利用多个天线所接收回波之间的相位差进行测角课件

第七章角度测量第七章角度测量第七章角度测量主要内容主要内容测角物理基础测角方法天线波束扫描方法自动测角主要内容测角物理基础主要内容测角物理基础角度测量 任务任务:测定目标的角坐标，包括方位角和俯仰角。物理基础：物理基础：电波直线传播天线的方向性角度测量角度测量 任务任务:物理基础：物理基础：l l天线的方向图特点特点特点特点l l极值性极值性l l对称性对称性l l单调性（主瓣内）单调性（主瓣内）l l天线的方向图技术指标技术指标技术指标技术指标l l半功率波束宽度半功率波束宽度l l副瓣电平副瓣电平天线的方向图特点天线的方向图特点测角方法方法：方法：l l振幅法l l相位法技术指标：技术指标：uu测角范围uu测角精度uu分辨力测角方法方法：测角方法方法：相位法测角基本原理基本原理波程差：波程差：两天线基线长度两天线基线长度d,d,目标方位角目标方位角，发射发射信号信号两天线回波信号两天线回波信号相位差：相位差：利用多个天线所接收回波之间利用多个天线所接收回波之间利用多个天线所接收回波之间利用多个天线所接收回波之间的相位差进行测角。的相位差进行测角。的相位差进行测角。的相位差进行测角。相位法测角基本原理波程差：两天线基线长度相位法测角基本原理波程差：两天线基线长度d,目标方位角目标方位角，相位法测角系统组成系统组成由于在较低频率上容易实现比由于在较低频率上容易实现比相相,故通常将两天线收到的高故通常将两天线收到的高频信号经与同一本振信号差频频信号经与同一本振信号差频后后,在中频进行比相。在中频进行比相。u u1 1=U U1 1 cos(cos(t-t-)u u2 2=U U2 2cos(cos(tt)u uI1I1=U UI1I1coscos(-L L)t t-L L u uI2I2=U UI2I2coscos(-L L)t t-L L u uL L=U UL Lcos(cos(L Lt t+L L)相位法测角系统组成由于在较低频率上容易实现比相相位法测角系统组成由于在较低频率上容易实现比相,故通常将两故通常将两相位法测角相位检波器相位检波器u u1 1=U U1 1cos(cos(t-t-)u u2 2=U U2 2cos(cos(tt-90)-90)输入信号当选取U2U1时相位法测角相位检波器相位法测角相位检波器u1=U1cos(t-)输入信号当输入信号当相位法测角相位检波器输出电压为相位检波器输出电压为 u u1 1=U U1 1cos(cos(t-t-)u u2 2=U U2 2cos(cos(tt-90)-90)相位法测角相位检波器输出电压为相位法测角相位检波器输出电压为 u1=U1cos(t-相位法测角l当当 30,30,输出电压输出电压UUo o与与 近似为线性关系：近似为线性关系：l 单值测量范围是单值测量范围是-/2/2-/2/2相位法测角当相位法测角当30,输出电压输出电压Uo与与近似为线性关系：近似为线性关系：相位法测角测角的误差：相位差相位差 值测量不准值测量不准,将产生测角误差将产生测角误差结论：结论：l方位角越大，测角误差越大；方位角越大，测角误差越大；l基线长度越大，测角误差越小；基线长度越大，测角误差越小；多值性增大增大d d虽然可提高测角精度虽然可提高测角精度,但当但当d d加大到一定程序时加大到一定程序时,值可值可能超过能超过 2,2,此时此时=2=2NN+,其中其中NN为整数为整数;2,2,而相位计而相位计实际读数为实际读数为 值。值。相位法测角测角的误差：相位差相位法测角测角的误差：相位差值测量不准值测量不准,将产生测角误差结将产生测角误差结相位法测角多基线解决测角模糊（确定N）短基线短基线长基线长基线NN相位法测角多基线解决测角模糊（确定相位法测角多基线解决测角模糊（确定N）短基线长基线）短基线长基线N振幅法测角uu基本原理基本原理利用天线收到的回波信号的幅度值uu分类分类l l最大信号法l l等信号法振幅法测角基本原理振幅法测角基本原理最大信号法优点：简单、作用距离远缺点：测量精度不高；不能判别目标偏离波束轴线的方向,故不能用于自动测角。广泛应用于搜索、引导雷达最大信号法优点：简单、作用距离远广泛应用于搜索、引导雷达最大信号法优点：简单、作用距离远广泛应用于搜索、引导雷达等信号法测角采用两个相同且彼此部分重叠的波束，通过比较两个波束回波的强弱判断目标偏离等信号轴的方向和角度。等信号法测角采用两个相同且彼此部分重叠的波束，通过比较两个波等信号法测角采用两个相同且彼此部分重叠的波束，通过比较两个波等信号法等信号法等信号法等信号法比幅法：比幅法：根根据据比比值值的的大大小小可可以以判判断断目目标标偏偏离离 0 0的的方方向向,查查找找预预先制定的表格就可估计出目标偏离先制定的表格就可估计出目标偏离 0 0的数值。的数值。等信号法比幅法：根据比值的大小可以判断目标偏离等信号法比幅法：根据比值的大小可以判断目标偏离0的方向的方向,和差法：和差法：+-等信号法和差法：和差法：+-等信号法等信号法优点：优点：(1)(1)测量精度高，测量精度高，因为等信号轴附近方向图斜因为等信号轴附近方向图斜率较大率较大,目标略微偏离等信号轴时目标略微偏离等信号轴时,两信号强度变两信号强度变化较显著。化较显著。比最大信号法高约一个量级。比最大信号法高约一个量级。(2)(2)根根据两个波束收到的信号的强弱可判别目标偏离等信据两个波束收到的信号的强弱可判别目标偏离等信号轴的方向号轴的方向,便于自动测角。便于自动测角。缺点缺点：(1)(1)系统复杂；系统复杂；(2)(2)等信号轴方向不是方向图等信号轴方向不是方向图的最大值方向的最大值方向,故在发射功率相同的条件下故在发射功率相同的条件下,作用作用距离比最大信号法小些。距离比最大信号法小些。等信号法等信号法常用来进行自动测角等信号法常用来进行自动测角等信号法常用来进行自动测角等信号法常用来进行自动测角,应用于跟踪雷达中。应用于跟踪雷达中。应用于跟踪雷达中。应用于跟踪雷达中。优点：优点：(1)测量精度高，因为等信号轴附近方向图斜率较大测量精度高，因为等信号轴附近方向图斜率较大,天线波束扫描l l 波束形状波束形状l l 扇形波束l l 针状波束l l 波束扫描方式波束扫描方式 机械扫描 电扫描天线波束扫描天线波束扫描 波束形状波束形状波束形状扇形波束 一维窄波束，一维宽波束 圆周扫描、扇形扫描扇形波束通常在水平面内很窄扇形波束通常在水平面内很窄,故方位角有较高的测角精度和分故方位角有较高的测角精度和分辨力。辨力。垂直面内很宽垂直面内很宽,以保证以保证同时监视较大的仰角空域。同时监视较大的仰角空域。波束形状扇形波束扇形波束通常在水平面内很窄波束形状扇形波束扇形波束通常在水平面内很窄,故方位角有较高故方位角有较高针状波束 两维窄波束 螺旋扫描、分行扫描和锯齿扫描波束形状采采用用针针状状波波束束可可同同时时测测量量目目标标的的距距离离、方方位位和和仰仰角角,且且方方位位和和仰仰角角两两者者的的分分辨辨力力和和测测角角精精度度都都较较高高。主主要要缺缺点点是是因因波波束束窄窄,扫扫完完一一定定空空域域所所需需的的时时间间较较长长,即即雷雷达的搜索能力较差。达的搜索能力较差。针状波束波束形状采用针状波束可同时测量目标的距离、方位和仰角针状波束波束形状采用针状波束可同时测量目标的距离、方位和仰角天线波束的扫描方法机械性扫描机械性扫描l 馈源不动、反射体动馈源不动、反射体动l 馈源动、反射体不动馈源动、反射体不动特点：特点：简单、机械运动惯性大。简单、机械运动惯性大。扫描速度不高扫描速度不高天线波束的扫描方法机械性扫描特点：天线波束的扫描方法机械性扫描特点：电扫描l相位扫描法l频率扫描法l时间延迟法天线波束的扫描方法特点：l 无惯性限制、扫描速度快，波束控制灵活；l 扫描过程中波束展宽，天线增益减小，扫描角度范围有限；l 天线系统复杂。电扫描相位扫描法天线波束的扫描方法特点：电扫描相位扫描法天线波束的扫描方法特点：无惯性限制、扫描无惯性限制、扫描相位扫描法发射信号发射信号原理：在阵列天线上采用控制移相器相移量的方法改在阵列天线上采用控制移相器相移量的方法改变各阵元的激励相位，从而实现波束的电扫描。变各阵元的激励相位，从而实现波束的电扫描。相位扫描法发射信号原理：在阵列天线上采用控制移相器相移量的方相位扫描法发射信号原理：在阵列天线上采用控制移相器相移量的方相位扫描法方向图最大值指向为阵列法线方向方向图最大值指向为 方向同相波前同相波前相位扫描法方向图最大值指向为阵列法线方向方向图最大值指向为相位扫描法方向图最大值指向为阵列法线方向方向图最大值指向为 相位扫描的栅瓣问题不出现栅瓣的条件：不出现栅瓣的条件：避免测角的多值性相位扫描的栅瓣问题不出现栅瓣的条件：避免测角的多值性相位扫描的栅瓣问题不出现栅瓣的条件：避免测角的多值性相扫天线的波束宽度l l波束指向为天线阵面法线方向时的宽度相扫天线的波束宽度波束指向为天线阵面法线方向时的宽度相扫天线的波束宽度波束指向为天线阵面法线方向时的宽度相位扫描的天线波束宽度l l波束扫描时的波束宽度随着扫描角度增大，波束展宽，天线增益下降。随着扫描角度增大，波束展宽，天线增益下降。同相馈电阵列天线有效长度同相馈电阵列天线有效长度 ，相，相比法线方向减小。比法线方向减小。NdNd cos cos 0 0相位扫描的天线波束宽度波束扫描时的波束宽度随着扫描角度增大，相位扫描的天线波束宽度波束扫描时的波束宽度随着扫描角度增大，相扫天线带宽由于雷达工作频率变化会引起波束指向的变化，通常由于雷达工作频率变化会引起波束指向的变化，通常需要使需要使波束指向的变化相对于波束宽度波束指向的变化相对于波束宽度小于某一允许小于某一允许值，从而频率的变化受到限制，相应有带宽要求值，从而频率的变化受到限制，相应有带宽要求百分比带宽百分比带宽B Ba a(%)=2(%)=2(ff/f f)100)100相扫天线带宽由于雷达工作频率变化会引起波束指向的变化，通常需相扫天线带宽由于雷达工作频率变化会引起波束指向的变化，通常需l l考虑单个阵元的方向性l l等间距和等幅馈电的阵列天线副瓣较大，可采用振幅加权和“密度”加权降低副瓣电平。直线阵列的方向性图相当于等幅序列的付里叶变换，直线阵列的方向性图相当于等幅序列的付里叶变换，但数字频率变量被但数字频率变量被 代替。代替。考虑单个阵元的方向性直线阵列的方向性图相当于等幅序列的付里叶考虑单个阵元的方向性直线阵列的方向性图相当于等幅序列的付里叶相位扫描天线实例每个面阵扫每个面阵扫描描-60-60度到度到6060度整个度整个120120度度的方位范围，的方位范围，因此覆盖整因此覆盖整个空域需要个空域需要三个面阵三个面阵潜射弹道导弹预警，平均功率潜射弹道导弹预警，平均功率145KW 145KW，阵面直径，阵面直径30.6m30.6m，作用距离，作用距离4500Km4500Km。（。（8080年代）年代）美国美国AN/FPS-115AN/FPS-115“铺路爪铺路爪”相位扫描天线实例每个面阵扫描相位扫描天线实例每个面阵扫描-60度到度到60度整个度整个120度的方度的方三坐标雷达功能：能够同时、迅速、精确地测量雷达探测空域内大量目标的三个坐标值。要求：快速提供大空域多批量目标的三坐标测量数据，并具有较高的测量精度和分辨力。采用针状波束。数据率：衡量三坐标雷达获得信息速度。三坐标雷达功能：能够同时、迅速、精确地测量雷达探测空域内大量三坐标雷达功能：能够同时、迅速、精确地测量雷达探测空域内大量 单位时间内雷达对指定探测空域内任一目标所能提供数据的次数。或者是雷达对指定空域探测一次所需要时间的倒数。数据率定义 单位时间内雷达对指定探测空域内任一目标所单位时间内雷达对指定探测空域内任一目标所l l自动测角自动测角自动测角自动测角 天线自动跟踪目标，并将目标的坐标数据传送给计算机处天线自动跟踪目标，并将目标的坐标数据传送给计算机处理系统。理系统。l l基本原理基本原理基本原理基本原理l l利用角误差鉴别器产生与角误差相关的误差电压，经处利用角误差鉴别器产生与角误差相关的误差电压，经处理得到误差信号，控制天线向误差减小的方向运动，对理得到误差信号，控制天线向误差减小的方向运动，对准目标。准目标。l l自动测角的原理和自动距离跟踪的原理类似，需要闭环自动测角的原理和自动距离跟踪的原理类似，需要闭环控制系统。控制系统。l l方法方法方法方法 圆锥扫描自动测角系统。（顺序波瓣法）圆锥扫描自动测角系统。（顺序波瓣法）单脉冲自动测角系统。（同时波瓣法）单脉冲自动测角系统。（同时波瓣法）自动测角原理和方法等信号法测角自动测角自动测角原理和方法等信号法测角自动测角自动测角原理和方法等信号法测角圆锥扫描自动测角系统原理：原理：输出信号近似为幅度受正弦波调制的脉冲串，输出信号近似为幅度受正弦波调制的脉冲串，其调制频率为天线的圆锥扫描频率，调制深度取决于其调制频率为天线的圆锥扫描频率，调制深度取决于目标偏离等信号轴方向的大小，而调制波的起始相位目标偏离等信号轴方向的大小，而调制波的起始相位由目标的偏离等信号轴的方向决定。由目标的偏离等信号轴的方向决定。圆锥扫描自动测角系统原理：输出信号近似为幅度受正弦波调制的脉圆锥扫描自动测角系统原理：输出信号近似为幅度受正弦波调制的脉圆锥扫描自动测角系统天线轴线对准目标对准目标，输出为一串等幅等幅脉冲。天线轴线偏离目标偏离目标方向，输出信号为一串幅度受到调制幅度受到调制的脉冲圆锥扫描自动测角系统天线轴线对准目标，输出为一串等幅脉冲。圆锥扫描自动测角系统天线轴线对准目标，输出为一串等幅脉冲。圆锥扫描自动测角系统圆锥扫描自动测角系统圆锥扫描自动测角系统利用多个天线所接收回波之间的相位差进行测角课件利用多个天线所接收回波之间的相位差进行测角课件圆锥扫描自动测角系统误差电压误差电压方位角误差电压：方位角误差电压：俯仰角误差电压：俯仰角误差电压：振幅振幅U Um m表示目标偏离等信表示目标偏离等信号轴的大小号轴的大小,而初相而初相0 0则表示目标偏离的方向则表示目标偏离的方向,例如例如,0 0=0=0 表示目标表示目标只有方位角误差。只有方位角误差。圆锥扫描自动测角系统误差电压方位角误差电压：俯仰角误差电压：圆锥扫描自动测角系统误差电压方位角误差电压：俯仰角误差电压：l l圆锥扫描雷达组成圆锥扫描雷达组成圆锥扫描雷达组成单脉冲自动测角系统l l基本原理：基本原理：雷达天线在一个角平面内有两个部分重叠的波雷达天线在一个角平面内有两个部分重叠的波束。将这两个波束同时收到的信号进行和差处理，束。将这两个波束同时收到的信号进行和差处理，分别得到和信号和差信号。差信号反映了目标角分别得到和信号和差信号。差信号反映了目标角度偏离轴线方向的程度，将该差信号通过放大变度偏离轴线方向的程度，将该差信号通过放大变换后加到驱动电机，控制天线向减小角误差的方换后加到驱动电机，控制天线向减小角误差的方向运动，实现自动角度跟踪。向运动，实现自动角度跟踪。l l分类分类 根据角误差信号的获取方式不同根据角误差信号的获取方式不同 振幅和差式单脉冲振幅和差式单脉冲 相位和差式单脉冲相位和差式单脉冲特点：速度快、精度高单脉冲自动测角系统基本原理：特点：单脉冲自动测角系统基本原理：特点：速度快、速度快、精度高精度高振幅和差式单脉冲雷达假设两个波束的方向性函数假设两个波束的方向性函数完全相同完全相同发射时采用和波束发射发射时采用和波束发射接收时两个波束分别接收接收时两个波束分别接收振幅和差式单脉冲雷达假设两个波束的方向性函数完全相同发射时采振幅和差式单脉冲雷达假设两个波束的方向性函数完全相同发射时采振幅和差式单脉冲雷达假定目标角误差为假定目标角误差为 相位检波器相位检波器振幅和差式单脉冲雷达假定目标角误差为振幅和差式单脉冲雷达假定目标角误差为相位检波器相位检波器U U=K Kd dU U cos cos 其其中中，UU E E,为为中中频频差差信信号号振振幅幅;为为和和、差差信号之间的相位差信号之间的相位差,这里这里=0=0 或或=,=,因此因此 =0=0 =将和、差信号通过各自的接收通道,经变频中放后一起加到相位检波器上进行相位检波,其中和信号为基准信号。相位检波器输出为 U=KdUcos 其中，其中，U E,为中频差信号振幅为中频差信号振幅振幅和差式单脉冲雷达单平面振幅和差单脉冲雷达简化方框图单平面振幅和差单脉冲雷达简化方框图 振幅和差式单脉冲雷达单平面振幅和差单脉冲雷达简化方框图振幅和差式单脉冲雷达单平面振幅和差单脉冲雷达简化方框图 圆锥扫描系统与单脉冲系统的比较单脉冲雷达比圆锥扫描雷达的角跟踪精度高。单脉冲雷达在增益利用方面比圆锥扫描雷达好。单脉冲雷达角信息的数据率比圆锥扫描雷达高。单脉冲雷达具有抗干扰能力。单脉冲雷达在结构和技术上复杂。圆锥扫描系统与单脉冲系统的比较单脉冲雷达比圆锥扫描雷达的角跟圆锥扫描系统与单脉冲系统的比较单脉冲雷达比圆锥扫描雷达的角跟作业1、雷达测角的物理基础是什么？2、测角的方法可以分为哪两种？3、雷达天线波束扫描的方法有哪些，各有什 么优缺点？作业作业1、雷达测角的物理基础是什么？、雷达测角的物理基础是什么？