1( ) N 1 2 e 2 jk ( ) E ( ) E e E 1 k 0 sin ( ) 2 – 式中 2dsin / 为波程差引起的相邻阵元辐射场 相位差
Nd sin (sin sin 0 ) sinc Nd Δsin F ( ) 0 Nd (sin sin 0 )

第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
• 因 sinc() 函数对参量 sin0 的主瓣宽度处处一 致，即sin0 = 常数 0.5，由微分 sin0 = 0 cos0 ，得任意 0 时的波束半功率宽度
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 当 = 时，各分量同相相加，场强幅值最大 | E( ) |max NE
– 定义归一化方向性函数为 | E ( ) | F ( ) | E ( ) |max
N Nd sin ( ) sin (sin sin 0 ) 1 2 1 N N 1 d sin ( ) sin (sin sin 0 ) 2
d 0 1 Nd N－1
－ ＋
同相波
0
M
前
Nd c o
s
0
M′
扫描时的波束宽度
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
• 相扫基本原理（续）
– 发射能量一定，0，波束 ，天线增益
– 波束扫到0方向，天线有效口径是真实口径在等 相位面上的投影，对一维线阵有As=Acos0，尺 寸减小，此时波束指向处的天线增益为