利用多个天线所接收回波之间的相位差进行测角课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章,角度测量,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,角度测量,任务,:,测定目标的角坐标，包括方位角和俯仰角。,物理基础：,电波直线传播,天线的方向性,天线的方向图,特点,极值性,对称性,单调性（主瓣内）,天线的方向图,技术指标,半功率波束宽度,副瓣电平,测角方法,方法：,振幅法,相位法,技术指标：,测角范围,测角精度,分辨力,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,，,发射,信号,两天线回波信号,相位差：,利用多个天线所接收回波之间的相位差进行测角。,相位法测角,系统组成,由于在较低频率上容易实现比相,故通常将两天线收到的高频信号经与同一本振信号差频后,在中频进行比相。,u,1,=,U,1,cos(,t-,),u,2,=,U,2,cos(,t,),u,I1,=,U,I1,cos,(,-,L,),t,-,-,L,u,I2,=,U,I2,cos,(,-,L,),t,-,L,u,L,=,U,L,cos(,L,t,+,L,),相位法测角,相位检波器,u,1,=,U,1,cos(,t-,),u,2,=,U,2,cos(,t,-90),输入信号,当选取,U,2,U,1,时,相位法测角,相位检波器输出电压为,u,1,=,U,1,cos(,t-,),u,2,=,U,2,cos(,t,-90),相位法测角,当,30,输出电压,U,o,与,近似为线性关系：,单值测量范围是,-/2/2,相位法测角,测角的误差：,相位差,值测量不准,将产生测角误差,结论：,方位角越大，测角误差越大；,基线长度越大，测角误差越小；,多值性,增大,d,虽然可提高测角精度,但当,d,加大到一定程序时,值可能超过,2,此时,=2,N,+,其中,N,为整数,;,2,而相位计实际读数为,值。,相位法测角,多基线解决测角模糊（确定,N,）,短基线,长基线,N,振幅法测角,基本原理,利用天线收到的回波信号的幅度值,分类,最大信号法,等信号法,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,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,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,查找预先制定的表格就可估计出目标偏离,0,的数值。,和差法：,+,-,等信号法,优点：,(1),测量精度高，,因为等信号轴附近方向图斜率较大,目标略微偏离等信号轴时,两信号强度变化较显著。比最大信号法高约一个量级。,(2),根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,便于自动测角。,缺点,：,(1),系统复杂；,(2),等信号轴方向不是方向图的最大值方向,故在发射功率相同的条件下,作用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,应用于跟踪雷达中。,天线波束扫描,波束形状,扇形波束,针状波束,波束扫描方式,机械扫描,电扫描,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,故方位角有较高的测角精度和分辨力。垂直面内很宽,以保证同时监视较大的仰角空域。,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,采用针状波束可同时测量目标的距离、方位和仰角,且方位和仰角两者的分辨力和测角精度都较高。主要缺点是因波束窄,扫完一定空域所需的时间较长,即雷达的搜索能力较差。,天线波束的扫描方法,机械性扫描,馈源不动、反射体动,馈源动、反射体不动,特点：,简单、机械运动惯性大。扫描速度不高,电扫描,相位扫描法,频率扫描法,时间延迟法,天线波束的扫描方法,特点：,无惯性限制、扫描速度快,，,波束控制灵活；,扫描过程中波束展宽,，,天线增益减小，扫描角度范围有限；,天线系统复杂。,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法改变各阵元的激励相位，从而实现波束的电扫描。,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,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,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,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。,同相馈电阵列天线有效长度 ，相比法线方向减小。,Nd,cos,0,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，通常需要使,波束指向的变化相对于波束宽度,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,百分比带宽,B,a,(%)=2(,f,/,f,)100,考虑单个阵元的方向性,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，,但数字频率变量被 代替。,相位扫描天线实例,每个面阵扫描,-60,度到,60,度整个,120,度的方位范围，因此覆盖整个空域需要三个面阵,潜射弹道导弹预警，平均功率,145KW,，阵面直径,30.6m,，作用距离,4500Km,。（,80,年代）,美国,AN/FPS-115,“,铺路爪,”,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。,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,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理系统。,基本原理,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，对准目标。,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。,方法,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）,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：,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。,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。,天线轴线,偏离目标,方向，输出信号为一串,幅度受到调制,的脉冲,圆锥扫描自动测角系统,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：,振幅,U,m,表示目标偏离等信号轴的大小,而初相,0,则表示目标偏离的方向,例如,0,=0,表示目标只有方位角误差。,圆锥扫描雷达组成,单脉冲自动测角系统,基本原理：,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，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。,分类,根据角误差信号的获取方式不同,振幅和差式单脉冲,相位和差式单脉冲,特点：速度快、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完全相同,发射时采用和波束发射,接收时两个波束分别接收,振幅和差式单脉冲雷达,假定目标角误差为,相位检波器,U,=,K,d,U,cos,其中，,U,E,为中频差信号振幅,;,为和、差信号之间的相位差,这里,=0,或,=,因此,=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,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。,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？,