单脉冲雷达主动测角与被动测角的建模与仿真_张艳花

弹箭与制导学报2007年　单脉冲雷达主动测角与被动测角的建模与仿真*

张艳花,簪　波,王　鉴,常　虹

(中北大学信息与通信工程学院仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原　030051) [摘要]文中通过对回波信号、噪声调频干扰信号、热噪声信号以及单脉冲雷达角跟踪系统各电路模块的数学建模,在M a tlab下对主动测角与被动测角情况进行了仿真和比较,得出被动测角误差大于主动测角误差的结论。该结论为进一步提高单脉冲雷达跟踪噪声源测角精度提供依据。

[关键词]单脉冲雷达;测角;噪声干扰;建模

[中图分类号]TN974 [文献标志码]A

Modeling and Simulation on Active Angle Measuring and Passive Angle Measuring with Monopulse Radar

Z HA NG Y an-hua,ZA N Bo,W A NG Jian,CHA N G H ong

(K ey Lab of Instrumentatio n Science and Dynamic M easurement(M inistr y of Educa tion), School of Info rmatio n and Co mmunicatio n Engineering,No r th Univ ersity of China,T aiyuan030051,China)

A bstract:In this paper,mathema tic mo dels o f echo sig nal,no ise F m jamming sig nal,ther ma l no ise signal as w ell as v a-rious cir cuits in ang le tracking system of monopulse rada r are se t up.Simulatio n and comparing on activ e a ng le measur-ing and passive ang le measuring are made under M a tlab.T he conclusion tha t active ang le measuring er ror is g reater tha n passive ang le measuring e rro r is o btained.T his co nclusio n pro vides the basis on increa sing angula r accur acy w hen mo-nopulse radar is tracking noise source fur ther.

Key words:mo no pulse rada r;ang le measuring;no ise jamming;mo deling

1　引言

单脉冲是一种先进的雷达角跟踪体制,它在跟踪目标时,往往受到来自目标的自卫噪声干扰。在自卫噪声干扰下,单脉冲雷达丢失了距离信息,但由于噪声干扰与目标来自同一方向,即使噪声干扰将回波信号完全压制掉,单脉冲雷达仍然可以通过跟踪噪声干扰源来继续跟踪目标方向[1-2]。文中通过对回波信号、噪声调频干扰信号、热噪声信号以及单脉冲雷达角跟踪系统各电路模块的建模,在MA TLAB下,对主动测角与被动测角进行了仿真和比较,得出一些有益的结论。

2　单脉冲角跟踪原理

在一个平面内定向的振幅-振幅式单脉冲雷达的简化方框图如图1所示

。

图1　在一个平面内的振幅-振幅式

单脉冲雷达组成框图

如果加在天线系统输入端的目标回波信号为E(t)=E m e iωτ,则当目标偏离等强信号方向为θ时,可以推得减法电路的输出为[3]:

Δu(θ)=ln k A F(θ0-θ)

k B F(θ0+θ)

(1)其中,k A、k B分别为A、B两个接收支路的传输系数;F(θ0-θ)、F(θ0+θ)分别为目标偏离等强信号方向为θ时两路天线的增益系数。

当A、B两个接收支路相同(k A=k B=k)并

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*收稿日期:2006-08-07; 修回日期:2006-11-01

作者简介:张艳花(1969-),女,山西交城人,副教授,博士研究生,研究方向:电子对抗技术。DOI牶牨牥牣牨牭牳牴牪牤j牣cn ki牣djzd xb牣牪牥牥牱牣牥牫牣牥牱牱

　第27卷第3期单脉冲雷达主动测角与被动测角的建模与仿真　张艳花等且角误差很小时,式(1)可写成:

Δu(θ)=ln F(θ0-θ)

F(θ0+θ)=ln F(θ0)(1+μθ)

F(θ0)(1-μθ)

=ln(1+μθ)

(1-μθ)

≈2μθ(2)式中:F(θ0)为天线在等强信号方向的增益系数;μ为天线方向图在工作部分的斜率。

由式(2)可以看出,Δu(θ)的大小就代表了目标偏离等强信号方向的角度θ。当目标偏离等强信号方向时,误差信号Δu(θ)从减法电路输出端加到放大器上,经处理后将驱动电机转动,直到误差电压为零,跟踪天线对准目标,就实现了角跟踪。

3　模型的建立

3.1　回波信号模型

发射功率为P t的发射信号数学模型可以表示为:

s(t)=Au1(t)sin(ωc t)

其中:A=P t R A,R A为接收机特性阻抗;u1(t)为脉冲调制信号,脉冲宽度取决于跟踪距离误差,而脉冲重复频率由最大探测距离不模糊来决定,文中采用脉冲宽度τ=1μs,重复频率f= 1kH z的脉冲信号;sin(ωc t)为载波信号,其中ωc 为雷达发射工作频率。

根据雷达方程,天线接收到的目标回波信号模型则为:

R(t)=

G t G rσλ2

(4π)3R4t L r

s(t)

式中:G t为雷达发射机的天线增益;G r为接收机的天线增益;σ为目标散射截面积;λ为发射波波长;R t为目标到雷达的距离;L r为雷达系统损耗。

3.2　噪声调频干扰信号模型

为了使用宽频带的噪声干扰,采用噪声调频干扰方式,噪声调频干扰的数学模型为:

J(t)=U j co s[ωj t+2πK FM∫t0u(τ)dτ+φ]其中:调制噪声u(t)为零均值、广义平稳的随机过程,φ为[0,2π]均匀分布,且与u(t)相互独立的随机变量,U j为噪声调频信号的幅度,ωj为噪声调频信号的中心频率,K FM为调频斜率。U j=

2P j,P j为噪声调频信号的功率,噪声调频信号的干扰带宽(半功率带宽)为:

Δf j=22ln2f fe=22ln2K FMσn

根据侦察方程,天线接收到的噪声调频信号为:

J R(t)=G j G rλ

2

(4π)2R2L j

J(t)

在仿真中选用的参数有:干扰机发射功率200W,天线增益13dB,综合损耗7dB,工作频率10GH z,噪声信号带宽10MH z。

3.3　接收机热噪声模型

接收机热噪声可以用一个白噪声过程来模拟。理想白噪声的自相关函数具有冲击函数的形式,功率谱密度在整个频域为常数。理想白噪声的平均功率是无限的,这在实际的模拟系统中根本不可能存在。尽管接收机热噪声带宽很宽,但只有处于接收机带宽范围内的部分才能进入接收机,因此,文中首先在M atlab下产生一个期望为0、方差为1的理想白噪声信号,然后滤波为接收机中频带宽的带限白噪声来模拟接收机热噪声。而接收机热噪声功率(σ2)应由下式得出:

σ2=kT0B r F

式中:k为波尔兹曼常数;T0为噪声温度;B r为接收机带宽(H z);F为噪声系数。

3.4　天线模型

天线是测角系统的一个主要组成部件,在很大程度上决定了测角系统的性能。假设单脉冲雷达的天线为辛克函数型,则波束天线的方向图为:

图2　雷达天线方向图F(θ)=sin

2bθ

(bθ)2

式中b为一常数。

设两个天线方向图

中心线对等强信号方向

偏离的角度为θ0,则

F A(θ)=F(θ+θ0),

F B(θ)=F(θ-θ0),得到如图2所示的方向图,图中3dB带宽为2°,此时b取20。

3.5　高频放大器、混频电路模型

接收机中的高频放大器是线性系统,而混频器本身是非线性器件,但由于中放的选择性,混

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