單脈沖自動測角系統(tǒng)在導引頭中的應用(共13頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上雷達原理大作業(yè)單脈沖自動測角系統(tǒng)在導引頭中的應用學院：電子工程學院完成人及學號：楊超（）王東旭（）韓孟洲（）程榮（）譚宗欣（）于振浩（） 任課教師：饒鮮專心-專注-專業(yè)目錄：一、單脈沖自動測角系統(tǒng)簡介1.單脈沖雷達 單脈沖雷達是一種精密跟蹤雷達。它每發(fā)射一個脈沖，天線能同時形成若干個波束，將各波束回波信號的振幅和相位進行比較，當目標位于天線軸線上時，各波束回波信號的振幅和相位相等，信號差為零；當目標不在天線軸線上時，各波束回波信號的振幅和相位不等，產(chǎn)生信號差，驅動天線轉向目標直至天線軸線對準目標，這樣便可測出目標的高低角和方位角，從各波束接收的信號之和，可測出目標的距

2、離，從而實現(xiàn)對目標的測量和跟蹤。2.自動測角系統(tǒng)在火控系統(tǒng)中使用的雷達，必須快速連續(xù)地提供單個目標(飛機、導彈等)坐標的精確數(shù)值，此外在靶場測量、衛(wèi)星跟蹤、宇宙航行等方面應用時，雷達也是觀測一個目標，而且必須精確地提供目標坐標的測量數(shù)據(jù)。為了快速地提供目標的精確坐標值，要采用自動測角的方法。自動測角時，天線能自動跟蹤目標，同時將目標的坐標數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)送到計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。和自動測距需要有一個時間鑒別器一樣，自動測角也必須要有一個角誤差鑒別器。當目標方向偏離天線軸線(即出現(xiàn)了誤差角)時，就能產(chǎn)生一誤差電壓。誤差電壓的大小正比于誤差角，其極性隨偏離方向不同而改變。此誤差電壓經(jīng)跟蹤系統(tǒng)變換、

3、放大、處理后，控制天線向減小誤差角的方向運動，使天線軸線對準目標。用等信號法測角時，在一個角平面內需要兩個波束。這兩個波束可以交替出現(xiàn)(順序波瓣法)，也可以同時存在(同時波瓣法)。前一種方式以圓錐掃描雷達為典型，后一種是單脈沖雷達。3.單脈沖自動測角系統(tǒng)單脈沖自動測角屬于同時波瓣測角法。在一個角平面內，兩個相同的波束部分重疊，其交疊方向即為等信號軸。將這兩個波束同時接收到的回波信號進行比較，就可取得目標在這個平面上的角誤差信號，然后將此誤差電壓放大變換后加到驅動電動機，控制天線向減小誤差的方向運動。因為兩個波束同時接收回波，故單脈沖測角獲得目標角誤差信息的時間可以很短，理論上講，只要分析一個回

4、波脈沖就可以確定角誤差，所以叫“單脈沖”。這種方法可以獲得比圓錐掃描高的多的測角精度，故精密跟蹤雷達常采用它。由于取出角誤差的具體方法不同，單脈沖雷達的種類很多，常用的為振幅和差式單脈沖雷達，還有相位和差式單脈沖雷達。二、單脈沖自動測角原理1.振幅定向法振幅定向法是用天線接收到的回波信號幅度值來進行角度測量的，該幅度值的變化規(guī)律取決于天線方向圖以及天線的掃描方式。振幅定向法可以分為最大信號法和等信號法兩大類，其中等信號法又可以分為比幅法和和差法。如圖所示，平面兩波束相互部分交疊，其等強信號軸的方向已知，兩波束中心軸與等強信號軸的偏角也已知。假設目標回波信號來向與等強信號軸向的夾角為，天線波束方

5、向圖函數(shù)為F()，則兩個子波束的方向圖函數(shù)可分別寫成： 兩波束接收到的目標回波信號可以表示成： 其中為回波信號的幅度系數(shù)，對于比幅法，直接計算兩回波信號的幅度比值有： 根據(jù)上式比值的大小可以判斷目標回波信號偏角的方向，再通過查表就可以估計出的大小。對于和差法，由和可計算得到其和值及差值分別如下:其中稱為和波束方向圖；稱為差波束方向圖。若很?。ㄔ诘葟娦盘栞S附近），根據(jù)泰勒公式可以將和展開近似為：進一步可以得到：歸一化和差信號值可得:其中是天線方向圖在波束偏轉角處的歸一化斜率系數(shù)。即可計算得到目標回波信號偏角為：對于振幅定向法來說，其優(yōu)點是測向精度較高，便于自動測角，缺點是系統(tǒng)較復雜，作用距離較小

6、等。2.相位定向法相位定向法是將兩個天線接收到的信號相位加以比較以確定目標在一個座標平面內方向。如上圖所示，對于遙遠區(qū)域內的點目標，目標回波可近似看成是兩列平行波分別入射到兩天線上，因而兩天線接收到的目標回波信號振幅相同而相位不同。 兩天線接收到的目標回波信號時差為：，其中C為電磁波在空氣介質中的傳播速度，則對應的相位差為：如果我們能測出信號到達天線1和2的相位差，那么，我們就能得到信號到達的方向為：相位定向法容易得到較高的精度，這是它突出的優(yōu)點，其缺點是容易引起相位差的測量模糊，并需要對信號頻率進行測量。三、單脈沖自動測角系統(tǒng)的特點1.角度跟蹤精度 與圓錐掃描雷達相比，單脈沖雷達的角度跟蹤精

7、度要高得多。其主要原因有以下兩點： 第一，圓錐掃描雷達至少要經(jīng)過一個圓錐掃描周期后才能獲得角誤差信息，在此期間，目標振幅起伏噪聲也疊加在圓錐掃描調制信號（角誤差信號）上形成干擾，而自動增益控制電路的帶寬又不能太寬，以免將頻率為圓錐掃描頻率的角誤差信號也平滑掉，因而不能消除目標振幅起伏噪聲的影響，在錐掃頻率附近一定帶寬內的振幅起伏噪聲可以進入角跟蹤系統(tǒng)，引起測角誤差。而單脈沖雷達是在同一個脈沖內獲得角誤差信息，且自動增益控制電路的帶寬可以較寬，故目標振幅起伏噪聲的影響基本可以消除。 第二、圓錐掃描雷達的角誤差信號以調制包絡的形式出現(xiàn)，它的能量存在于上、下邊頻的兩個頻帶內，而單脈沖雷達的角誤差信息

8、只存在于一個頻帶內。故圓錐掃描雷達接收機熱噪聲的影響比單脈沖雷達大一倍。單脈沖雷達的角跟蹤精度比圓錐掃描雷達的要高一個量級，約為0.1-0.2密位。2.天線增益和作用距離 單脈沖雷達在增益利用方面比圓錐掃描雷達好。單脈沖用和波束測距，差波束測角，合理設計饋源可使和波束的增益與差波束的增益同時最大，因而使測距測角性能最佳。在相同天線增益、發(fā)射功率、接收機噪聲系數(shù)情況下，單脈沖雷達比圓錐掃描雷達作用距離更遠、測距精度更高。并且，圓錐掃描雷達的角跟蹤靈敏度的作用距離不能同時最大，兼顧兩者性能，權衡選擇波束參數(shù)，只能做到角跟蹤靈敏度和作用距離約為最大值的88%。3.角度信息的數(shù)據(jù)率 單脈沖雷達比圓錐掃

9、描雷達高。單脈沖雷達理論上只要一個脈沖就可以獲得一次角信息，數(shù)據(jù)率為（脈沖重復頻率）。而圓錐掃描雷達必須經(jīng)過一個圓錐掃描周期才能獲得一次角信息。圓錐掃描一周內至少需要四個脈沖，因而理論數(shù)據(jù)率是，考慮到調制包絡信號不失真，通常需要10個脈沖以上，所以實際數(shù)據(jù)率小于。4.抗干擾能力 圓錐掃描雷達易受敵方回答式干擾。因為敵方接收到的圓錐掃描雷達發(fā)射信號也是正弦調制信號，進行倒相放大，然后去調制高頻信號再發(fā)射回來，圓錐掃描雷達接收此信號后，天線軸線就跟蹤到錯誤的方向上，而單脈沖雷達沒有回答式干擾的影響。5.復雜程度 單脈沖雷達在結構和技術上比較復雜，需要多個性能完善的寬頻帶饋源和高頻和差比較器，多路接

10、收機要求性能一致，如果各路相位和振幅不平衡，會使測角靈敏度降低并加大測角誤差，因而單脈沖雷達技術復雜，加工工藝要求高。 由此可見，要求精密跟蹤尤其是遠程精密跟蹤雷達，常用單脈沖體制。四、單脈沖自動測角系統(tǒng)的仿真 假設兩個波束的方向性函數(shù)完全相同，記為，兩波束相對天線軸線的偏角為。仿真中，偏角，半功率波束寬度，采用雙向工作的高斯函數(shù)作為天線方向性函數(shù)，因此有和差波束方向性函數(shù)分別為：其方向函數(shù)圖如下圖所示： 由原理分析可知，差信號振幅為，當跟蹤目標是出現(xiàn)誤差角時，差信號的振幅變?yōu)?。由于跟蹤狀態(tài)下很小，將展開成泰勒級數(shù)并忽略高次項，則有，。由上式可知，在一定范圍的誤差角度范圍內，差信號的振幅與誤差

11、角度成正比。仿真時，我們假設誤差角度，得到如圖所示誤差角度與誤差電壓關系圖，符合理論推導。從誤差角度與誤差電壓的關系圖中我們可以看出，在跟蹤狀態(tài)下，當目標與雷達天線軸向之間存在一定誤差角時，接收天線會產(chǎn)生相應的誤差電壓。而誤差電壓的大小反映了誤差角的大小，誤差電壓的極性反映了目標偏離天線軸向的方向。此時，該誤差電壓將驅動雷達天線靠近目標，使得誤差角接近于零，從而實現(xiàn)自動測角（目標跟蹤）。程序源代碼如下：N=214; %采樣點數(shù)r3dB=7.5; %半功率波束寬度e=linspace(-pi/6,pi/6,N); %誤差角度范圍r=linspace(-20,20,N); %角度范圍（橫坐標）F=

12、exp(-2.8*(r./r3dB).2); %天線方向圖函數(shù)F1=exp(-2.8*(3-r)./r3dB).2); %兩波束相對天線軸線偏角+-3F2=exp(-2.8*(3+r)./r3dB).2);F_sigema=F1+F2; %和波束F_derta =F1-F2; %差波束E_sigema=F_sigema.2; %和場強E_derta =F_sigema.*F_derta; %差場強F_derta1=diff(F_derta); %差波束的一階導數(shù)yita=max(F_derta1)/max(F_sigema);E_derta1 =max(F_sigema)2*yita*e; %

13、差信號振幅subplot(3,1,1)plot(r,(F),b,r,(F1),r,r,(F2),k)grid onxlabel(角度/theta),ylabel(天線增益F(theta)title(天線方向圖)subplot(3,1,2)plot(r,(F_sigema),r,r,(F_derta),b)grid onxlabel(角度/theta),ylabel(天線增益F(theta)title(和、差波束方向圖)subplot(3,1,3)plot(e,E_derta1)xlabel(誤差角度/theta),ylabel(誤差電壓/V)title(誤差角度與誤差電壓關系圖)grid on

14、axis(-pi/6 pi/6 -0.8e-3 0.8e-3)五、單脈沖雷達的應用單脈沖雷達作為一種精密跟蹤雷達，可以精確快速地提供目標坐標的精確位置，早在60年代就已廣泛應用于火控系統(tǒng)中。而目前使用的單脈沖雷達基本上都實現(xiàn)了模塊化、系列化和通用化，具有多目標跟蹤、動目標顯示、故障自檢、維修方便等特點，于是也被更多地應用于軍用以及民用上。美國、英國、法國和日本等國軍隊大量裝備單脈沖雷達，主要用于目標識別、靶場精密跟蹤測量、彈道導彈預警和跟蹤、導彈再入彈道測量、火箭和衛(wèi)星跟蹤、武器火力控制、炮位偵察、地形跟隨、導航、地圖測繪等；在民用上主要用于中交通管制。六、總結 通過本次的大作業(yè)，我們對雷達的測