振幅和差单脉冲雷达

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在雷达系统中，为了确定目标的位置，不仅需要知道距离参量，同时也需要知道目标的空间方位，为此需要知道目标的方位角和俯仰角。

雷达测角的物理基础是电磁波在均匀介质中沿直线传播和雷达天线具有方向性。

测角的方法可分为振幅法和相位法两大类。

在雷达测角中，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传送到计算机中。

在自动测角系统中，有一种典型的方式——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，单脉冲雷达的种类很多，最常用的是振幅和差单脉冲雷达。

关键字：雷达 自动测角系统 振幅和差单脉冲雷达
一、 单脉冲雷达
什么是单脉冲雷达？
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。

单脉冲雷达通常有振幅比较单脉冲雷达和相位比较单脉冲雷达两大类（本次只研究振幅比较法）。

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。

在军事上主要用
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。

2014-12-20 信息对抗
二、振幅和差单脉冲雷达
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。

此次试验只研究和差式雷达。

1)基本原理
a.角误差信号。

雷达天线在一个角平面内有两部分重叠的波束，如图（a），振幅和差式单脉冲雷达取得角误差信号的基本方法就是将这两个波束同时收到的信号进行和、差处理，分别得到和信号和差信号，分别如
图（b）、（c）所示，其中差信号即该角平面内的角误差信号。

振幅和差单脉冲雷达波束图
（a）两馈源形成的波束；（b）和波束；（c）差波束
由图（a）可以看出；若目标处在天线轴线方向，误差角，则两波束收到的回波信号振幅相同，信号
差等于零。

目标便利等信号轴线而有一误差角时，差信号输出振幅与成正比而其符号（相位）则由偏离的
方向决定。

和信号除用作目标检测和距离跟踪外，还用作角误差信号的相位基准。

b.和差比较器与和差波束。

和差比较器是单脉冲雷达的重要部件，用以完成和、差处理，形成和差波束。

用得较多的是双T接头，如下图（a），有四个端口：Σ端、Δ端和1、2端。

从Σ端输入信时，1、2端便
输出等幅相同信号，Δ端无输出；若从1、2端输入相同的信号，则Δ端
和差比较器的示意图如下图（b），它的1、2端与形成两个波束的两
相邻馈源1、2相接。

双T接头及和差比较器示意图
c.目标角度测量的基本处理流程：
目标角度测量的基本处理流程框图如右图。

其处理的基本原理是：
发射机产生电磁信号（如正弦波短脉冲），经由天线调制，辐射到空中。

发射信号的一部分被目标拦截并向许多方向再辐射。

向后再辐射回到
雷达的信号被雷达天线采集，并送到接收机，在接收机中，该信号被
处理以检测目标的存在并且确定其位置。

2)公式推导
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
两波束接收到的目标回波信号可以表示成： 其中 为回波信号的幅度系数。

由()
θ1u 和()θ2u 可计算得到其和值 及差值 分别如下:
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： 进一步可以得到： 归一化和差信号值可得: 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：
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。

3) 单平面振幅和差单脉冲雷达的组成
根据上述原理, 可画出单平面振幅和差单脉冲雷达的基本组成方框图, 如下图所示。

系统的简单工作过程为:
发射信号加到和差比较器的Σ端, 分别从1、2端输出同相激励两个馈源。

接收时, 两波束的馈源接收到的信号分别加到和差比较器的1、2端, Σ端输出和信号,Δ端输出差信号。

和、差两路信号分别经过各自的接收系统。

中放后, 差信号作为相位检波器的一个输入信号, 和信号分三路: 一路经检波视放后作为测距和显示用; 另一路用作和、 差两支路的自动增益控制, 再一路作为相位检波器的基准信号。

和、差两中频信号在相位检波器进行相位检波, 输出就是视频角误差信号, 变成相应的直流误差电压后, 加到伺服系统控制天线跟踪目标。

和圆锥扫描雷达一样, 进入角跟踪之前, 必须先进行距离跟踪, 并由距离跟踪系统输出一距离选通波门加到差支路中放, 只让被选目标的角误差信号通过。

单平面振幅和差单脉冲雷达简化方框图
三、 仿真
1. 在二维平面下单一天线的方向图
代码：
x=-1.5:0.001:1.5; %方向θ
F=(1+cos(x))./2.*abs(sin(pi*10*sin(x))./(pi*10*sin(x))); %方向图函数 plot(x,F);grid on;xlabel('theta');ylabel('F(theta)');
legend('平面方向图');
2.在二维平面下双天线的方向图
代码：
x=-1.5:0.001:1.5;
a=x+0.06;b=x-0.06;
F1=(1+cos(a))./2.*abs(sin(pi*10*sin(a))./(pi*10*sin(a))); % 1天线方向图F2=(1+cos(b))./2.*abs(sin(pi*10*sin(b))./(pi*10*sin(b))); %2天线方向图subplot(2,1,1);plot(x,F1, 'r',x,F2, 'b');grid on;xlabel('theta');ylabel('F(theta)');
legend('两天线平面方向图');
F=F1+F2;
subplot(2,1,2);plot(x,F);grid on;xlabel('theta');ylabel('F(theta)');
legend('天线综合平面方向图');
3.产生目标
代码：
s=input('请输入目标角度（±0.04）=')
x=-1.5:0.001:1.5;
a=x+0.06;b=x-0.06;
F1=(1+cos(a))./2.*abs(sin(pi*10*sin(a))./(pi*10*sin(a))); % 1天线方向图F2=(1+cos(b))./2.*abs(sin(pi*10*sin(b))./(pi*10*sin(b))); %2天线方向图plot(x,F1, 'r',x,F2, 'b');hold on;
plot([s,0],[0,1]);grid on;xlabel('theta');ylabel('F(theta)');
legend('方向图及目标位置');
4.系统分析处理
代码：
%%接收后的信息处理
x=s;
a=x+0.06;b=x-0.06;
F1=(1+cos(a))./2.*abs(sin(pi*10*sin(a))./(pi*10*sin(a))); %1天线振幅
F2=(1+cos(b))./2.*abs(sin(pi*10*sin(b))./(pi*10*sin(b))); %2天线振幅
FA=F1+F2;FD=F1-F2; %振幅和差
uB=FD/FA; %电压差和比
v=-25.73; % v为天线方向图在波束偏转角0处的归一化斜率系数。

theta=uB/v %目标所在角度
四、实验心得
通过这次对振幅和差单脉冲雷达的仿真性试验，让我充分理解到了振幅和差式雷达的工作原理，以它在自动测角应用的可靠性，让我对雷达系统有了更加深刻的认识。

让我更加明白雷达系统比我想象的更加复杂，使我能够更加的潜心于学习。

五、附录（完整AMP.m文件）
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%%产生目标并在方向图中展示
s=input('请输入目标角度（±0.04）=')
x=-1.5:0.001:1.5;
a=x+0.06;b=x-0.06;
F1=(1+cos(a))./2.*abs(sin(pi*10*sin(a))./(pi*10*sin(a))); % 1天线方向图
F2=(1+cos(b))./2.*abs(sin(pi*10*sin(b))./(pi*10*sin(b))); %2天线方向图
plot(x,F1, 'r',x,F2, 'b');hold on;
plot([s,0],[0,1]);grid on;xlabel('theta');ylabel('F(theta)');
legend('方向图及目标位置');
%%接收后的信息处理
x=s;
a=x+0.06;b=x-0.06;
F1=(1+cos(a))./2.*abs(sin(pi*10*sin(a))./(pi*10*sin(a))); %1天线振幅
F2=(1+cos(b))./2.*abs(sin(pi*10*sin(b))./(pi*10*sin(b))); %2天线振幅
FA=F1+F2;FD=F1-F2; %振幅和差
uB=FD/FA; %电压差和比
v=-25.73; % v为天线方向图在波束偏转角0处的归一化斜率系数。

theta=uB/v %目标所在角度。