雷达原理

θ0.5
——角度测量 角度测量
第二节 测角方法
一、分类 二、振幅法 三、相位法
——角度测量 角度测量
一、分类
测角方法
振幅法
最 大 信 号 法 等 信 号 法 最 小 信 号 法 相 位 法
相位法
两 天 线 相 位 法 三 天 线
——角度测量 角度测量
二、振幅法 ——利用天线收到的回波信号幅度值进行角度测量 利用天线收到的回波信号幅度值进行角度测量 •最大信号法 最大信号法 ——天线作圆周扫描或扇形扫描时， ——天线作圆周扫描或扇形扫描时，找出回 天线作圆周扫描或扇形扫描时 波脉冲串的最大值（中心值） 波脉冲串的最大值（中心值）对应的波束轴 线指向角度， 线指向角度，即为目标所在方向
——角度测量 角度测量
•比较 比较
最大 信号法 作用距离 测量精度 抗干扰 能力 自动测角 设备 最远 较低 一般 不能 易于实现 等信号法 较远 高 强 能 难以实现 最小 信号法 近 低 弱 不能 易于实现
——角度测量 角度测量
三、相位法 ——利用多个天线接收回波信号之间的相位差测角 利用多个天线接收回波信号之间的相位差测角 1. 相位法测角系统原理构成
等信号轴
1波束 波束 收到回波强
1、2波束 、 波束 收到回波相等
2波束 波束 收到回波强
——角度测量 角度测量
•最小信号法 最小信号法 ——采用两个在零点 采用两个在零点 处相切的波束， 处相切的波束，转动 天线使显示器上的回 波消失或最小时， 波消失或最小时， 天 线零值轴所指方向即 为目标的角度。 为目标的角度。
仰角扫描范围
仰 角
方位角
锯齿扫描
——角度测量 角度测量
二、波束的扫描方法 1.机械扫描 机械扫描 ——利用整个天线系统或其中一部分机械运动实 利用整个天线系统或其中一部分机械运动实 现波束扫描 （1）整个天线系统转动 ） （2）馈源不动，反射体摆动 ）馈源不动， （3）反射体不运动，馈源动 ）反射体不运动， 优点： 优点：简单 缺点：机械运动惯性大，扫描速度低， 缺点：机械运动惯性大，扫描速度低，精度差
——角度测量 角度测量
六、雷达测角性能的度量 •测角范围 测角范围 •测角速度 测角速度 •角度分辨力 角度分辨力 •测角准确度 测角准确度 •测角精度 测角精度
——角度测量 角度测量
•角度分辨力 角度分辨力 ——雷达将相同距离上相互靠近的两个目标区分开 雷达将相同距离上相互靠近的两个目标区分开 的最小角度。 的最小角度。 角度分辨力由天线半 角度分辨力由天线半 功率波束宽度决定 功率波束宽度决定
——角度测量 角度测量
为了便于波束控制, 通常采用数字式移相器。 数字式移相器 为了便于波束控制 通常采用数字式移相器。 如果要构成n位数字移相器 可用n个相移数值不同的移相器 如果要构成 位数字移相器, 可用 个相移数值不同的移相器 位数字移相器 (PIN管的或铁氧体的 作为子移相器串联而成 。 每个子移相器 管的或铁氧体的)作为子移相器串联而成 管的或铁氧体的 作为子移相器串联而成。 应有相移和不相移两个状态, 且前一个的相移量应为后一个的 应有相移和不相移两个状态 两倍。 处在最小位的子相移器的相移量为∆φ=360°/2n, 故n位 两倍。 处在最小位的子相移器的相移量为 ° 位 个不同相移值。 数字移相器可得到 2n个不同相移值。
——角度测量 角度测量
四、天线方向图近似表示 •天线的方向性用方向性函数表示 天线的方向性用方向性函数表示 ——电场强度幅度的归一化 电场强度幅度的归一化 •余弦函数 F (θ ) ≈ cos nθ 余弦函数
——角度测量 角度测量
•高斯函数 F (θ ) ≈ e 高斯函数
−θ 2 a2
——角度测量 角度测量
= sin
N 2
(
2π
1 2π N sin ( d sin θ − ϕ ) 2 λ
λ
d sin θ − ϕ )
——角度测量 角度测量
2.半功率波束宽度 半功率波束宽度
θ 0. 5 s
0.886λ = (rad ) Nd cos θ 0
θ 0 — 波束的扫描角
法线方向： 法线方向： 0.5 θ
0.886 ≈ λ (rad ) Nd
——角度测量 角度测量
第三节 天线波束的扫描方法
波束扫描 ——波束在指定空域内以一定方式进行搜索 波束在指定空域内以一定方式进行搜索 • 使雷达主动发现目标 •测量目标的坐标 测量目标的坐标
——角度测量 角度测量
一、波束形状和扫描方式 1、环视雷达（R,α） 、环视雷达（ ）
θα 0.5 ↓ 扇形 θ β 0.5 ↑
∆R = dsinθ
——角度测量 角度测量
波程差∆R = d sin θ
2π
ϕ=
λ
d sin θ
λϕ ∴θ = sin 2πd
−1
——角度测量 角度测量
2. 两天线相位法测角系统
——角度测量 角度测量
dθ =
提高精度措施 •减小 减小 •减小 减小
λ
2πd cos θ
dϕ
——角度测量 角度测量
一、雷达角度坐标的确定 •方位角α，高低角β 方位角α 高低角β 方位角 •绝对坐标表示法： 绝对坐标表示法： 绝对坐标表示法 方位角α 基准为正北， 方位角α——基准为正北，顺时针方向为正 基准为正北 高低角β 基准为水平面， 高低角β——基准为水平面，向上方向为正 基准为水平面 •相对坐标表示法： 相对坐标表示法： 相对坐标表示法 测出目标相对于天线轴线的偏离角， 测出目标相对于天线轴线的偏离角，再根据 天线轴线的实际角度，计算出目标实际角度。 天线轴线的实际角度，计算出目标实际角度。
——角度测量 角度测量
二、测角的物理基础 •电磁波在均匀介质中以光速匀速直线传播 电磁波在均匀介质中以光速匀速直线传播 电磁波在均匀介质中以光速匀速直线 •雷达天线具有方向性 雷达天线具有方向性 三、实际空间电磁波传播非线性影响 •实际空气介质的非均匀性使电磁波传播轨迹弯曲 实际空气介质的非均匀性使电磁波传播轨迹弯曲 •近距离测角，影响可以忽略 近距离测角， 近距离测角 •远距离测角，测量数据必须修订 远距离测角， 远距离测角
θ0
方向各阵元至目标波程差依次产生相位超前
ψ=
2π
•移相器引起相位依次滞后 移相器引起相位依次滞后
λ
d sinθ0
ϕ
——角度测量 角度测量
E (θ ) = E + Ee
j (ψ −ϕ )
+ Ee
j 2 (ψ −ϕ )
+ ⋯ + Ee
j ( N −1)(ψ −ϕ )
e jN (ψ −ϕ − 1 = E j (ψ −ϕ ) e −1
——角度测量 角度测量
馈源不动反射体动的机械性扫描
风琴管式扫描器示意图
——角度测量 角度测量
2.电扫描 电扫描 ——天线系统不做任何机械运动，利用电子技术 天线系统不做任何机械运动， 天线系统不做任何机械运动 实现波束扫描 实现方法 （1）相位法 ） （2）频率法 ） （3）时间延迟法 ） 特点 无惯性限制，波束控制迅速， 无惯性限制，波束控制迅速，方便灵活 特别适用于要求波束快速扫描及巨型天线的雷达
扇扫或圆周扫描
——角度测量 角度测量
2、测高雷达（H,β） 、测高雷达（ ）
θ β 0 .5 θ α 0 .5
↓ 扇形 ↑
仰角快扫（点头） 仰角快扫（点头）
——角度测量 角度测量
3、三坐标雷达（R,β,α） 、三坐标雷达（ ）
θ α 0 .5 θ β 0 .5
↓ 针状波束 ↓
螺旋、分行、 螺旋、分行、锯齿
=E e
j N (ψ −ϕ ) 2 1 j (ψ −ϕ ) 2
(e [e
j
N (ψ −ϕ ) 2
−e −e
−j
N (ψ −ϕ ) 2
)
e
1 j (ψ −ϕ ) 2
1 − j (ψ −ϕ ) 2
]
sin N (ψ − ϕ ) j N2−1(ψ −ϕ ) 2 e =E 1 sin 2 (ψ − ϕ )
显然当
•辛克函数 F (θ ) ≈ sin (bθ ) 辛克函数
bθ
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五、天线方向图的主要技术指标 •半功率波束宽度θ0.5[F(θ0.5)≈0.707] 半功率波束宽度θ 半功率波束宽度 ——影响测角精度 影响测角精度 •副瓣电平 副瓣电平 ——影响雷达的抗干扰性能 影响雷达的抗干扰性能
——角度测量 角度测量
——角度测量 角度测量
•等信号法 等信号法 ——采用两个相同且彼此部分重叠的波束，当 采用两个相同且彼此部分重叠的波束， 采用两个相同且彼此部分重叠的波束 两个波束收到的回波信号相等时， 两个波束收到的回波信号相等时，等信号轴所 指方向即为目标方向。 指方向即为目标方向。
——角度测量 角度测量
选择较大的 d 13 ，提高精度； 精度高，但出现多值性。 1、3天线间距大 保证测角精度高
——角度测量 角度测量
关键是确定Ｎ的大小？
因为：
φ13 d13 λ = = φ12 d 2π sin θ d12 12 λ
d13 φ12 ——近似值 d12
d13
2π
sin θ
所以有：φ13 =
d13 φ12 除以 2π 所得商的整数部分即为 N ，根据φ13 = 2 Nπ + ϕ 来确定 θ 。 用 d12
——角度测量 角度测量
相控阵雷达） 三、相位扫描法 （相控阵雷达） ——采用移相器天线阵，改变移相器的相移量实 采用移相器天线阵， 采用移相器天线阵 现波束扫描。 现波束扫描。
——角度测量 角度测量
1.相扫天线阵的方向性函数 相扫天线阵的方向性函数 分析： 目标出现在与天线阵法线方向夹角 分析：设目标出现在与天线阵法线方向夹角 θ 0 方向，要使波束最大辐射方向对准目标， 方向，要使波束最大辐射方向对准目标， 方向上同相相加。 要求各阵元辐射场在 θ 0方向上同相相加。 •
——角度测量 角度测量
第七章 目标角度的测量
——角度测量 角度测量
主要内容
第一节 概述 第二节 测角方法 第三节 天线波束的扫描方法
——角度测量 角度测量
第一节 概述
一、雷达角度坐标的确定 二、测角的物理基础 三、实际空间电磁波传播非线性影响 四、天线方向图近似表示 五、天线方向图的主要技术指标 六、雷达测角性能的度量
dϕ
λ
ϕ=
2π
d •减小 θ 减小
λ
d sinθ > 2π
测角多值性
——角度测量 角度测量
3. 三天线相位法测角系统
三天线相位法测角系统能克服多值性问题。 1、2天线间距小 满足单值测角范围
φ12 =
2π
Fra Baidu bibliotek
λ
d 12 sin θ < 2π
选择较小的 d12 ，克服多值性 精度不高
φ13 =
2π
λ
d13 sin θ = 2πN + φ > 2π
λ
——角度测量 角度测量
4.不出现栅瓣的条件 不出现栅瓣的条件
F (θ ) = sin[ Ndπ
λ πd N sin[ (sin θ − sin θ 0 )] λ
(sin θ − sin θ 0 )]
1 < λ 1 + sin 0 d
——角度测量 角度测量
5.相扫天线阵的移相器 相扫天线阵的移相器 ——相位扫描的关键器件 相位扫描的关键器件 移相器：模拟式、 移相器：模拟式、数字式 材料：铁氧体和PIN PIN二极管 材料：铁氧体和PIN二极管 相扫天线阵一般采用数字式移相器， 相扫天线阵一般采用数字式移相器，便于由 专用计算机控制相位。 专用计算机控制相位。 要求： 性能稳定； 要求：移相数值精确 ；性能稳定；频带和功率容量 足够大便于快速控制损耗、体积和重量大小。 足够大便于快速控制损耗、体积和重量大小。 常用的有:铁氧体移相器；PIN二极管移相器两种 二极管移相器两种。 常用的有:铁氧体移相器；PIN二极管移相器两种。 移相器均可做为模拟式、数字式。常做为数字式, 移相器均可做为模拟式、数字式。常做为数字式,便 于波束控制，性能稳定。 于波束控制，性能稳定。
结论：波束扫描角越大， 结论：波束扫描角越大，波束越宽
——角度测量 角度测量
3.天线阵增益 天线阵增益
G0 = 4π
A
λ
2
cos θ 0 = 4π
md × nd
λ
2
cos θ 0
结论：波束扫描角越大，天线增益越低 结论：波束扫描角越大，
G ↑⇒θ0 ↓ 限制天线的扫描角小于 度 60度 60 d ⇒ ↑ ⇒ (m× n) ↑ 加大天线阵的口面尺寸
ϕ =ψ
时，各分量同相相加获得最大值
E (θ )
max
= NE
——角度测量 角度测量
相位扫描法的原理解释 :
d sin θ 0
0 ~ 2π
θ = sin
−1
λ φ 2π d
——角度测量 角度测量
方向性函数
F (θ ) =
E (θ ) E (θ ) max
sin N (ψ − ϕ ) 2 = N sin 1 (ψ − ϕ ) 2