雷达原理(第三版)__丁鹭飞第7章

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1、第7章角度测量7.1概述7.2测角方法及其比较7.3天线波束的扫描方法7.4三坐标雷达7.5自动测角的原理和方法7.1概述为了确定目标的空间位置,雷达在大多数应用情况下,不仅要测定目标的距离,而且还要测定目标的方向,即测定目标的角坐标,其中包括目标的方位角和高低角(仰角)。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。由于电波沿直线传播,目标散射或反射电波波前到达的方向,即为目标所在方向。但在实际情况下,电波并不是在理想均匀的介质中传播,如大气密度、湿度随高度的不均匀性造成传播介质的不均匀,复杂的地形地物的影响等,因而使电波传播路径发生偏折,从而造成测角误差

2、。通常在近距测角时,由于此误差不大,仍可近似认为电波是直线传播的。当远程测角时,应根据传播介质的情况,对测量数据(主要是仰角测量)作出必要的修正。天线的方向性可用它的方向性函数或根据方向性函数画出的方向图表示。但方向性函数的准确表达式往往很复杂,为便于工程计算,常用一些简单函数来近似,如表7.1所示。方向图的主要技术指标是半功率波束宽度θ0.5以及副瓣电平。在角度测量时θ0.5的值表征了角度分辨能力并直接影响测角精度,副瓣电平则主要影响雷达的抗干扰性能。雷达测角的性能可用测角范围、测角速度、测角准确度或精度、角分辨力来衡量。准确度用测角误差的大小来表示,它包括雷达系统本身调整不良引

3、起的系统误差和由噪声及各种起伏因素引起的随机误差。而测量精度由随机误差决定。角分辨力指存在多目标的情况下,雷达能在角度上把它们分辨开的能力,通常用雷达在可分辨条件下,同距离的两目标间的最小角坐标之差表示。表7.1天线方向图的近似表示表7.1天线方向图的近似表示7.2测角方法及其比较7.2.1相位法测角1.基本原理相位法测角利用多个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角。如图7.1所示,设在θ方向有一远区目标,则到达接收点的目标所反射的电波近似为平面波。由于两天线间距为d,故它们所收到的信号由于存在波程差ΔR而产生一相位差φ,由图7.1知(7.2.1)其中λ为雷达波长。如用相位计进

4、行比相,测出其相位差φ,就可以确定目标方向θ。图7.1相位法测角方框图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。设两高频信号为u1=U1cos(ωt-φ)u2=U2cos(ωt)本振信号为uL=ULcos(ωLt+φL)其中，φ为两信号的相位差；φL为本振信号初相。u1和uL差频得uI1=UI1cos［(ω-ωL)t-φ-φL］u2与uL差频得uI2=UI2cos［(ω-ωL)t-φL］可见，两中频信号uI1与uI2之间的相位差仍为φ。图7.2所示为一个相位法测角的方框图。接收信号经过混频、放大后再加到相位比较器中进行比相。

5、其中自动增益控制电路用来保证中频信号幅度稳定,以免幅度变化引起测角误差。图7.2相位法测角方框图图7.3二极管相位检波器电路及矢量图(a)电路;(b)U2>>U1;(c)U2=1/2U1为讨论方便,设变压器的变压比为1∶1,电压正方向如图7.3(a)所示,相位比较器输出端应能得到与相位差φ成比例的响应。为此目的,当相位差为φ的两高频信号加到相位检波器之前,其中之一要预先移相90°。因此相位检波器两输入信号为u1=U1cos(ωt-φ)u2=U2=cos(ωt-90°)U1、U2为u1、u2的振幅,通常应保持为常值。现在u1在相位上超前u2的数值为(90°-φ)。由图7.3(a)

6、知：当选取U2>>U1时,由矢量图7.3(b)可知故相位检波器输出电压为其中Kd为检波系数。由式(7.2.2)可画出相位检波器的输出特性曲线,如图7.4(a)所示。测出Uo,便可求出φ。显然,这种电路的单值测量范围是-π/2~π/2。当φ＜30°,Uo≈KdU1φ,输出电压Uo与φ近似为线性关系。当选取1/2U1=U2时,由矢量图7.3(c)可求得:则输出输出特性如图7.4(b)所示,φ与Uo有良好的线性关系,但单值测量范围仍为-π/2~π/2。为了将单值测量范围扩大到2π,电路上还需采取附加措施。图7.4相位检波器输出特性(a)U2>>U1;(b)U2=1/2U12.测角误差与多值

7、性问题相位差φ值测量不准,将产生测角误差,它们之间的关系如下［将式(7.2.1)两边取微分］:(7.2.3)由式(7.2.3)看出,采用读数精度高(dφ小)的相位计,或减小λ/d值(增大d/λ值),均可提高测角精度。也注意到：当θ=0时,即目标处在天线法线方向时,测角误差dθ最小。当θ增大,dθ也增大,为保证一定的测角精度,θ的范围有一定的限制。增大d/λ虽然可提高测角精度,但由式(7.2.1)可知,在感兴趣的θ范围(测角范围)内,当d/λ加大到一定程序