雷達原理第七章-角度測量

1、第六章第六章 作業(yè)解析作業(yè)解析第六章第六章 作業(yè)解析作業(yè)解析第六章第六章 作業(yè)解析作業(yè)解析第七章第七章 角度測量角度測量電話電話V網網: 66286 西南科技大學國防科技學院西南科技大學國防科技學院黃傳波黃傳波角度測量角度測量u測角方法測角方法u波束的掃描方法波束的掃描方法u相控陣雷達相控陣雷達u 數(shù)字雷達數(shù)字雷達u 三坐標雷達三坐標雷達u自動測角原理和方法自動測角原理和方法雷達測角的理論基礎、相位法測角原理雷達測角的理論基礎、相位法測角原理振幅法測角的基本原理、三天線相位法測角原理振幅法測角的基本原理、三天線相位法測角原理天線波束基本形狀、天線波束掃描基本方法天線波

2、束基本形狀、天線波束掃描基本方法天線相位掃描、頻率掃描、時間延遲掃描法的基本工作原理天線相位掃描、頻率掃描、時間延遲掃描法的基本工作原理相控陣雷達、數(shù)字雷達及三坐標雷達基本工作原理、常見的相控陣雷達、數(shù)字雷達及三坐標雷達基本工作原理、常見的多波束形成技術多波束形成技術雷達目標高度測量的計算雷達目標高度測量的計算圓錐掃描自動測角基本原理、單脈沖自動測角基本原理圓錐掃描自動測角基本原理、單脈沖自動測角基本原理角度測量角度測量相位法測角原理、三天線相位法測角原理相位法測角原理、三天線相位法測角原理振幅法測角的基本原理振幅法測角的基本原理天線相位、頻率及時間延遲掃描法的基本原理天線相位、頻率及時間延遲

3、掃描法的基本原理相控陣雷達、數(shù)字雷達及三坐標雷達基本原理相控陣雷達、數(shù)字雷達及三坐標雷達基本原理角度測量角度測量 7.1 概述概述 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 7.3 天線波束的掃描方法天線波束的掃描方法 7.4 相控陣雷達、數(shù)字雷達及三坐標雷達相控陣雷達、數(shù)字雷達及三坐標雷達 7.5 自動測角的原理和方法自動測角的原理和方法 角度測量角度測量一、雷達角度坐標的確定一、雷達角度坐標的確定方位角，高低角絕對坐標表示法： 方位角基準為正北，順時針方向為正 高低角基準為水平面，向上方向為正相對坐標表示法： 測出目標相對于天線軸線的偏離角，再根據天線軸線的實際角度，計算出目標實際角度。7

4、.1 概概 述述 二、測角的物理基礎二、測角的物理基礎電磁波在均勻介質中以光速勻速直線傳播雷達天線具有方向性三、實際空間電磁波傳播非線性影響三、實際空間電磁波傳播非線性影響實際空氣介質的非均勻性使電磁波傳播軌跡彎曲近距離測角，影響可以忽略遠距離測角，測量數(shù)據必須修訂7.1 概概 述述 nFcos)(四、天線方向圖近似表示四、天線方向圖近似表示天線的方向性用方向性函數(shù)表示電場強度幅度的歸一化余弦函數(shù)7.1 概概 述述 高斯函數(shù)22)(aeF7.1 概概 述述 辛克函數(shù)bbFsin)(7.1 概概 述述 五、天線方向圖的主要技術指標五、天線方向圖的主要技術指標半功率波束寬度0.5F(0.5)0.7

5、07影響測角精度副瓣電平影響雷達的抗干擾性能7.1 概概 述述 六、雷達測角性能的度量六、雷達測角性能的度量測角范圍測角范圍測角速度測角速度角度分辨力角度分辨力測角準確度測角準確度測角精度測角精度7.1 概概 述述 角度分辨力雷達將相同距離上相互靠近的兩個目標區(qū)分開 的最小角度。0.5角度分辨力由角度分辨力由天線半功率天線半功率波束寬度波束寬度決定決定7.1 概概 述述 測角方法測角方法振幅法振幅法相位法相位法最大信號法最大信號法等信號法等信號法最小信號法最小信號法兩天線兩天線相位法相位法三天線三天線相位法相位法7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較

6、 q 7.2.1 相位法測角相位法測角 1. 基本原理基本原理 相位法測角利用多個天線所接收回波信號之間的相位差進行測角。相位法測角利用多個天線所接收回波信號之間的相位差進行測角。 如圖 7.1 , 設在方向有一遠區(qū)目標, 則到達接收點的目標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由于存在波程差波程差R而產生一相位差相位差, sin22dR (7.2.1) 接 收 機接 收 機12目 標 方 向法 線 方 向R d sind其中為雷達波長。如用相位計進行比相, 測測出其相位差出其相位差, 就可以確就可以確定目標方向定目標方向。 圖圖 7.1 相位法測角方框圖相位法測角

7、方框圖 由于在較低頻率上容易實現(xiàn)比相較低頻率上容易實現(xiàn)比相, 故通常將兩天線收到的高頻信號經與同一本振信號差頻后, 在中頻進行比相。 設兩高頻信號為 u1=U1 cos (t-)u2=U2cos (t) 本振信號為 uL=ULcos (Lt+L) 其中，為兩信號的相位差；L為本振信號初相。u1和uL差頻得 uI1=UI1cos(-L)t-L 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 u2與uL差頻得 uI2=UI2cos(-L)t-L 可見，兩中頻信號uI1與uI2之間的相位差仍為。 圖 7.2 。接收信號經過接收信號經過混頻、放大后再加到相混頻、放大后再加到相位比較器中進行比相。位比較器中進

8、行比相。其中自動增益控制電路用來保證中頻信號幅度穩(wěn)定, 以免幅度變化引起測角誤差。 混 頻 器混 頻 器自 動 增益 控 制自 動 增益 控 制本 振中 放中 放相 位比 較 器圖圖 7.2 相位法測角方框圖相位法測角方框圖 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 為便于討論, 設變壓器的變壓比為1 1, 電壓正方向如圖 7.3(a)所示, 相位比較器輸出端應能得到與相位差成比例的響應。為此目的, 當相位差為的兩高頻信號加到相位檢波器之前, 其中之一要預先移相 90。因此相位檢波器兩輸入信號為 u1=U1cos (t-)u2=U2=cos (t-90) 121u121uud1ud2u2u2U

9、o1Uo2Uou1(a)121U121Usin211UU2Ud2Ud1121U121UUd2Ud1(b)(c)VD1VD2圖圖 7.3 二極管相位檢波器電路及矢量圖二極管相位檢波器電路及矢量圖(a) 電路電路; (b) U2U1; (c) U2=1/2U1 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 U1、U2為u1、u2的振幅, 通常應保持為常值。現(xiàn)在u1在相位上超前u2的數(shù)值為(90-)。 由圖 7.3(a)知： 1221212121uuuuuudd121u121uud1ud2u2u2Uo1Uo2Uou1(a)121U121Usin211UU2Ud2Ud1121U121UUd2Ud1(b)(

10、c)VD1VD27.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 圖圖 7.3 二極管相位檢波器電路及矢量圖二極管相位檢波器電路及矢量圖(a) 電路電路; (b) U2U1; (c) U2=1/2U1 當選取當選取U2U1時時, 由矢量圖 7.3(b)可知 sin21sin2112221211UUUuUUUudddd121u121uud1ud2u2u2Uo1Uo2Uou1(a)121U121Usin211UU2Ud2Ud1121U121UUd2Ud1(b)(c)VD1VD2圖圖 7.3 二極管相位檢波器電路及矢量圖二極管相位檢波器電路及矢量圖(a) 電路電路; (b) U2U1; (c) U2=1/2

11、U1 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 故相位檢波器輸出電壓為相位檢波器輸出電壓為 sin12121UKUKUKUUUdddddooo其中Kd為檢波系數(shù)。由式(7.2.2)可畫出相位檢波器的輸出特性曲線, 如圖 7.4(a)所示。測出測出Uo, 便可求出便可求出 。 顯然, 這種電路的單值測量范圍是-/2/2。當 30, UoKdU1 , 輸出電壓Uo與 近似為線性關系。 121u121uud1ud2u2u2Uo1Uo2Uou1(a)121U121Usin211UU2Ud2Ud1121U121UUd2Ud1(b)(c)VD1VD27.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 當選取當選取1

12、/2U1=U2時時, 由矢量圖 7.3(c)可求得: 2145sin2122145sin2121211UUUUdd則輸出 245sin245sin11UKUKUddo輸出特性如圖7.4(b)所示, 與Uo有良好的線性關系, 但單值測量范圍仍為-/2/2。為了將單值測量范圍擴大到 2, 電路上還需采取附加措施。 121u121uud1ud2u2u2Uo1Uo2Uou1(a)121U121Usin211UU2Ud2Ud1121U121UUd2Ud1(b)(c)VD1VD27.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 圖7.4 相位檢波器輸出特性(a)U2U1; (b)U2=1/2U12Uo20(a)(

13、b)2Uo20KdU1 sin (45 )2KdU1 sin (45 )27.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 2. 測角誤差與多值性問題測角誤差與多值性問題 相位差相位差值測量不準值測量不準, 將產生測角誤差將產生測角誤差, 它們之間的關系如下將式(7.2.1)兩邊取微分: 2cos2cosdddddd(7.2.3) 由式由式(7.2.3)看出看出, 采用讀數(shù)精度高采用讀數(shù)精度高(d小小)的相位計的相位計, 或減小或減小/d值值(增大增大d/值值), 均可提高測角精度。也注意到：當均可提高測角精度。也注意到：當=0 時時, 即目標處在天線法線方向即目標處在天線法線方向時時, 測角誤差測角

14、誤差d最小。當最小。當增大增大, d也增大也增大, 為保證一定的測角精度為保證一定的測角精度, 的范的范圍有一定的限制。圍有一定的限制。 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 增大d/雖然可提高測角精度, 但由式(7.2.1)可知, 在感興趣的范圍(測角范圍)內, 當當d/加大到一定程序時加大到一定程序時, 值可能超過值可能超過 2, 此時=2N+, 其中N為整數(shù); 2, 而相位計實際讀數(shù)為值。 由于N值未知, 因而真實的值不能確定, 就出現(xiàn)多值性多值性(模糊模糊)問題問題。必須解決多值性問題, 即只有判定N值才能確定目標方向。7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 圖圖 7.5 三天線

15、相位法測角原理示意圖三天線相位法測角原理示意圖 接收機接收機12d123接收機12d13R12R1313 比較有效的辦法是利用三天線測角三天線測角設備, 間距大的間距大的 1、3 天線用來得天線用來得到高精度測量到高精度測量, 而間距小的而間距小的 1、2 天線用來解決多值性天線用來解決多值性, 如圖7.5所示。 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 1、2天線間距小滿足單值測角范圍1、3天線間距大保證測角精度高 設目標在方向。天線 1、2 之間的距離為d12, 天線 1、3 之間的距離為d13, 適當選擇d12, 使天線天線 1、2 收到的信號之間的相位差收到的信號之間的相位差在測角范圍

16、內均滿足: Nd2sin21313(7.2.4) 2sin21212d12由相位計 1 讀出。 根據要求, 選擇較大的d13, 則天線 1、3 收到的信號的相位差為 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 由相位計2讀出, 但實際讀數(shù)是小于 2的。為了確定N值, 可利用如下關系:1212131312131213dddd(7.2.5) 根據相位計 1 的讀數(shù) 可算出 , 但 包含有相位計的讀數(shù)誤差, 由式(7.2.5)標出的 具有的誤差為相位計誤差的d13/d12倍, 它只是式(7.2.4)的近似值, 只要 的讀數(shù)誤差值不大, 就可用它確定N, 即把把(d13/d12) 除除以以 2, 所得商

17、的整數(shù)部分就是所得商的整數(shù)部分就是N值。值。然后由式(7.2.4)算出 并確定。由于d13/值較大, 保證了所要求的測角精度。 13121312131212137.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 q 7.2.2 振幅法測角振幅法測角 1. 最大信號法最大信號法 當天線波束作圓周掃描或在一定扇形范圍內作勻角速掃描時, 對收發(fā)共用天線的單基地脈沖雷達單基地脈沖雷達而言, 接收機輸出的脈沖串幅度值被接收機輸出的脈沖串幅度值被天線雙程方向圖函數(shù)所調制。找天線雙程方向圖函數(shù)所調制。找出脈沖串的最大值出脈沖串的最大值(中心值中心值), 確定確定該時刻波束軸線指向即為目標所該時刻波束軸線指向即為目標所

18、在方向在方向, 如圖 7.6(b)的所示。 (a)目 標tAaAat幅 度t / atA / a幅 度t / attiaftA27.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 在人工錄取人工錄取的雷達里, 操縱員在顯示器畫面上看到回波最大值的同時, 讀出目標的角度數(shù)據。 采用平面位置顯示(PPI)二度空間顯示器時, 掃描線與波束同步轉動, 根據回波標志中心(相當于最大值)相應的掃描線位置, 借助顯示器上的機械角刻度或電子角刻度讀出目標的角坐標。 rasf160360這樣, 天線軸線(最大值)掃過目標方向(t)時, 不一定有回波脈沖不一定有回波脈沖, 就是說, s將產生相應的“量化量化”測角誤差測角誤

19、差。 如天線轉動角速度為ar/min, 脈沖雷達重復頻率為fr, 則兩脈沖間的天線轉角為7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 在自動錄取自動錄取的雷達中, 可以采用以下辦法讀出回波信號最大值的方向: 一般情況下, 天線方向圖是對稱的, 因此回波脈沖串的中心位置就是其最大值的方向。測讀時可先將回波脈沖串進行二進制量化, 其振幅超過門限時取“1”, 否則取“0”, 如果測量時沒有噪聲和其它干擾, 就可根據出現(xiàn)“1”和消失“1”的時刻, 方便且精確地找出回波脈沖串回波脈沖串“開始開始”和和“結束結束”時的角度時的角度, 兩兩者的中間值就是目標的方向者的中間值就是目標的方向。(a)目 標tAaAa

20、t幅 度t / atA / a幅 度t / attiaftA2 通常,回波信號中總是混雜著噪聲和干擾, 為減弱噪聲的影響, 脈沖串在二進制量脈沖串在二進制量化前先進行積累化前先進行積累, 如圖 7.6(b)中的實線所示, 積累后的輸出將產生一個固定遲延(可用補償解決), 但可提高測角精度。7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 最大信號法測角也可采用閉環(huán)的角度波門跟蹤進行, 如圖 7.6(b)中的、 所示, 它的基本原理和距離門做距離跟蹤相同。tg加權tt加權后幅度幅度(b)att圖圖 7.6 最大信號法測角最大信號法測角 (a) 波束掃描波束掃描; (b) 波型圖波型圖 7.2 測角方法及

21、其比較測角方法及其比較 nmppBpBNSKLNEK)/(2/20(7.2.6a) 式中, E/N0為脈沖串能量和噪聲譜密度之比, Kp為誤差響應曲線的斜率(圖 7.6(b)的), B為天線波束寬度,Lp為波束形狀損失, (S/N)m是中心脈沖的信噪比; n=t0fr, 為單程半功率點波束寬度內的脈沖數(shù)。在最佳積分處理條件下可得到 , 則得 4 . 1/ppLKnNSmB5 . 0(7.2.6b) 用角波門技術作角度測量時的精度(受噪聲影響)為 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 最大信號法測角的優(yōu)點優(yōu)點一是簡單簡單; 二是用天線方向圖的最大值方向測角, 此時回波最強, 故信噪比最大,

22、對檢測發(fā)現(xiàn)目標發(fā)現(xiàn)目標是有利的。 其主要缺點缺點是直接測量時測量精度精度不很高, 約為波束半功率寬度(0.5)的 20%左右。因為方向圖最大值附近比較平坦, 最強點不易判別, 測量方法改進后可提高精度。另一缺點是不能不能判別目標偏離波束軸線的方向, 故不能用于自動測角自動測角。最大信號法測角廣泛應用于搜索、引導雷達中。 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 2. 等信號法等信號法 等信號法測角采用兩個相同且彼此部分重疊的波束采用兩個相同且彼此部分重疊的波束, 其方向圖如圖 7.7(a)所示。如果目標處在兩波束的交疊軸OA方向, 則由兩波束收到的信號強度相等, 否則一個波束收到的信號強度高于

23、另一個(如圖 7.7(b)所示)。 故常常稱OA為等信號軸為等信號軸。當兩個波束收到的回波信號相等時, 等信號軸所指方向即為目標方向。 如果目標處在OB方向, 波束 2 的回波比波束 1 的強, 處在OC方向時, 波束 2 的回波較波束 1 的弱。7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 等信號軸等信號軸1、2波束波束收到回波相等收到回波相等2波束波束收到回波強收到回波強1波束波束收到回波強收到回波強圖圖 7.7 等信號法測角等信號法測角 (a) 波束波束; (b)K型顯式器畫面型顯式器畫面 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 設天線電壓方向性函數(shù)為F(), 等信號軸OA的指向為0, 則

24、波束 1、2 的方向性函數(shù)可分別寫成: F1()=F(1)=F(+k-0)F2()=F(2)=F(-0-k)k為0與波束最大值方向的偏角。 用等信號法測量時,波束1接收到的回波信號u1=KF1()=KF(k-t), 波束2收到的回波電壓值u2=KF2()=KF(-k-t)=KF(k+t), 式中t為目標方向偏離等信號軸0的角度。對對u1和和u2信號進行處理信號進行處理, 可以獲得目標方可以獲得目標方向向t的信息。的信息。 因此， 比較兩個波束回波的強弱就可以判斷目標偏離等信號軸的方向比較兩個波束回波的強弱就可以判斷目標偏離等信號軸的方向并可用查表的辦法估計出偏離等信號軸的大小。并可用查表的辦法

25、估計出偏離等信號軸的大小。7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 v (1) 比幅法比幅法: 求兩信號幅度的比值 )()()()(21tktkFFuu 根據比值的大小可以判斷目標偏離0的方向, 查找預先制定的表格就可估計出目標偏離0的數(shù)值。 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 v (2) 和差法和差法: 由u1及u2可求得其()=u1()-u2() =KF(k-t)-F(k+t) 在等信號軸=0 附近, 差值()可近似表達為 kddFtt0)(2)(a)(b)(c)102tF1()F2()()響 應(差 波 束 )()響 應(和 波 束 )響 應差值(t)及和值(t), 即圖圖 7.8

26、 和差法測角和差法測角7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 而和信號 (t)=u1()+u2()=KF(k-t)+F(k+t) 在0附近可近似表示為： (t)2F(0)k 即可求得其和、差波束()與(), 如圖 7.8 所示。 歸一化的和差值 0)()(0ddFFt(7.2.7) 因為/正比于目標偏離正比于目標偏離0的角度的角度t, 故可用它來判讀角度故可用它來判讀角度t的大小及的大小及方向方向。 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 等信號法中, 兩個波束可以同時存在, 若用兩套相同的接收系統(tǒng)同時工作, 則稱同時波瓣法同時波瓣法; 兩波束也可以交替出現(xiàn), 或只要其中一個波束, 使它繞

27、OA軸旋轉, 波束便按時間順序在 1、 2 位置交替出現(xiàn), 只要用一套接收系統(tǒng)工作, 則稱順序波瓣法順序波瓣法。 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 等信號法的主要優(yōu)點優(yōu)點是: (1) 測角精度比最大信號法高測角精度比最大信號法高, 因為等信號軸附近方向圖斜率較大斜率較大, 目標略微偏離等信號軸略微偏離等信號軸時, 兩信號強度變化較顯著強度變化較顯著。 由理論分析可知, 對收發(fā)共用天線的雷達, 精度約為波束半功率寬度的 2%, 比最大信號法高約一個量級。 (2) 根據兩個波束收到的信號的強弱可判別目標偏離等信號軸根據兩個波束收到的信號的強弱可判別目標偏離等信號軸的方向的方向, 便于自動測

28、角便于自動測角。 等信號法的主要缺點缺點：一是測角系統(tǒng)較復雜測角系統(tǒng)較復雜; 二是等信號軸方向不是方向圖的最大值方向等信號軸方向不是方向圖的最大值方向, 故在發(fā)射功率相同發(fā)射功率相同的條件下, 作用距離比最大信號法小些作用距離比最大信號法小些。 若兩波束交點選擇在最大值的 0.70.8 處, 則對收發(fā)共用天線的雷達, 作用距離比最大信號法減小約 20%30%。等信號法常用來進行自動測角, 即應用于跟蹤雷達中。 7.2 測角方法及其比較測角方法及其比較 7.3 天線波束的掃描方法天線波束的掃描方法 7.3.1 波束形狀和掃描方法波束形狀和掃描方法 1. 扇形波束扇形波束 扇形波束的水平面和垂直面

29、內的波束寬度有較大差別, 主要掃描方式是圓周掃描和扇掃圓周掃描和扇掃。 圖圖 7.9 扇形波束圓周掃描扇形波束圓周掃描 (a) 地面雷達地面雷達; (b) 機載雷達機載雷達(a)(b)O 圓周掃描圓周掃描時, 波束在水平面內作 360圓周運動(圖 7.9), 可觀察雷達周圍目標并測定其距離和方位角坐標。所用波束通常在水平面內很窄水平面內很窄, 故方位角有較高的測角精度和分辨力。垂直面內很寬垂直面內很寬, 以保證同時監(jiān)視較大的仰角空域。地面搜索型雷達垂直面內的波束形狀通常做成余割平方形余割平方形, 這樣功率利用比較合理, 使同一高度不同距離目標的回波強度基本相同。7.3 天線波束的掃描方法天線波

30、束的掃描方法 由雷達方程知， 回波功率為 421RGKPr式中，G為天線增益; R為斜距; K1為雷達方程中其它參數(shù)決定的常數(shù)。若目標高度為H, 仰角為, 忽略地面曲率, 則R=H/sin =H csc , 代入上式得 4241csc1GHKPr若目標高度一定, 要保持Pr不變, 則要求G/csc2=K(常數(shù)), 故 2cscKG 即天線增益天線增益G()為余割平方形為余割平方形。 7.3 天線波束的掃描方法天線波束的掃描方法 專門用于測高的雷達專門用于測高的雷達, 采用波束寬度在垂直面內很窄而水平面內很采用波束寬度在垂直面內很窄而水平面內很寬的扇形波束寬的扇形波束, 故仰角有較高的測角精度和

31、分辨力故仰角有較高的測角精度和分辨力。雷達工作時, 波束可在水平面內作緩慢圓周運動, 同時在一定的仰角范圍內做快速扇掃(點頭式)。 當對某一區(qū)域需要特別仔細觀察時, 波束可在所需方位角范圍內往返運動, 即做扇形掃描扇形掃描。 7.3 天線波束的掃描方法天線波束的掃描方法 2. 針狀波束針狀波束 針狀波束的水平面和垂直面波束寬度都很窄針狀波束的水平面和垂直面波束寬度都很窄。采用針狀波束可同時測量目標的距離、方位和仰角, 且方位和仰角兩者的分辨力分辨力和測角精測角精度度都較高。主要缺點缺點是因波束窄因波束窄, 掃完一定空域所需的時間較長掃完一定空域所需的時間較長, 即雷達的搜索能力較差。 7.3

32、天線波束的掃描方法天線波束的掃描方法 圖圖 7.10 針狀波束掃描方式針狀波束掃描方式(a) 螺旋掃描螺旋掃描; (b) 分行掃描分行掃描; (c) 鋸齒掃描鋸齒掃描 00仰角掃描范 圍(a)(b)(c)方向角仰角 根據雷達的不同用途, 針狀波束的掃描方式針狀波束的掃描方式很多, 圖 7.10 。圖(a)為螺旋掃描, 在方位上圓周快掃描, 同時仰角上緩慢上升, 到頂點后迅速降到起點并重新開始掃描; 圖(b)為分行掃描, 方位上快掃, 仰角上慢掃; 圖(c)為鋸齒掃描, 仰角上快掃而方位上緩慢移動。 7.3 天線波束的掃描方法天線波束的掃描方法 1. 機械性掃描機械性掃描 利用整個天線系統(tǒng)或其某

33、一部分的機械運動來實現(xiàn)波束掃描的稱為機械性掃描機械性掃描。如環(huán)視雷達、跟蹤雷達，通常采用整個天線系統(tǒng)轉動的方法。7.3 天線波束的掃描方法天線波束的掃描方法 圖圖 7.11 饋源不動反射體動的機械性掃描饋源不動反射體動的機械性掃描 天線收發(fā)開關接收機距離高度顯示器發(fā)射機天線擺動機構飛機目標而圖7.11是饋饋源不動源不動, 反射反射體相對于饋源體相對于饋源往復運動往復運動實現(xiàn)波束扇掃的一個例子。不難看出, 波束偏波束偏轉的角度為反轉的角度為反射體旋轉角度射體旋轉角度的兩倍的兩倍。7.3 天線波束的掃描方法天線波束的掃描方法 圖圖 7.12 風琴管式掃描器示意圖風琴管式掃描器示意圖 等長度的波導輸

34、出喇叭輸入喇叭圖 7.12 為, 由一個輸入喇叭和一排等長波導組成, 波導輸出口按直線排列, 作為拋物面反射體的一排輻射源。當輸當輸入喇叭轉動依次激勵各入喇叭轉動依次激勵各波導時波導時, 這排波導的輸這排波導的輸出口也依次以不同的角出口也依次以不同的角度照射反射體度照射反射體, 形成波形成波束掃描。這等效于反射束掃描。這等效于反射體不動體不動, 饋源左右擺動饋源左右擺動實現(xiàn)波束扇掃。實現(xiàn)波束扇掃。 7.3 天線波束的掃描方法天線波束的掃描方法 機械性掃描的優(yōu)點優(yōu)點是簡單。其主要缺點缺點是機械運動慣性大, 掃描速度不高。近年來快速目標、洲際導彈、人造衛(wèi)星等的出現(xiàn), 要求雷達采用高增益極窄波束,

35、因此天線口徑面往往做得非常龐大, 再加上常要求波束掃描的速度很高, 用機械辦法實現(xiàn)波束掃描無法滿足要求, 必須采用電掃描。 7.3 天線波束的掃描方法天線波束的掃描方法 2. 電掃描電掃描 電掃描時, 天線反射體天線反射體, 饋源等不必作機械運動饋源等不必作機械運動。因無機械慣性限制, 掃描速度可大大提高速度可大大提高, 波束控制迅速靈便, 故這種方法特別適用于要求波束快速掃描及巨型天線的雷達中。電掃描的主要缺點缺點是掃描過程中波束寬度將展寬波束寬度將展寬,因而天線增益天線增益也要減小減小, 所以掃描掃描的角度范圍范圍有一定限制。另外，天線系統(tǒng)一般比較復雜復雜。 根據實現(xiàn)時所用基本技術的差別,

36、 電掃描又可分為：電掃描又可分為：相位掃描法相位掃描法、頻率掃描法頻率掃描法、時間延遲法時間延遲法等。 7.3 天線波束的掃描方法天線波束的掃描方法 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 1. 基本原理基本原理 圖7.13 所示為由N個陣元組成的一維直線移相器天線陣, 陣元間距為d。2k(N1)0012kN1ddd sin 為簡化分析, 先假定每個陣元為無方向性的點輻射源, 所有陣元的饋線輸入端為等幅同等幅同相饋電相饋電,各移相器的相移量分別為 0, , 2, , (N-1)(如圖 7.13 所示), 即相鄰陣元激勵電流之相鄰陣元激勵電流之間的相位差為間的相位差為。 現(xiàn)在考慮偏離法線方向遠區(qū)某點的

37、場強, 它應為各陣元在該點的輻射場的矢量和 10110)(NkkNiEEEEEE 因等幅饋電,且忽略各陣元到該點距離上的微小差別對振幅的影響忽略各陣元到該點距離上的微小差別對振幅的影響, 可認為各陣元在該點輻射場的振輻相等, 用E表示。若以零號陣元輻射場E0的相位為基準, 則 10)()(NkjkeEE(7.3.1) 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 式中, ，為由于波程差引起的相鄰陣元輻射場的相位由于波程差引起的相鄰陣元輻射場的相位差差; 為相鄰陣元激勵電流相位差相鄰陣元激勵電流相位差; k為由波程差引起的由波程差引起的Ek對對E0的相位超的相位超前前;k為由激勵電流相位差引起的由激勵電流相

38、位差引起的Ek對對E0的相位遲后的相位遲后。 任一陣元輻射場與前一陣元輻射場任一陣元輻射場與前一陣元輻射場之間的相位差為相位差為-。按等比級數(shù)求和并運用尤拉公式, 式(7.3.1)化簡為 sin2d)(21)(21sin)(2sin)(NjeNEE7.3.3 相位掃描法相位掃描法 由式(7.3.1)容易看出, 當當=時時, 各分量同相相加, 場強幅值最大, 顯然 NEEmax| )(|故歸一化方向性函數(shù)為 )sin2(21sin)sin2(2sin1)(21sin)(2sin1| )(| )(|)(maxddNNNNEEF(7.3.2)7.3.3 相位掃描法相位掃描法 =0 時時, 也就是各陣

39、元等幅同相饋電時, 由上式可知, 當=0, F()=1, 即方向圖最大值在陣列法線方向。 若0, 則方向圖最大值方向(波束指向)就要偏移, 偏移角0由移相器的相移量決定, 其關系式為: = 0時, 應有F(0 )=1, 由式(7.3.2)可知應滿足 0sin2d(7.3.3) 式(7.3.3)表明, 在0方向, 各陣元的輻射場之間, 由于波程差引起的相位差正好與移相器引入的相位差相抵消, 導致各分量同相相加獲最大值。 顯然, 改變改變值值, 為滿足式為滿足式(7.3.3), 就可改變波束指向角就可改變波束指向角0, 從而形成波從而形成波束掃描。束掃描。 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 也可以

40、用圖用圖 7.14 來來解釋解釋, 可以看出, 圖中MM線上各點電磁波的相位是相同的, 稱同相波前同相波前。方向圖最大值方向與同相波前垂直方向圖最大值方向與同相波前垂直(該方向上各輻射分量同相相加), 200dd sin0dABM0MMA(N1)N1N22100 2移相器天線陣法線方向 波束指向故故控制移相器的相移控制移相器的相移量量, 改變改變值值, 同相波前同相波前傾斜傾斜, 從而改變波束指從而改變波束指向向, 達到波束掃描的目達到波束掃描的目的的。 根據天線收發(fā)互根據天線收發(fā)互易原理易原理, 上述天線用作上述天線用作接收時接收時, 以上結論仍然以上結論仍然成立。成立。 圖圖 7.14 一

41、維相掃天線簡圖一維相掃天線簡圖 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 2. 柵瓣問題柵瓣問題 現(xiàn)在將與波束指向0之間的關系式=(2/)d sin0代入式(7.3.2)， 得 )sin(sinsin)sin(sinsin1)(00dNdNF(7.3.4) 可以看出, 當(Nd/)(sin-sin0)=0, , 2, , n(n為整數(shù))時, 分子為零, 若分母不為零, 則有F()=0。7.3.3 相位掃描法相位掃描法 圖圖 7.15 方向圖出現(xiàn)柵瓣方向圖出現(xiàn)柵瓣 0)sin(sin0d 而當(d/)(sin-sin0)=0, , 2, , n(n為整數(shù))時, 上式分子、分母同為零, 由洛比達法則得F(

42、)=1, 由此可知F()為多瓣狀, 如圖 7.15 所示。柵瓣主瓣柵瓣7.3.3 相位掃描法相位掃描法 其中，(d/)(sin-sin0)=0, 即=0時的稱為主瓣主瓣, 其余稱為柵瓣柵瓣。出現(xiàn)柵瓣將會產生測角多值性測角多值性。 由圖 7.15 看出, 為避免出現(xiàn)柵瓣, 只要保證 )sin(sin0d即 |sinsin|10d則可, 因sin-sin01+sin0, 故不出現(xiàn)柵瓣的條件不出現(xiàn)柵瓣的條件可取為|sin|110d7.3.3 相位掃描法相位掃描法 當波長取定以后, 只要調整陣元間距d以滿足上式, 便不會出現(xiàn)柵瓣。如要在-900+90范圍內掃描時, 則d/1/2, 但通過下面的討論可看

43、出, 當0增大時, 波束寬度也要增大, 故波束掃描范圍不宜取得過大, 一般取|0|60或|0|45, 此時分別是d/0.53 或d/0.59。為避免出現(xiàn)柵瓣，通常選d/1/2。 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 3. 波束寬度波束寬度 1) 波束指向為天線陣面法線方向時的寬度這時, 0=0, 即=0, 為各陣元等幅同相饋電情況。 由式(7.3.2)或式(7.3.1)可得方向性函數(shù)為 sinsinsinsin1)(ddNNF通常波束很窄, 較小, sind/)sin(d/)sin, 上式變?yōu)?sinsinsin)(dNdNF(7.3.5) 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 近似為辛克(Sinc)

44、函數(shù), 由此可求出波束半功率寬度波束半功率寬度為 )(8 .50)(886. 05 . 0NdradNd(7.3.6) 其中Nd為線陣長度。 當d=/2 時 )(1005 . 0N(7.3.7) 順便指出, 在d=/2 的條件下, 若要求0.5=1, 則所需陣元數(shù)N=100。如果要求水平和垂直面內的波束寬度都為 1, 則需 100100 個陣元。 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 2) 波束掃描對波束寬度和天線增益的影響掃描時, 波束偏離法線波束偏離法線方向, 00, 方向性函數(shù)由式(7.3.4)表示。波束較窄時, -0較小, sin(d/)(sin-sin0)(d/)(sin-sin0),

45、式(7.3.4)可近似為 )sin(sin)sin(sinsin)(00dNdNF7.3.3 相位掃描法相位掃描法 d01N1NdNd cos0MM0同相波前是辛克函數(shù)。設在波束半功率點上的707.0sinxx443. 0)sin(sin0dN(7.3.8) 值為+和-(見圖 7.16), 由辛克函數(shù)曲線, 當 時, 可查出x=0.443, 故知當=+時應有圖圖 7.16 掃描時的波束寬度掃描時的波束寬度 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 容易證明 sin+-sin0=sin(+-0)cos0-1-cos(+-0)sin0 波束很窄時, +-0很小, 上式第二項忽略, 可簡化為 sin+-si

46、n0(+-0)cos0 代入式(7.3.8), 整理得掃描時的波束寬度掃描時的波束寬度0.5s為 05 . 00005 . 0cos)(cos8 .50)(cos886. 0)(2NdradNds(7.3.9) 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 其中，0.5為波束在法線方向時的半功率寬度; 為波長。上式也可從概念上定性地得出, 因為波束總是指向同相饋電陣列天線的法線方向, 將圖7.16 中的同相波前MM看成同相饋電的直線陣列, 但有效長度為Nd cos(0), 代入式(7.3.6)便得式(7.3.9)。 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 從式(7.3.9)可看出, 波束掃描時波束掃描時, 隨著

47、波束指向隨著波束指向0的增大的增大, 0.5s要展寬要展寬, 0越大越大, 波束變得愈寬波束變得愈寬。例如0=60, 0.5s 20.5。 隨著隨著0增大，波束展寬，會使天線增益下降增大，波束展寬，會使天線增益下降。我們用陣元總數(shù)為N0的方天線陣來說明。 假定天線口徑面積為A, 無損耗, 口徑場均勻分布(即口面利用系數(shù)等于1), 陣元間距為d, 則有效口徑面積A=N0d2, 法線方向天線增益為 220244)0(dNAG(7.3.10) 當d=/2 時, G(0)=N0。 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 如果波束掃到0方向, 則天線發(fā)射或接收能量的有效口徑面積As為面積A在掃描等相位面上的投

48、影, 即As=Acos0=Nod2cos0。如果將天線考慮為匹配接收天線, 則掃描波束所收集的能量總和正比于天線口徑的投影面積As, 所以波束指向處的天線增益為 022020cos44)(dNAGs當當d=/2 時時, G(0)=N0cos0=N0。 可見增益隨0增大而減小。 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 如果在方位和仰角兩個方向同時掃描, 以0和0表示波束在方位和仰角方向對法線的偏離, 則 00000coscos),(NG當0=0=60時, G(0, 0)=N0/4, 只有法線方向增益的1/4。 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 總之, 在波束掃描時, 由于在在0方向等效天線口徑面尺寸方

49、向等效天線口徑面尺寸等于天線口天線口徑面在等相面上的投影徑面在等相面上的投影(即乘以即乘以cos0), 與法線方向法線方向相比, 尺寸減小尺寸減小, 波束波束加寬加寬, 因而天線增益下降天線增益下降, 且隨著隨著0的增大而加劇的增大而加劇。所以波束掃描的角范圍通常限制在60或45之內。若要覆蓋半球若要覆蓋半球, 至少要三個面天線陣。至少要三個面天線陣。 必須指出, 前面討論方向性函數(shù)時, 都是假定每個陣元是無方向性的, 當考慮單個陣元的方向性時當考慮單個陣元的方向性時, 總的方向性函數(shù)應為上述結果與陣元方向性總的方向性函數(shù)應為上述結果與陣元方向性函數(shù)之積函數(shù)之積。設陣元方向性函數(shù)為Fe(),

50、陣列方向性函數(shù)為F()式 7.3.4, 則N陣元線性陣總的方向性函數(shù)FN()為: FN()=Fe()F()。當陣元的方向性較差時, 在波束掃描范圍不大的情況下, 對總方向性函數(shù)的影響較小, 故上述波束寬度和天線增益的公式仍可近似應用。 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 另外，等間距和等幅饋電的陣列天線副瓣較大等間距和等幅饋電的陣列天線副瓣較大(第一副瓣電平為第一副瓣電平為-13dB), 為了降低副瓣為了降低副瓣, 可以采用可以采用“加權加權”的辦法。的辦法。 一種是振幅加權振幅加權, 使得饋給中間陣元的功率大些, 饋給周圍陣元的功率小些。另一種叫密度加權密度加

51、權, 即天線陣中心處陣元的數(shù)目多些, 周圍的陣元數(shù)少些。 4. 相掃天線的帶寬相掃天線的帶寬 相掃天線的工作頻帶相掃天線的工作頻帶取決于饋源設計饋源設計和天線陣的掃描角度天線陣的掃描角度。這里著重研究陣面帶寬。 相掃天線掃描角0時, 同相波前距天線相鄰陣元的距離不同而產生波同相波前距天線相鄰陣元的距離不同而產生波程差程差dsin0(見圖 7.12), 如果用改變相鄰陣元間時間遲延值的辦法獲得傾斜如果用改變相鄰陣元間時間遲延值的辦法獲得傾斜波前波前,則雷達工作頻率改變時不會影響電掃描性能則雷達工作頻率改變時不會影響電掃描性能。但相掃天線陣中所需相掃天線陣中所需傾斜波前是靠波程差對應的相位差傾斜波

52、前是靠波程差對應的相位差=(2/)d sin獲得的獲得的, 相位調整是以相位調整是以 2的模而變化的的模而變化的, 它對應于一個振蕩周期的值它對應于一個振蕩周期的值, 而且隨著工作頻率改變，而且隨著工作頻率改變，波束的指向也會發(fā)生變化波束的指向也會發(fā)生變化, 這就限制了天線陣的帶寬這就限制了天線陣的帶寬。 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 當工作頻率為當工作頻率為f, 波束指向為波束指向為0時, 位于離陣參考點第n個陣元的移相量為 0sin2nd如工作頻率變化如工作頻率變化f, 而移相量不變, 則波束指向將變化波束指向將變化, 滿足以下關系式: 0tanff頻率增加時，頻率增加時，為負值為負值

53、, 表明此時波束指向朝法線方向偏移表明此時波束指向朝法線方向偏移。掃描角掃描角0增增大大, 亦增加亦增加。 用百分比帶寬百分比帶寬Ba(%)=2(f/f)100 表示式(7.3.11)時, )(tan(%)29. 0)(tan200(%)00aaBradB(7.3.12)(7.3.11)7.3.3 相位掃描法相位掃描法 波束掃描隨頻率變化所允許的增量和波束寬度有關。掃描時的波束掃描時的波束寬度寬度B(s)=B/cos0, B為法線方向波束寬度為法線方向波束寬度。將式(7.3.12)變換為 00sin29. 0sin(%)29. 0)(kBsBaB(7.3.13) 上式中帶寬因子k=Ba(%)/

54、B()。 如果允許|/B(s) |1/4, 則由式(7.3.13)可求得 0sin87. 0k當掃描角0增大時, 允許的帶寬變小。如0=60, 則得此時k=1, 即百分比帶寬 Ba(%)=B () 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 上面分析了單頻工作時單頻工作時(相當于連續(xù)波)指向與頻率變化的關系指向與頻率變化的關系。然而大多數(shù)雷達工作于脈沖狀態(tài)脈沖狀態(tài), 其輻射信號占有一個頻帶, 當天線掃描偏離法線方向時, 頻譜中的每一分量分別掃向一個有微小偏差的方向, 已經有人分析研究了此時各頻率分量在遠場區(qū)的合成情況。很明顯，在脈沖在脈沖工作時工作時，天線增益將低于單頻工作時的最大增益天線增益將低于單頻

55、工作時的最大增益, 如果允許輻射到目標上的能量可以減少 0.8dB, 則當波束掃描角0=60時可得到 Ba(%)=2B (個脈沖) 天線陣面孔徑增大時天線陣面孔徑增大時, 波束波束B減小減小, 則允許的帶寬則允許的帶寬Ba(%)也相應減小。也相應減小。 7.3.3 相位掃描法相位掃描法 相掃天線的帶寬相掃天線的帶寬也可從時域上用孔徑充填時間或等效脈沖寬度來從時域上用孔徑充填時間或等效脈沖寬度來表示表示。當天線掃描角為0時, 由于存在波程差, 將能量充填整個孔徑面所需時間為 0sincDT D為天線孔徑尺寸, c為光速。 能有效通過天線系統(tǒng)的脈沖度應滿足 T 其對應的頻帶為B=1/。將孔徑尺寸D

56、與波束寬度B的關系引入, 且知道百分比帶寬Ba(%)為: B/f100=Ba(%), 則可得到, 當取最小可用脈寬即=T時, )(sin2(%)0BaB7.3.3 相位掃描法相位掃描法 掃描角掃描角0越大越大, Ba(%)越小越小。 當 90掃描時可得 Ba(%)=2B () 當脈寬等于孔徑充填時間時, 將產生 0.8dB的損失, 脈寬增加則損失減少。 為了在空間獲得一個不隨頻率變化的穩(wěn)定掃描波束為了在空間獲得一個不隨頻率變化的穩(wěn)定掃描波束, 就需要用遲延就需要用遲延線而不是移相器來實現(xiàn)波束掃描線而不是移相器來實現(xiàn)波束掃描, 在每一陣元上均用時間遲延網絡是不實用的, 因為它很耗費且損耗及誤差較

57、大。7.3.3 相位掃描法相位掃描法 圖圖 7.17 用子陣和時間遲延的相掃陣列用子陣和時間遲延的相掃陣列 23N陣元可 變移相器可變遲延子陣等相面N 一種明顯改善帶寬的辦法是用子陣技術子陣技術(如圖 7.17所示)， 即數(shù)個陣元組合為子陣而在子陣之間加入時間遲延單元, 天線可視為由子陣組成的陣面；7.3.3 相位掃描法相位掃描法 子陣的方向圖形成“陣元”因子, 它們用移相器控制掃描到指定方向, 每個子陣均工作于同一模式, 當頻率改變時其波束將有偏移, 子陣間的掃描是調節(jié)與頻率無關的遲延元件。23N陣元可 變移相器可變遲延子陣等相面N7.3.3 相位掃描法相位掃描法 圖圖 7.18 頻率變化時

58、子陣相控陣的方向圖頻率變化時子陣相控陣的方向圖 02f0 f 時的子陣方向圖f0 時的子陣方向圖陣因子)sin(sin0dd : 相鄰子陣之間距7.3.3 相位掃描法相位掃描法 如圖 7.28 所示, 如果相鄰陣元間的傳輸線長度為l, 傳輸線內波長為g, 則相鄰陣元間存在一激勵相位差 gl2(7.3.17) 改變輸入信號頻率改變輸入信號頻率f, 則則g改變改變, 也隨之改變也隨之改變, 故可實現(xiàn)波束掃描。這種故可實現(xiàn)波束掃描。這種方法稱為方法稱為頻率掃描法頻率掃描法。 l輸入d蛇 形 饋 線圖圖 7.28 頻掃直線陣列頻掃直線陣列7.3.4 頻率掃描頻率掃描 通常l應取得足夠長, 這對提高波束

59、指向的頻率靈敏度有好處(下面說明), 所以值一般大于 2, 式(7.3.17)可改寫成 mlg22(7.3.18) 式中，m為整數(shù)；2。 當0=0, 即波束指向法線方向時, 設g=g0(相應的輸入信號頻率為f0), 此時所有陣元同相饋電, 上式中，=0, 由此可以確定 01gm(7.3.19) 這里用具有一定長度的傳輸線具有一定長度的傳輸線代替了相掃法串聯(lián)饋電中插入主饋線相掃法串聯(lián)饋電中插入主饋線內的移相器內的移相器, 因此插入損耗小插入損耗小, 傳輸功率大傳輸功率大, 同時只要改變輸入信號的頻率只要改變輸入信號的頻率就可以實現(xiàn)波束掃描就可以實現(xiàn)波束掃描, 方法比較簡便。 7.3.4 頻率掃描

60、頻率掃描 若00, 即波束偏離法線方向, 則當當=0時時, 相鄰陣元之間由波程差相鄰陣元之間由波程差引起的相位差正好與傳輸線引入的相位差相抵消引起的相位差正好與傳輸線引入的相位差相抵消, 故有 22sin200mldg得 mldg0sin(7.3.20) 式中，d為相鄰陣元間距；為自由空間波長為自由空間波長(相應輸入端信號頻率為f)。已知(或f), 并算出g, 由式(7.3.20)可確定波束指向角0。g根據傳輸線根據傳輸線的特性及工作波長而定的特性及工作波長而定。 7.3.4 頻率掃描頻率掃描 圖 7.29 給出了陣元間距d=0/2 時波束指向角0與頻率的關系曲線。0為波束指向法線方向時的自由