雷达跟踪测角技术的研究

雷达跟踪测角技术的研究

——单脉冲跟踪测角的原理及仿真1.引言

雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性。为了快速地提供目标的精确值，要采用自动测角的方法。当目标方向偏离天线轴线(即出现了误差角{ EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT | )时，就能产生一误差电压，误差电压的大小正比于误差角，其极性随偏离方向不同而改变。此误差电压经跟踪系统变换、放大、处理后，控制天线向减小误差角的方向运动，使天线轴线对准目标。本文主要研究单脉冲雷达角度跟踪的原理及仿真，单脉冲测角获得目标信息的时间可以很短，理论上只需要分析一个回波脉冲就可以确定角误差，可以获得比圆锥扫描高很多的精度。

2.单脉冲雷达角跟踪系统的组成及基本工作原理

2.1单脉冲雷达角跟踪系统的基本组成

单脉冲雷达角跟踪系统一般由扫描天线以及信号变换(混频、中放等)、相位检波和伺服系统组成，其系统的组成如图l所示。其中和差网络完成和、差处理，形成和差波束。信号变换用以变换信号参数之间的相位关系。相位检波形成角跟踪误差信号。伺服系统根据角跟踪误差信号控制天线的转动。

基本工作原理为：天线接收到的回波信号经“和差网络”后形成包含目标角误差信号的高频信号，经“信号变换”(包括混频、中放等)后送至“相位检波”电路，检出角误差信号。最后，伺服系统控制天线转动，直到角误差为0(天线电轴对准目标)。

图1 角度跟踪系统组成框图

2.2和差网络

2.2.1和差比较器

和差比较器是单脉冲雷达的重要关键部件，它完成和、差处理，形成和、差波束。和差比较器用得较多的是双T接头，如图2(a)所示。它有4个端口Σ(和)端、Δ(差)端、1端和2端。假定4个端都是匹配的，则从Σ端输人信号时，1、2端使输出等幅同相信号，Δ(差)无输出：若从1、2端输人同相信号时，则Δ(差)端输出两者的差信号，Σ端输出和信号。

图2 双T接头及和差比较器示意图

和差比较器的示意图如图2(b)所示，1到Σ与2到Σ均要经过／4，因此在Σ端同相相加：而l端到△端经过／4，2端到凸端经过3/4，两者相差/2，因此在△端反相相加。和差比较器的1、2端与形成两个波束的两相邻馈源1、2相连。发射时，从发射机来的信号加到和差比较器的Σ端，故1、2端输出等幅同相信号，两个馈源被同相激励，并辐射出相同的功率，结果两波束在空间各点产生的场强同

相相加，形成发射和波束。

2.2.2和、差波束

雷达天线在一个角平面内有两个部分重叠的波束。振幅和差单脉冲雷达取得角误差信号的基本方法是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、差信号。图3(b)和(c)所示为与和、差信号相对应的和、差波束。

差波束用于测角，和波束用于发射、观察和测距，和波束信号还用作相位比较的基准。

图3 和、差波束

2.3相位检波器和角误差信号的变换

和差比较器△端输出的高频角误差信号还不能直接来控制天线跟踪目标，必须把它转换成直流误差电压，其大小应与高频角误差信号的振幅成比例,极性由高频角误差信号的相位来决定。这一变换由相位检波器来完成，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。差波束用于测角，和波束用于发射、观察和测距，和信号作为相位检波器的基准信号。

在和差比较器的和端，完成两信号的同相相加，输出和信号。设和信号为,其振幅为两信号振幅之和。假定两个波束的方向性函数完全相同，设为，两波束接收到的信号电压振幅为，且到达和差比较器端时保持不变，两波束相对天线轴线的偏角为，则对于方向的目标，和信号的振幅表达式如下：

式中,=为接收和束方向性函数，与发射和波束的方向性函数完全相同。

在和差比较器的差端，两信号反相相加, 输出差信号，设为。若到达端的两信号用表示，它们的振幅仍为，相位相反, 则差信号的振幅为：

式中=。

现假定目标的误差角为，则差信号振幅为，在跟踪状态，很小，将展开成泰勒级数并忽略高次项, 则：

因很小，上式中。

由上式可知，在一定的误差范围内，差信号的振幅与误差角成正比,相位与中的强者相同。由于在端相位相反，故目标偏向不同，的相位差180°。因此，端输出差信号的振幅大小表明目标误差角的大小，其相位则表示目标偏离天轴线的方向。

图4 角鉴别特性曲线

3.实验仿真

和差器前面两个输入信号的高频相移和幅度不平衡，和差器后面和差通道引入的中频相移和中频幅度不平衡，导致和、差双通道幅相特性不一致，从而造成测角误差。在下面的仿真中，不考虑和差通道幅度相位完全相同,利用matlab 编写程序仿真得到角鉴频特性曲线,u为定向斜率：

%matlab程序

k=0.730;

d=0.160;

k_pd=1;

A=1;

labda=2*pi/k;

theta_3db=1.2*labda/d;%天线波束宽度

theta_s=theta_3db/3;%相对等场强方向的波束倾斜角

theta_t=-2*theta_3db:0.2:2*theta_3db;

fi=k*d*sin(theta_t);

%g=0.5*sin(k*0.5*d.*theta)/(k*0.5*d.*theta);%天线方向图

g1=0.5*sin(k*0.5*d*(theta_s-theta_t))./(k*0.5*d*(theta_s-theta_t));

g2=0.5*sin(k*0.5*d*(theta_s+theta_t))./(k*0.5*d*(theta_s+ theta_t));

u=3;

ess=u^2*k_pd*(g1.^2-g2.^2)./((1+u*(g1+g2)).^2);%差信号

plot(theta_t/theta_3db,ess,'r-')

grid on

hold on

u=8;

ess=u^2*k_pd*(g1.^2-g2.^2)./((1+u*(g1+g2)).^2); plot(theta_t/theta_3db,ess)

axis([-1.1 1.1 -1 1]);

局部放大图