通信工程畢業(yè)論文—基于matlab的和差脈沖測(cè)角的研究和仿真（含外文翻譯）

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　測(cè)角即是測(cè)定目標(biāo)的俯仰角和方位角，它是目標(biāo)定向、精確制導(dǎo)的重要組成部分。和差單脈沖測(cè)角由于其快速性、精確性而獲得了廣泛應(yīng)用。運(yùn)用信號(hào)處理理論與MATLAB仿真軟件相結(jié)合的思想進(jìn)行測(cè)角仿真，不僅能夠提供方便快捷的運(yùn)算，還能獲得很好的精確度。</p><p>　　本文首先建立了仿真信號(hào)模型，分析了天線方向圖

2、，仿真得到了二維和三維的天線和差波束方向圖；其次對(duì)幾種常見的測(cè)角方法、單脈沖系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式進(jìn)行了介紹；最后綜合前幾章的內(nèi)容，在不同環(huán)境條件下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試分析。得到了目標(biāo)的角度誤差曲線。</p><p>　　關(guān)鍵詞：和差波束，測(cè)角，雷達(dá)信號(hào)，天線方向圖</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Angle me

3、asurement is to measure the azimuth and elevation angle of the detected targets, it’s a crucial part of target direction-finding and precision guiding. Sum and difference monopulse radar is widely used for its short info

4、rmation acquisition time and high angle measurement precision. The combination of signal processing theory and MATLAB simulation software can produce efficient operation as well as good accuracy.</p><p>　　Fi

5、rstly, this dissertation studies the model of signal environment, analyzes the radar antenna model, and simulates the 2-D and 3-D sum and difference antenna patterns. Secondly, several commonly used target angle-tracking

6、 methods as well as realization of monopulse system is introduced. Finally, tests are carried out on the system in presence of different errors and error curve is obtained.</p><p>　　Keywords: sum and differe

7、nce beam, angle measurement, radar signal,antenna pattern</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 引言1</b></p><p><b>　　1.1課題背景1</b></p><p&

8、gt;　　1.2 MATLAB在信號(hào)處理中的應(yīng)用1</p><p>　　1.3 主要工作及章節(jié)安排2</p><p>　　第二章 信號(hào)環(huán)境的建模與仿真3</p><p>　　2.1 角度測(cè)量處理模型3</p><p>　　2.2 常用雷達(dá)信號(hào)3</p><p>　　2.2.1 線性調(diào)頻信號(hào)3</p&g

9、t;<p>　　2.2.2 相位編碼信號(hào)5</p><p>　　2.3 回波信號(hào)6</p><p>　　2.4 噪聲及雜波信號(hào)8</p><p>　　2.4.1 雷達(dá)目標(biāo)噪聲9</p><p>　　2.4.1.1 幅度噪聲9</p><p>　　2.4.1.2 角噪聲9</p>

10、<p>　　2.4.1.3 距離噪聲9</p><p>　　2.4.2 發(fā)射和接收噪聲10</p><p>　　2.4.2.1 發(fā)射機(jī)噪聲10</p><p>　　2.4.2.2 接收機(jī)噪聲10</p><p>　　2.4.3 雜波及干擾信號(hào)10</p><p>　　2.4.3.1 雜波信號(hào)10&

11、lt;/p><p>　　2.4.3.2 干擾信號(hào)10</p><p>　　2.5 本章小結(jié)11</p><p>　　第三章 雷達(dá)天線13</p><p>　　3.1 天線參數(shù)13</p><p>　　3.1.1 方向性增益13</p><p>　　3.1.2 功率增益13</p&g

12、t;<p>　　3.1.3 天線輻射方向圖14</p><p>　　3.2天線方向圖數(shù)學(xué)模型14</p><p>　　3.3 天線和差波束方向圖16</p><p>　　3.3.1 和波束性能16</p><p>　　3.3.2 差波束性能17</p><p>　　3.4 三維天線建模18&l

13、t;/p><p>　　3.5 本章小結(jié)22</p><p>　　第四章 測(cè)角方法及其比較23</p><p>　　4.1相位法測(cè)角23</p><p>　　4.1.1 基本原理23</p><p>　　4.2振幅法測(cè)角27</p><p>　　4.2.1 最大信號(hào)法28</p&g

14、t;<p>　　4.2.2 等信號(hào)法30</p><p>　　4.3 和差脈沖測(cè)角33</p><p>　　4.3.1基本原理33</p><p>　　4.3.2 單平面振幅和差單脈沖測(cè)角36</p><p>　　4.3.3 雙平面振幅和差單脈沖測(cè)角37</p><p>　　4.4 本章小結(jié)

15、37</p><p>　　第五章 仿真測(cè)角系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試38</p><p>　　5.1 角度敏感器和角信息變換器38</p><p>　　5.1.1幅度敏感系統(tǒng)38</p><p>　　5.1.2.相位敏感系統(tǒng)39</p><p>　　5.1.3幅相組合敏感系統(tǒng)40</p><p>

16、　　5.2 角信息變換器40</p><p>　　5.3 角度鑒別器40</p><p>　　5.4 基本實(shí)現(xiàn)形式41</p><p>　　5.4.1 幅度—幅度單脈沖系統(tǒng)41</p><p>　　5.4.2 和差單脈沖系統(tǒng)41</p><p>　　5.5單脈沖系統(tǒng)的變化實(shí)現(xiàn)形式42</p>

17、<p>　　5.5.1 誤差通道合并雙路單脈沖系統(tǒng)43</p><p>　　5.5.2 和差通道合并雙路單脈沖系統(tǒng)43</p><p>　　5.5.3 幅相組合雙通道單脈沖系統(tǒng)43</p><p>　　5.6 解角誤差44</p><p>　　5.7 仿真系統(tǒng)功能概述47</p><p>　　5.7

18、.1 仿真場(chǎng)景設(shè)定子系統(tǒng)47</p><p>　　5.7.2 仿真數(shù)據(jù)獲取及分析子系統(tǒng)49</p><p>　　5.8 仿真測(cè)角系統(tǒng)的測(cè)試49</p><p>　　5.8.1 仿真參數(shù)設(shè)置50</p><p>　　5.8.2 仿真結(jié)果51</p><p>　　5.8.3 仿真結(jié)果分析52</p>

19、<p>　　5.9 本章小結(jié)55</p><p>　　第六章 全文總結(jié)56</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)57</b></p><p><b>　　致謝58</b></p><p><b>　　外文資料原文59</b></p><

20、;p><b>　　外文資料譯文69</b></p><p><b>　　第一章 引言</b></p><p><b>　　1.1課題背景</b></p><p>　　對(duì)目標(biāo)的定向，是雷達(dá)的主要任務(wù)之一，單脈沖定向是雷達(dá)定向的一個(gè)重要方法。之所以叫“單脈沖”，是因?yàn)檫@種方法只需要一個(gè)目標(biāo)回波脈

21、沖，就可以給出目標(biāo)角位置的全部信息[1]。單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中，目標(biāo)的角位置信息是將回波信號(hào)加以成對(duì)比較得到的，在進(jìn)行這種比較時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓只取決于信號(hào)的到達(dá)角。單脈沖探測(cè)技術(shù)的作用就是首先選擇一個(gè)具體的目標(biāo)，然后在角度、距離，有時(shí)還在頻率（或者速度）坐標(biāo)上跟隨目標(biāo)的路線。其中角度跟蹤也即測(cè)角就是測(cè)定目標(biāo)的方位角和俯仰角。單脈沖測(cè)角的基本原理是運(yùn)用指向目標(biāo)（或發(fā)射機(jī)）的有方向性的天線波束，測(cè)量接收信號(hào)的到達(dá)角。為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，天線必須有

22、這樣的特性：它能測(cè)量指向誤差，并將該指向誤差作為適用于控制天線位置的信號(hào)。</p><p>　　單脈沖測(cè)角屬于同時(shí)波瓣測(cè)角。在一個(gè)平面內(nèi)，兩個(gè)相同的波束部分重疊，其交疊方向即為等信號(hào)軸。將這兩個(gè)波束同時(shí)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行和差處理，就可取得目標(biāo)在這個(gè)平面上的角誤差信號(hào)，然后將此誤差電壓放大變換加到驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制天線向減小誤差的方向運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閮蓚€(gè)波束同時(shí)接收回波，故單脈沖測(cè)角獲得目標(biāo)角誤差信息的時(shí)間可以很短，理論上

23、只需分析一個(gè)回波脈沖就可以確定角誤差。為了能夠在兩個(gè)正交的角坐標(biāo)上得到單脈沖角度偏離估計(jì)值并進(jìn)行角度跟蹤，基本的單脈沖必須有三個(gè)通道，且通道之間都需要保持良好的幅度和相位響應(yīng)的一致性。單脈沖技術(shù)由于其良好的測(cè)角、角跟蹤性能和抗干擾能力，因此除了在跟蹤雷達(dá)中應(yīng)用之外，還廣泛應(yīng)用到各種武器平臺(tái)的控制雷達(dá)當(dāng)中。</p><p>　　1.2 MATLAB在信號(hào)處理中的應(yīng)用</p><p>　　現(xiàn)代

24、雷達(dá)系統(tǒng)日益變得復(fù)雜，難以用簡(jiǎn)單直觀的分析方法進(jìn)行處理，往往需要借助計(jì)算機(jī)來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能和性能的仿真。利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)仿真具有方便、靈活以及經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。而MATLAB提供了強(qiáng)大的仿真平臺(tái)，可以為大多數(shù)仿真系統(tǒng)提供方便快捷的運(yùn)算。根據(jù)雷達(dá)信號(hào)處理的主要方式，運(yùn)用信號(hào)處理理論與MATLAB仿真軟件相結(jié)合的思想，可以確定仿真模型[2]。該模型應(yīng)該具有將包含雜波的信號(hào)輸入信號(hào)處理機(jī)的動(dòng)態(tài)處理過(guò)程。利用MATLAB的仿真平臺(tái)，能夠方

25、便的產(chǎn)生所需類型的回波信號(hào)，以及信號(hào)與各類干擾、噪聲的組合；能夠方便的進(jìn)行信號(hào)處理，消除不需要的信號(hào)及干擾，提取或加強(qiáng)由目標(biāo)所產(chǎn)生的回波信號(hào)。</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，在MATLAB上進(jìn)行系統(tǒng)仿真應(yīng)該有如下步驟[3]：</p><p>　　首先確定研究的對(duì)象及要解決的問(wèn)題，然后根據(jù)要解決的問(wèn)題提出系統(tǒng)仿真所要達(dá)到的目的和要求。</p><p>　　根據(jù)所研究的

26、問(wèn)題和目的，確定合理的系統(tǒng)模型，并給出數(shù)學(xué)表達(dá)式，這也是仿真成敗的關(guān)鍵。一般要求模型盡量簡(jiǎn)單，但又要與原型保持一致。</p><p>　　確定具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、描述方法、參數(shù)。</p><p>　　確定仿真次數(shù)，打印仿真結(jié)果或直接繪制出曲線。</p><p>　　最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析、判斷，看是否達(dá)到仿真目的和要求。</p><p>　　1.3

27、主要工作及章節(jié)安排</p><p>　　本文主要是在MATLAB下進(jìn)行和差脈沖測(cè)角的研究和仿真，研究和仿真的內(nèi)容主要有：雷達(dá)信號(hào)、天線、各種測(cè)角方法及其比較，并且著重對(duì)比幅和差單脈沖測(cè)角進(jìn)行了仿真。</p><p>　　各章節(jié)大致安排如下：</p><p>　　第一章，簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)下最為常見的單脈沖探測(cè)技術(shù)，并對(duì)MATLAB在系統(tǒng)仿真及信號(hào)處理方面的作用進(jìn)行了介紹。

28、</p><p>　　第二章，提出了具體的角度處理模型，對(duì)雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)、目標(biāo)回波信號(hào)、以及在噪聲存在條件下的回波信號(hào)進(jìn)行了建模和仿真。</p><p>　　第三章，對(duì)天線方向圖進(jìn)行了介紹，介紹了三種天線方向圖函數(shù)模型，仿真了二維和三維天線方向圖及和差波束方向圖。</p><p>　　第四章，對(duì)常用的測(cè)角方法進(jìn)行了介紹及對(duì)比。</p><p>

29、;　　第五章，對(duì)單脈沖系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)形式進(jìn)行介紹、對(duì)比。重點(diǎn)仿真了和差比幅測(cè)角，建立了具體仿真系統(tǒng)，并對(duì)在不同信噪比條件下仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。</p><p>　　第二章 信號(hào)環(huán)境的建模與仿真</p><p>　　現(xiàn)代雷達(dá)的體制多種多樣，根據(jù)雷達(dá)體制的不同，可以選用各種各樣的信號(hào)形式，雷達(dá)信號(hào)形式的不同，對(duì)發(fā)射機(jī)和射頻部分和調(diào)制器的要求也不同。對(duì)于常規(guī)雷達(dá)的簡(jiǎn)單脈沖波形而言，調(diào)制器主要滿足

30、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率和脈沖波形（脈沖上升沿、下降沿、和頂部的不穩(wěn)定）的要求，一般困難不大，但對(duì)于復(fù)雜調(diào)制、射頻放大器、調(diào)制器往往要用一些特殊措施才能滿足。</p><p>　　2.1 角度測(cè)量處理模型</p><p>　　目標(biāo)角度測(cè)量的基本處理流程框圖如圖2-1。其處理的基本原理是：發(fā)射機(jī)產(chǎn)生電磁信號(hào)（如正弦波短脈沖），經(jīng)由天線調(diào)制，輻射到空中。發(fā)射信號(hào)的一部分被目標(biāo)攔截并向許多方向再輻

31、射。向后再輻射回到雷達(dá)的信號(hào)被雷達(dá)天線采集，并送到接收機(jī)，在接收機(jī)中，該信號(hào)被處理以檢測(cè)目標(biāo)的存在并且確定其位置。</p><p>　　2.2 常用雷達(dá)信號(hào)[4][5][6]</p><p>　　2.2.1 線性調(diào)頻信號(hào)</p><p>　　線性調(diào)頻信號(hào)也稱為chirp信號(hào)，它是通過(guò)對(duì)載波進(jìn)行線性頻率調(diào)制而得到的。調(diào)頻信號(hào)的頻率變化規(guī)律可以是單調(diào)增加的，也可以是單調(diào)

32、減小的，還可以是按V字型變化的。 圖2-1</p><p>　　線性調(diào)頻矩形脈沖信號(hào)的復(fù)數(shù)表達(dá)式可以寫成</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>

33、;<b>　　(2-2)</b></p><p>　　為信號(hào)的復(fù)包絡(luò)信號(hào)，T為脈沖寬度。且</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　信號(hào)的瞬時(shí)頻率可以寫成</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　其

34、中K=B/T為頻率變化斜率，當(dāng)k大于零時(shí)，表示頻率遞增，當(dāng)k<0時(shí)，表示頻率遞減。B為頻率變化范圍，簡(jiǎn)稱頻偏，f0表示時(shí)間為零時(shí)的頻率。</p><p>　　常見的線性調(diào)頻信號(hào)的應(yīng)用包括聲納、雷達(dá)、多普勒效應(yīng)。為了能夠測(cè)量長(zhǎng)距離又保留時(shí)間的分辨率，雷達(dá)需要短時(shí)間的派沖波但是又要持續(xù)的發(fā)射信號(hào)，線性調(diào)頻信號(hào)可以同時(shí)保留連續(xù)信號(hào)和脈沖的特性，因此被應(yīng)用在雷達(dá)和聲納上。如圖2-2及圖2-3為其實(shí)部及其虛部圖像，線

35、性調(diào)頻信號(hào)具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　具有近似矩形的幅頻特性，時(shí)寬帶寬積D=BT值越大，其幅頻特性越接近矩形，頻譜寬度近似等于信號(hào)的調(diào)制頻偏B。</p><p>　　具有平方率的相頻特性，它是設(shè)計(jì)匹配濾波器時(shí)主要考慮的部分。</p><p>　　具有可選擇的時(shí)寬帶寬積。普通脈沖雷達(dá)產(chǎn)生的是單一載頻脈沖信號(hào)，它的時(shí)</p><p>　　

36、圖2-2 線性調(diào)頻信號(hào)I路</p><p>　　圖2-3 線性調(diào)頻信號(hào)Ｑ路</p><p>　　寬帶寬積是固定的，約為1，而線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的B和T都容易做的很寬。目前，線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達(dá)D值可以達(dá)到幾百、幾千甚至幾萬(wàn)。</p><p>　　具有多普勒不變性，也就是說(shuō)，它的匹配濾波器對(duì)回波信號(hào)的多普勒頻移不敏感，在存在多普勒頻移的情況下仍能維持匹配。</p&

37、gt;<p>　　2.2.2 相位編碼信號(hào)</p><p>　　與線性調(diào)頻信號(hào)的調(diào)制函數(shù)是連續(xù)函數(shù)不同，相位編碼信號(hào)的調(diào)制函數(shù)則是離散的有限狀態(tài)。相位編碼信號(hào)具有保密性好、反有源干擾能力強(qiáng)、旁瓣均勻等優(yōu)點(diǎn)。二相編碼信號(hào)是較常用的相位編碼信號(hào)，其信號(hào)復(fù)包絡(luò)可以表示成：</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>

38、　　其中T為子脈沖寬度，P為碼長(zhǎng)，*為卷積運(yùn)算。</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　為子脈沖函數(shù)。在二相編碼中，通常用兩個(gè)相反的相位“0°”或“180°”來(lái)表示數(shù)字信息“0”或者“1”。因此二相編碼信號(hào)可以表示為：</p><p><b>　　(2-7)</b><

39、/p><p>　　式中由數(shù)字碼“1”或“0”來(lái)決定是“0”或“180”。圖2-4為利用MATLAB實(shí)現(xiàn)的二相編碼信號(hào)。</p><p>　　二相編碼信號(hào)主要用于目標(biāo)多普勒分布很窄的場(chǎng)合，作為一種脈沖壓縮信號(hào)，要求所采用的序列具有脈沖型的非周期自相關(guān)函數(shù)。真正的二元隨機(jī)序列可以滿足要求，但信號(hào)產(chǎn)生和處理相當(dāng)困難。偽隨機(jī)序列雖然完全確定，但它在某些方面和二元隨機(jī)序列非常相似。常用偽隨機(jī)序列包括巴克

40、碼序列、互補(bǔ)序列、M序列等。</p><p>　　圖2-4 ７位巴克碼信號(hào)圖</p><p>　　2.3 回波信號(hào)[7]</p><p>　　雷達(dá)信號(hào)仿真通常是指零中頻信號(hào)仿真，又稱相干視頻信號(hào)仿真，它是逼真的復(fù)現(xiàn)包含幅度和相位的信號(hào)，復(fù)現(xiàn)這種信號(hào)的發(fā)射、在空間中的傳輸、經(jīng)散射體反射、雜波與干擾信號(hào)疊加、以及在接收機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理的全過(guò)程。其理論基礎(chǔ)是雷達(dá)方程：<

41、/p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　其中為發(fā)射/接收信號(hào)功率；為目標(biāo)方向上天線發(fā)射/接收功率；為雷達(dá)工作波長(zhǎng)；為目標(biāo)雷達(dá)截面積；D為雷達(dá)抗干擾改善因子；L為雷達(dá)綜合損耗和大氣傳輸損耗因子。</p><p>　　方程中描述了目標(biāo)反射信號(hào)能力的大小，如果要精確描述目標(biāo)反射信號(hào)的特性，還必須包含一個(gè)相位項(xiàng)，將雷達(dá)方程改寫成雷

42、達(dá)瞬時(shí)功率的時(shí)間函數(shù)：</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　其中為目標(biāo)雙程延時(shí)時(shí)間，假設(shè)發(fā)射一個(gè)高頻信號(hào)，發(fā)射信號(hào)功率為：，根據(jù)恒定多普勒理論，簡(jiǎn)化方程為：</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　其中和是目標(biāo)的延時(shí)和多普勒頻移，可以表示

43、為：</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)是雷達(dá)發(fā)射信號(hào)經(jīng)目標(biāo)調(diào)制后的延遲信號(hào)，其中包含了目標(biāo)的距離、方位、速度等信號(hào)。由于雷達(dá)發(fā)射信號(hào)一般為窄帶信號(hào)，可用復(fù)調(diào)制函數(shù)表示為：</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　為載

44、頻，為復(fù)調(diào)制信號(hào)，將式(2-12)代入式(2-10)得：</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　通常對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)的處理是先將回波射頻信號(hào)混頻到視頻段后進(jìn)行信號(hào)處理，故一般雷達(dá)仿真中可以省略式(2-13)的射頻項(xiàng)，即可看成是雷達(dá)目標(biāo)回波經(jīng)過(guò)接收機(jī)相干解調(diào)后的輸出，稱為雷達(dá)相干視頻信號(hào)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：</p><p&

45、gt;<b>　　(2-14)</b></p><p>　　再假設(shè)復(fù)調(diào)制函數(shù)，其中是的包絡(luò)函數(shù)，它是關(guān)于時(shí)間的慢變化函數(shù)，則式(2-14)可以表示成：</p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　設(shè)雷達(dá)脈沖重復(fù)間隔為T，則點(diǎn)目標(biāo)回波的相干視頻信號(hào)采樣可用其同相分量和正交分量表示為：</p&g

46、t;<p><b>　　(2-16)</b></p><p>　　其中n為采樣序號(hào)，為目標(biāo)初始相位，雷達(dá)點(diǎn)目標(biāo)回波的全部信息都包含在這兩個(gè)正交分量中。</p><p>　　圖2-5為回波信號(hào)實(shí)部圖像（I路），從圖中看出，回波信號(hào)為相比于發(fā)射信號(hào)在時(shí)間上有一個(gè)延遲，幅度上明顯減小的信號(hào)。</p><p>　　圖2-5 回波信號(hào)圖&l

47、t;/p><p>　　2.4 噪聲及雜波信號(hào)</p><p>　　通常來(lái)講，雷達(dá)接收到的信號(hào)當(dāng)中一般包括下面幾個(gè)部分：一是有用的雷達(dá)目標(biāo)回波，它相對(duì)于雷達(dá)來(lái)說(shuō)可以是運(yùn)動(dòng)的、也可以是固定的，運(yùn)動(dòng)或固定的形式可用多普勒頻率表示；其次是地面、海面、及空中的云、雨、干擾箔條等背景形成的雜亂回波；再次就是天電干擾、熱噪聲等形成的噪聲。后兩種是我們不希望的干擾成分。雷達(dá)的基本任務(wù)就是從混雜著各種噪聲和各類

48、干擾的回波信號(hào)中，檢測(cè)出有用信號(hào)，發(fā)現(xiàn)并測(cè)定目標(biāo)坐標(biāo)。</p><p>　　2.4.1 雷達(dá)目標(biāo)噪聲</p><p>　　雷達(dá)目標(biāo)噪聲是指雷達(dá)目標(biāo)不斷運(yùn)動(dòng)會(huì)引起測(cè)量參數(shù)的不規(guī)則變化，這種變化特性與一般噪聲的統(tǒng)計(jì)特性相似，故稱為雷達(dá)目標(biāo)噪聲。大部分雷達(dá)目標(biāo)的形狀很復(fù)雜，尺寸也比雷達(dá)波長(zhǎng)大得多，所以目標(biāo)回波是目標(biāo)各部分（散射體）回波信號(hào)的矢量合成。目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)位置發(fā)生變化時(shí)，反射回波信號(hào)的參

49、數(shù)(幅度、頻率、相位等)也隨著發(fā)生變化。目標(biāo)噪聲按其性質(zhì)和對(duì)雷達(dá)測(cè)量參數(shù)的影響，可以分為幅度噪聲、角噪聲和距離噪聲等。</p><p>　　2.4.1.1 幅度噪聲</p><p>　　復(fù)雜運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)幅度發(fā)生變化而形成的噪聲，由目標(biāo)各部分反射回波合成矢量變化所引起。幅度噪聲的起伏可分為快起伏和慢起伏兩種。幅度噪聲的統(tǒng)計(jì)特性可用概率密度函數(shù)表示。早在50年代，斯威爾林首先提出四種起伏

50、目標(biāo)的模型，即斯威爾林 1、2、3、4型。在這些模型中，1、3型屬于慢起伏，2、4 型屬于快起伏[8] 。幅度噪聲對(duì)搜索雷達(dá)的檢測(cè)概率、跟蹤雷達(dá)的跟蹤精度及目標(biāo)的截獲和識(shí)別性能都有很大的影響。特別是對(duì)于遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，由于回波信號(hào)很弱，加上幅度的不規(guī)則波動(dòng)，在短時(shí)間內(nèi)目標(biāo)回波信號(hào)可能低于噪聲電平，這就使目標(biāo)幅度檢測(cè)產(chǎn)生一定困難。</p><p>　　2.4.1.2 角噪聲</p><p>　

51、　目標(biāo)視在中心相對(duì)于目標(biāo)長(zhǎng)時(shí)間平均跟蹤點(diǎn)“重心”隨時(shí)間變化而形成的噪聲，視在中心不一定都在目標(biāo)之內(nèi)。雷達(dá)接收機(jī)的自動(dòng)增益控制、天線波束寬度、伺服系統(tǒng)的帶寬都會(huì)影響角噪聲的大小。實(shí)踐表明，如以視在中心相對(duì)于“重心”的線角度衡量誤差時(shí)，則此誤差與雷達(dá)到目標(biāo)距離成反比。角噪聲由大量獨(dú)立單元相互作用而形成，所以它的概率分布是正態(tài)分布。</p><p>　　2.4.1.3 距離噪聲</p><p>

52、　　雷達(dá)實(shí)測(cè)的距離和距離“重心”隨時(shí)間變化而形成的噪聲。除了上述的三種噪聲之外，目標(biāo)的噪聲還應(yīng)包括由于復(fù)雜目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)引起的發(fā)射和接收信號(hào)極化不一致和多普勒閃爍等產(chǎn)生的噪聲。</p><p>　　2.4.2 發(fā)射和接收噪聲</p><p>　　2.4.2.1 發(fā)射機(jī)噪聲</p><p>　　在高功率的雷達(dá)發(fā)射機(jī)中存在著種種引起不需要調(diào)制和噪聲的原因，熱噪聲和約翰遜噪聲

53、是一個(gè)重要的例子，某些起伏噪聲可歸結(jié)為使用的有源器件的物理過(guò)程以及其他方面的電路設(shè)計(jì)和工程因工程應(yīng)用問(wèn)題。熱噪聲是經(jīng)常存在的，其信號(hào)的一般特征是單位帶寬的平均功率是對(duì)信號(hào)頻率的頻偏的函數(shù)。通常的信號(hào)平均噪聲是相對(duì)于平均信號(hào)功率而言的。</p><p>　　2.4.2.2 接收機(jī)噪聲</p><p>　　通常認(rèn)為，雷達(dá)接收機(jī)窄帶系統(tǒng)之前的噪聲是寬帶或認(rèn)為是白噪聲。而在窄帶系統(tǒng)輸出端，噪聲受帶

54、寬限制變?yōu)檎瓗У?，依?jù)大數(shù)定理，其幅度滿足正態(tài)分布，中頻輸出的噪聲經(jīng)包絡(luò)檢波處理后，輸出為幅度滿足瑞利分布的視頻噪聲。</p><p>　　實(shí)際工作中，為避免外來(lái)回波信號(hào)的干擾，雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)部的噪聲是在無(wú)信號(hào)及雜波的時(shí)間區(qū)間，對(duì)雷達(dá)接收機(jī)的高頻、中頻或視頻輸出用相應(yīng)足夠高的采樣頻率進(jìn)行采樣即可分別獲得高頻、中頻噪聲數(shù)據(jù)。</p><p>　　此外，除了上述幾種情況下可能產(chǎn)生噪聲，在雷達(dá)信號(hào)

55、數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中也可能引入噪聲。各類目標(biāo)噪聲對(duì)雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)能力、測(cè)距精度、測(cè)角精度和目標(biāo)多普勒頻率測(cè)量都有限制作用。掌握目標(biāo)噪聲特性即可研究降低這些噪聲的技術(shù)，從而推動(dòng)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展。例如，為消除測(cè)角系統(tǒng)中幅度噪聲而出現(xiàn)的單脈沖雷達(dá)技術(shù)就是一例。此外，利用目標(biāo)噪聲特性還可能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類和識(shí)別。</p><p>　　2.4.3 雜波及干擾信號(hào)</p><p>　　2.4.3.1 雜波信號(hào)&l

56、t;/p><p>　　雜波表示環(huán)境中的不需要的回波，這些不需要的回波擾亂了雷達(dá)工作，使對(duì)需要目標(biāo)回波的檢測(cè)變得困難。雜波包括來(lái)自陸地、海洋、天氣、鳥群甚至是昆蟲的回波。被稱為箔條的電子戰(zhàn)技術(shù)，雖然不是自然環(huán)境的一個(gè)案例，但由于它是不需要且像雨一樣的雜波，因此通常也被認(rèn)為是雜波。雜波通常在空間范圍內(nèi)分布，其物理尺寸比雷達(dá)分辨單元要大得多。大的雜波回波能夠遮蔽所需要的目標(biāo)回波，從而限制雷達(dá)的能力。</p>

57、<p>　　2.4.3.2 干擾信號(hào)</p><p>　　干擾是電子戰(zhàn)的一部分，它主要是利用電磁能確定、剝奪、削弱或者防止雷達(dá)使用電磁頻譜。干擾的目的是使得雷達(dá)無(wú)法探測(cè)、跟蹤、定位、識(shí)別目標(biāo)的信息特征，或使有用的信息淹沒(méi)在許多假的目標(biāo)當(dāng)中，以致無(wú)法提取真正的信息。干擾是有意或存心發(fā)射或重新發(fā)射幅度、頻率、相位或其他調(diào)制的間歇或連續(xù)波及其他類噪聲信號(hào)，以干擾、擾亂、剝奪、欺騙、掩蓋以及降低雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)有用信

58、號(hào)的接收[9]。</p><p>　　由于噪聲和雜波都不是確知信號(hào)，只能通過(guò)統(tǒng)計(jì)特性來(lái)分析，常見隨機(jī)熱噪聲按其統(tǒng)計(jì)特性的不同，分為按高斯分布的熱噪聲、按均勻分布的熱噪聲、以及按瑞利分布及指數(shù)分布的熱噪聲。而對(duì)于雜波，由于雷達(dá)工作環(huán)境的不同，其接收到的雜波就不同。按照雜波背景的不同，通常將其分為地物雜波、海雜波、氣象雜波。不同雜波類型具有不同的雜波特性，對(duì)于地物雜波，可采用幅度概率分布為瑞利分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、K分

59、布的高斯雜波模型來(lái)表示，常用的譜型為高斯譜；海雜波可采用幅度為對(duì)數(shù)正態(tài)分布、K分布的高斯雜波模型來(lái)表示；氣象雜波可采用幅度分布為瑞利分布的高斯譜模型來(lái)描述。具體對(duì)應(yīng)某種雜波，采用何種幅度分布及功率譜模型分布應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。</p><p>　　雷達(dá)系統(tǒng)本身的系統(tǒng)噪聲為高斯白噪聲，而現(xiàn)代干擾技術(shù)產(chǎn)生的噪聲干擾信號(hào)也已非常接近于高斯白噪聲，因此對(duì)于雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可將雷達(dá)接收到的噪聲干擾當(dāng)做雷達(dá)系統(tǒng)噪聲來(lái)看待，

60、并且可統(tǒng)一用信噪比表示。雷達(dá)信噪比的測(cè)量應(yīng)首先分別測(cè)出雷達(dá)信號(hào)的回波信號(hào)功率和噪聲功率，二者相比即為雷達(dá)之信噪比。</p><p>　　MATLAB中的awgn函數(shù)能方便的在某一信號(hào)中加入高斯白噪聲，并可自行設(shè)定信噪比。圖2-6為不同信噪比條件下的回波信號(hào)幅值圖。</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首

61、先根據(jù)角度測(cè)量過(guò)程，提出了角度處理模型；在雷達(dá)方程的基礎(chǔ)上，對(duì)幾種常用雷達(dá)信號(hào)模型進(jìn)行了仿真介紹，并在此基礎(chǔ)上，建立了雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)模型；對(duì)噪聲、雜波、干擾信號(hào)進(jìn)行了介紹，并在不同信噪比條件下對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行了仿真。從而完成了信號(hào)經(jīng)發(fā)射、目標(biāo)再輻射、混入雜波再接收全過(guò)程的建模與仿真。由本章對(duì)信號(hào)的仿真可以看出，獲取角度的過(guò)程實(shí)際上就是對(duì)信號(hào)的處理過(guò)程，而所有的信號(hào)均是在雷達(dá)方程基礎(chǔ)之上的變形。</p><p>　

62、　圖2-6 不同信噪比下的I路信號(hào)圖 </p><p><b>　　第三章 雷達(dá)天線</b></p><p>　　要獲得精確的角度數(shù)據(jù)，往往采用單脈沖技術(shù)，而單脈沖技術(shù)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的天線有很嚴(yán)格的要求，要獲得目標(biāo)的位置信息，天線便是一個(gè)關(guān)鍵的部件。天線方向圖是表征天線的輻射特性和空間角度關(guān)系的圖形。完整的方向圖是一個(gè)三維空間圖像。方向圖有場(chǎng)方向圖與功率方向圖之分，以天線

63、為中心，距離其足夠遠(yuǎn)的同一個(gè)大球面上各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值隨位置角變化的圖形，稱為場(chǎng)方向圖。各功率點(diǎn)隨位置角的變化圖形稱為功率方向圖。一般來(lái)講，在工程上要獲得天線的方向圖，主要有以下三種途徑：</p><p>　　由原天線生產(chǎn)廠家提供天線方向圖。</p><p>　　在測(cè)試設(shè)備上產(chǎn)生不同方位的目標(biāo)，通過(guò)測(cè)定天線輸出端口的峰值功率，來(lái)確定天線的方向圖。</p><p>　　在測(cè)定

64、設(shè)備上通過(guò)設(shè)定不同的振幅比，然后觀察合格的目標(biāo)方位，來(lái)確定天線的方向圖。</p><p>　　3.1 天線參數(shù)[10]</p><p>　　3.1.1 方向性增益</p><p>　　增益是指天線在特定方向上集中發(fā)射能量的能力的一種度量。它有兩個(gè)不同但互為相關(guān)的定義。第一種是方向性增益，也叫作方向性；另一個(gè)是功率增益，常常簡(jiǎn)稱為增益。方向性增益是天線輻射方向圖本性的

65、描述，它通常是我們感興趣的增益。功率增益與方向性增益有關(guān)，但他考慮了天線本身的損耗。</p><p>　　我們用GD來(lái)表示方向性增益，發(fā)射天線的方向性增益可以定義為：</p><p>　　GD=最大輻射強(qiáng)度/平均輻射強(qiáng)度</p><p>　　式中，輻射強(qiáng)度是在方向單位立體角內(nèi)輻射的功率，表示為。</p><p>　　3.1.2 功率增益<

66、;/p><p>　　用Ｇ表示的功率增益處理，它考慮了在天線中消耗性的損耗外，是與方向性增益類似的。它可以用于方向性增益定義式類似的方法來(lái)定義，如果分母是天線從與之連接的發(fā)射機(jī)收到的凈功率，或者</p><p>　　Ｇ＝4（單位立體角輻射的最大功率）/天線收到的凈功率</p><p><b>　　一個(gè)等效的定義為：</b></p>&l

67、t;p>　　Ｇ＝從主體天線輻射的最大強(qiáng)度/從具有同樣功率輸入的無(wú)損各向同性輻射強(qiáng)度。在雷達(dá)方程中，應(yīng)選功率增益，因?yàn)樗擞商炀€引起的消耗性損失。</p><p>　　功率增益和方向性增益的定義是發(fā)射天線給出的，由于互易性，接收天線的方向圖與發(fā)射天線的方向圖是一樣的，所以接收天線用發(fā)射天線的增益來(lái)描述。</p><p>　　3.1.3 天線輻射方向圖</p><

68、p>　　上述的天線增益意味著最大值，增益也常作為角度函數(shù)來(lái)討論。通常輻射方向圖的縱坐標(biāo)表示歸一化的作為角度函數(shù)的增益，這也就是所謂的相對(duì)增益。</p><p>　　如果主波束示于0°，主波束之外的方向圖剩余部分就是旁瓣區(qū)域，第一副瓣出現(xiàn)在靠近退化瓣出現(xiàn)的地方，近區(qū)旁瓣的大小隨著角度增加而逐漸減小。減小是由于孔徑照射的形狀決定的。</p><p>　　3.2天線方向圖數(shù)學(xué)模型

69、</p><p>　　圖3-1 MATLAB sinc函數(shù)</p><p>　　雷達(dá)測(cè)角的物理基礎(chǔ)就是電波在均勻介質(zhì)中傳播的直線性和雷達(dá)天線的方向性。天線的方向性可以用它的方向性函數(shù)或根據(jù)方向性函數(shù)畫出的方向圖來(lái)表示。但方向性函數(shù)的準(zhǔn)確表達(dá)式往往很復(fù)雜，為便于計(jì)算，常常用一些簡(jiǎn)單函數(shù)近似，常用的天線方向圖數(shù)學(xué)模型包括辛可函數(shù)型、余弦函數(shù)型和高斯函數(shù)型，在雷達(dá)信號(hào)仿真中通常采用振幅方向圖，而

70、在功能仿真中采用功率方向圖，他們之間是一個(gè)平方關(guān)系：。圖3-1是用MATLAB中的sinc函數(shù)畫出的圖形。</p><p>　　本文天線模型采用簡(jiǎn)化方向圖函數(shù)模型，即主要考慮主瓣和第一副瓣的影響，而對(duì)其余副瓣則采用其平均電平進(jìn)行模擬仿真。簡(jiǎn)化模型中，假設(shè)天線主瓣3dB寬度為，第一副瓣3dB寬度為，第一副瓣最大電平為g1，平均副瓣電平為g2。對(duì)于歸一化振幅方向圖，得到如下三種天線方向圖的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型[11]：<

71、;/p><p>　　1）簡(jiǎn)化的辛格函數(shù)模型為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　其中a=2.783，是無(wú)偏波束主瓣右零點(diǎn)，是無(wú)偏波束右邊第一副瓣中心，是無(wú)偏波束右邊第一副瓣右零點(diǎn)。</p><p>　　2）簡(jiǎn)化余弦函數(shù)模型</p><p><b>　　(3

72、-2)</b></p><p>　　其中是無(wú)偏波束主瓣右零點(diǎn)，是無(wú)偏波束右邊第一副瓣中心，是無(wú)偏波束右邊第一副瓣零點(diǎn)。</p><p>　　3)簡(jiǎn)化高斯函數(shù)模型：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　圖3-2給出了簡(jiǎn)化辛格函數(shù)天線方向圖形，其中，，，。</p>&

73、lt;p>　　圖3-2 簡(jiǎn)化辛格天線方向圖</p><p>　　3.3 天線和差波束方向圖</p><p>　　對(duì)于單脈沖雷達(dá)，它是利用和差波束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探索和跟蹤，因此需要建立單脈沖雷達(dá)的和差波束方向圖。</p><p>　　單脈沖天線在單個(gè)脈沖上同時(shí)提供對(duì)角誤差敏感所需的波束，同時(shí)比較各波束的輸出，因而消除了回波幅度隨時(shí)間變化的任何影響。單脈沖雷達(dá)天線要求

74、產(chǎn)生一個(gè)主瓣的和波束，以及具有兩個(gè)主瓣的差波束。和波束作用是探測(cè)目標(biāo)的距離并進(jìn)行跟蹤；差波束的作用是探測(cè)目標(biāo)的方位角和俯仰角信息，即和波束用于發(fā)射，和、差波束用于發(fā)射和接收。如果目標(biāo)正好在和波束最大值方向，則差波束接收到的信號(hào)很弱（為零）；當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，則差波束收到的信號(hào)由弱變強(qiáng)。</p><p>　　因此可以根據(jù)差波束信號(hào)幅度判定目標(biāo)偏離角度的大小。</p><p>　　3.3.1 和波

75、束性能</p><p>　　和波束的性能主要是增益、副瓣電平、波束寬度三項(xiàng)指標(biāo)。一般來(lái)講，完整的天線方向圖是一個(gè)立體的，但為了更直觀的表達(dá)出天線的特性，通常用包含主瓣軸的剖面圖來(lái)表示，天線的波束寬度、副瓣電平都可以從圖中方便的得到。</p><p>　　由于和波束用于發(fā)射，因此和波束方向上的天線增益，它關(guān)系到跟蹤雷達(dá)的作用距離。而副瓣則關(guān)系到多路徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)跟蹤性能的影響，波束寬度主要取決

76、于雷達(dá)工作頻率、天線口徑和天線口徑上的電流分布，大多數(shù)情況下，波束寬度是指半功率波束寬度。</p><p>　　圖3-3是簡(jiǎn)化的辛格函數(shù)模型形成的和波束方向圖，其中天線3dB寬度為2度，第一副瓣3dB寬度為1°，第一副瓣最大電平0.1，平均副瓣電平0.01。等信號(hào)軸位于零度方向，波束偏角為0.9°。</p><p>　　圖3-3辛可天線和波束圖</p>&

77、lt;p>　　3.3.2 差波束性能</p><p>　　天線差波束主要性能指標(biāo)是差斜率、零值深度及差增益。天線的角靈敏度與天線的差斜率是成正比關(guān)系的，因此差斜率是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。差斜率的定義是，在天線差方向圖零點(diǎn)附近差信號(hào)電壓隨天線角的變化率，它有三種表示方法，差方向圖斜率、絕對(duì)差斜率以及歸一化斜率。差波束零值深度是差通道另一個(gè)重要指標(biāo)，它一般指差方向圖中心零點(diǎn)處電場(chǎng)與最大值處電場(chǎng)之比，它關(guān)系到雷達(dá)的

78、跟蹤精度，零值越深，跟蹤誤差就越小。差增益是影響天線捕獲遠(yuǎn)距離目標(biāo)的能力，由于差增益是差波束峰值處的增益，因而其定義與和增益類似。</p><p>　　圖3-4辛可天線差波束圖</p><p>　　圖3-4是簡(jiǎn)化的辛格函數(shù)模型形成的簡(jiǎn)化差波束方向圖，其中天線3dB寬度為2°，第一副瓣3dB寬度為1°，第一副瓣最大電平0.1，平均副瓣電平0.01。等信號(hào)軸位于零度方向，波

79、束偏角為0.9°。</p><p>　　3.4 三維天線建模</p><p>　　通常在雷達(dá)仿真中二維的天線方向圖不能滿足仿真要求，而需要產(chǎn)生三維天線方向圖。此處對(duì)三維天線方向圖建模仍采用簡(jiǎn)化模型，將三維天線看成是由兩個(gè)二維平面（方位面和俯仰面）方向圖相乘的結(jié)果，如下所示：</p><p><b>　　(3-4)</b></p&

80、gt;<p>　　其中，、分別為方位面和俯仰面的二維方向圖函數(shù)。</p><p>　　對(duì)于采用單脈沖測(cè)角體制的雷達(dá)系統(tǒng)，它是利用和差波束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)跟蹤的。為了對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)方向跟蹤，必須要在方位和高低角兩個(gè)平面上進(jìn)行角度跟蹤，因而必須獲得方位和高低角誤差信號(hào)。為此需要用四個(gè)饋源照射一個(gè)反射體，以形成四個(gè)對(duì)稱的相互部分重疊的波束。在接收機(jī)中，有四個(gè)和差比較器和三路接收機(jī)（和支路，方位差支路，俯

81、仰差支路），兩個(gè)相位鑒別器和兩路天線控制系統(tǒng)等。圖3-5是雙平面振幅和差單脈沖雷達(dá)的原理方框圖。</p><p>　　圖3-5 雙平面振幅和差單脈沖雷達(dá)的原理方框圖</p><p>　　圖中1、2、3、4分別代表四個(gè)饋源，如果四個(gè)饋源同相輻射共同形成和方向圖。接收時(shí)四饋源信號(hào)之和（1+2+3+4）為和信號(hào)；（1+3）-（2+4）為方位角誤差信號(hào)；（1+2）-（3+4）為俯仰角誤差信號(hào)；而（

82、1+4）-（2+3）為無(wú)用信號(hào)，被匹配吸收負(fù)載所吸收。</p><p>　　圖3-6振幅和差單脈沖雷達(dá)空間子波束分布圖</p><p>　　圖3-6為所示的搭配布局產(chǎn)生的空間子波束分布圖，設(shè)和分別為子波束在方位面和俯仰面相對(duì)中心軸的偏離角。</p><p>　　采用簡(jiǎn)化的天線模型可得到四個(gè)子波束的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為：</p><p><b

83、>　　子波速A： </b></p><p><b>　　(3-5)</b></p><p><b>　　子波束B： </b></p><p><b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　子波束C： </b></p&g

84、t;<p><b>　　(3-7)</b></p><p><b>　　子波束D： </b></p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　于是得到和差波束的方向圖如下：</p><p><b>　　和波束方向圖函數(shù)：</b&

85、gt;</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　圖3-7 和波束方向圖</p><p>　　圖3-7是利用式(3-9)得到簡(jiǎn)化的辛格函數(shù)三維方向圖模型的和波束天線方向圖，其中仿真參數(shù)為：方位面和俯仰面的偏離角分別為。</p><p>　　通過(guò)這種方法得到的簡(jiǎn)化之后的和波束天線方向圖，也就是本文

86、中所用到的天線模型，而在很多復(fù)雜的系統(tǒng)仿真中需要對(duì)波束進(jìn)行更精確的建模以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜精準(zhǔn)的功能，比如文中只對(duì)除主瓣和第一副瓣外的其他旁瓣做平均化處理，顯然會(huì)帶來(lái)誤差。通過(guò)與和波束相似的方法可得到方位、俯仰平面的差波束方向圖，其形式如下：</p><p>　　方位差波束方向圖函數(shù)：</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>

87、;　　圖3-8方位差波束方向圖</p><p>　　圖3-8是利用式(3-10)得到的簡(jiǎn)化的辛格函數(shù)三維方向圖模型中方位差波束方向圖，其中仿真參數(shù)為：方位面和俯仰面的偏離角分別為。</p><p>　　俯仰差波束方向圖函數(shù)：</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　圖3-9 俯仰差波束方向圖

88、</p><p>　　圖3-9是利用式(3-11)得到的簡(jiǎn)化的辛格函數(shù)三維方向圖模型中的俯仰差波束方向圖，其中仿真參數(shù)為：方位面和俯仰面的偏離角分別為。</p><p><b>　　3.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　和差脈沖測(cè)角是利用和差波束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤的，因而需要建立天線的和差波束方向圖。本章首先介紹了天線的參數(shù)，建立了簡(jiǎn)

89、化的和差波束方向圖模型并給出了matlab下的仿真圖形；對(duì)和差波束的性能進(jìn)行了對(duì)比分析；最后還建立了在空間中的三維和差波束方向圖，分別得到了和波束、方位差、俯仰差的三維立體圖像。平面的天線方向圖是三維方向圖的剖面，用和波束進(jìn)行發(fā)射是為了增強(qiáng)信號(hào)能量，以增大距離測(cè)量的范圍。</p><p>　　第四章 測(cè)角方法及其比較</p><p>　　4.1相位法測(cè)角[12]</p>&l

90、t;p>　　4.1.1 基本原理</p><p>　　相位法測(cè)角是利用多個(gè)天線所接收回波信號(hào)之間的相位差進(jìn)行測(cè)角。如圖4-1所示,設(shè)在方向有一遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo), 則到達(dá)接收點(diǎn)的目標(biāo)所反射的電波近似為平面波。由于兩天線間距為d, 故它們所收到的信號(hào)由于存在波程差ΔR而產(chǎn)生一相位差,由圖4-1知：</p><p><b>　　(4-1)</b></p><

91、;p>　　其中λ為雷達(dá)波長(zhǎng)。如用相位計(jì)進(jìn)行比相, 測(cè)出其相位差,就可以確定目標(biāo)方向。</p><p>　　圖4-1相位法測(cè)角方框圖</p><p>　　由于在較低頻率上容易實(shí)現(xiàn)比相,故通常將兩天線收到的高頻信號(hào)經(jīng)與同一本振信號(hào)差頻后,在中頻進(jìn)行比相。</p><p><b>　　設(shè)兩高頻信號(hào)為： </b></p><p

92、><b>　　(4-2)</b></p><p><b>　　(4-3)</b></p><p><b>　　本振信號(hào)為：</b></p><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　其中，為兩信號(hào)的相位差；為本振信號(hào)初相。和差頻得：

93、</p><p><b>　　(4-5)</b></p><p><b>　　與差頻得： </b></p><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　可見，兩中頻信號(hào)與之間的相位差仍為。</p><p>　　圖4-2相位法測(cè)角方框圖&l

94、t;/p><p>　　圖4-2所示為一個(gè)相位法測(cè)角的方框圖。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻、放大后再加到相位比較器當(dāng)中進(jìn)行比相。其中的自動(dòng)增益控制電路用來(lái)保證中頻信號(hào)幅度的穩(wěn)定, 以免幅度變化引起測(cè)角誤差。</p><p>　　圖中的相位比較器可以采用相位檢波器。圖4-3所示為相位檢波器的一種具體電路，它由兩個(gè)單端檢波器組成。其中每個(gè)單端檢波器與普通檢波器的差別僅僅在于檢波器的輸入端是兩個(gè)信號(hào)，根據(jù)兩個(gè)信號(hào)

95、間相位差的不同，其合成電壓的振幅將改變，這樣就把輸入信號(hào)間相位差的變化轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌瑱z波輸出電壓。 </p><p>　　圖4-3二極管相位檢波器電路及矢量圖</p><p>　　電路; (b) U2>>U1; (c) U2=1/2U1</p><p>　　設(shè)變壓器的變壓比為1∶1, 電壓正方向如圖4-3所示,相位比較器輸出端應(yīng)能得到與相位差成比例的響應(yīng)。為

96、達(dá)到此目的, 當(dāng)相位差為的兩高頻信號(hào)加到相位檢波器之前, 其中之一要預(yù)先移相90°。因此相位檢波器兩輸入信號(hào)為： </p><p><b>　　(4-7)</b></p><p>　　、為、的振幅,通常應(yīng)保持為常值?，F(xiàn)在在相位上超前的數(shù)值為。由圖4-3知： </p><p><b>　　(4-8)</b><

97、/p><p>　　當(dāng)選取U2>>U1時(shí), 由矢量圖4-3（b）可知：</p><p><b>　　(4-9)</b></p><p>　　故相位檢波器輸出電壓為： </p><p><b>　　(4-10)</b></p><p>　　其中為檢波系數(shù)。由式(4-10)

98、可畫出相位檢波器的輸出特性曲線, 如圖4-4所示。測(cè)出, 便可求出。顯然,這種電路的單值測(cè)量范圍是-π/2~π/2。當(dāng)＜30度時(shí), , 輸出電壓與近似為線性關(guān)系。 </p><p>　　當(dāng)選取1/2U1=U2時(shí),由矢量圖4-3（c）可求得:</p><p><b>　　(4-11)</b></p><p><b>　　則輸出：<

99、/b></p><p><b>　　(4-12)</b></p><p>　　輸出特性如圖4-4所示,與有良好的線性關(guān)系, 但單值測(cè)量范圍仍為-π/2~π/2。為了將單值測(cè)量范圍擴(kuò)大到2π,電路上還需采取附加措施。</p><p>　　圖4-4 相位檢波輸出特性圖</p><p>　　(a)U2>>U1

100、 (b)U2=1/2U1</p><p>　　4.1.2 測(cè)角誤差與多值性問(wèn)題</p><p>　　相位差值測(cè)量不準(zhǔn), 將產(chǎn)生測(cè)角誤差, 它們之間的關(guān)系如下，將式兩邊取微分: </p><p><b>　　(4-13)</b></p><p>　　由式(4-13)看出, 采用讀數(shù)精度高(小)的相位計(jì), 或減小λ/d值

101、(增大d/λ值), 均可提高測(cè)角精度。也注意到：當(dāng)=0 時(shí), 即目標(biāo)處在天線法線方向時(shí), 測(cè)角誤差最小。當(dāng)增大,也增大, 為保證一定的測(cè)角精度,的范圍有一定的限制。</p><p>　　增大d/λ雖然可提高測(cè)角精度, 但由式可知, 在感興趣的范圍(測(cè)角范圍)內(nèi), 當(dāng)d/λ加大到一定程序時(shí),值可能超過(guò) 2π, 此時(shí), 其中N為整數(shù);＜2π, 而相位計(jì)實(shí)際讀數(shù)為值。由于N值未知, 因而真實(shí)的值不能確定, 就出現(xiàn)多值性

102、(模糊)問(wèn)題。必須解決多值性問(wèn)題, 即只有判定N值才能確定目標(biāo)方向。比較有效的辦法是利用三天線測(cè)角設(shè)備,間距大的 1、3天線用來(lái)得到高精度測(cè)量, 而間距小的 1、2 天線用來(lái)解決多值性,如圖4-5所示。 </p><p>　　圖4-5三天線相位法測(cè)角原理示意圖</p><p>　　設(shè)目標(biāo)在方向。天線 1、2 之間的距離為, 天線 1、3 之間的距離為, 適當(dāng)選擇, 使天線 1、2 收到的信

103、號(hào)之間的相位差在測(cè)角范圍內(nèi)均滿足: </p><p><b>　　(4-14)</b></p><p>　　由相位計(jì)1讀出。根據(jù)要求, 選擇較大的, 則天線 1、3 收到的信號(hào)的相位差為： </p><p><b>　　(4-15)</b></p><p>　　由相位計(jì)2讀出, 但實(shí)際讀數(shù)是小于 2

104、π的。為了確定N值, 可利用如下關(guān)系:</p><p><b>　　(4-16)</b></p><p>　　根據(jù)相位計(jì)1的讀數(shù)可算出, 但包含有相位計(jì)的讀數(shù)誤差, 由式(4-15)標(biāo)出的具有的誤差為相位計(jì)誤差的倍,它只是式(4-16)的近似值,只要的讀數(shù)誤差值不大,就可用它確定N,即把()除以 2π,所得商的整數(shù)部分就是N值。然后由式算出并確定。由于/λ值較大,保證

105、了所要求的測(cè)角精度。 </p><p><b>　　4.2振幅法測(cè)角 </b></p><p>　　振幅法測(cè)角是用天線收到的回波信號(hào)幅度值來(lái)做角度測(cè)量的，該幅度值的變化規(guī)律取決于天線方向圖以及天線掃描方式。振幅法測(cè)角可分為最大信號(hào)法和等信號(hào)法兩大類。 </p><p>　　4.2.1 最大信號(hào)法 </p><p>　　

106、當(dāng)天線波束作圓周掃描或在一定扇形范圍內(nèi)作勻角速掃描時(shí), 對(duì)收發(fā)共用天線的單基地脈沖雷達(dá)而言, 接收機(jī)輸出的脈沖串幅度值被天線雙程方向圖函數(shù)所調(diào)制。找出脈沖串的最大值(中心值), 確定該時(shí)刻波束軸線指向即為目標(biāo)所在方向, 如圖4-6的（a）所示。</p><p>　　如天線轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為r/min, 脈沖雷達(dá)重復(fù)頻率為, 則兩脈沖間的天線轉(zhuǎn)角為</p><p><b>　　。<

107、/b></p><p>　　這樣,天線軸線(最大值)掃過(guò)目標(biāo)方向()時(shí),不一定有回波脈沖,就是說(shuō),將產(chǎn)生相應(yīng)的“量化”測(cè)角誤差。</p><p>　　在人工錄取的雷達(dá)里, 操縱員在顯示器畫面上看到回波最大值的同時(shí),讀出目 圖4-6 最大信號(hào)法掃描圖</p><p>　　標(biāo)的角度數(shù)據(jù)。采用平面位置顯示(PPI)二度空間顯示器時(shí),掃描線與波

108、束同步轉(zhuǎn)動(dòng),根據(jù)回波標(biāo)志中心(相當(dāng)于最大值)相應(yīng)的掃描線位置,借助顯示器上的機(jī)械角刻度或電子角刻度讀出目標(biāo)的角坐標(biāo)。 </p><p>　　在自動(dòng)錄取的雷達(dá)中,可以采用以下辦法讀出回波信號(hào)最大值的方向:一般情況下,天線方向圖是對(duì)稱的,因此回波脈沖串的中心位置就是其最大值的方向。測(cè)讀時(shí)可先將回波脈沖串進(jìn)行二進(jìn)制量化,其振幅超過(guò)門限時(shí)取“1”,否則取“0”,如果測(cè)量時(shí)沒(méi)有噪聲和其它干擾,就可根據(jù)出現(xiàn)“1”和消失“1”

109、的時(shí)刻,方便且精確地找出回波脈沖串“開始”和“結(jié)束”時(shí)的角度,兩者的中間值就是目標(biāo)的方向。通常,回波信號(hào)中總是混雜著噪聲和干擾,為減弱噪聲的影響, 脈沖串在二進(jìn)制量化前先進(jìn)行積累, 如圖4-7中的實(shí)線所示,積累后的輸出將產(chǎn)生一個(gè)固定遲延,但可以提高測(cè)角精度。</p><p>　　圖4-7 最大信號(hào)法測(cè)角波形圖</p><p>　　最大信號(hào)法測(cè)角也可采用閉環(huán)的角度波門跟蹤進(jìn)行, 如圖4-7①

110、②所示, 它的基本原理和距離門做距離跟蹤相同。用角波門技術(shù)作角度測(cè)量時(shí)的精度(受噪聲影響)為 </p><p><b>　　(4-17)</b></p><p>　　式中, E/N0為脈沖串能量和噪聲譜密度之比, 為誤差響應(yīng)曲線的斜率(圖4-7中的③),為天線波束寬度,為波束形狀損失,是中心脈沖的信噪比;為單程半功率點(diǎn)波束寬度內(nèi)的脈沖數(shù)。在最佳積分處理?xiàng)l件下可得到 。

111、</p><p>　　最大信號(hào)法測(cè)角的優(yōu)點(diǎn)一是簡(jiǎn)單;二是用天線方向圖的最大值方向測(cè)角,此時(shí)回波最強(qiáng), 故信噪比最大,對(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)是有利的。 </p><p>　　其主要缺點(diǎn)是直接測(cè)量時(shí)測(cè)量精度不很高,約為波束半功率寬度()的 20%左右。因?yàn)榉较驁D最大值附近比較平坦, 最強(qiáng)點(diǎn)不易判別,測(cè)量方法改進(jìn)后可提高精度。另一缺點(diǎn)是不能判別目標(biāo)偏離波束軸線的方向,故不能用于自動(dòng)測(cè)角。最大信號(hào)法測(cè)角廣

112、泛應(yīng)用于搜索、引導(dǎo)雷達(dá)中。 </p><p>　　4.2.2 等信號(hào)法 </p><p>　　等信號(hào)法測(cè)角采用兩個(gè)相同且彼此部分重疊的波束,其方向圖如圖4-8(a)所示。如果目標(biāo)處在兩波束的交疊軸OA方向,則由兩波束收到的信號(hào)強(qiáng)度相等, 否則一個(gè)波束收到的信號(hào)強(qiáng)度高于另一個(gè)(如圖4-8(b)所示)。故常常稱OA為等信號(hào)軸。當(dāng)兩個(gè)波束收到的回波信號(hào)相等時(shí), 等信號(hào)軸所指方向即為目標(biāo)方向。如

113、果目標(biāo)處在OB方向,波束2的回波比波束1的強(qiáng), 處在OC方向時(shí),波束2的回波較波束1的弱,因此，比較兩個(gè)波束回波的強(qiáng)弱就可以判斷目標(biāo)偏離等信號(hào)軸的方向并可用查表的辦法估計(jì)出偏離等信號(hào)軸的大小。 </p><p>　　圖4-8 等信號(hào)測(cè)角 （a）波束；（b）K型顯示器畫面</p><p>　　假定兩個(gè)波束的方向性函數(shù)完全相同，設(shè)為，等信號(hào)軸指向?yàn)?，則波束1、2的方向性函數(shù)可分別寫成：<

114、/p><p><b>　　(4-18)</b></p><p>　　為與波束最大值方向的偏角。</p><p>　　設(shè)波束1，2接收到的回波信號(hào)分別表示為</p><p><b>　　(4-19)</b></p><p>　　式中，為目標(biāo)方向偏離等信號(hào)軸的角度，對(duì)， 信號(hào)進(jìn)行處理

115、，就可以獲得目標(biāo)方向的信息。</p><p>　　比幅法：求兩信號(hào)的幅度比值，（時(shí)）根據(jù)比值大小可以判斷目標(biāo)偏離的方向，查找預(yù)先制定的表格就可以估計(jì)出目標(biāo)偏離的角度數(shù)值。</p><p>　　和差法：由u1和u2可求得其差值及和值。</p><p>　　圖4-9 和差法測(cè)角</p><p><b>　　(4-20)</b>

116、;</p><p>　　現(xiàn)假定目標(biāo)的誤差角為，在等信號(hào)軸附近，差值可以近似表示為：</p><p><b>　　(4-21)</b></p><p><b>　　而和信號(hào)為：</b></p><p><b>　　(4-22)</b></p><p>　　

117、在等信號(hào)軸附近近似有：</p><p><b>　　(4-23)</b></p><p>　　即可求得和差波束，，歸一化的和差值為:</p><p><b>　　(4-24)</b></p><p>　　因?yàn)椤?∑正比于目標(biāo)偏離的角度，故可用它來(lái)判讀角度的大小及方向。</p><