雷达原理角度测量分析.pptx
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1、第六章第六章 作业解析作业解析第六章第六章 作业解析作业解析第六章第六章 作业解析作业解析第七章第七章 角度测量角度测量电话电话:15182388504 V网网:66286 西南科技大学国防科技学院西南科技大学国防科技学院黄传波黄传波角度测量角度测量主要内容主要内容u测角方法测角方法u波束的扫描方法波束的扫描方法u相控阵雷达相控阵雷达u 数字雷达数字雷达u 三坐标雷达三坐标雷达u自动测角原理和方法自动测角原理和方法本章知识点本章知识点雷达测角的理论基础、相位法测角原理雷达测角的理论基础、相位法测角原理振幅法测角的基本原理、三天线相位法测角原理振幅法测角的基本原理、三天线相位法测角原理天线波束基
2、本形状、天线波束扫描基本方法天线波束基本形状、天线波束扫描基本方法天线相位扫描、频率扫描、时间延迟扫描法的基本工作原理天线相位扫描、频率扫描、时间延迟扫描法的基本工作原理相控阵雷达、数字雷达及三坐标雷达基本工作原理、常见的相控阵雷达、数字雷达及三坐标雷达基本工作原理、常见的多波束形成技术多波束形成技术雷达目标高度测量的计算雷达目标高度测量的计算圆锥扫描自动测角基本原理、单脉冲自动测角基本原理圆锥扫描自动测角基本原理、单脉冲自动测角基本原理角度测量角度测量本章重点本章重点相位法测角原理、三天线相位法测角原理相位法测角原理、三天线相位法测角原理振幅法测角的基本原理振幅法测角的基本原理天线相位、频率
3、及时间延迟扫描法的基本原理天线相位、频率及时间延迟扫描法的基本原理相控阵雷达、数字雷达及三坐标雷达基本原理相控阵雷达、数字雷达及三坐标雷达基本原理角度测量角度测量 7.1 概述概述 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 7.3 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 7.4 相控阵雷达、数字雷达及三坐标雷达相控阵雷达、数字雷达及三坐标雷达 7.5 自动测角的原理和方法自动测角的原理和方法 角度测量角度测量一、雷达角度坐标的确定一、雷达角度坐标的确定方位角,高低角绝对坐标表示法:方位角基准为正北,顺时针方向为正 高低角基准为水平面,向上方向为正相对坐标表示法:测出目标相对于天线轴线的偏离角,再
4、根据天线轴线的实际角度,计算出目标实际角度。7.1 概概 述述 二、测角的物理基础二、测角的物理基础电磁波在均匀介质中以光速匀速直线传播雷达天线具有方向性三、实际空间电磁波传播非线性影响三、实际空间电磁波传播非线性影响实际空气介质的非均匀性使电磁波传播轨迹弯曲近距离测角,影响可以忽略远距离测角,测量数据必须修订7.1 概概 述述 四、天线方向图近似表示四、天线方向图近似表示天线的方向性用方向性函数表示电场强度幅度的归一化余弦函数7.1 概概 述述 高斯函数7.1 概概 述述 辛克函数7.1 概概 述述 五、天线方向图的主要技术指标五、天线方向图的主要技术指标半功率波束宽度0.5F(0.5)0.
5、707影响测角精度副瓣电平影响雷达的抗干扰性能7.1 概概 述述 六、雷达测角性能的度量六、雷达测角性能的度量测角范围测角范围测角速度测角速度角度分辨力角度分辨力测角准确度测角准确度测角精度测角精度7.1 概概 述述 角度分辨力雷达将相同距离上相互靠近的两个目标区分开 的最小角度。0.5角度分辨力由角度分辨力由天线半功率天线半功率波束宽度波束宽度决定决定7.1 概概 述述 测角方法测角方法振幅法振幅法相位法相位法最大信号法最大信号法等信号法等信号法最小信号法最小信号法两天线两天线相位法相位法三天线三天线相位法相位法7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比
6、较 q 7.2.1 相位法测角相位法测角 1.基本原理基本原理 相相位位法法测测角角利利用用多多个个天天线线所所接接收收回回波波信信号号之之间间的的相相位位差差进进行行测测角角。如图 7.1,设在方向有一远区目标,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波程程差差R而产生一相位差相位差,(7.2.1)其中为雷达波长。如用相位计进行比相,测测出出其其相相位位差差,就就可可以以确确定目标方向定目标方向。图图 7.1 相位法测角方框图相位法测角方框图 由于在较较低低频频率率上上容容易易实实现现比比相相,故通常将两天线收到的高频信号经与同一本振信号差
7、频后,在中频进行比相。设两高频信号为 u1=U1 cos(t-)u2=U2cos(t)本振信号为 uL=ULcos(Lt+L)其中,为两信号的相位差;L为本振信号初相。u1和uL差频得 uI1=UI1cos(-L)t-L 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 u2与uL差频得 uI2=UI2cos(-L)t-L 可见,两中频信号uI1与uI2之间的相位差仍为。图 7.2。接接收收信信号号经经过过混混频频、放放大大后后再再加加到到相相位位比比较较器器中中进进行行比比相相。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。图图 7.2 相位法测角方框图相位法测角方框图 7
8、.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 为便于讨论,设变压器的变压比为11,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成比例的响应。为此目的,当相位差为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(t-)u2=U2=cos(t-90)图图 7.3 二极管相位检波器电路及矢量图二极管相位检波器电路及矢量图(a)电路电路;(b)U2U1;(c)U2=1/2U1 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 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-)。由图 7.3(a)知:7
9、.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 图图 7.3 二极管相位检波器电路及矢量图二极管相位检波器电路及矢量图(a)电路电路;(b)U2U1;(c)U2=1/2U1 当选取当选取U2U1时时,由矢量图 7.3(b)可知 图图 7.3 二极管相位检波器电路及矢量图二极管相位检波器电路及矢量图(a)电路电路;(b)U2U1;(c)U2=1/2U1 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 故相位检波器输出电压为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。测测出出Uo,便便可可求求出出 。显然,这种电路的单值测量范围是-/2/2
10、。当 30,UoKdU1 ,输出电压Uo与 近似为线性关系。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 当选取当选取1/2U1=U2时时,由矢量图 7.3(c)可求得:则输出 输出特性如图7.4(b)所示,与Uo有良好的线性关系,但单值测量范围仍为-/2/2。为了将单值测量范围扩大到 2,电路上还需采取附加措施。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 图7.4 相位检波器输出特性(a)U2U1;(b)U2=1/2U17.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 2.测角误差与多值性问题测角误差与多值性问题 相相位位差差值值测测量量不不准准,将将产产生生测测角角误误差差,它们之间的关系如下将式(7.
11、2.1)两边取微分:(7.2.3)由由式式(7.2.3)看看出出,采采用用读读数数精精度度高高(d小小)的的相相位位计计,或或减减小小/d值值(增增大大d/值值),均均可可提提高高测测角角精精度度。也也注注意意到到:当当=0 时时,即即目目标标处处在在天天线线法法线线方方向向时时,测测角角误误差差d最最小小。当当增增大大,d也也增增大大,为为保保证证一一定定的的测测角角精精度度,的的范范围有一定的限制。围有一定的限制。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 增大d/虽然可提高测角精度,但由式(7.2.1)可知,在感兴趣的范围(测角范围)内,当当d/加加大大到到一一定定程程序序时时,值值可可能
12、能超超过过 2,此时=2N+,其中N为整数;2,而相位计实际读数为值。由于N值未知,因而真实的值不能确定,就出现多多值值性性(模模糊糊)问问题题。必须解决多值性问题,即只有判定N值才能确定目标方向。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 图图 7.5 三天线相位法测角原理示意图三天线相位法测角原理示意图 比较有效的办法是利用三三天天线线测测角角设备,间间距距大大的的 1、3 天天线线用用来来得得到高精度测量到高精度测量,而间距小的而间距小的 1、2 天线用来解决多值性天线用来解决多值性,如图7.5所示。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 1、2天线间距小满足单值测角范围1、3天线间距大
13、保证测角精度高 设目标在方向。天线 1、2 之间的距离为d12,天线 1、3 之间的距离为d13,适当选择d12,使天天线线 1、2 收收到到的的信信号号之之间间的的相相位位差差在测角范围内均满足:(7.2.4)12由相位计 1 读出。根据要求,选择较大的d13,则天线 1、3 收到的信号的相位差为 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 由相位计2读出,但实际读数是小于 2的。为了确定N值,可利用如下关系:(7.2.5)根据相位计 1 的读数 可算出 ,但 包含有相位计的读数误差,由式(7.2.5)标出的 具有的误差为相位计误差的d13/d12倍,它只是式(7.2.4)的近似值,只要 的读
14、数误差值不大,就可用它确定N,即把把(d13/d12)除除以以 2,所所得得商商的的整整数数部部分分就就是是N值值。然后由式(7.2.4)算出 并确定。由于d13/值较大,保证了所要求的测角精度。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 q 7.2.2 振幅法测角振幅法测角 1.最大信号法最大信号法 当天线波束作圆周扫描或在一定扇形范围内作匀角速扫描时,对收发共用天线的单单基基地地脉脉冲冲雷雷达达而言,接接收收机机输输出出的的脉脉冲冲串串幅幅度度值值被被天天线线双双程程方方向向图图函函数数所所调调制制。找找出出脉脉冲冲串串的的最最大大值值(中中心心值值),确确定定该该时时刻刻波波束束轴轴线线指
15、指向向即即为为目目标标所所在在方方向向,如图 7.6(b)的所示。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 在人人工工录录取取的雷达里,操纵员在显示器画面上看到回波最大值的同时,读出目标的角度数据。采用平面位置显示(PPI)二度空间显示器时,扫描线与波束同步转动,根据回波标志中心(相当于最大值)相应的扫描线位置,借助显示器上的机械角刻度或电子角刻度读出目标的角坐标。这样,天线轴线(最大值)扫过目标方向(t)时,不不一一定定有有回回波波脉脉冲冲,就是说,s将产生相应的“量化量化”测角误差测角误差。如天线转动角速度为ar/min,脉冲雷达重复频率为fr,则两脉冲间的天线转角为7.2 测角方法及其比
16、较测角方法及其比较 在自自动动录录取取的雷达中,可以采用以下办法读出回波信号最大值的方向:一般情况下,天线方向图是对称的,因此回波脉冲串的中心位置就是其最大值的方向。测读时可先将回波脉冲串进行二进制量化,其振幅超过门限时取“1”,否则取“0”,如果测量时没有噪声和其它干扰,就可根据出现“1”和消失“1”的时刻,方便且精确地找出回回波波脉脉冲冲串串“开开始始”和和“结结束束”时时的的角角度度,两两者的中间值就是目标的方向。者的中间值就是目标的方向。通常,回波信号中总是混杂着噪声和干扰,为减弱噪声的影响,脉脉冲冲串串在在二二进进制制量量化化前前先先进进行行积积累累,如图 7.6(b)中的实线所示,
17、积累后的输出将产生一个固定迟延(可用补偿解决),但可提高测角精度。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 最大信号法测角也可采用闭环的角度波门跟踪进行,如图 7.6(b)中的、所示,它的基本原理和距离门做距离跟踪相同。图图 7.6 最大信号法测角最大信号法测角(a)波束扫描波束扫描;(b)波型图波型图 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较(7.2.6a)式中,E/N0为脉冲串能量和噪声谱密度之比,Kp为误差响应曲线的斜率(图 7.6(b)的),B为天线波束宽度,Lp为波束形状损失,(S/N)m是中心脉冲的信噪比;n=t0fr,为单程半功率点波束宽度内的脉冲数。在最佳积分处理条件下可得到
18、,则得(7.2.6b)用角波门技术作角度测量时的精度(受噪声影响)为 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 最大信号法测角的优优点点一是简简单单;二是用天线方向图的最大值方向测角,此时回波最强,故信噪比最大,对检测发现目标发现目标是有利的。其主要缺缺点点是直接测量时测量精精度度不很高,约为波束半功率宽度(0.5)的 20%左右。因为方向图最大值附近比较平坦,最强点不易判别,测量方法改进后可提高精度。另一缺点是不不能能判别目标偏离波束轴线的方向,故不能用于自动测角自动测角。最大信号法测角广泛应用于搜索、引导雷达中。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 2.等信号法等信号法 等信号法测角采
19、采用用两两个个相相同同且且彼彼此此部部分分重重叠叠的的波波束束,其方向图如图 7.7(a)所示。如果目标处在两波束的交叠轴OA方向,则由两波束收到的信号强度相等,否则一个波束收到的信号强度高于另一个(如图 7.7(b)所示)。故常常称OA为为等等信信号号轴轴。当两个波束收到的回波信号相等时,等信号轴所指方向即为目标方向。如果目标处在OB方向,波束 2 的回波比波束 1 的强,处在OC方向时,波束 2 的回波较波束 1 的弱。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 等信号轴等信号轴1、2波束波束收到回波相等收到回波相等2波束波束收到回波强收到回波强1波束波束收到回波强收到回波强图图 7.7 等
20、信号法测角等信号法测角 (a)波束波束;(b)K型显式器画面型显式器画面 7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 设天线电压方向性函数为F(),等信号轴OA的指向为0,则波束 1、2 的方向性函数可分别写成:F1()=F(1)=F(+k-0)F2()=F(2)=F(-0-k)k为0与波束最大值方向的偏角。用等信号法测量时,波束1接收到的回波信号u1=KF1()=KF(k-t),波束2收到的回波电压值u2=KF2()=KF(-k-t)=KF(k+t),式中t为目标方向偏离等信号轴0的角度。对对u1和和u2信信号号进进行行处处理理,可可以以获获得得目目标标方方向向t的信息。的信息。因此,比较两个
21、波束回波的强弱就可以判断目标偏离等信号轴的方向比较两个波束回波的强弱就可以判断目标偏离等信号轴的方向并可用查表的办法估计出偏离等信号轴的大小。并可用查表的办法估计出偏离等信号轴的大小。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 v (1)比幅法比幅法:求两信号幅度的比值 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。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 v(2)和差法和差法:由u1及u2可求得其()=u1()-u2()=KF(k-t)-F(k+t)在等信号轴=0 附近,差值()可近似表达为 差值(t)及和值(t),即图图 7.8 和差法测角和差法测角7
22、.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 而和信号(t)=u1()+u2()=KF(k-t)+F(k+t)在0附近可近似表示为:(t)2F(0)k 即可求得其和、差波束()与(),如图 7.8 所示。归一化的和差值(7.2.7)因为/正正比比于于目目标标偏偏离离0的的角角度度t,故故可可用用它它来来判判读读角角度度t的的大大小小及及方向方向。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 等信号法中,两个波束可以同时存在,若用两套相同的接收系统同时工作,则称同同时时波波瓣瓣法法;两波束也可以交替出现,或只要其中一个波束,使它绕OA轴旋转,波束便按时间顺序在 1、2 位置交替出现,只要用一套接收系统工作
23、,则称顺序波瓣法顺序波瓣法。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 等信号法的主要优点优点是:(1)测测角角精精度度比比最最大大信信号号法法高高,因为等信号轴附近方向图斜斜率率较较大大,目标略略微微偏偏离离等等信信号号轴轴时,两信号强强度度变变化化较较显显著著。由理论分析可知,对收发共用天线的雷达,精度约为波束半功率宽度的 2%,比最大信号法高约一个量级。(2)根根据据两两个个波波束束收收到到的的信信号号的的强强弱弱可可判判别别目目标标偏偏离离等等信信号号轴轴的的方方向向,便便于于自自动动测测角角。等信号法的主要缺缺点点:一是测测角角系系统统较较复复杂杂;二是等等信信号号轴轴方方向向不不是是
24、方方向向图图的的最最大大值值方方向向,故在发发射射功功率率相相同同的条件下,作作用用距距离离比比最最大大信信号号法法小小些些。若两波束交点选择在最大值的 0.70.8 处,则对收发共用天线的雷达,作用距离比最大信号法减小约 20%30%。等信号法常用来进行自动测角,即应用于跟踪雷达中。7.2 测角方法及其比较测角方法及其比较 7.3 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 7.3.1 波束形状和扫描方法波束形状和扫描方法 1.扇形波束扇形波束 扇形波束的水平面和垂直面内的波束宽度有较大差别,主要扫描方式是圆周扫描和扇扫圆周扫描和扇扫。图图 7.9 扇形波束圆周扫描扇形波束圆周扫描 (a)地面雷达
25、地面雷达;(b)机载雷达机载雷达 圆圆周周扫扫描描时,波束在水平面内作 360圆周运动(图 7.9),可观察雷达周围目标并测定其距离和方位角坐标。所用波束通常在水水平平面面内内很很窄窄,故方位角有较高的测角精度和分辨力。垂垂直直面面内内很很宽宽,以保证同时监视较大的仰角空域。地面搜索型雷达垂直面内的波束形状通常做成余余割割平平方方形形,这样功率利用比较合理,使同一高度不同距离目标的回波强度基本相同。7.3 天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 由雷达方程知,回波功率为 式中,G为天线增益;R为斜距;K1为雷达方程中其它参数决定的常数。若目标高度为H,仰角为,忽略地面曲率,则R=H/sin=H
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