单脉冲自动测角系统在导引头中的应用

雷达原理大作业——单脉冲自动测角系统在导引头中的应用学院：电子工程学院完成人及学号：杨超（）王东旭（）韩孟洲（）程荣（）谭宗欣（）于振浩（）任课教师：饶鲜目录：一、单脉冲自动测角系统简介- 4 -1.单脉冲雷达- 4 -2.自动测角系统- 4 -3.单脉冲自动测角系统- 4 -二、单脉冲自动测角原理- 5 -1.振幅定向法- 5 -2.相位定向法- 7 -三、单脉冲自动测角系统的特点- 7 -1.角度跟踪精度- 7 -2.天线增益和作用距离- 8 -3.角度信息的数据率- 8 -4.抗干扰能力- 8 -5.复杂程度- 8 -四、单脉冲自动测角系统的仿真- 9 -五、单脉冲雷达的应用- 12 -六、总结- 13 -一、单脉冲自动测角系统简介1.单脉冲雷达单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达。

它每发射一个脉冲，天线能同时形成若干个波束，将各波束回波信号的振幅和相位进行比较，当目标位于天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位相等，信号差为零；当目标不在天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位不等，产生信号差，驱动天线转向目标直至天线轴线对准目标，这样便可测出目标的高低角和方位角，从各波束接收的信号之和，可测出目标的距离，从而实现对目标的测量和跟踪。

2.自动测角系统在火控系统中使用的雷达，必须快速连续地提供单个目标(飞机、导弹等)坐标的精确数值，此外在靶场测量、卫星跟踪、宇宙航行等方面应用时，雷达也是观测一个目标，而且必须精确地提供目标坐标的测量数据。

为了快速地提供目标的精确坐标值，要采用自动测角的方法。

自动测角时，天线能自动跟踪目标，同时将目标的坐标数据经数据传递系统送到计算机数据处理系统。

和自动测距需要有一个时间鉴别器一样，自动测角也必须要有一个角误差鉴别器。

当目标方向偏离天线轴线(即出现了误差角ε)时，就能产生一误差电压。

误差电压的大小正比于误差角，其极性随偏离方向不同而改变。

此误差电压经跟踪系统变换、放大、处理后，控制天线向减小误差角的方向运动，使天线轴线对准目标。

用等信号法测角时，在一个角平面内需要两个波束。

这两个波束可以交替出现(顺序波瓣法)，也可以同时存在(同时波瓣法)。

前一种方式以圆锥扫描雷达为典型，后一种是单脉冲雷达。

3.单脉冲自动测角系统单脉冲自动测角属于同时波瓣测角法。

在一个角平面内，两个相同的波束部分重叠，其交叠方向即为等信号轴。

将这两个波束同时接收到的回波信号进行比较，就可取得目标在这个平面上的角误差信号，然后将此误差电压放大变换后加到驱动电动机，控制天线向减小误差的方向运动。

因为两个波束同时接收回波，故单脉冲测角获得目标角误差信息的时间可以很短，理论上讲，只要分析一个回波脉冲就可以确定角误差，所以叫“单脉冲”。

这种方法可以获得比圆锥扫描高的多的测角精度，故精密跟踪雷达常采用它。

由于取出角误差的具体方法不同，单脉冲雷达的种类很多，常用的为振幅和差式单脉冲雷达，还有相位和差式单脉冲雷达。

二、单脉冲自动测角原理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。

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0θ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：()()()⎩⎨⎧-=+=θθθθθθ0201)(F F F F 两波束接收到的目标回波信号可以表示成：()()()()()()⎩⎨⎧-==+==θθθθθθθθ022011F K F K u F K F K u a a a a其中a K 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：()()()()θθθθθθ-+=0021F F u u 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()θ1u 和()θ2u 可计算得到其和值()θ∑u 及差值()θ∆u 分别如下:()()()()()()()()()()()()⎩⎨⎧--+=-=-++=+=∆∑θθθθθθθθθθθθθθ00210021F F K u u u F F K u u u a a 其中()()()θθθθθ-++=∑00)(F F F 称为和波束方向图；()()()θθθθθ--+=∆00)(F F F 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()θθ+0F 和()θθ-0F 展开近似为：()()()()()()()()()()()()⎩⎨⎧'-=+'-=-'+≈+'+=+θθθθθθθθθθθθθθθθθθ002000002000F F o F F F F F o F F F 进一步可以得到：()()()()⎩⎨⎧'≈≈∆∑θθθθθ0022F K u F K u a a归一化和差信号值可得:()()()()υθθθθθθ='=∑∆00F F u u其中()()00θθυF F '=是天线方向图在波束偏转角0θ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：()()υθθθ1∑∆=u u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：C d θτsin =，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：θλπϕsin 2d=∆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 πϕλθ2arcsin 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。

三、单脉冲自动测角系统的特点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。

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（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，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。

4.抗干扰能力圆锥扫描雷达易受敌方回答式干扰。

因为敌方接收到的圆锥扫描雷达发射信号也是正弦调制信号，进行倒相放大，然后去调制高频信号再发射回来，圆锥扫描雷达接收此信号后，天线轴线就跟踪到错误的方向上，而单脉冲雷达没有回答式干扰的影响。

5.复杂程度单脉冲雷达在结构和技术上比较复杂，需要多个性能完善的宽频带馈源和高频和差比较器，多路接收机要求性能一致，如果各路相位和振幅不平衡，会使测角灵敏度降低并加大测角误差，因而单脉冲雷达技术复杂，加工工艺要求高。

由此可见，要求精密跟踪尤其是远程精密跟踪雷达，常用单脉冲体制。

四、单脉冲自动测角系统的仿真假设两个波束的方向性函数完全相同，记为()θF ，两波束相对天线轴线的偏角为δ。

仿真中，偏角ο3±=δ，半功率波束宽度ο5.73=dB θ，采用双向工作的高斯函数作为天线方向性函数，因此有()25.028.2θθθ-=eF和差波束方向性函数分别为：()()()θδθδθ++-=∑F F F ()()()θδθδθ+--=∆F F F其方向函数图如下图所示：由原理分析可知，差信号振幅为()()θθ∆∑∆=F kF E ，当跟踪目标是出现误差角时，差信号的振幅变为()()εε∆∑∆=F kF E 。

由于跟踪状态下ε很小，将()ε∆F 展开成泰勒级数并忽略高次项，则有()()()ηεθεε2'0∑∆∑∆≈=kF F kF E()()0∑∑≈F F ε，()()0/0'∑∆=F F η。

由上式可知，在一定范围的误差角度范围内，差信号的振幅与误差角度成正比。

仿真时，我们假设误差角度⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∈66ππε，，得到如图所示误差角度与误差电压关系图，符合理论推导。

从误差角度与误差电压的关系图中我们可以看出，在跟踪状态下，当目标与雷达天线轴向之间存在一定误差角时，接收天线会产生相应的误差电压。

而误差电压的大小反映了误差角的大小，误差电压的极性反映了目标偏离天线轴向的方向。

此时，该误差电压将驱动雷达天线靠近目标，使得误差角接近于零，从而实现自动测角（目标跟踪）。

程序源代码如下：N=2^14; %采样点数r3dB=7.5; %半功率波束宽度e=linspace(-pi/6,pi/6,N); %误差角度范围r=linspace(-20,20,N); %角度范围（横坐标）F=exp(-2.8*(r./r3dB).^2); %天线方向图函数F1=exp(-2.8*((3-r)./r3dB).^2); %两波束相对天线轴线偏角+-3° F2=exp(-2.8*((3+r)./r3dB).^2);F_sigema=F1+F2; %和波束F_derta =F1-F2; %差波束E_sigema=F_sigema.^2; %和场强E_derta =F_sigema.*F_derta; %差场强F_derta1=diff(F_derta); %差波束的一阶导数yita=max(F_derta1)/max(F_sigema);E_derta1 =max(F_sigema)^2*yita*e; %差信号振幅subplot(3,1,1)plot(r,(F),'b',r,(F1),'r',r,(F2),'k')grid onxlabel('角度/\theta'),ylabel('天线增益F(\theta)')title('天线方向图')subplot(3,1,2)plot(r,(F_sigema),'r',r,(F_derta),'b')grid onxlabel('角度/\theta'),ylabel('天线增益F(\theta)')title('和、差波束方向图')subplot(3,1,3)plot(e,E_derta1)xlabel('误差角度/\theta'),ylabel('误差电压/V')title('误差角度与误差电压关系图')grid onaxis([-pi/6 pi/6 -0.8e-3 0.8e-3])五、单脉冲雷达的应用单脉冲雷达作为一种精密跟踪雷达，可以精确快速地提供目标坐标的精确位置，早在60年代就已广泛应用于火控系统中。