单脉冲雷达在测角方面的应用

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单脉冲自动测角的原理及应用

授课老师:魏青

. .	专	业: 电子信息工程	.
	姓	名: 周佳凯
	学	号:
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一、自动测角系统简介

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，而且必须准确地提供目标坐标

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（即出现了误角差ε）时，

就能产生误差电压。误差电压的大小正比于误角差ε，其极性随偏离

方向不同而改变。次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。

二、单脉冲雷达简介

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经行比较，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，个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

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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。从而实现目标的测量和跟踪。

三、单脉冲雷达的自动测角系统中的优势

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

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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

f

r

（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	f	r	4	，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					f	r	10	。

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

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四、单脉冲雷达系统
多路接收是实现单脉冲定向的技术方法，单脉冲定向的关键就在于用几个的接收支路同时接收目标的回波信号，然后再将这些信号加以处理比较，最终计算得到目标信号的到达角。通常，在三维空 方位面两个支路，俯间对一个目标定向要采用四个的接收支路：
仰面两个支路。

根据角度鉴别器和测角方法的不同，单脉冲雷达系统一般可以分为九种类型，如下表所示。下图给出了两维角坐标（方位和俯仰）振幅和－差式单脉冲雷达系统框图。

测角方法（角度鉴别器的 类型）	三种定向方法的基本单脉冲雷达
	振幅法	相位法	综合法
振幅法 相位法 和差式	振幅——振幅振幅——相位振幅和——差	相位——振幅相位——相位相位和——差	综合振幅 综合相位 综合和——差

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五、单脉冲定向原理

对目标的定向，即测定目标的方向，是雷达的主要任务之一。单

脉冲定向是雷达定向的一个重要方法。所谓“单脉冲”，是指使用这种

方法时，只需要一个目标回波脉冲，就可以给出目标角位置的全部信

息。根据从回波信号中提取目标角信息的特点，可以将单脉冲定向分

为两种基本的方法：振幅定向法和相位定向法，分别见于下图。除了

上述两种方法外，由它们合成的振幅—相位定向法（或称为综合法）

也得到了广泛的应用。

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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0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	  	F 1 () F 2		F	0 0		
				F			

两波束接收到的目标回波信号可以表示成：

u 1  u 2					K	a	F 1 F 2		K a F0 K a F0		
					K						
						a
其中	K	a	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：

u 1				F	0		
u	2			F	0		

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

u 1



和

u

2



可计算得到其和值

u





及差值

u





分

别如下:

. .

u  u





u 1





u

2





K

a



F

0 0







F

0 0





.





u 1





u

2





K

a



F







F





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F

其中

F

()





F

0







F

0





称为和波束方向图；

F

0



和

F

()





F

0







F

0





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

0



展开近似为：

  

F

0 0







F

0 0





F

0 0



o

2 2





F

0 0





F

0 0



F







F





F



o



F





F



进一步可以得到：

u  u

2 K 2 K a

a F0 F0

归一化和差信号值可得:

			u				F0			
	F0		u				F0		(2-6)
	F0		是天线方向图在波束偏转角0						处的归一化斜率系数。
其中

即可计算得到目标回波信号偏角θ为：

	 u		1
	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

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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：

		d	sin	
			C

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：

	2 d	sin	
	

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：





arcsin

  2d

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。

六、MATLAB仿真
1、程序代码
k=0.75;
d=0.20;
labda=2*pi/k;
theta_3db=1.2*labda/d;
theta_k=theta_3db/3;
theta=-1.7*theta_3db:0.1:1.7*theta_3db;
f1=exp(-1.3863*(theta-theta_k).^2/theta_3db^2);

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f2=exp(-1.3863*(theta+theta_k).^2/theta_3db^2);
sigma=f1+f2;
delta=f1-f2;
figure,subplot(221),plot(theta,f1,'g-'),gridon
holdon,plot(theta,f2),xlabel('\theta'),ylabel('两馈源形成的波束');

subplot(222),plot(theta,sigma),xlabel('\theta'),ylabel('和

波

束

\Sigma'),gridon

subplot(223),plot(theta,delta),xlabel('\theta'),ylabel('差

波

束

\Delta'),gridon
subplot(224),plot(theta,(delta./sigma)),gridon
xlabel('\theta'),ylabel('归一化\Delta/\Sigma')
2、仿真结果

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. 资料.

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. .		. 资料.			.