雷電原理 課件 【ch07】角度測量

角度測量第七章雷達(dá)原理（第6版）高等學(xué)校電子信息類精品教材01概述PARTONE一、概述

一、概述02測角方法及比較PARTTWO二、測角方法及比較1.相位法測角

二、測角方法及比較圖7.2所示為一個相位法測角的框圖。接收信號經(jīng)過混頻、放大后再加到相位比較器中進(jìn)行比相。其中自動增益控制電路用來保證中頻信號幅度穩(wěn)定，以免幅度變化引起測角誤差。1.相位法測角二、測角方法及比較2.振幅法測角

二、測角方法及比較

2.振幅法測角二、測角方法及比較2.等信號法等信號法測角采用兩個相同且彼此部分重疊的波束，其方向圖如圖7.7（a）所示。2.振幅法測角二、測角方法及比較2.振幅法測角等信號法的主要優(yōu)點如下:（1）測角精度比最大信號法高，因為等信號軸附近方向圖斜率較大，目標(biāo)略微偏離等信號軸時，兩信號強(qiáng)度變化比較顯著。由理論分析可知，對收發(fā)共用天線的雷達(dá)，精度約為波束半功率寬度的2%，比最大信號法高約個量級。（2）根據(jù)兩個波束收到的信號強(qiáng)弱可判別目標(biāo)偏離等信號軸的方向，便于自動測角。等信號法的主要缺點：一是測角系統(tǒng)較復(fù)雜；二是等信號軸方向不是方向圖的最大值方向，故在發(fā)射功率相同的條件下，作用距離比最大信號法小些。若兩波束交點選擇在最大值的0.7~0.8處，則對收發(fā)共用天線的雷達(dá)，作用距離比最大信號法減小20%~30%。等信號法常用來進(jìn)行自動測角，即應(yīng)用于跟蹤雷達(dá)中。2.振幅法測角03天線波束的掃描方法PARTTHREE三、天線波束的掃描方法1.波束形狀和掃描方法1.扇形波束扇形波束的水平面和垂直面內(nèi)的波束寬度有較大差別，主要掃描方式是圓周掃描和扇掃。圓周掃描時，波束在水平面內(nèi)做360°圓周運動(見圖7.9)，可觀察雷達(dá)周圍目標(biāo)并測定其距離和方位角坐標(biāo)。當(dāng)需要對某一區(qū)域特別仔細(xì)觀察時，波束可在所需方位角范圍內(nèi)往返運動，即做扇形掃描三、天線波束的掃描方法2.針狀波束針狀波束的水平面和垂直面波束寬度都很窄。采用針狀波束可同時測量目標(biāo)的距離、方位和仰角，且方位和仰角兩者的分辨力和測角精度都較高。主要缺點是因波束窄，掃完一定空域所需的時間較長，即雷達(dá)的搜索能力較差。1.波束形狀和掃描方法三、天線波束的掃描方法2.天線波束和掃描方法1.機(jī)械性掃描利用整個天線系統(tǒng)或其中某一部分的機(jī)械運動來實現(xiàn)波束掃描稱為機(jī)械性掃描。如環(huán)視雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)，通常采用整個天線系統(tǒng)轉(zhuǎn)動的方法。機(jī)械性掃描的優(yōu)點是簡單。其主要缺點是機(jī)械運動慣性大，掃描速度不高。三、天線波束的掃描方法2.電掃描電掃描時，天線反射體、饋源等不必做機(jī)械運動。因無機(jī)械慣性限制，掃描速度可大大提高，波束控制迅速靈便，故這種方法特別適用于要求波束快速掃描及巨型天線的雷達(dá)中。電掃描的主要缺點是掃描過程中波束寬度將展寬，因而天線增益也要減小，所以掃描的角度范圍有一定限制。另外，天線系統(tǒng)一般比較復(fù)雜。根據(jù)實現(xiàn)時所用基本技術(shù)的差別，電掃描又可分為相位掃描法、頻率掃描法、時間延遲法等。2.天線波束和掃描方法三、天線波束的掃描方法3.頻率掃描法

04相控陣?yán)走_(dá)PARTFOUR四、相控陣?yán)走_(dá)1.概述中獲得了廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)60年代，為適應(yīng)對人造地球衛(wèi)星及彈道導(dǎo)彈觀測的要求，相控陣?yán)走_(dá)獲得了很大發(fā)展。由于技術(shù)進(jìn)步及研制成本的降低，相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)逐漸推廣應(yīng)用于多種戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)及民用雷達(dá)。多種機(jī)載與星載合成孔徑相控陣?yán)走_(dá)是軍民兩用雷達(dá)的一個重要例證。相控陣?yán)走_(dá)是采用相控陣天線的雷達(dá)。相控陣?yán)走_(dá)是一種電子掃描雷達(dá)。用電子方法實現(xiàn)天線波束指向在空間的轉(zhuǎn)動或掃描的天線稱為電子掃描天線或電子掃描陣列(ESA)天線。電子掃描天線按實現(xiàn)天線波束掃描的方法分為相位掃描(簡稱相掃)天線和頻率掃描(簡稱頻掃)天線，兩者均可歸入相控陣天線(PAA）的概念。四、相控陣?yán)走_(dá)2.相控陣天線和相控陣?yán)走_(dá)的特點1.天線波束快速掃描，實現(xiàn)多目標(biāo)搜索、跟蹤與多種雷達(dá)功能天線波束快速掃描能力是相控陣天線的主要技術(shù)特點。克服機(jī)械掃描（簡稱機(jī)掃）天線波束指向轉(zhuǎn)換的慣性及由此帶來的對雷達(dá)性能的限制，是最初研制相控陣天線的主要原因。相控陣?yán)走_(dá)具有的多目標(biāo)跟蹤與多種雷達(dá)功能的工作能力是基于相控陣天線波束快速掃描的技術(shù)特點。相控陣?yán)走_(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能有4種：邊搜索邊跟蹤(TMS)功能；跟蹤加搜索（TAS）功能；分區(qū)搜索功能；集中能量工作功能。四、相控陣?yán)走_(dá)2.相控陣天線和相控陣?yán)走_(dá)的特點2.具有多波束形成能力，實現(xiàn)高搜索數(shù)據(jù)率和跟蹤數(shù)據(jù)率相控陣天線的快速掃描和多波束形成能力，可以實現(xiàn)高搜索數(shù)據(jù)率和跟蹤數(shù)據(jù)率。數(shù)據(jù)率是反映雷達(dá)系統(tǒng)性能的一個非常重要的指標(biāo)，它體現(xiàn)了相控陣?yán)走_(dá)一些重要指標(biāo)之間的相互關(guān)系。相控陣?yán)走_(dá)的搜索數(shù)據(jù)率是指相鄰兩次搜索完給定空域的間隔時間的倒數(shù)。3．天線波束形狀捷變能力，實現(xiàn)自適應(yīng)空間濾波和自適應(yīng)空時處理能力相控陣天線波束形狀的捷變能力是實現(xiàn)自適應(yīng)空間濾波及空時自適應(yīng)處理的基礎(chǔ)。4．天線孔徑與雷達(dá)平臺共形能力的實現(xiàn)采用共形相控陣天線的機(jī)載預(yù)警雷達(dá)在工作方式上更易于實現(xiàn)全空域覆蓋，更易于將雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航等電子系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計，構(gòu)成綜合電子集成系統(tǒng)。四、相控陣?yán)走_(dá)3.平面相控陣天線

四、相控陣?yán)走_(dá)3.平面相控陣天線

四、相控陣?yán)走_(dá)4.相控雷達(dá)的饋電和饋相方式相控陣?yán)走_(dá)的饋電方式主要分為空間饋電和強(qiáng)制饋電(constrainedfeeding)兩種?？臻g饋電也稱光學(xué)饋電，實際上是采用空間饋電的功率分配/相加網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的。采用空間饋電方式可以省掉許多加工要求嚴(yán)格的高頻微波器件。與強(qiáng)制饋電相比，對于波長較短(如S、C、X、Ku和Ka)的情況來說，它具有一些明顯的優(yōu)點。強(qiáng)制饋電系統(tǒng)采用波導(dǎo)、同軸線、板線、微帶線等微波傳輸線實現(xiàn)功率分配網(wǎng)絡(luò)(對發(fā)射陣)或功率相加網(wǎng)絡(luò)(對接收陣)以完成對發(fā)射信號的分配或?qū)邮招盘柕南嗉?。?qiáng)制饋電分并聯(lián)饋電、串聯(lián)饋電和混合饋電3種。從保證相控陣?yán)走_(dá)天線的寬帶性能考慮，并聯(lián)強(qiáng)制饋電的方式在大部分相控陣?yán)走_(dá)中得到了廣泛的應(yīng)用。四、相控陣?yán)走_(dá)4.相控雷達(dá)的饋電和饋相方式1.空間饋電方式（1）透鏡式空間饋電陣列圖7.26(a)示出了透鏡式空間饋電天線陣，主要包括收集陣面和輻射陣面兩部分。收集陣面又稱為內(nèi)天線陣面，輻射陣面也可稱為外天線陣面。（2）反射式空間饋電陣列圖7.26(b)示出了反射式空間饋電陣列，它的收集陣面與輻射面是同一陣面，無論天線處于發(fā)射工作狀態(tài)還是接收工作狀態(tài)，每個天線單元收到的信號，經(jīng)過移相器移相后，都被短路器全反射再從陣面輻射出去。四、相控陣?yán)走_(dá)4.相控雷達(dá)的饋電和饋相方式四、相控陣?yán)走_(dá)4.相控雷達(dá)的饋電和饋相方式2.強(qiáng)制并聯(lián)饋電方式圖7.29所示的發(fā)射天線陣強(qiáng)制并聯(lián)情電網(wǎng)絡(luò)可以是等功率分配網(wǎng)絡(luò)，也可以是不等功率分配網(wǎng)絡(luò)，其中部分功率分配器采用隔離式的，以增加各路饋線之間反射信號的隔離度。一個功率分配器的功率分配路數(shù)根據(jù)具體情況是可以變化的。四、相控陣?yán)走_(dá)4.相控雷達(dá)的饋電和饋相方式3.強(qiáng)制串聯(lián)饋電方式串聯(lián)饋電、并聯(lián)饋相方式示意圖如圖7.31所示。四、相控陣?yán)走_(dá)1.PIN二極管移相器利用PN二極管在正偏和反偏狀態(tài)下具有不同阻抗或其開關(guān)特性，可構(gòu)成多種形式的移相器。5.移相器四、相控陣?yán)走_(dá)2.鐵氧化移相器鐵氧體移相器的基本原理是利用外加直流磁場改變波導(dǎo)內(nèi)鐵氧體的導(dǎo)磁系數(shù)，從而改變電磁波的相速，得到不同的相移量。5.移相器四、相控陣?yán)走_(dá)1.T/R組件的組成典型TR組件的組成框圖如圖7.42所示。該圖是收發(fā)合一的有源相控陣?yán)走_(dá)中的T/R組件框圖，主要包括發(fā)射支路、接收支路及發(fā)射與接收支路的射頻轉(zhuǎn)換開關(guān)和移相器等。6.T/R組件的組成與主要功能四、相控陣?yán)走_(dá)2.T/R組件的主要功能（1）對發(fā)射信號進(jìn)行功率放大。（2）接收信號的放大和變頻。（3）實現(xiàn)波束掃描的相移及波束控制。（4）變極化的實現(xiàn)。（5）T/R組件的監(jiān)測功能。6.T/R組件的組成與主要功能05數(shù)字陣列雷達(dá)PARTFIVE五、數(shù)字陣列雷達(dá)數(shù)字陣列達(dá)(DARDigitalArrayRadar)是一種接收束和發(fā)射束都采用數(shù)字波束形成(DBFDigitalBeamForming)術(shù)的全數(shù)字有源相控陣列雷達(dá)。數(shù)字陣列雷達(dá)是有源相控陣?yán)走_(dá)和數(shù)字雷達(dá)的最新發(fā)展方向。數(shù)字陣列雷達(dá)的核心部件是數(shù)字式T/R組件(DigitalT/RModule)，或稱數(shù)字T/R模塊，它包括一個完整的發(fā)射通道和一個完整的接收通道?；谥苯訑?shù)字合成器(DDS，DiretDigitalSynthEsizer)的數(shù)字式TR組件是數(shù)字陣列雷達(dá)的關(guān)鍵部件。在發(fā)射通道，把輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為射頻信號，發(fā)射信號所需的頻率、相位和幅度完全用數(shù)字方法實現(xiàn)：在接收通道，把接收到的每個陣元的射頻回波信號通過下變頻和中頻A/D采樣數(shù)字鑒相技術(shù)轉(zhuǎn)換為I、正交數(shù)字信號。1.概述五、數(shù)字陣列雷達(dá)全數(shù)字化的有源相控陣列雷達(dá)不僅接收波束形成以數(shù)字方式實現(xiàn)，而且發(fā)射波束形成同樣也以數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)，數(shù)字波束形成技術(shù)充分利用陣列天線各陣元所獲得的空間信號信息，通過信號處理技術(shù)實現(xiàn)波束形成、目標(biāo)跟蹤以及空間千擾信號的置零。數(shù)字波束形成可以形成單個或多個獨立可控的波束而不損失信噪；波束特性由權(quán)矢量控制，因而可實現(xiàn)可編程控、靈活多變。數(shù)字波束形成的很多優(yōu)點是模擬波束形成不可能具備的，它在雷達(dá)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及電子對抗系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字陣列雷達(dá)正在逐步代替采用傳統(tǒng)射頻T/R組件的有源相控陣?yán)走_(dá)，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?.概述五、數(shù)字陣列雷達(dá)1.主要組成數(shù)字陣列雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖7.46所示,主要由數(shù)字T/R組件、數(shù)字波束形成(DBF)、信號處理器、控制處理器和基準(zhǔn)時鐘等部分組成。2.數(shù)字陣列雷達(dá)的組成和工作原理五、數(shù)字陣列雷達(dá)2.DAR的DBF概念圖7.47示出了DAR的DBF概念示意圖。圖7.47(a)為幾種潛在的收、發(fā)波束的DBF模式；圖7.47(b)示出了將陣元合成為若干子陣實現(xiàn)模擬波束形成，然后將每一子陣輸出的I、Q數(shù)字信號進(jìn)行復(fù)加權(quán)再求和，從而實現(xiàn)數(shù)字波束形成。2.數(shù)字陣列雷達(dá)的組成和工作原理五、數(shù)字陣列雷達(dá)3.數(shù)字T/R組件的組成和特點1.數(shù)字T/R組件及其工作原理數(shù)子式TR組件可以看成是一種視頻T/R組件。視頻TR組件可分為兩種：第一種T/R組件發(fā)射支路的輸入信號為射頻信號，接收支路的輸出信號，即接收機(jī)輸出端輸出為正交雙通道數(shù)字信號；第二種TR組件中發(fā)射支路輸入信號和接收支路輸出信號均為數(shù)字化的視頻信號。上述第二種視頻T/R組件因發(fā)射通道的輸入信號和接收通道的輸出信號均為數(shù)字量化的視頻信號，故可稱為數(shù)字式T/R組件。一種比較典型的基于DDS的數(shù)字式T/R組件的工作原理如圖7.48所示。五、數(shù)字陣列雷達(dá)2.數(shù)字T/R組件的特點（1）發(fā)射激勵信號與接收本振信號均以數(shù)字方式產(chǎn)生。（2）易于產(chǎn)生復(fù)雜的信號波形。（3）通過改變加到DDS中相位累加器的數(shù)字控制碼可以實現(xiàn)移相器和衰減器的功能，因此在T/R組件發(fā)射與接收支路的射頻部分不再需要模擬移相器和衰減器。（4）這種TR組件可集波形變化和波束變化于一身，具有良好的可重復(fù)性和可靠性。3.數(shù)字T/R組件的組成和特點五、數(shù)字陣列雷達(dá)用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)波束形成，稱為數(shù)字波束形成(DBF)。圖7.50示出了數(shù)字波束形成的原理框圖。前面講述的數(shù)字波束形成，實際上是在接收狀態(tài)下的數(shù)字波束形成，通常簡稱為接收數(shù)字波束形成。4.接收數(shù)字波束形成五、數(shù)字陣列雷達(dá)在數(shù)字陣列雷達(dá)中，發(fā)射數(shù)字波束形成是將傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射波束形成所需的幅度加權(quán)和移相器從射頻部分轉(zhuǎn)移到數(shù)字部分來實現(xiàn)，從而形成發(fā)射波束。從圖7.52可見，視頻控制信號分配系統(tǒng)是一個數(shù)字總線系統(tǒng)。其信號波形的產(chǎn)生和波束形成的控制信號以及時鐘頻率分別要傳送至每一個天線單元的數(shù)字T/R模塊的DDS的各相關(guān)輸入端。5.發(fā)射數(shù)字波束形成06三坐標(biāo)雷達(dá)PARTSIX六、三坐標(biāo)雷達(dá)

1.三坐標(biāo)雷達(dá)的數(shù)據(jù)率六、三坐標(biāo)雷達(dá)通常的三坐標(biāo)雷達(dá)采用在方位角上機(jī)械掃描以測定目標(biāo)的距離和方位角，在方位上機(jī)械慢掃的同時在仰角方向波束用電掃描進(jìn)行快速掃描以測定仰角。針狀波束在仰角的快掃可以采用相位掃描的辦法，也就是對陣天線每行陣元饋電輸出端的移相器進(jìn)行電控。2.單波束三坐標(biāo)雷達(dá)六、三坐標(biāo)雷達(dá)1.偏焦多波束三坐標(biāo)雷達(dá)圖7.59所示稱為偏焦多波束三坐標(biāo)雷達(dá)，天線的饋源為多個喇叭，在拋物面反射體的焦平面上垂直排列，由于各喇叭相繼偏離焦點，故在仰角平面上可以形成彼此部分重疊的多個波束。2．脈內(nèi)頻掃系統(tǒng)根據(jù)前面討論的頻率掃描原理，對于一個頻率掃描天線陣列，若激勵信號的頻率不同，則其波