雷达原理第7章 角度测量.ppt

第 7 章 角度测量,理解测角的基本原理； 了解天线波束的扫描方法；,主要内容及基本要求,7.1 测角概述,确定目标的空间位置必须,测距,目标的方位角 高低角（俯仰角）,测角的物理基础 （1）电波在均匀介质中传播的直线性 （2）雷达天线的方向性,直线性 ：理想情况 实际情况 修正：近距离，远距离,方向性： 半功率波束宽度(角度分辨率) 副瓣电平(抗干扰性能) 雷达测角的性能评价 测角范围、测角速度、测角准确度或精度和角分辨力。 测量角坐标方法：振幅法，相位法 天线对准目标后才有明显的回波（天线扫描）,7.2 测角方法与比较,7.2.1 相位法测角,1基本原理,相位法测角方框图,设两高频信号为,u1=U1 cos (t-) u2=U2cos (t),本振信号为,uL=ULcos (Lt+L),为两信号相位差；L为本振信号初相。,uI1=UI1cos(-L)t-L,u2与uL差频得,uI2=UI2cos(-L)t-L,u1和uL差频得,相位法测角方框图,二极管相位检波器电路及矢量图 (a) 电路; (b) U2U1; (c) U2=1/2U1,相位检波器两输入信号为,u1=U1cos (t-) u2=U2cos (t-90°),当选取U2U1时, 由矢量图 (b)可知,故相位检波器输出电压为,当选取1/2U1=U2时,相位检波器输出特性 (a)U2U1; (b)U2=1/2U1,2 测角误差与多值性,采用读数精度高(d小)的相位计。 减小/d值(增大d/值)。 当=0时测角误差d最小。的范围有一定的限制。,减少误差的方法：,增大d/虽可提高测角精度, 但会带来测角模糊,三天线相位法测角原理示意图,7.2.2 振幅法测角,1. 最大信号法,回波脉冲最大值，即为目标所在处,特点：测量方法简单 信噪比高，作用距离远 最强点不易判断，测量精度不高 （半功率角20） ，存在量化误差 不能用于自动测角,2. 等信号法,等信号法测角 (a) 波束;(b)K型显式器画面,设天线电压方向性函数为F(), 等信号轴OA的指向为0, 则波束 1、2 的方向性函数可分别写成:,F1()=F(1)=F(+k-0) F2()=F(2)=F(-0-k),k为0与波束最大值方向的偏角。,波束1接收到的回波信号u1=KF1()=KF(k-t), 波束2收到的回波电压值u2=KF2()=KF(-k-t)=KF(k+t), t为目标方向偏离等信号轴0的角度。,处理方式 (1) 比幅法,根据比值的大小可以判断目标偏离0的方向, 查找预先制定的表格就可估计出目标偏离0的数值。,(2) 和差法: 由u1及u2可求得其差值(t)及和值(t),()=u1()-u2()=KF(k-t)-F(k+t),在等信号轴=0 附近,(t)=u1()+u2()=KF(k-t)+F(k+t),在0附近可近似表示为,(t)2F(0)k,归一化的和差值,/正比于目标偏离0的角度t, 故可用它来判读角度t,和差法测角,等信号法的特点:,(1) 测角精度比最大信号法高（半功率角2） (2) 可用于自动测角。 (3) 测试系统复杂 (4) 作用距离相对较小,7.3 天线波束的扫描方法,7.3.1 波束形状和扫描方法,1. 扇形波束,(a) 地面雷达; (b) 机载雷达,余割平方形,2. 针状波束,针状波束扫描方式 (a) 螺旋扫描; (b) 分行扫描; (c) 锯齿扫描,7.3.2 天线波束的扫描方法,1. 机械性扫描,移动反射体,移动馈源,整体移动,机械扫描特点： 简单，机械惯性大，扫描速度慢,2. 电扫描,相位扫描法、频率扫描法、时间延迟法等。,相位扫描法,N元直线移相器天线,按等比级数求和并运用尤拉公式,容易看出, 当=时, 各分量同相相加, 场强幅值最大, 显然,故归一化方向性函数为,图 一维相扫天线简图,2. 栅瓣问题 将与波束指向0之间的关系式=(2/)d sin0代入式,当(Nd/)(sin-sin0)=0, ±, ±2, , ±n(n为整数)时, 分子为零, 若分母不为零, 则有F()=0。而当(d/)(sin-sin0)=0, ±, ±2, , ±n(n为整数)时, 上式分子、分母同为零, 由洛比达法则得F()=1, 由此可知F()为多瓣状。,图 7.15 方向图出现栅瓣,出现栅瓣将会产生测角多值性。,3. 波束宽度,(1)波束指向为天线阵面法线方向时,通常波束很窄, 较小, sind/)sin(d/)sin, 上式变为,2) 波束扫描对波束宽度和天线增益的影响,扫描时, 波束偏离法线方向, 00, 因波束窄-0较小,sin-sin0=sin(-0)cos0-1-cos(-0)sin0,0越大, 波束变得愈宽,移相器,（1）PIN二极管移相器 利用PIN二极管正反偏压下的阻抗变化配以一定电路可以实现不同的相移量。 特点：相移速度快，重量轻，体积小，设计灵活。 类型：模拟和数字。 （1）开关型（2）负载型（3）反射型,开关型原理： 利用PIN二极管的通断，改变微波信号的传输路径，取得不同的相位延时。,3dB定向耦合器型 相移量很大，设计自由,负载型 利用PIN管正向反向偏置时不同的阻抗形成移相。 带宽比开关型要大，但是随着相移量的增加，其带宽会显著降低，不能用于大角度相移。,PIN移相器的总体特点：频带较窄，插损大,（2）铁氧体移相器,其基本原理是利用外加直流磁场改变波导内铁氧体的导磁系数, 因而改变电磁波的相速, 得到不同的相移量。 主要特点： 承受功率高，插入损耗较小，带宽较宽，但是所需的激励功率较大，响应时间长，较为笨重。,（3）数字移相器,移相量不连续，便于控制。,频率扫描,频扫直线阵列,改变输入信号频率f, 则g改变, 也随之改变, 故可实现波束扫描。 这里用具有一定长度的传输线代替了相扫法串联馈电中插入主馈线内的移相器, 因此插入损耗小, 传输功率大, 同时只要改变输入信号的频率就可以实现波束扫描, 方法比较简便。,通常l应取得足够长, 这对提高波束指向的频率灵敏度有好处,所以值一般大于 2,式中，m为整数；2。 所有阵元同相馈电, 上式中，=0, 由此可以确定,若00, 即波束偏离法线方向, 则当=0时, 相邻阵元之间由波程差引起的相位差正好与传输线引入的相位差相抵消, 故有,得,(7.3.20),式中，d为相邻阵元间距；为自由空间波长(相应输入端信号频率为f)。已知(或f), 并算出g, 由式(7.3.20)可确定波束指向角0。 g根据传输线的特性及工作波长而定。,7.4三座标雷达,多波束定义 在一个（或两个）平面内同时存在数个相互部分重叠的波束。 多波束天线有透镜式、反射面式和相控阵式等三种基本形式。此外还有以相控阵作为反射面或透镜馈源的混合形式。 多波束透镜天线 利用透镜把馈源所辐射的能量汇聚起来形成一个锐波束，当透镜焦点附近设置多个馈源时，便相应形成指向不同的多个元波束 控制各馈源的激励振幅和相位，能使这些元波束合成为具有特定形状的成形波束。,多波束反射面天线 它在反射面焦点附近有多个馈源来形成多波束。为避免馈源系统对反射面口径的遮挡，通常采用偏置单（双）反射面形式。这类天线与多波束透镜天线工作情形相似，但较为轻便简单，是较常用的多波束天线形式。 多波束相控阵天线 由许多辐射元排阵构成，用波束形成网络向阵列单元激励所需的振幅和相位，以形成不同形状的成形波束。 多波束天线具有以下几个特点： 元波束窄而且增益高，若用多个发射机同时向各波束馈电，可获得较远的作用距离； 合成波束能覆盖特定形状的空域； 能以组合馈源方式实现低旁瓣。,第 8 章 运动目标检测及测速,了解多卜勒效应及其在雷达中的应用； 了解动目标显示雷达的工作原理及主要组成 了解速度测量,主要内容及基本要求,8.1 多卜勒效应及其在雷达中的应用,多卜勒效应,雷达发射连续波的情况 这时发射信号可表示为,s(t) = A cos(0t + ),回波信号sr(t)为,如果目标固定不动, 则距离R为常数。,tr = 2R/c,当目标与雷达站之间有相对运动时,R(t) = R0 - vrt,回波信号比起发射信号来, 高频相位差,多卜勒信息的提取 回波信号的多卜勒频移fd正比于径向速度，而反比于雷达工作波长, 即,多卜勒频率处于音频范围。 例如当= 10 cm, vr= 300 m/s时, 求得fd = 6kHz 。而此时雷达工作频率f0 = 3000MHz , 目标回波信号频率为fr = 3000 MHz±6kHz。因此要从接收信号中提取多卜勒频率需要采用差拍的方法。,1. 连续波多卜勒雷达 ,图 8.1 连续波多卜勒雷达原理框图 (a) 组成框图; (b) 多卜勒频率差拍矢量; (c) 频谱图,图 8.2 利用多卜勒效应的脉冲雷达 (a) 原理方块图; (b) 主要波形图,对于固定目标，经过包络检波,等幅输出,对于运动目标，经过包络检波,8.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成,相参性,8.2 动目标显示雷达的工作原理及主要组成,基本工作原理,1. 中频全相参(干)动目标显示,当雷达发射机采用主振放大器时, 每次发射脉冲的初相由连续振荡的主振源控制, 发射信号是全相参的, 即发射高频脉冲、 本振电压、相参电压之间均有确定的相位关系。相位检波通常是在中频上进行的, 因为在超外差接收机中, 信号的放大主要依靠中频放大器。在中频进行相位检波, 仍能保持和高频相位检波相同的相位关系。,中频全相参(干)动目标显示雷达方框图,主振源,中频相参振荡器,本振信号取和频,回波信号与本振混频后,回波信号,相位检波输出,2. 锁相相参动目标显示,中频锁相的脉冲相参雷达方框图,本地振荡器,发射机输出,经混频后取其差频作为锁相电压,目标回波信号,经混频后得到中频信号,消除固定目标回波,1. 相消设备特性 由相位检波器输出的脉冲包络为,u = U0cos,式中，为回波与基准电压之间的相位差,回波信号按重复周期Tr出现, 将回波信号延迟一周期后, 其包络为,u=U0 cosd(t-Tr)-0,相消器的输出为两者相减,输出包络为一多卜勒频率的正弦信号, 其振幅为,也是多卜勒频率的函数。当dTr/2 = n(n=1, 2, 3)时, 输出振幅为零。这时的目标速度正相当于盲速。此时，运动目标回波在相位检波器的输出端与固定目标回波相同, 因而经相消设备后输出为零, 如图 8.10 所示。,图 8.10 迟延相消设备及其输出响应 (a) 组成框图; (b) 速度响应; (c) 频率响应特性,消除盲速的方法,盲速在相邻两周期运动目标回波的相位差为2的整数倍, 即,这时fd0=nfr或vr0=(n/2) fr, n=1时为第一盲速, 表示在重复周期Tr内目标所走过的距离为半个波长。如果要可靠地发现目标, 应保证第一盲速大于可能出现的目标最大速度。,但在均匀重复周期时, 盲速和工作波长以及重复频率fr的关系是确定的, 这两个参数的选择还受到其他因素的限制。,参差重复频率对动目标显示性能的影响, 设雷达采用两种脉冲重复频率fr1和fr2交替工作, 而fr1和fr2均满足最大不模糊测距的要求, 则在一次对消器的输出端其响应分别为2usin(fdTr1) 和 2usin(fdTr2), 只有在两种重复频率上均出现盲速而输出为零时, 才等效于参差后的“盲速”vr0, 它所对应的多卜勒频率为f d0, 这时要满足:,式中, n1、n2为整数。所以,如果选择Tr1 = aT, Tr2 = b, 且a、b互为质数, 则合成第一盲速点产生于n1=a, n2=b点处。可以作出比较: 当不采用参差重复频率时, 其平均重复周期Tr = (Tr1+Tr2)/2, 这时第一盲速值和其相应的多卜勒频率值fd0为,采用参差后, 第一盲速对应的多卜勒频率值为,(8.3.2),这时, 可求得采用参差频率后, 第一等效“盲速”提高的倍数为,(8.3.3),当采用N个参差重复频率, 且其重复周期的比值为互质数(a1,a2,a3, , aN)时, 第一等效“盲速”提高的倍数为,(8.3.4),速度测量,连续波雷达测速 当测出目标回波信号的多卜勒频移fd后, 根据关系式fd=2vr/ 和雷达的工作波长, 即可换算出目标的径向速度vr。 1. 连续波雷达测速,图 8.39 多卜勒频率测量,图 8.40 连续波多卜勒雷达方框图(超外差式),Thank you for your attention,