第3章-對(duì)雷達(dá)信號(hào)方向的測(cè)量和定位課件

第3章對(duì)雷達(dá)信號(hào)方向的測(cè)量和定位3.1概述3.2振幅法測(cè)向3.3相位法測(cè)向3.4短基線時(shí)差測(cè)向3.5對(duì)雷達(dá)輻射源的定位第3章對(duì)雷達(dá)信號(hào)方向的測(cè)量和定位3.1概述3.1概述

3.1.1測(cè)向定位的作用與分類

1．測(cè)向定位的作用

雷達(dá)偵察系統(tǒng)測(cè)向定位的主要作用是：

1)信號(hào)分選和識(shí)別

在雷達(dá)對(duì)抗工作的信號(hào)環(huán)境中存在著大量的輻射源和散射源，各種源的來(lái)波方向是彼此區(qū)分的重要依據(jù)之一，且受外界的影響小，具有相對(duì)的時(shí)間穩(wěn)定性，因此輻射源方向一直是雷達(dá)偵察系統(tǒng)中信號(hào)分選和識(shí)別的重要參數(shù)。3.1概述

3.1.1測(cè)向定位2)引導(dǎo)干擾方向

由于大部分雷達(dá)收發(fā)共用天線或收發(fā)天線間距很近，為了將干擾功率集中到需要干擾的敵方雷達(dá)方向，首先需要測(cè)量該雷達(dá)方向，再引導(dǎo)干擾發(fā)射天線波束對(duì)準(zhǔn)該方向。

3)引導(dǎo)武器系統(tǒng)攻擊

根據(jù)所測(cè)出的敵方威脅雷達(dá)方向和位置，引導(dǎo)反輻射導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)和其它火力攻擊武器對(duì)其實(shí)施殺傷。

4)提供告警信息

為作戰(zhàn)人員和系統(tǒng)提供威脅告警，指示威脅方向和威脅程度等，以便采取戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)或其它應(yīng)對(duì)措施。2)引導(dǎo)干擾方向

由于大部分雷達(dá)收發(fā)共用天線或5) 提供輻射源，方向和位置情報(bào)

提供信號(hào)環(huán)境中大量輻射源方向和位置的情報(bào)，輔助戰(zhàn)場(chǎng)指揮和決策。5) 提供輻射源，方向和位置情報(bào)

提供信號(hào)環(huán)境中2．測(cè)向的分類

雷達(dá)偵察測(cè)向是利用測(cè)向天線的方向性，即對(duì)不同方向到達(dá)電磁波的振幅、相位或時(shí)間響應(yīng)特性，并依此分為振幅法測(cè)向、相位法測(cè)向和時(shí)差法測(cè)向。在測(cè)向工作時(shí)，一般測(cè)向天線的孔徑都遠(yuǎn)小于它與輻射源的距離，到達(dá)天線的電磁波近似滿足平面波前的條件。在一般情況下，雷達(dá)偵察測(cè)向主要測(cè)量來(lái)波的方位，只有少量偵察系統(tǒng)能夠同時(shí)測(cè)量方位和仰角。如果不加特別說(shuō)明，本章的測(cè)向主要是指測(cè)量來(lái)波的方位角。

雷達(dá)偵察系統(tǒng)采用的測(cè)向方法分為3種。2．測(cè)向的分類

雷達(dá)偵察測(cè)向是利用測(cè)向天線的方向性1)振幅法測(cè)向

振幅法測(cè)向是根據(jù)測(cè)向天線接收信號(hào)的相對(duì)幅度大小來(lái)確定信號(hào)的到達(dá)方向。主要的測(cè)向方法有：最大信號(hào)法、比較信號(hào)法和等信號(hào)法。最大信號(hào)法通常采用波束掃描體制，以接收信號(hào)功率最強(qiáng)的方向估計(jì)來(lái)波方向。比較信號(hào)法通常采用多個(gè)不同指向的波束覆蓋一定的方向范圍，根據(jù)各波束接收同一信號(hào)的相對(duì)幅度估計(jì)來(lái)波方向。等信號(hào)法主要用于對(duì)輻射源的跟蹤，力求將接收信號(hào)振幅相等的方向指向輻射源方向。等信號(hào)法測(cè)向的測(cè)角范圍較小，但測(cè)角精度較高。常用的振幅法測(cè)向技術(shù)有波束搜索法測(cè)向、全向振幅單脈沖測(cè)向和多波束測(cè)向等。1)振幅法測(cè)向

振幅法測(cè)向是根據(jù)測(cè)向天線接收信號(hào)的2)相位法測(cè)向

相位法測(cè)向是根據(jù)測(cè)向天線陣接收同一信號(hào)的相位差來(lái)確定信號(hào)的到達(dá)方向。由于相位差與信號(hào)頻率具有非常密切的關(guān)系，因此相位法測(cè)向往往需要測(cè)頻輔助。按照天線陣型主要分為一維線陣干涉儀測(cè)向、二維線陣干涉儀測(cè)向、平面圓陣干涉儀測(cè)向、相關(guān)干涉儀測(cè)向和其它陣型的相位法測(cè)向等。

3)時(shí)差法測(cè)向

時(shí)差法測(cè)向是根據(jù)測(cè)向天線陣接收同一信號(hào)的時(shí)間差來(lái)確定信號(hào)的到達(dá)方向。由于時(shí)間差與信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，因此它適合于寬帶測(cè)向。按照天線陣型主要分為：一維線陣時(shí)差測(cè)向和二維線陣時(shí)差測(cè)向等。2)相位法測(cè)向

相位法測(cè)向是根據(jù)測(cè)向天線陣接收同一3．定位的分類

對(duì)雷達(dá)輻射源的定位是在一定的地理?xiàng)l件下，利用接收站自身的位置、運(yùn)動(dòng)及其與輻射源信號(hào)的相對(duì)關(guān)系，通過(guò)對(duì)同一輻射源的多個(gè)測(cè)量方向，對(duì)同一個(gè)輻射源信號(hào)的多個(gè)到達(dá)時(shí)間差、對(duì)同一個(gè)輻射源信號(hào)的相對(duì)頻率差等，確定輻射源在平面或空間中的位置。

按照參與定位的接收站數(shù)量分為單站定位和多站定位。

1)單站定位

只用一個(gè)接收站的定位。一般需要以特定的地理環(huán)境或接收站的運(yùn)動(dòng)為輔助定位條件。主要有：飛越定位，方位—仰角定位，測(cè)向—方向變化率定位和測(cè)向—相位差變化率定位等。3．定位的分類

對(duì)雷達(dá)輻射源的定位是在一定的地理?xiàng)l2)多站定位

需要多個(gè)接收站協(xié)同的定位，各站間的距離稱為基線。多站協(xié)同具有良好的定位能力，但對(duì)協(xié)同性能具有較高的要求。

按照定位采用的測(cè)量信息，主要分為以下3類。

(1)測(cè)向交叉定位：利用不同位置接收站測(cè)得的同一輻射源方向，確定輻射源位置。

(2)測(cè)向-時(shí)差定位：利用不同位置接收站測(cè)得同一輻射源方向、同一信號(hào)的時(shí)間差，確定輻射源位置。

(3)測(cè)時(shí)差定位：利用不同位置接收站測(cè)得的同一信號(hào)的時(shí)間差，確定輻射源位置。2)多站定位

需要多個(gè)接收站協(xié)同的定位，各站間的距3.1.2測(cè)向定位的主要技術(shù)指標(biāo)

1．測(cè)向系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

1)測(cè)向范圍ΩAOA和瞬時(shí)視野ΔΩAOA

ΩAOA是指測(cè)向系統(tǒng)最大可測(cè)的來(lái)波信號(hào)方向范圍，ΔΩAOA是指任一時(shí)刻最大可測(cè)的來(lái)波信號(hào)方向范圍。ΔΩAOA<ΩAOA時(shí)，測(cè)向系統(tǒng)需要ΔΩAOA掃描才能覆蓋ΩAOA，因此稱為搜索法測(cè)向；ΔΩAOA=ΩAOA時(shí)不需要掃描，稱為非搜索法測(cè)向或方向?qū)掗_(kāi)測(cè)向。3.1.2測(cè)向定位的主要技術(shù)指標(biāo)

1．測(cè)向系統(tǒng)的主2)測(cè)向精度δθ和測(cè)向分辨力Δθ

δθ一般以測(cè)向誤差的均值(系統(tǒng)誤差)和均方根值(隨機(jī)誤差)表示。系統(tǒng)誤差主要是由系統(tǒng)失調(diào)引起的，在一定的條件下，可以通過(guò)系統(tǒng)的多維參量標(biāo)校而降低。隨機(jī)誤差主要是由系統(tǒng)的內(nèi)外噪聲引起的，測(cè)向時(shí)應(yīng)盡可能提高信噪比。Δθ是指能夠被區(qū)分開(kāi)的兩個(gè)同時(shí)不同方向來(lái)波間的最小方向差。2)測(cè)向精度δθ和測(cè)向分辨力Δθ

δθ一般以測(cè)向誤3)測(cè)向時(shí)間tA、方向截獲概率PIA和方向截獲時(shí)間TIA

tA是來(lái)波到達(dá)偵察接收機(jī)至接收機(jī)輸出測(cè)向值所用的時(shí)間；PIA是指在TIA時(shí)間內(nèi)完成對(duì)給定信號(hào)方向測(cè)量任務(wù)的概率；TIA為對(duì)給定信號(hào)的方向測(cè)量達(dá)到指定概率PIA需要的時(shí)間，兩者互為條件。3)測(cè)向時(shí)間tA、方向截獲概率PIA和方向截獲時(shí)間TI4)測(cè)向靈敏度sAmin和測(cè)向動(dòng)態(tài)范圍DA

sAmin是指?jìng)刹旖邮諜C(jī)完成測(cè)向任務(wù)所需要的最小輸入信號(hào)功率，DA是指允許的最大輸入信號(hào)功率sAmax與sAmin之比(以分貝表示)，即(3-1)除了上述指標(biāo)外，測(cè)向系統(tǒng)本身也具有一定的時(shí)間和頻率響應(yīng)特性要求，如：ΩRF、ΔΩRF、τmin等，由于它們已在第2章列入和說(shuō)明，本章不再重列。各種主要測(cè)向技術(shù)的典型技術(shù)指標(biāo)和特點(diǎn)見(jiàn)表3-1。4)測(cè)向靈敏度sAmin和測(cè)向動(dòng)態(tài)范圍DA

sAm第3章--對(duì)雷達(dá)信號(hào)方向的測(cè)量和定位課件2．定位系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

1)定位范圍ΩDP、瞬時(shí)定位范圍ΔΩDP和定位精度δP

ΩDP是指定位系統(tǒng)最大可定位的輻射源所在平面、球面或空間范圍，ΔΩDP是指任一時(shí)刻最大可定位的范圍。ΔΩDP<ΩDP時(shí)，一般定位系統(tǒng)需要通過(guò)運(yùn)動(dòng)才能達(dá)到覆蓋ΩDP。δP一般以圓概率誤差半徑表示。

2)定位時(shí)間tDP

tDP是指完成一次輻射源定位所需要的時(shí)間。

由于對(duì)輻射源的定位是在已經(jīng)完成輻射源檢測(cè)和信號(hào)參數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，許多技術(shù)要求已在前面列出，此處只給出與定位關(guān)系密切的主要參數(shù)。2．定位系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

1)定位范圍ΩDP、3.2振幅法測(cè)向

3.2.1波束搜索法測(cè)向

波束搜索法測(cè)向的原理和系統(tǒng)組成如圖3-1所示。搜索測(cè)向天線在系統(tǒng)控制下以波束寬度θr、掃描速度vr在測(cè)向范圍ΩAOA內(nèi)連續(xù)掃描;接收通道可以采用超外差、射頻調(diào)諧或數(shù)字接收方式。當(dāng)接收機(jī)輸出的雷達(dá)信號(hào)幅度Am[θ(t1)]首次高于檢測(cè)門限AT，且高于消隱天線和接收通道提供的消隱信號(hào)電平Aa[θ]時(shí)，記下此時(shí)的天線指向θ(t1)，當(dāng)Am[θ(t)]即將低于AT，且高于Aa[θ]時(shí)，記下此時(shí)的天線指向θ(t2)，信號(hào)處理以其平均值作為[t1，t2]時(shí)間內(nèi)雷達(dá)輻射源所在角度的估計(jì)θ：^(3-2)3.2振幅法測(cè)向

3.2.1波束搜索法圖3-1波束搜索法測(cè)向圖3-1波束搜索法測(cè)向消隱天線一般為非搜索的全向天線或?qū)挷ㄊ炀€，其接收通道提供的消隱信號(hào)電平高于搜索天線的最大旁瓣電平，目的是防止強(qiáng)信號(hào)造成搜索天線旁瓣的測(cè)向錯(cuò)誤。在搜索過(guò)程中，雷達(dá)發(fā)射波束和偵察波束都會(huì)在對(duì)方的方向上駐留一定的時(shí)間;如果需要雙方波束互指足夠的時(shí)間才能達(dá)到測(cè)向靈敏度和測(cè)向時(shí)間的要求，則搜索法測(cè)向是一個(gè)隨機(jī)事件。

為了提高截獲概率，偵察天線必須盡可能利用雷達(dá)的各種先驗(yàn)信息，并由此制定合適的搜索方式和搜索參數(shù)。消隱天線一般為非搜索的全向天線或?qū)挷ㄊ炀€，其接收通道提1．方位慢速可靠搜索

設(shè)雷達(dá)天線的波束寬度、掃描速度、掃描范圍、掃描周期分別為θa、va、Ωa、TA=Ωa/va，偵察天線的掃描范圍、掃描周期分別為ΩAOA、TR=ΩAOA/vr，偵察機(jī)測(cè)量雷達(dá)方向需要Z個(gè)連續(xù)脈沖，則滿足下列條件的搜索方式稱為方位慢速可靠搜索：

(1)在雷達(dá)天線掃描一周的時(shí)間內(nèi)，偵察天線最多只掃描一個(gè)波束寬度；

(2)在雷達(dá)天線指向偵察機(jī)的時(shí)間內(nèi)，至少接收到Z個(gè)連續(xù)的雷達(dá)發(fā)射脈沖，即

(3-3)1．方位慢速可靠搜索

設(shè)雷達(dá)天線的波束寬度、掃描速2.方位快速可靠搜索

方位快速可靠搜索需要滿足的條件是：

(1)在雷達(dá)天線掃描一個(gè)波束寬度的時(shí)間內(nèi)，偵察天線至少掃描一周；

(2)在偵察天線指向雷達(dá)的時(shí)間內(nèi)，至少接收到Z個(gè)連續(xù)的雷達(dá)發(fā)射脈沖，即(3-4)該式表明，在雷達(dá)天線掃描一周的時(shí)間TA里,能夠以PIA=1測(cè)量雷達(dá)信號(hào)的到達(dá)方位。2.方位快速可靠搜索

方位快速可靠搜索需要滿足的3．方位概率搜索

不滿足方位慢速和快速可靠搜索條件的搜索法測(cè)向稱為方位概率搜索。其方向截獲時(shí)間和截獲概率近似滿足幾何概率條件。設(shè)兩天線的互指時(shí)間分別為(3-5)(3-6)則平均互指時(shí)間τ為任意時(shí)刻兩天線的互指概率P為(3-7)3．方位概率搜索

不滿足方位慢速和快速可靠搜索條件發(fā)生兩天線的互指事件的平均周期T與上述兩者的關(guān)系為(3-8)采用泊松過(guò)程描述兩天線的互指事件，則在t時(shí)間內(nèi)發(fā)生n次互指的概率為(3-9)由于該事件只要發(fā)生一次就可完成對(duì)該雷達(dá)輻射源的搜索測(cè)向，故TIA時(shí)間內(nèi)的方向截獲概率為(3-10)發(fā)生兩天線的互指事件的平均周期T與上述兩者的關(guān)系為(3-8)4．旁瓣偵收

如果在雷達(dá)天線任意旁瓣指向偵察機(jī)方向時(shí)就能夠達(dá)到偵察測(cè)向靈敏度，則稱為雷達(dá)偵察的旁瓣偵收。此時(shí)無(wú)論雷達(dá)天線指向何方，只要偵察天線滿足τR≥ZTr，則其搜索一周都可以PIA=1完成對(duì)雷達(dá)信號(hào)的偵察測(cè)向，這也是雷達(dá)偵察系統(tǒng)提高截獲概率、減小截獲時(shí)間的重要措施。實(shí)現(xiàn)旁瓣偵收的主要措施是提高偵察測(cè)向靈敏度，對(duì)此將在第5章中討論。4．旁瓣偵收

如果在雷達(dá)天線任意旁瓣指向偵察機(jī)方向5．測(cè)向精度和分辨力

搜索法測(cè)向的誤差有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，其中系統(tǒng)誤差主要來(lái)源于測(cè)向天線的安裝誤差，波束畸變和非對(duì)稱誤差等，它們可以通過(guò)各種系統(tǒng)標(biāo)校予以減小。這里主要分析隨機(jī)誤差。

測(cè)向系統(tǒng)的隨機(jī)誤差主要來(lái)自于系統(tǒng)中的噪聲。如圖3-2所示，由于噪聲的影響，使門限檢測(cè)的方向θ(t1)、θ(t2)出現(xiàn)了偏差Δθ1、Δθ2，通常其均值為零。由于t1、t2的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，可認(rèn)為Δθ1、Δθ2是互相獨(dú)立、同分布的，代入式(3-2)，則方向測(cè)量均值θ是無(wú)偏的，數(shù)學(xué)期望為

^(3-11)5．測(cè)向精度和分辨力

搜索法測(cè)向的誤差有系統(tǒng)誤差和測(cè)量方差為(3-12)測(cè)量方差為(3-12)圖3-2噪聲對(duì)測(cè)向誤差的影響圖3-2噪聲對(duì)測(cè)向誤差的影響設(shè)噪聲電壓均方根為σn，天線波束斜率為AT/θr，將噪聲電壓轉(zhuǎn)換成角度誤差的均方根值：(3-13)(3-14)式中，S、N分別為信號(hào)功率、噪聲功率。代入式(3-12)，可得可見(jiàn)最大信號(hào)法測(cè)向的方差與波束寬度的平方成正比，與檢測(cè)門限處的信噪比成反比。搜索法測(cè)向的方向分辨力主要取決于測(cè)向天線的波束寬度，而波束寬度主要取決于天線口徑。根據(jù)瑞利光學(xué)分辨力準(zhǔn)則，當(dāng)信噪比高于10dB時(shí)，方向分辨力為(3-15)設(shè)噪聲電壓均方根為σn，天線波束斜率為AT/θr，將噪聲電壓3.2.2全向振幅單脈沖測(cè)向技術(shù)

全向振幅單脈沖測(cè)向采用N個(gè)相同方向圖F(θ)的天線，均勻布設(shè)在360°方位內(nèi)，相鄰天線的張角θs=360°/N，各天線的方位指向分別為

Fi(θ)=F(θ－iθs)，i∈NN(3-16)

式中,NN為集合末項(xiàng)為N－1的非負(fù)整數(shù)集，即NN={0，1，2，…，N－1}。

圖3-3以四天線和寬帶濾波、放大、檢波的接收通道為例，給出了測(cè)向原理的示意圖。每個(gè)天線接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)幅度增益為ki的接收通道輸出包絡(luò)的對(duì)數(shù)放大信號(hào)(3-17)3.2.2全向振幅單脈沖測(cè)向技術(shù)

全向振幅單脈沖測(cè)向圖3-3四天線全向振幅單脈沖測(cè)向示意圖圖3-3四天線全向振幅單脈沖測(cè)向示意圖1．相鄰比幅法

假設(shè)方向圖函數(shù)F(θ)在區(qū)間[－θs，θs]內(nèi)具有對(duì)稱性和單調(diào)性：(3-18)

si(t，θ)，si+1(t，θ)分別是t時(shí)刻最強(qiáng)的波束輸出和相鄰波束中較強(qiáng)一個(gè)的輸出。相鄰比幅法首先確認(rèn)信號(hào)的到達(dá)方向位于兩相鄰波束的張角之間，然后再根據(jù)它們的輸出電壓差R估計(jì)信號(hào)方向：(3-19)1．相鄰比幅法

假設(shè)方向圖函數(shù)F(θ)在區(qū)間[－θ如果F(θ)以高斯函數(shù)近似，半功率波束寬度為θr，則有(3-20)(3-21)代入式(3-19)，當(dāng)接收支路振幅響應(yīng)一致時(shí),ki=ki+1，可得電壓差與方向的關(guān)系為由式(3-21)得到方向估計(jì)為(3-22)如果F(θ)以高斯函數(shù)近似，半功率波束寬度為θr，則有(3-式(3-22)可作為其它天線函數(shù)進(jìn)行相鄰比幅測(cè)向時(shí)的參考。對(duì)θs，θr，R求全微分可以得到系統(tǒng)測(cè)向誤差為(3-23)式(3-23)表明：首先應(yīng)盡可能減小天線波束的指向誤差dθs，其次應(yīng)減小波束寬度θr和波束寬度的變化dθr，減小多通道間的幅度不平衡dR。如果采用窄波束θr<θs，則總是有利于減小測(cè)向誤差的，但在相鄰波束交點(diǎn)方向(等信號(hào)方向),由于天線增益較低,會(huì)損失測(cè)向靈敏度。該方向增益與最大增益方向增益的比值稱為波束交點(diǎn)損失L，一般以dB為單位，即(3-24)式(3-22)可作為其它天線函數(shù)進(jìn)行相鄰比幅測(cè)向時(shí)的參考。對(duì)對(duì)于式(3-20)的高斯天線方向圖，可以求得(3-25)(3-26)也可以根據(jù)系統(tǒng)給定的L求得相應(yīng)的波束寬度為可見(jiàn)測(cè)向精度與測(cè)向靈敏度之間存在矛盾。此外，在寬頻帶內(nèi)的θr也存在很大的變化，對(duì)于給定的天線孔徑，隨著頻率的提高波束會(huì)相應(yīng)變窄，因此往往需要進(jìn)行頻率校正。對(duì)于式(3-20)的高斯天線方向圖，可以求得(3-25)(32．全方向比幅法

全方向比幅也稱為NABD測(cè)向，它是利用全體天線接收信號(hào)的輸出{si(t)}N－1i=0進(jìn)行到達(dá)方向的估計(jì)。其基本原理是：對(duì)稱天線方向圖函數(shù)可展開(kāi)為傅氏級(jí)數(shù)：(3-27)用權(quán)值cos(iθs)，sin(iθs)，i∈NN對(duì)各天線輸出信號(hào)取如下的加權(quán)和:2．全方向比幅法

全方向比幅也稱為NABD測(cè)向，它當(dāng)天線數(shù)較大時(shí)，天線函數(shù)的高次展開(kāi)系數(shù)很小，此時(shí)(3-28)式近似為(3-29)當(dāng)天線數(shù)較大時(shí)，天線函數(shù)的高次展開(kāi)系數(shù)很小，此時(shí)(3-28)利用式(3-29)可進(jìn)行全方位無(wú)模糊測(cè)向,(3-30)在原理上，全方向比輻只需要對(duì)各天線接收通道輸出信號(hào)的包絡(luò)做一次采樣就可以完成測(cè)向了，但在實(shí)際工程中，如果能夠利用脈沖包絡(luò)期間的多次采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均后再作測(cè)向處理，則有利于降低各通道中噪聲的影響，提高方向估計(jì)的精度。假設(shè)每個(gè)接收通道在門限檢測(cè)后都進(jìn)行了m次包絡(luò)采樣，則式(3-30)可修改為(3-31)利用式(3-29)可進(jìn)行全方位無(wú)模糊測(cè)向,(3-30)在原圖3-4(a)、(b)分別為高斯和半余弦天線方向圖函數(shù)下六元陣的理論測(cè)向誤差曲線。由于高斯函數(shù)的級(jí)數(shù)展開(kāi)項(xiàng)收斂快，所以其測(cè)向誤差較??；而在相同的天線方向圖函數(shù)下，較寬波束的天線方向圖函數(shù)級(jí)數(shù)展開(kāi)項(xiàng)收斂快，所以其測(cè)向誤差也比較小。因此，NABD測(cè)向需要選擇級(jí)數(shù)展開(kāi)項(xiàng)收斂快的天線方向圖函數(shù)形式和波束寬度。圖3-4(a)、(b)分別為高斯和半余弦天線方向圖函數(shù)下圖3-4全方向比幅法的理論測(cè)向誤差圖3-4全方向比幅法的理論測(cè)向誤差圖3-5多波束測(cè)向的原理示意圖3.2.3多波束測(cè)向

多波束測(cè)向系統(tǒng)由N個(gè)同時(shí)的相鄰窄波束覆蓋測(cè)向范圍，如圖3-5所示。多波束的形成主要分為：由微波饋電網(wǎng)絡(luò)形成，由空間分布饋電形成和由數(shù)字波束形成等。圖3-5多波束測(cè)向的原理示意圖3.2.3多波束測(cè)向

1．羅特曼(Rotman)透鏡多波束

羅特曼透鏡是一種典型的微波饋電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的多波束天線陣，如圖3-6所示。它由天線陣、變長(zhǎng)饋線(Bootlace透鏡區(qū))、聚焦區(qū)和輸出口(輸出陣和波束口)等組成，每一個(gè)天線陣元都是寬波束的，由天線陣元輸入口到波束輸出口之間的部分組成羅特曼透鏡，其中包括兩個(gè)區(qū)域：聚焦區(qū)和Bootlace透鏡區(qū)。

當(dāng)平面電磁波由θ方向到達(dá)天線陣時(shí)，各天線陣元的輸出信號(hào)為

(3-32)1．羅特曼(Rotman)透鏡多波束

羅特曼透鏡是圖3-6羅特曼透鏡饋電多波束原理圖圖3-6羅特曼透鏡饋電多波束原理圖式中d為相鄰天線的間距。由天線陣到聚焦區(qū)的各饋線相移量為(3-33)λg為饋線中的相波長(zhǎng)。由聚焦區(qū)輸入口i到輸出口j的等效路徑長(zhǎng)度為di，j，其相移量為(3-34)λm為聚焦區(qū)中的相波長(zhǎng)。羅特曼透鏡通過(guò)對(duì)測(cè)向系統(tǒng)參數(shù)d、

的設(shè)計(jì)和調(diào)整，使輸出口j的天線振幅方向圖近似為式中d為相鄰天線的間距。由天線陣到聚焦區(qū)的各饋線相移量為(3

(3-35)從而使各輸出口具有個(gè)不同的波束指向{θj}N－1j=0，測(cè)向接收系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)和比較各波束口的輸出信號(hào)幅度{Fj(θ)}N－1j=0，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的測(cè)向：(3-36)雷達(dá)偵察中多波束測(cè)向的難點(diǎn)主要是寬帶特性，要求波束的指向盡可能不受頻率的影響。羅特曼透鏡的測(cè)向范圍有限，一般在天線陣面±60°范圍內(nèi)，由于它具有一定的增益，也適于用作干擾發(fā)射天線。(3-35)從而使各輸出口具有個(gè)不同的波束指向{θj}N－2．空間饋電的多波束

典型空間饋電的多波束陣列天線陣如圖3-7所示，不同方向入射的平面電磁波經(jīng)過(guò)賦形反射面匯聚到不同的波束口輸出。由于波束的匯聚主要是通過(guò)入射方向、反射面與波束口之間的自然空間路徑形成的，因此各波束指向受頻率的影響較小。 圖3-7空間饋電的多波束陣列天線示意圖2．空間饋電的多波束

典型空間饋電的多波束陣列天線3．?dāng)?shù)字波束合成的多波束

數(shù)字波束合成(DBF)技術(shù)在雷達(dá)、通信系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，它通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理合成空間的同時(shí)多波束，對(duì)于已知頻率的窄帶信號(hào)，其合成算法較為簡(jiǎn)捷。數(shù)字波束合成技術(shù)用于雷達(dá)偵察測(cè)向，主要需要解決在寬頻帶內(nèi)，對(duì)未知頻率信號(hào)的波束合成技術(shù)。假設(shè)天線與接收機(jī)陣列如圖3-8所示，每個(gè)陣元的方向圖函數(shù)為F(θ)，相鄰陣元間距為d，當(dāng)波長(zhǎng)為λ的電磁波從θ方向入射時(shí)，各陣元接收到的信號(hào)為(3-37)3．?dāng)?shù)字波束合成的多波束

數(shù)字波束合成(DBF)技式中s(t)為接收到的射頻信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)與同一本振信號(hào)混頻、中放、增益控制和模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)后而成為正交基帶數(shù)字信號(hào)：(3-38)其中，為s(t)變到中頻后的脈內(nèi)采樣序列，與信號(hào)的來(lái)波方向無(wú)關(guān)。N路接收天線和信道的脈內(nèi)采樣數(shù)據(jù)送交數(shù)字波束合成處理，輸出對(duì)脈沖信號(hào)來(lái)波方向θ等的估計(jì)。式中s(t)為接收到的射頻信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)與同一本振信號(hào)混頻圖3-8數(shù)字波束合成多波束示意圖圖3-8數(shù)字波束合成多波束示意圖1)寬帶數(shù)字信道化與數(shù)字波束合成組合的信號(hào)處理技術(shù)

該技術(shù)的處理過(guò)程是：首先對(duì)各接收信道的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信道化濾波，形成若干個(gè)已知中心頻率的窄帶信號(hào)，再對(duì)各窄帶信號(hào)分別進(jìn)行已知信號(hào)頻率的數(shù)字波束合成。

假設(shè)數(shù)字波束合成需要的頻率分辨力為2π/M，則各信道數(shù)字信道化濾波輸出為再對(duì)N個(gè)信道相同頻率的濾波器輸出進(jìn)行逐個(gè)波束的合成1)寬帶數(shù)字信道化與數(shù)字波束合成組合的信號(hào)處理技術(shù)

2)預(yù)先頻率引導(dǎo)的數(shù)字波束合成處理技術(shù)

雖然數(shù)字波束合成處理需要已知被測(cè)信號(hào)頻率，但是測(cè)頻并不需要每個(gè)接收通道都重復(fù)進(jìn)行，如果通過(guò)其它技術(shù)措施已經(jīng)獲知了被測(cè)信號(hào)頻率，則可以直接進(jìn)行數(shù)字波束合成處理(3-42)且每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)都可以用來(lái)進(jìn)行測(cè)向，多個(gè)采樣數(shù)據(jù)的平均處理有利于提高測(cè)量精度。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以極大地節(jié)省電路資源，特別適用于窄帶接收信道的測(cè)向或?qū)Σㄊ铣蛇^(guò)程中頻率校準(zhǔn)要求不高的場(chǎng)合。 2)預(yù)先頻率引導(dǎo)的數(shù)字波束合成處理技術(shù)

雖然數(shù)字波對(duì)于均勻測(cè)向天線陣列，為了防止柵瓣造成測(cè)向錯(cuò)誤，需要限制陣元間距(3-43)式中，θmax為單側(cè)最大的無(wú)模糊測(cè)向范圍。由于雷達(dá)偵察的工作帶寬很寬，采用固定間距的陣列天線很難滿足在頻段的高、低端同時(shí)滿足無(wú)模糊測(cè)向的要求，因此也可以采用非均勻的天線陣列或可變間距的天線陣列。數(shù)字波束合成多波束對(duì)多接收通道的幅相一致性有較高的要求，一般需要經(jīng)過(guò)預(yù)先校準(zhǔn)。對(duì)于均勻測(cè)向天線陣列，為了防止柵瓣造成測(cè)向錯(cuò)誤，需要限制3.3相位法測(cè)向

相位法測(cè)向是利用陣列天線各單元接收同一信號(hào)的相位差測(cè)量來(lái)波方向的。根據(jù)陣列天線單元的布局，主要分為線陣天線和圓陣天線。

3.3.1線陣干涉儀測(cè)向

1．一維線陣干涉儀測(cè)向

一維線陣干涉儀測(cè)向系統(tǒng)的組成如圖3-9所示。當(dāng)平面電磁波從θ方向入射到線陣時(shí)，各陣元接收到的信號(hào)為(3-44)3.3相位法測(cè)向

相位法測(cè)向是利用陣列天圖3-9一維線陣相位干涉儀測(cè)向系統(tǒng)示意圖圖3-9一維線陣相位干涉儀測(cè)向系統(tǒng)示意圖接收通道0的輸出信號(hào)分配給其它各通道的相關(guān)器，每個(gè)相關(guān)器輸出該陣元接收信號(hào)與0陣元接收信號(hào)的正交相位差信號(hào){Ik(t)，Qk(t)}N－1k=1，送至相位差測(cè)量與測(cè)向處理機(jī)(3-45)相位差測(cè)量與測(cè)向處理機(jī)首先測(cè)量各基線在[－π，π)區(qū)間內(nèi)有模糊的相位差接收通道0的輸出信號(hào)分配給其它各通道的相關(guān)器，每個(gè)相關(guān)器然后再利用長(zhǎng)短基線相關(guān)器輸出信號(hào)的相位關(guān)系，對(duì)

解模糊和相位校正，計(jì)算信號(hào)的到達(dá)方向θ。假設(shè)最短基線長(zhǎng)度d1與單側(cè)最大測(cè)向范圍θmax滿足式(3-47)的條件:(3-47)(3-48)則相位差f1與方向θ具有單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以通過(guò)下式唯一地求解信號(hào)的到達(dá)方向：由于長(zhǎng)基線解模糊后的相位誤差較小，可由短基線求得的無(wú)模糊相位逐級(jí)求解長(zhǎng)基線的無(wú)模糊相位，并進(jìn)行相位校正：然后再利用長(zhǎng)短基線相關(guān)器輸出信號(hào)的相位關(guān)系，對(duì)

(3-49)原理上任何一個(gè)相關(guān)器解模糊后的輸出都可以用來(lái)測(cè)向，但由于長(zhǎng)基線相關(guān)器的輸出精度高，許多干涉儀測(cè)向系統(tǒng)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，往往只用最長(zhǎng)基線的相關(guān)器輸出進(jìn)行測(cè)向(3-51)(3-49)原理上任何一個(gè)相關(guān)器解模糊后的輸出都可以用來(lái)測(cè)根據(jù)最優(yōu)估計(jì)理論，應(yīng)該要求估計(jì)量與實(shí)測(cè)值的誤差平方最小，即(3-52)對(duì)式(3-52)中變量θ求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)為零，可得到方向的最小二乘估計(jì)(3-53)根據(jù)最優(yōu)估計(jì)理論，應(yīng)該要求估計(jì)量與實(shí)測(cè)值的誤差平方最小，即(對(duì)式(3-50)中的各參量求全微分，可得到它們對(duì)測(cè)向誤差的影響：(3-54)它表明：在基線方向(θ=±π/2)誤差發(fā)散，不能測(cè)向；dk/λ越大,誤差越小；此外,應(yīng)盡可能減小頻率抖動(dòng)、基線抖動(dòng)和系統(tǒng)的相位誤差。由式(3-49)的相鄰解模糊和相位校正算法可見(jiàn)，短基線的相位誤差會(huì)被放大相鄰基線比后進(jìn)入相鄰長(zhǎng)基線的解模糊計(jì)算。如果放大后的上級(jí)相位誤差與本級(jí)相位誤差的和達(dá)到π以上，就會(huì)發(fā)生解模糊錯(cuò)誤，而且會(huì)傳遞到下一級(jí)。因此，要求各級(jí)的相位誤差必須滿足：對(duì)式(3-50)中的各參量求全微分，可得到它們對(duì)測(cè)向誤差的影

(3-55a)假設(shè)各級(jí)相關(guān)器的相鄰基線比和最大相位誤差都一致(dk+1/dk=n，δfkmax=δfmax，)，則式(3-55a)可簡(jiǎn)化為(3-55b)在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)按照系統(tǒng)能夠達(dá)到的相位誤差δfmax來(lái)選擇合適的相鄰基線比n。如果最短基線不滿足式(3-47)，則需要通過(guò)其它基線進(jìn)行解模糊處理。假設(shè)最短的兩條基線分別為d1，d2，且d2=d1+Δd，如圖3-10所示，則接收機(jī)輸出信號(hào)的無(wú)模糊理論相位值為(3-55a)假設(shè)各級(jí)相關(guān)器的相鄰基線比和最大相位誤差都一

(3-56)其中,f1、f2是直接測(cè)量得到的余數(shù)。假設(shè)Δd<λ/2，p=1+Δd/d，解模糊處理后(3-57a)(3-56)其中,f1、f2是直接測(cè)量得到的余數(shù)。假設(shè)

該式不僅要解測(cè)量的數(shù)值模糊，同時(shí)還要解到達(dá)方向的模糊。根據(jù)式(3-56)，正確解模糊的條件是：(3-58)利用兩條最短基線解模糊后的其它長(zhǎng)基線接收信道處理同無(wú)模糊測(cè)向的情況相同，不再贅述。該式不僅要解測(cè)量的數(shù)值模糊，同時(shí)還要解到達(dá)方向的模糊。根據(jù)圖3-10干涉儀最短基線有模糊測(cè)向示意圖圖3-10干涉儀最短基線有模糊測(cè)向示意圖1)微波相關(guān)處理技術(shù)

微波相關(guān)處理是干涉儀測(cè)向中最早使用的技術(shù)，其中采用模擬信號(hào)處理技術(shù)的電路組成如圖3-11(a)所示。各天線接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲限幅放大器進(jìn)入微波相關(guān)器，與基準(zhǔn)天線0接收的信號(hào)進(jìn)行微波相關(guān)，輸出式(3-45)描述的一對(duì)正交視頻信號(hào){Ik(t)，Qk(t)}N－1k=1。通過(guò)式(3-59)的相位細(xì)分電路可以得到多路并行相移輸出。如：α=45°時(shí),有4路輸出;α=45°、22.5°時(shí)，有6路輸出等。這些輸出經(jīng)過(guò)極性量化器形成多位有模糊的相位編碼:

(3-59)1)微波相關(guān)處理技術(shù)

微波相關(guān)處理是干涉儀測(cè)向中最后由數(shù)字邏輯組成的方向編碼電路進(jìn)行解模糊和測(cè)向處理，形成測(cè)向輸出。圖3-11(b)是一種改進(jìn)的微波相關(guān)處理技術(shù)，它對(duì)直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在信號(hào)持續(xù)期間內(nèi)形成一組長(zhǎng)度為M的采樣數(shù)據(jù)。對(duì)于脈內(nèi)單頻信號(hào)，在大信噪比下的相位差是穩(wěn)定信號(hào)，可以采樣數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行測(cè)向(3-60)最后由數(shù)字邏輯組成的方向編碼電路進(jìn)行解模糊和測(cè)向處理，形成測(cè)圖3-11微波相關(guān)處理電路的基本組成圖3-11微波相關(guān)處理電路的基本組成2)數(shù)字相關(guān)處理技術(shù)

由于數(shù)字處理的無(wú)模糊帶寬有限，數(shù)字相關(guān)處理技術(shù)是將射頻輸入信號(hào)變頻到特定的中頻基帶，再進(jìn)行模數(shù)變換和測(cè)向處理，其典型系統(tǒng)組成如圖3-12所示。各天線輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大，與同一本振信號(hào)混頻，輸出確定頻率的中頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)限幅中放保持原信號(hào)相位，按照同一個(gè)采樣時(shí)鐘進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，成為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)字正交下變頻器(DDC)輸出一對(duì)正交中頻數(shù)字信號(hào)，它仍然保留了原射頻信號(hào)的相位信息，M仍為在信號(hào)脈內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。由計(jì)算有模糊相位差可以采用式(3-61)的互相關(guān)算法和式(3-62)的相位變換算法:2)數(shù)字相關(guān)處理技術(shù)

由于數(shù)字處理的無(wú)模糊帶寬有限第3章--對(duì)雷達(dá)信號(hào)方向的測(cè)量和定位課件圖3-12數(shù)字相關(guān)處理電路的基本組成圖3-12數(shù)字相關(guān)處理電路的基本組成對(duì)于脈內(nèi)單頻信號(hào)，有模糊相位差在脈內(nèi)是穩(wěn)定的，可以取相位差的脈內(nèi)平均值進(jìn)行后續(xù)的測(cè)向處理(3-63)利用可以進(jìn)行解模糊、相位校正和測(cè)向估計(jì)。數(shù)字相關(guān)處理技術(shù)可以獲得很高的測(cè)向精度和測(cè)向靈敏度，但受處理無(wú)模糊帶寬的限制，瞬時(shí)帶寬偏窄，處理時(shí)間略長(zhǎng)。對(duì)于脈內(nèi)單頻信號(hào)，有模糊相位差在脈內(nèi)是穩(wěn)定的，可以取相位2．二維線陣干涉儀測(cè)向

二維線陣干涉儀測(cè)向系統(tǒng)的典型組成為對(duì)稱L陣列天線，如圖3-13所示，當(dāng)平面電磁波從方位角θ、高低角β方向入射到線陣左右和上下陣元時(shí)，各陣元接收到的信號(hào)為(3-64)式中,分別為兩維天線各陣元至0陣元的距離。它們與接收通道0相關(guān)后的正交輸出信號(hào)為2．二維線陣干涉儀測(cè)向

二維線陣干涉儀測(cè)向系統(tǒng)的典相位差測(cè)量與測(cè)向處理機(jī)首先測(cè)量每一維基線的各有模糊相位差(2π的余數(shù))相位差測(cè)量與測(cè)向處理機(jī)首先測(cè)量每一維基線的各有模糊相位差(2每一維中的最短基線可以設(shè)置為無(wú)模糊或有模糊的，參照一維相位干涉儀在兩種條件下的解模糊算法，得到每一維相位干涉儀解模糊后的相位測(cè)量值。

兩維相位干涉儀能夠很好地實(shí)現(xiàn)全方位內(nèi)的測(cè)向，其中利用兩條最長(zhǎng)基線相位差測(cè)角的估計(jì)和利用全體基線相位差測(cè)角的最小二乘估計(jì)分別為對(duì)仰角β的測(cè)量可以采用式(3-69)的兩條最長(zhǎng)基線估計(jì)或式(3-70)的最小二乘估計(jì):每一維中的最短基線可以設(shè)置為無(wú)模糊或有模糊的，參照一維相第3章--對(duì)雷達(dá)信號(hào)方向的測(cè)量和定位課件3.3.2圓陣干涉儀測(cè)向

圓陣干涉儀也稱為線性相位多模圓陣，它的N元天線均勻分布在半徑為R的圓周上，利用各陣元輸出信號(hào)的空間傅立葉變換測(cè)量來(lái)波方向。圓陣干涉儀是一種全方位的相位法測(cè)向系統(tǒng)，它最初的系統(tǒng)組成大量采用寬帶微波器件和電路，主要由圓陣天線、饋電網(wǎng)絡(luò)(巴特勒(Butler)矩陣)、鑒相器、極性量化器、編碼和校碼等電路組成，如圖3-14所示。

假設(shè)以陣元0與圓心的方向?yàn)閰⒖挤较颍?dāng)平面電磁波從θ方向到達(dá)天線陣時(shí)，在各陣元上激勵(lì)的電壓為

(3-71)3.3.2圓陣干涉儀測(cè)向

圓陣干涉儀也稱為線性相位多圖3-14線性相位多模圓陣測(cè)向原理圖3-14線性相位多模圓陣測(cè)向原理式中U為接收到的信號(hào)。對(duì)式(3-71)中的天線陣輸出信號(hào)

進(jìn)行空間傅立葉變換:(3-72)Fk(θ)也稱為k階模。將貝塞爾函數(shù)ejxcosy=J0(x)+2jmJm(x)cos(my)代入上式,可得(3-73)式中U為接收到的信號(hào)。對(duì)式(3-71)中的天線陣輸出信號(hào)

式中根據(jù)貝塞爾函數(shù)性質(zhì)，Jm(W)隨著m的增大而迅速減小，當(dāng)N>>k時(shí)，式(3-74)近似為從到式(3-75)的輸出是由圖3-14中的微波饋電網(wǎng)絡(luò)完成的，它的i階輸出信號(hào)相位中iθ部分恰好為到達(dá)方向的i倍，且與信號(hào)頻率無(wú)關(guān)。若以0階模為基準(zhǔn)與其它各階模進(jìn)行鑒相，可得到正交的各階差模輸出:式中根據(jù)貝塞爾函數(shù)性質(zhì)，Jm(W)隨著m的增大而迅速減小，當(dāng)

對(duì){Ik(θ)，Qk(θ)}k進(jìn)行極性量化和方向編碼，可得到來(lái)波方向的估計(jì)輸出。為了降低微波饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度和鑒相器的數(shù)量，通常只采用1,2,4,…,N/2的部分差模，其中的1階差模沒(méi)有測(cè)向模糊，還可以用來(lái)解高階差模的相位模糊。如果最高取到N/2階差模，且對(duì)它的相位量化為mbit，則其理論上可達(dá)到的測(cè)向精度為(3-77)對(duì){Ik(θ)，Qk(θ)}k進(jìn)行極性量化和方向編碼，可得圖3-15是對(duì)線性相位多模圓陣測(cè)向的一種改進(jìn)，它對(duì)鑒相后的輸出信號(hào){Ik(θ)，Qk(θ)}k進(jìn)行模數(shù)變換(ADC)和數(shù)字信號(hào)處理，并且只選擇了以2為底的整次冪。假設(shè)各階差模的脈內(nèi)采樣序列為(3-78)圖3-15線性相位多模圓陣測(cè)向的改進(jìn)圖3-15是對(duì)線性相位多模圓陣測(cè)向的一種改進(jìn)，它對(duì)鑒相后M為脈內(nèi)采集的樣點(diǎn)數(shù)。其信號(hào)處理過(guò)程是：

(1)參照式(3-60)對(duì)脈內(nèi)數(shù)據(jù)取平均，輸出

(2)按照式(3-79)得到有模糊的相位，并去除其中的固定相位項(xiàng)。M為脈內(nèi)采集的樣點(diǎn)數(shù)。其信號(hào)處理過(guò)程是：

(1)參照(3)按照式(3-80)進(jìn)行解模糊和相位校正。(4)得到式(3-81)最高階差模的測(cè)向估計(jì)或式(3-82)各階差模的最小二乘測(cè)向估計(jì)。(3)按照式(3-80)進(jìn)行解模糊和相位校正。(4由于圓陣干涉儀測(cè)向的主要技術(shù)難度在于寬帶微波FFT饋電網(wǎng)絡(luò)和寬帶高精度的微波相關(guān)器組，因此近年來(lái)已經(jīng)開(kāi)始將其數(shù)字化，成為數(shù)字圓陣干涉儀測(cè)向。其基本系統(tǒng)組成同圖3-12，只是各接收通道分別連接對(duì)應(yīng)的圓陣列天線。在各接收通道幅相一致的條件下，ADC輸出的各陣元接收信道脈內(nèi)采樣數(shù)據(jù)為(3-83)式中,T、ωi、M、Us(n)分別為采樣周期、信號(hào)中頻、脈內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)和中頻信號(hào)脈沖包絡(luò)的采樣值。該信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻(DDC)輸出一對(duì)正交基帶信號(hào):(3-84)由于圓陣干涉儀測(cè)向的主要技術(shù)難度在于寬帶微波FFT饋電網(wǎng)式中ωb為ωi與DDC中數(shù)控振蕩器(NCO)差頻后的基帶中心頻率。對(duì)各陣元的正交基帶輸出進(jìn)行空間離散傅立葉變換:以F0(n)為參考，通過(guò)數(shù)字相關(guān)得到各階差模，并對(duì)脈內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均:式中ωb為ωi與DDC中數(shù)控振蕩器(NCO)差頻后的基帶中心則后續(xù)處理同式(3-79)~(3-82)，最終輸出信號(hào)方向的估計(jì)。

數(shù)字圓陣干涉儀解決了寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)、寬帶微波相關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)，有利于發(fā)揮圓陣干涉儀測(cè)向與頻率無(wú)關(guān)性的特點(diǎn)，允許對(duì)中頻信號(hào)欠采樣，從而保持了較大的瞬時(shí)處理帶寬。但在實(shí)際工程中由于受到電路和器件頻率特性的影響，一般還需要采用一定的測(cè)頻和頻率校正技術(shù)，以便達(dá)到較高的測(cè)向精度。則后續(xù)處理同式(3-79)~(3-82)，最終輸出信號(hào)方向的3.4短基線時(shí)差測(cè)向

3.4.1兩元天線的一維時(shí)差測(cè)向

兩元天線一維時(shí)差測(cè)向的基本原理和系統(tǒng)組成如圖3-16所示，對(duì)于θ方向的來(lái)波，兩天線輸出信號(hào)的時(shí)間差為

Δt=ksinθ

θ∈[－π，π](3-87)

式中，k=d／c為波數(shù)，c為電波傳播速度。測(cè)得了時(shí)間差Δt也就唯一確定了信號(hào)的到達(dá)方向θ,

(3-88)3.4短基線時(shí)差測(cè)向

3.4.1兩元天線的圖3-16時(shí)差測(cè)向原理示意圖圖3-16時(shí)差測(cè)向原理示意圖對(duì)式(3-87)求全微分，可得(3-89)圖3-16中的接收通道用于完成對(duì)輸入信號(hào)的濾波、放大，對(duì)于寬帶測(cè)向系統(tǒng)，可以直接對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波和對(duì)數(shù)視放，輸出視頻包絡(luò)信號(hào)s1(t)，s2(t)。對(duì)于窄帶測(cè)向系統(tǒng)，一般需要經(jīng)過(guò)變頻、濾波和中頻放大，然后進(jìn)行包絡(luò)檢波，輸出視頻包絡(luò)信號(hào)s1(t)，s2(t)。如果兩接收信道振幅—時(shí)延特性一致，且忽略兩信道噪聲的影響，則有s2(t)=s1(t－Δt)(3-90)只要測(cè)量s1(t)，s2(t)的時(shí)間差Δt，就可以估計(jì)來(lái)波方向。Δt的測(cè)量方法主要有：時(shí)域測(cè)量、時(shí)間—電壓變換測(cè)量和時(shí)間—相位變換測(cè)量等。對(duì)式(3-87)求全微分，可得(3-89)圖3-16中的1．時(shí)域測(cè)量

時(shí)域測(cè)量的基本原理如圖3-17所示，包絡(luò)信號(hào)經(jīng)過(guò)門限檢測(cè)觸發(fā)鎖存器，分別將兩信號(hào)過(guò)門限的時(shí)間保存到鎖存器中，通過(guò)減法器輸出Δt。該方法的時(shí)間測(cè)量精度主要取決于時(shí)間計(jì)數(shù)器的分辨力，目前高速時(shí)間計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨力已經(jīng)小于0.5ns。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，測(cè)時(shí)迅速，但測(cè)量精度低，最大測(cè)量誤差可達(dá)1個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期，且易受信道中噪聲的影響。1．時(shí)域測(cè)量

時(shí)域測(cè)量的基本原理如圖3-17所示，圖3-17時(shí)域測(cè)量電路圖3-17時(shí)域測(cè)量電路2．時(shí)間—電壓變換

時(shí)間-電壓變換電路如圖3-18所示，假設(shè)信號(hào)到達(dá)前兩路儲(chǔ)能電容上的電壓均為0。各信道門限檢測(cè)的輸出啟動(dòng)各自的充電開(kāi)關(guān)和共用的定時(shí)器，對(duì)各儲(chǔ)能電容大電流恒流充電，定時(shí)器經(jīng)過(guò)時(shí)間tg(檢測(cè)信號(hào)結(jié)束前)同時(shí)關(guān)閉充電開(kāi)關(guān)，并啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，將儲(chǔ)能電容兩端的電壓差ΔV量化成時(shí)間差數(shù)據(jù)nΔt,(3-91)2．時(shí)間—電壓變換

時(shí)間-電壓變換電路如圖3-1式中,Ic1、Ic2、c1、c2分別為兩路的充電電流和電容量；Vmax、B分別為ADC的輸入動(dòng)態(tài)范圍、量化位數(shù)。如果校準(zhǔn)后，Ic1/c1=Ic2/c2=k，則式(3-91)簡(jiǎn)化為(3-92)測(cè)量結(jié)束后，由放電開(kāi)關(guān)迅速泄放兩路存儲(chǔ)電荷，等待再次測(cè)量。該電路能夠達(dá)到的測(cè)量精度約為0.1ns。式中,Ic1、Ic2、c1、c2分別為兩路的充電電流和電圖3-18時(shí)間—電壓變換電路圖3-18時(shí)間—電壓變換電路3．時(shí)間—相位變換

時(shí)間-相位變換電路如圖3-19所示，由兩路門限檢測(cè)后的輸出信號(hào)分別啟動(dòng)各模數(shù)變換器(ADC)中的采樣保持電路，對(duì)頻率為ω的正交正弦波信號(hào)源進(jìn)行采樣，得到兩對(duì)正交采樣數(shù)據(jù)：

(3-93)再測(cè)量?jī)陕凡蓸訑?shù)據(jù)的相位差f,(3-94)3．時(shí)間—相位變換

時(shí)間-相位變換電路如圖3-1圖3-19時(shí)間—相位變換電路圖3-19時(shí)間—相位變換電路由于ω為經(jīng)過(guò)精確校準(zhǔn)的已知參數(shù)，只要最大時(shí)差Δtmax滿足無(wú)模糊條件:

|ωΔtmax|<π(3-95)

就可以唯一地確定時(shí)間差

Δt=(f/ω)(3-96)

對(duì)式(3-96)求微分,可得(3-97)由于ω為經(jīng)過(guò)精確校準(zhǔn)的已知參數(shù)，只要最大時(shí)差Δtmax滿足無(wú)3.4.2三元天線的二維時(shí)差測(cè)向

三元對(duì)稱天線二維時(shí)差測(cè)向的基本原理和系統(tǒng)組成如圖3-20所示。以信號(hào)到達(dá)天線0的時(shí)間為基準(zhǔn)，對(duì)于θ方位、β仰角的來(lái)波，1、2天線輸出信號(hào)的時(shí)間差為(3-98)(3-99)測(cè)得了時(shí)間差Δt1，Δt2,也就唯一確定了信號(hào)的方位和仰角3.4.2三元天線的二維時(shí)差測(cè)向

三元對(duì)稱天線二維時(shí)二維時(shí)差測(cè)向不僅能夠測(cè)量仰角，還可以改善全方位內(nèi)的測(cè)向能力。同一維時(shí)差測(cè)向一樣，也需要采用盡可能長(zhǎng)的基線d，減小測(cè)時(shí)誤差，保持基線的相對(duì)穩(wěn)定。圖3-20三元天線二維時(shí)差測(cè)向示意圖二維時(shí)差測(cè)向不僅能夠測(cè)量仰角，還可以改善全方位內(nèi)的測(cè)向能力。3.5對(duì)雷達(dá)輻射源的定位

3.5.1單站定位

1．飛越目標(biāo)定位法

飛越目標(biāo)定位法主要用于空間或空中飛行器(如偵察衛(wèi)星、無(wú)人駕駛飛機(jī)等)上的雷達(dá)偵察設(shè)備，利用垂直下視銳波束天線和已知的自身高度對(duì)地/海面雷達(dá)輻射源進(jìn)行探測(cè)和定位。如圖3-21(a)所示。在飛行過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)，立即將該信號(hào)(一般為射頻脈沖)的測(cè)量參數(shù)、發(fā)現(xiàn)的起止時(shí)間和飛行器的導(dǎo)航數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)等記錄下來(lái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和事后分析處理。每一個(gè)記錄對(duì)應(yīng)一個(gè)波束中心在地面的投影A，也稱為可能存在輻射源的模糊區(qū)，其面積為

3.5對(duì)雷達(dá)輻射源的定位

3.5.1單站定位(3-100)對(duì)于固定雷達(dá)站，測(cè)得1個(gè)輻射源的N個(gè)記錄可整理成投影序列，由它們的交構(gòu)成輻射源的所在區(qū)域，如圖3-21(b)所示。顯然，收到同一輻射源的脈沖越多，定位的模糊區(qū)就越小。(3-100)對(duì)于固定雷達(dá)站，測(cè)得1個(gè)輻射源的N個(gè)記錄圖3-21飛越目標(biāo)定位法示意圖圖3-21飛越目標(biāo)定位法示意圖2．方位/仰角定位法

方位/仰角定位法是利用飛行器上的斜視銳波束來(lái)對(duì)地面或海面雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)定位的。如圖3-22所示。同飛越目標(biāo)定位法一樣，每一個(gè)接收脈沖將在斜視方向的地/海面形成一個(gè)投影橢圓A，其長(zhǎng)軸、短軸和橢圓面積分別為(3-101)顯然,它受下視斜角β的影響很大。當(dāng)β=π/2時(shí)，方位/仰角定位法與飛越目標(biāo)定位法一致，定位模糊區(qū)面積最小;當(dāng)β很小時(shí)，模糊區(qū)面積很大，甚至無(wú)法定位。N個(gè)接收脈沖的定位模糊區(qū)是N個(gè)橢圓的交，也可以減小模糊區(qū)的面積。2．方位/仰角定位法

方位/仰角定位法是利用飛行器圖3-22方位/仰角定位法示意圖圖3-22方位/仰角定位法示意圖3．測(cè)向/方向變化率定位法

測(cè)向/方向變化率定位法適用于運(yùn)動(dòng)單站對(duì)固定或低速運(yùn)動(dòng)輻射源的定位(平面定位或空間定位)。其基本工作原理如圖3-23所示。圖中θ、θ+Δθ分別為0時(shí)刻與t時(shí)刻測(cè)得的輻射源方向，d=vt為定位站的直線運(yùn)動(dòng)距離，R為t時(shí)刻輻射源至定位站的距離。根據(jù)正弦定理,可得(3-102)整理后，可得(3-103)3．測(cè)向/方向變化率定位法

測(cè)向/方向變化率定位法對(duì)式(3-103)求全微分,并以相對(duì)距離誤差表示，

(3-104)它表明：在θ=±π/2方向,測(cè)距誤差最小;在θ=0，π方向,不能測(cè)距；Δθ越大，測(cè)距誤差越小。由于直線運(yùn)動(dòng)距離與時(shí)間成正比，根據(jù)式(3-103)可求得測(cè)距需要的時(shí)間為(3-105)它表明：對(duì)于給定的方向變化Δθ，輻射源距離越遠(yuǎn)，運(yùn)動(dòng)速度越慢，θ越偏離±π/2，則需要的定位時(shí)間越長(zhǎng)。由于該方法只要求偵察站具有測(cè)向能力，而不限于具體的方向測(cè)量方法，因此可以普遍適用于各種采用振幅、相位和時(shí)差測(cè)向技術(shù)體制的雷達(dá)偵察站。對(duì)式(3-103)求全微分,并以相對(duì)距離誤差表示，(3-圖3-23測(cè)向/方向變化率定位圖3-23測(cè)向/方向變化率定位4．測(cè)向/相位差變化率定位法

該方法也適用于運(yùn)動(dòng)單站對(duì)固定或低速運(yùn)動(dòng)輻射源的定位。由于相位差變化率比方向變化率更靈敏，因此該方法有利于減小定位時(shí)間，提高定位精度。

在圖3-24中，兩天線的間距為d，初始時(shí)刻的測(cè)向值為θ，0和t時(shí)刻輻射源距兩天線的距離分別為R0(t)、R1(t)，根據(jù)余弦定理，可以得到圖示條件下的方程組：(3-106)輻射源信號(hào)到達(dá)兩天線的相位差f(t)和相位差變化率f'(t)分別為4．測(cè)向/相位差變化率定位法

該方法也適用于運(yùn)動(dòng)單由于R0(0)>>d，R0(0)>>d+vt，對(duì)式(3-106)的距離取泰勒近似，并代入式(3-107)，有輻射源的方向θ可由測(cè)向得到，通過(guò)相位差變化率f′(t)，可測(cè)得輻射源距離約為由于R0(0)>>d，R0(0)>>d+vt，對(duì)式(3-10

(3-110)在實(shí)際工程中，相位差變化率是通過(guò)兩個(gè)時(shí)刻的相位差解算,并需要有無(wú)模糊約束條件(3-111)對(duì)式(3-111)求全微分,可得(3-112)圖3-24也可以轉(zhuǎn)換成測(cè)向/時(shí)間差變化率定位的情況，以便適用于短基線時(shí)差測(cè)向的偵察站。將式(3-107)中的相位差、相位差變化率轉(zhuǎn)換成時(shí)間差Δt和時(shí)間差變化率Δt′,(3-110)在實(shí)際工程中，相位差變化率是通過(guò)兩個(gè)時(shí)刻的相

(3-113)同樣代入式(3-108)的距離近似條件可得(3-114)(3-115)由短基線時(shí)差測(cè)向得到輻射源的方向θ，再通過(guò)時(shí)間差變化率Δt′測(cè)得輻射源距離為由于短基線時(shí)差測(cè)向沒(méi)有模糊，所以時(shí)間差變化率測(cè)量也沒(méi)有模糊，并且基線越長(zhǎng),效果越好，這是它比相位差變化率測(cè)量的優(yōu)越之處，只是需要有很高的時(shí)差測(cè)量精度。(3-113)同樣代入式(3-108)的距離近似條件可得(5.測(cè)向/功率比定位

該方法適用于運(yùn)動(dòng)單站對(duì)具有穩(wěn)定照射功率的固定或低速運(yùn)動(dòng)輻射源的定位。d=vt為0至t時(shí)刻偵察站的直線運(yùn)動(dòng)距離，θ為0時(shí)刻的測(cè)向值，R(t)為輻射源與偵察站的距離。根據(jù)圖3-23的幾何位置,可得(3-116)式中,Pr(t)、Et、Gr(t)分別為偵察站接收輻射源信號(hào)的功率、在偵收站方向的輻射信號(hào)的功率和偵察天線在輻射源方向θ(t)的增益，λ、γr為信號(hào)波長(zhǎng)和接收天線極化損失。偵察站在初始時(shí)刻0和t時(shí)刻接收信號(hào)的功率比為(3-117)5.測(cè)向/功率比定位

該方法適用于運(yùn)動(dòng)單站對(duì)具代入式(3-116)，可求得距離為

式(3-118)中的兩個(gè)根有一個(gè)為虛根，通常在偵察站對(duì)準(zhǔn)輻射源運(yùn)動(dòng)時(shí)，r(t)>1，取正根；反之，在背向輻射源運(yùn)動(dòng)時(shí)，r(t)<1，取負(fù)根。此時(shí)式(3-118)可簡(jiǎn)化為(3-119)(3-118)代入式(3-116)，可求得距離為

式(3-118)中的

3.5.2多站定位

1．測(cè)向交匯定位

測(cè)向交匯定位是根據(jù)多個(gè)偵察站測(cè)得同一輻射源信號(hào)的方向，利用波束交匯，確定輻射源的位置。在平面上測(cè)向交匯定位的原理如圖3-25(a)所示。假設(shè)偵察站1、2在平面直角座標(biāo)系中的位置為(－a，0)，(a，0)，測(cè)得輻射源的方向分別為θ1，θ2，則輻射源位置(xe，ye)應(yīng)滿足下列直線方程組:(3-120)解此方程組,可得(3-121)3.5.2多站定位

1．測(cè)向交匯定位

測(cè)向交匯定位誤差的主要來(lái)源是測(cè)向誤差，對(duì)式(3-121)求全微分，可得

(3-122)設(shè)兩站測(cè)向獨(dú)立，誤差均服從零均值、方差σ2θ的正態(tài)分布，則平面定位結(jié)果將服從以xe、ye為中心的正態(tài)分布:(3-123)定位誤差的主要來(lái)源是測(cè)向誤差，對(duì)式(3-121)求全微分，可近似如圖3-25(b)所示。通常將50%誤差時(shí)的誤差分布圓半徑r定義為圓概率誤差半徑r0.5。對(duì)(3-123)式進(jìn)行積分后，可近似求得圖3-25測(cè)向交匯定位示意圖(3-124)近似如圖3-25(b)所示。通常將50%誤差時(shí)的誤差分布圓半測(cè)向交匯定位的簡(jiǎn)化分析方法如圖3-25(c)所示，利用正弦定理可求得輻射源到兩站的距離為

(3-125)波束交疊區(qū)近似為一平行四邊形，由于波束寬度較窄，每邊的長(zhǎng)度近似為(3-126)定位模糊區(qū)的面積為(3-127)測(cè)向交匯定位的簡(jiǎn)化分析方法如圖3-25(c)所示，利用正1)限定輻射源與定位站基線截距的最佳布局

假設(shè)限定圖3-25中輻射源與定位站的基線截距ye為常數(shù)，則

(3-128)(3-129)帶入式(3-127)，可得求解式(3-129)中的分母項(xiàng)極大值，對(duì)θ1、θ2求偏導(dǎo)數(shù)，并令導(dǎo)數(shù)為零，可得(3-130)1)限定輻射源與定位站基線截距的最佳布局

假設(shè)限定從而得到：(3-131)從而得到：(3-131)2)限定定位站間距a和輻射源與定位站基線截距的最佳觀測(cè)角

假設(shè)限定圖3-25中的a和ye，并帶入式(3-127),可得(3-132)顯然,式(3-132)只有在兩波束垂直相交，即θ2－θ1=±π/2時(shí)，模糊區(qū)面積達(dá)到最小值：A=2ayeΔθ1Δθ2(3-133)2)限定定位站間距a和輻射源與定位站基線截距的最佳觀測(cè)3)限定定位站間距a，輻射源位于站間中垂線方向的最佳觀測(cè)角

此時(shí)限定了θ2=π－θ1，帶入式(3-127)，有(3-134)求式(3-134)中分母項(xiàng)的極大值，對(duì)θ1求導(dǎo)并令導(dǎo)數(shù)為零，可得(3-135)3)限定定位站間距a，輻射源位于站間中垂線方向的最佳觀2．測(cè)向—時(shí)差定位法

測(cè)向—時(shí)差定位法在平面上的工作原理如圖3-26(a)所示，它由基站A和轉(zhuǎn)發(fā)站B組成，兩者間距為d，B站接收信號(hào)經(jīng)放大變頻后轉(zhuǎn)發(fā)到A站。A站接收的同一輻射源信號(hào)也經(jīng)過(guò)放大變頻，測(cè)量其與B站轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)信號(hào)的時(shí)間差Δt，并測(cè)量輻射源方向θ，得到以下方程組:

(3-136)其中,R1、R2分別為輻射源到A、B兩站的距離。求解該方程組,可得(3-137)2．測(cè)向—時(shí)差定位法

測(cè)向—時(shí)差定位法在平面上的工如果B站位于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，如圖3-26(b)所示，它與A站之間的距離d和參考方向θ0由應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)提供：d=ctAB，θ=θ1－θ0，代入式(3-137),可得(3-138)如果B站位于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，如圖3-26(b)所示，它與A站圖3-26測(cè)向—時(shí)差定位法示意圖圖3-26測(cè)向—時(shí)差定位法示意圖3．時(shí)差定位法

時(shí)差定位是利用平面或空間中的多個(gè)偵察站，測(cè)量同一個(gè)信號(hào)到達(dá)各偵察站的時(shí)間差，確定輻射源在平面或空間中的位置。

1)平面時(shí)差定位

設(shè)三偵察站O(0，0)，A(ρA，αA)，B(ρB，αB)和輻射源E(ρ，α)共平面，如圖3-27(a)，則E信號(hào)到達(dá)各站的時(shí)間分別為tO、tA、tB，根據(jù)余弦定理，可建立以下方程組：(3-139)3．時(shí)差定位法

時(shí)差定位是利用平面或空間中的多個(gè)偵察將ρ移到方程左邊，兩邊取平方，消去ρ2項(xiàng)，整理后可得(3-140)將式(3-140)整理成為只含一個(gè)未知量α的方程組：(3-141)將ρ移到方程左邊，兩邊取平方，消去ρ2項(xiàng)，整理后可得(3-1時(shí)差定位的精度主要取決于時(shí)差測(cè)量的精度以及偵察站與輻射源的相對(duì)位置，如圖3-27(b)所示，每一項(xiàng)測(cè)時(shí)誤差都相當(dāng)于擴(kuò)展了雙曲線的寬度，使雙曲線的交點(diǎn)形成了一片模糊區(qū)。測(cè)時(shí)誤差越大，則模糊區(qū)面積越大。如果輻射源處于各偵察站展開(kāi)線法方向的正面，則雙曲線交角較接近垂直，模糊區(qū)較小；輻射源越偏向一邊，雙曲線交角越偏離垂直，模糊區(qū)越大。各偵察站之間的展開(kāi)距離通常稱為基線長(zhǎng)度，因此大范圍的時(shí)差定位需要采用相應(yīng)的長(zhǎng)基線。時(shí)差定位的精度主要取決于時(shí)差測(cè)量的精度以及偵察站與輻射源圖3-27平面時(shí)差定位示意圖圖3-27平面時(shí)差定位示意圖2)空間時(shí)差定位

由于時(shí)差定位一般都需要求解二次方程組，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)四個(gè)偵察站與輻射源的位置分別為O(0，0，0)、A(R，0，0)、B(R，π/2，0)、C(R，0，π/2)、E(ρ，α，β)，當(dāng)同一輻射源的同一信號(hào)分別被各偵察站收到后，可得到如下方程組：

(3-143)將ρ移到方程左邊，兩邊取平方，消去ρ2項(xiàng)，整理后，可得2)空間時(shí)差定位

由于時(shí)差定位一般都需要求解二次方消去ρ項(xiàng)，可得對(duì)方程兩邊取平方、相加，消去含α項(xiàng)，化簡(jiǎn)后可得求解式(3-146)，得到β的兩個(gè)解，并需要滿足[0，π/2]的約束條件：消去ρ項(xiàng)，可得對(duì)方程兩邊取平方、相加，消去含α項(xiàng)，化簡(jiǎn)后可得將解得的β±代入式(3-145)，化簡(jiǎn)可求得α對(duì)應(yīng)的兩個(gè)解為將式(3-147)、(3-148)代入式(3-144)，可求得ρ。將解得的β±代入式(3-145)，化簡(jiǎn)可求得α對(duì)應(yīng)的兩個(gè)解為同平面時(shí)差定位一樣，空間時(shí)差定位也存在多值解，這是由于三個(gè)雙曲面相交一般也會(huì)存在兩個(gè)交點(diǎn)，利用仰角的約束條件和增設(shè)偵察站都可以消除多值解。時(shí)差定位的精度主要取決于時(shí)間測(cè)量的精度和輻射源相對(duì)于偵察站的空間位置，因此長(zhǎng)基線時(shí)差定位具有較高的定位精度。但由于雷達(dá)發(fā)射天線波束很窄，各偵察站一般不會(huì)同時(shí)受到雷達(dá)輻射源的主瓣照射，因此用于長(zhǎng)基線時(shí)差定位的各偵察站必須具有對(duì)輻射源旁瓣信號(hào)進(jìn)行偵收的能力，才能保證各偵察站能夠收到同一個(gè)輻射源的同一個(gè)發(fā)射信號(hào)(通常稱為脈沖配對(duì))。同平面時(shí)差定位一樣，空間時(shí)差定位也存在多值解，這是由于三第3章對(duì)雷達(dá)信號(hào)方向的測(cè)量和定位3.1概述3.2振幅法測(cè)向3.3相位法測(cè)向3.4短基線時(shí)差測(cè)向3.5對(duì)雷達(dá)輻射源的定位第3章對(duì)雷達(dá)信號(hào)方向的測(cè)量和定位3.1概述3.1概述

3.1.1測(cè)向定位的作用與分類

1．測(cè)向定位的作用

雷達(dá)偵察系統(tǒng)測(cè)向定位的主要作用是：

1)信號(hào)分選和識(shí)別

在雷達(dá)對(duì)抗工作的信號(hào)環(huán)境中存在著大量的輻射源和散射源，各種源的來(lái)波方向是彼此區(qū)分的重要依據(jù)之一，且受外界的影響小，具有相對(duì)的時(shí)間穩(wěn)定性，因此輻射源方向一直是雷達(dá)偵察系統(tǒng)中信號(hào)分選和識(shí)別的重要參數(shù)。3.1概述

3.1.1測(cè)向定位2)引導(dǎo)干擾方向

由于大部分雷達(dá)收發(fā)共用天線或收發(fā)天線間距很近，為了將干擾功率集中到需要干擾的敵方雷達(dá)方向，首先需要測(cè)量該雷達(dá)方向，再引導(dǎo)干擾發(fā)射天線波束對(duì)準(zhǔn)該方向。

3)引導(dǎo)武器系統(tǒng)攻擊

根據(jù)所測(cè)出的敵方威脅雷達(dá)方向和位置，引導(dǎo)反輻射導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)和其它火力攻擊武器對(duì)其實(shí)施殺傷。

4)提供告警信息

為作戰(zhàn)人員和系統(tǒng)提供威脅告警，指示威脅方向和威脅程度等，以便采取戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)或其它應(yīng)對(duì)措施。2)引導(dǎo)干擾方向

由于大部分雷達(dá)收發(fā)共用天線或5) 提供輻射源，方向和位置情報(bào)

提供信號(hào)環(huán)境中大量輻射源方向和位置的情報(bào)，輔助戰(zhàn)場(chǎng)指揮和決策。5) 提供輻射源，方向和位置情報(bào)

提供信號(hào)環(huán)境中2．測(cè)向的分類

雷達(dá)偵察測(cè)向是利用測(cè)向天線的方向性，即對(duì)不同方向到達(dá)電磁波的振幅、相位或時(shí)間響應(yīng)特性，并依此分為振幅法測(cè)向、相位法測(cè)向和時(shí)差法測(cè)向。在測(cè)向工作時(shí)，一般測(cè)向天線的孔徑都遠(yuǎn)小于它與輻射源的距離，到達(dá)天線的電磁波近似滿足平面波前的條件。在一般情況下，雷達(dá)偵察測(cè)向主要測(cè)量來(lái)波的方位，只有少量偵察系統(tǒng)能夠同時(shí)測(cè)量方位和仰角。如果不加特別說(shuō)明，本章的測(cè)向主要是指測(cè)量來(lái)波的方位角。

雷達(dá)偵察系統(tǒng)采用的測(cè)向方法分為3種。2．測(cè)向的分類

雷達(dá)偵察測(cè)向是利用測(cè)向天線的方向性1)振幅法測(cè)向

振幅法測(cè)向是根據(jù)測(cè)向天線接收信號(hào)的相對(duì)幅度大小來(lái)確定信號(hào)的到達(dá)方向。主要的測(cè)向方法有：最大信號(hào)法、比較信號(hào)法和等信號(hào)法。最大信號(hào)法通常采用波束掃描體制，以接收信號(hào)功率最強(qiáng)的方向估計(jì)來(lái)波方向。比較信號(hào)法通常采用多個(gè)不同指向的波束覆蓋一定的方向范圍，根據(jù)各波束接收同一信號(hào)的相對(duì)幅度估計(jì)來(lái)波方向。等信號(hào)法主要用于對(duì)輻射源的跟蹤，力求將接收信號(hào)振幅相等的方向指向輻射源方向。等信號(hào)法測(cè)向的測(cè)角范圍較小，但測(cè)角精度較高。常用的振幅法測(cè)向技術(shù)有波束搜索法測(cè)向、全向振幅單脈沖測(cè)向和多波束測(cè)向等。1)振幅法測(cè)向

振幅法測(cè)向是根據(jù)測(cè)向天線接收信號(hào)的2)相位法測(cè)向

相位法測(cè)向是根據(jù)測(cè)向天線陣接收同一信號(hào)的相位差來(lái)確定信號(hào)的到達(dá)方向。由于相位差與信號(hào)頻率具有非常密切的關(guān)系，因此相位法測(cè)向往往需要測(cè)頻輔助。按照天線陣型主要分為一維線陣干涉儀測(cè)向、二維線陣干涉儀測(cè)向、平面圓陣干涉儀測(cè)向、相關(guān)干涉儀測(cè)向和其它陣型的相位法測(cè)向等。

3)時(shí)差法測(cè)向

時(shí)差法測(cè)向是根據(jù)測(cè)向天線陣接收同一信號(hào)的時(shí)間差來(lái)確定信號(hào)的到達(dá)方向。由于時(shí)間差與信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，因此它適合于寬帶測(cè)向。按照天線陣型主要分為：一維線陣時(shí)差測(cè)向和二維線陣時(shí)差測(cè)向等。2)相位法測(cè)向

相位法測(cè)向是根據(jù)測(cè)向天線陣接收同一3．定位的分類

對(duì)雷達(dá)輻射源的定位是在一定的地理?xiàng)l件下，利用接收站自身的位置、運(yùn)動(dòng)及其與輻射源信號(hào)的相對(duì)關(guān)系，通過(guò)對(duì)同一輻射源的多個(gè)測(cè)量方向，對(duì)同一個(gè)輻射源信號(hào)的多個(gè)到達(dá)時(shí)間差、對(duì)同一個(gè)輻射源信號(hào)的相對(duì)頻率差等，確定輻射源在平面或空間中的位置。

按照參與定位的接收站數(shù)量分為單站定位和多站定位。

1)單站定位

只用一個(gè)接收站的定位。一般需要以特定的地理環(huán)境或接收站的運(yùn)動(dòng)為輔助定位條件。主要有：飛越定位，方位—仰角定位，測(cè)向—方向變化率定位和測(cè)向—相位差變化率定位等。3．定位的分類

對(duì)雷達(dá)輻射源的定位是在一定的地理?xiàng)l2)多站定位

需要多個(gè)接收站協(xié)同的定位，各站間的距離稱為基線。多站協(xié)同具有良好的定位能力，但對(duì)協(xié)同性能具有較高的要求。

按照定位采用的測(cè)量信息，主要分為以下3類。

(1)測(cè)向交叉定位：利用不同位置接收站測(cè)得的同一輻射源方向，確定輻射源位置。

(2)測(cè)向-時(shí)差定位：利用不同位置接收站測(cè)得同一輻射源方向、同一信號(hào)的時(shí)間差，確定輻射源位置。

(3)測(cè)時(shí)差定位：利用不同位置接收站測(cè)得的同一信號(hào)的時(shí)間差，確定輻射源位置。2)多站定位

需要多個(gè)接收站協(xié)同的定位，各站間的距3.1.2測(cè)向定位的主要技術(shù)指標(biāo)

1．測(cè)向系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

1)測(cè)向范圍ΩAOA和瞬時(shí)視野ΔΩAOA

ΩAOA是指測(cè)向系統(tǒng)最大可測(cè)的來(lái)波信號(hào)方向范圍，ΔΩAOA是指任一時(shí)刻最大可測(cè)的來(lái)波信號(hào)方向范圍。ΔΩAOA<ΩAOA時(shí)，測(cè)向系統(tǒng)需要ΔΩAOA掃描才能覆蓋ΩAOA，因此稱為搜索法測(cè)向；ΔΩAOA=ΩAOA時(shí)不需要掃描，稱為非搜索法測(cè)向或方向?qū)掗_(kāi)測(cè)向。3.1.2測(cè)向定位的主要技術(shù)指標(biāo)

1．測(cè)向系統(tǒng)的主2)測(cè)向精度δθ和測(cè)向分辨力Δθ

δθ一般以測(cè)向誤差的均值(系統(tǒng)誤差)和均方根值(隨機(jī)誤差)表示。系統(tǒng)誤差主要是由系統(tǒng)失調(diào)引起的，在一定的條件下，可以通過(guò)系統(tǒng)的多維參量標(biāo)校而降低。隨機(jī)誤差主要是由系統(tǒng)的內(nèi)外噪聲引起的，測(cè)向時(shí)應(yīng)盡可能提高信噪比。Δθ是指能夠被區(qū)分開(kāi)的兩個(gè)同時(shí)不同方向來(lái)波間的最小方向差。2)測(cè)向精度δθ和測(cè)向分辨力Δθ

δθ一般以測(cè)向誤3)測(cè)向時(shí)間tA、方向截獲概率PIA和方向截獲時(shí)間TIA

tA是來(lái)波到達(dá)偵察接收機(jī)至接收機(jī)輸出測(cè)向值所用的時(shí)間；PIA是指在TIA時(shí)間內(nèi)完成對(duì)給定信號(hào)方向測(cè)量任務(wù)的概率；TIA為對(duì)給定信號(hào)的方向測(cè)量達(dá)到指定概率PIA需要的時(shí)間，兩者互為條件。3)測(cè)向時(shí)間tA、方向截獲概率PIA和方向截獲時(shí)間TI4)測(cè)向靈敏度sAmin和測(cè)向動(dòng)態(tài)范圍DA

sAmin是指?jìng)刹旖邮諜C(jī)完成測(cè)向任務(wù)所需要的最小輸入信號(hào)功率，DA是指允許的最大輸入信號(hào)功率sAmax與sAmin之比(以分貝表示)，即(3-1)除了上述指標(biāo)外，測(cè)向系統(tǒng)本身也具有一定的時(shí)間和頻率響應(yīng)特性要求，如：ΩRF、ΔΩRF、τmin等，由于它們已在第2章列入和說(shuō)明，本章不再重列。各種主要測(cè)向技術(shù)的典型技術(shù)指標(biāo)和特點(diǎn)見(jiàn)表3-1。4)測(cè)向靈敏度sAmin和測(cè)向動(dòng)態(tài)范圍DA

sAm第3章--對(duì)雷達(dá)信號(hào)方向的測(cè)量和定位課件2．定位系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

1)定位范圍ΩDP、瞬時(shí)定位范圍ΔΩDP和定位精度δP

ΩDP是指定位系統(tǒng)最大可定位的輻射源所在平面、球面或空間范圍，ΔΩDP是指任一時(shí)刻最大可定位的范圍。ΔΩDP<ΩDP時(shí)，一般定位系統(tǒng)需要通過(guò)運(yùn)動(dòng)才能達(dá)到覆蓋ΩDP。δP一般以圓概率誤差半徑表示。

2)定位時(shí)間tDP

tDP是指完成一次輻射源定位所需要的時(shí)間。

由于對(duì)輻射源的定位是在已經(jīng)完成輻射源檢測(cè)和信號(hào)參數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，許多技術(shù)要求已在前面列出，此處只給出與定位關(guān)系密切的主要參數(shù)。2．定位系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

1)定位范圍ΩDP、3.2振幅法測(cè)向

3.2.1波束搜索法測(cè)向

波束搜索法測(cè)向的原理和系統(tǒng)組成如圖3-1所示。搜索測(cè)向天線在系統(tǒng)控制下以波束寬度θr、掃描速度vr在測(cè)向范圍ΩAOA內(nèi)連續(xù)掃描;接收通道可以采用超外差、射頻調(diào)諧或數(shù)字接收方式。當(dāng)接收機(jī)輸出的雷達(dá)信號(hào)幅度Am[θ(t1)]首次高于檢測(cè)門限AT，且高于消隱天線和接收通道提供的消隱信號(hào)電平Aa[θ]時(shí)，記下此時(shí)的天線指向θ(t1)，當(dāng)Am[θ(t)]即將低于AT，且高于Aa[θ]時(shí)，記下此時(shí)的天線指向θ(t2)，信號(hào)處理以其平均值作為[t1，t2]時(shí)間內(nèi)雷達(dá)輻射源所在角度的估計(jì)θ：^(3-2)3.2振幅法測(cè)向

3.2.1波束搜索法圖3-1波束搜索法測(cè)向圖3-1波束搜索法測(cè)向消隱天線一般為非搜索的全向天線或?qū)挷ㄊ炀€，其接收通道提供的消隱信號(hào)電平高于搜索天線的最大旁瓣電平，目的是防止強(qiáng)信號(hào)造成搜索天線旁瓣的測(cè)向錯(cuò)誤。在搜索過(guò)程中，雷達(dá)發(fā)射波束和偵察波束都會(huì)在對(duì)方的方向上駐留一定的時(shí)間;如果需要雙方波束互指足夠的時(shí)間才能達(dá)到測(cè)向靈敏度和測(cè)向時(shí)間的要求，則搜索法測(cè)向是一個(gè)隨機(jī)事件。

為了提高截獲概率，偵察天線必須盡可能利用雷達(dá)的各種先驗(yàn)信息，并由此制定合適的搜索方式和搜索參數(shù)。消隱天線一般為非搜索的全向天線或?qū)挷ㄊ炀€，其接收通道提1．方位慢速可靠搜索

設(shè)雷達(dá)天線的波束寬度、掃描速度、掃描范圍、掃描周期分別為θa、va、Ωa、TA=Ωa/va，偵察天線的掃描范圍、掃描周期分別為ΩAOA、TR=ΩAOA/vr，偵察機(jī)測(cè)量雷達(dá)方向需要Z個(gè)連續(xù)脈沖，則滿足下列條件的搜索方式稱為方位慢速可靠搜索：

(1)在雷達(dá)天線掃描一周的時(shí)間內(nèi)，偵察天線最多只掃描一個(gè)波束寬度；

(2)在雷達(dá)天線指向偵察機(jī)的時(shí)間內(nèi)，至少接收到Z個(gè)連續(xù)的雷達(dá)發(fā)射脈沖，即

(3-3)1．方位慢速可靠搜索

設(shè)雷達(dá)天線的波束寬度、掃描速2.方位快速可靠搜索

方位快速可靠搜索需要滿足的條件是：

(1)在雷達(dá)天線掃描一個(gè)波束寬度的時(shí)間內(nèi)，偵察天線至少掃描一周；

(2)在偵察天線指向雷達(dá)的時(shí)間內(nèi)，至少接收到Z個(gè)連續(xù)的雷達(dá)發(fā)射脈沖，即(3-4)該式表明，在雷達(dá)天線掃描一周的時(shí)間TA里,能夠以PIA=1測(cè)量雷達(dá)信號(hào)的到達(dá)方位。2.方位快速可靠搜索

方位快速可靠搜索需要滿足的3．方位概率搜索

不滿足方位慢速和快速可靠搜索條件的搜索法測(cè)向稱為方位概率搜索。其方向截獲時(shí)間和截獲概率近似滿足幾何概率條件。設(shè)兩天線的互指時(shí)間分別為(3-5)(3-6)則平均互指時(shí)間τ為任意時(shí)刻兩天線的互指概