雷达对抗原理(赵国庆)第三章

1、频域取样频域取样频域变换频域变换频域顺序取样频域顺序取样频域同时取样频域同时取样测频方法测频方法搜索式超外差接收机搜索式超外差接收机射频调谐晶体视放接收机射频调谐晶体视放接收机多波道晶体视放接收机多波道晶体视放接收机信道化接收机信道化接收机频率频率相位变化相位变化频率频率时间变化时间变化频率频率空间变化空间变化频率频率幅度变化幅度变化比相法瞬时接收机（瞬时测频接收机）比相法瞬时接收机（瞬时测频接收机）压缩接收机压缩接收机声光接收机声光接收机多波段比幅接收机多波段比幅接收机空域取样空域取样空域变换空域变换空域顺序取样空域顺序取样空域同时取样空域同时取样测向方法测向方法最大振幅法测向最大振幅法测向

2、等信号法测向等信号法测向透镜馈电的多波束线阵测向透镜馈电的多波束线阵测向透镜馈电的多波束圆阵测向透镜馈电的多波束圆阵测向方位方位相位变化相位变化方位方位幅度变化幅度变化相位干涉仪测向相位干涉仪测向线性相位多模圆阵测向线性相位多模圆阵测向全向振幅比较法测向全向振幅比较法测向n测角精度和角度分辨率测角精度和角度分辨率n测角范围、瞬时视野测角范围、瞬时视野n角度搜索概率和搜索时间角度搜索概率和搜索时间n测向系统灵敏度测向系统灵敏度 测向系统灵敏度是指测向系统天线口面上能够正常测向的测向系统灵敏度是指测向系统天线口面上能够正常测向的最小输入信号功率密度最小输入信号功率密度D(单位为单位为dBm/m2)

3、 振幅法测向、相位法测向振幅法测向、相位法测向顺序波束、同时波束顺序波束、同时波束根据测向天线系统侦收信号的根据测向天线系统侦收信号的相对幅度大小相对幅度大小确定信确定信号的到达角（号的到达角（DOA）。）。根据测向天线系统侦收同一信号的根据测向天线系统侦收同一信号的相对相位差相对相位差确定确定信号到达角。信号到达角。采用波束扫描体制或多波束体制，以侦收到信号最采用波束扫描体制或多波束体制，以侦收到信号最强方向作为信号所在方向。强方向作为信号所在方向。主要用于对辐射源的跟踪，测向精度高，但测向范主要用于对辐射源的跟踪，测向精度高，但测向范围小。围小。采用多个不同波束指向的天线，覆盖一定空域，根

4、采用多个不同波束指向的天线，覆盖一定空域，根据各天线侦收同一信号的相对幅度大小确定信号所据各天线侦收同一信号的相对幅度大小确定信号所在方向。在方向。图图31 波束搜索法测向的原理波束搜索法测向的原理 1、在、在雷达天线扫描一周雷达天线扫描一周的时间内，的时间内，侦察天线侦察天线只扫描只扫描一个一个波束宽度波束宽度。 2、在雷达天线、在雷达天线指向指向侦察天线的时间内，侦察天线的时间内，至少接收到至少接收到Z个个连续的雷达发射脉冲。连续的雷达发射脉冲。1、在、在雷达天线扫描一个波束宽度雷达天线扫描一个波束宽度时间内，时间内，侦察天线侦察天线至少至少扫描一周扫描一周。 2、在侦察天线指向雷达的时间

5、内，至少接收到、在侦察天线指向雷达的时间内，至少接收到Z个连续个连续的雷达发射脉冲。的雷达发射脉冲。( )( )( )( ) co s( )( )( ) co sAARBAStFtFtA ttStFtA tt( )lg( )( ) ( )cos( )lg( ) ( )cosAAARiBBAiUtK F t F t A ttUtK F t A tt( )lg( )AoRBKU tF tKnA、B两支路收到的信号两支路收到的信号n经混频、对数中放输出的电压经混频、对数中放输出的电压n经减法器对消输出的电压经减法器对消输出的电压FR(t)、FA(t)分别为侦察天线和雷达天线的扫描函数，分别为侦察天线

6、和雷达天线的扫描函数，A(t)为脉冲包络函数为脉冲包络函数n全向振幅单脉冲测向技术采用全向振幅单脉冲测向技术采用N个相同方向图函数个相同方向图函数的的F()天线天线，均匀均匀布设在布设在360方位内。相邻天线的张角方位内。相邻天线的张角S=360/N，各天线的方位指向分别为，各天线的方位指向分别为 Fi()=F(-iS) i=0,N-1 (315)n 每个天线接收的信号经过各自振幅响应为每个天线接收的信号经过各自振幅响应为Ki的接收通道的接收通道,输出脉冲的对数包络信号输出脉冲的对数包络信号 si(t)=lgKiF(-iS)A(t) i=0,N-1 (316)n假设天线方向图假设天线方向图对称

7、对称，F()=F(-)，当雷达方向位于任意，当雷达方向位于任意两天线之间，且偏离两天线等信号方向的夹角两天线之间，且偏离两天线等信号方向的夹角时，对应时，对应通道输出信号通道输出信号S1(t),S2(t)分别为分别为S1(t)=lgK1F(S/2-)A(t) S2(t)=lgK2F(S/2+)A(t) 相减后以分贝相减后以分贝(dB)为单位的为单位的对数电压比对数电压比R为为 如果如果F()函数在区间函数在区间-S，S内具有内具有单调性单调性，就，就可确定可确定目标方向目标方向。121210( ( )( )(/2)10lg(/2)SSRS tS tK FK Fn例如：例如： r为为F()的半功

8、率的半功率波束宽度波束宽度 当当K1=K2时时,可得可得n对对r、S和和R求全微分求全微分,可以得到角度测量时的系统误差可以得到角度测量时的系统误差d r越小则各项误差的影响也越小，这是由于越小则各项误差的影响也越小，这是由于波束越窄波束越窄测向测向的的斜率越高斜率越高的缘故。的缘故。21.3863()( )rFe2212()12SrrSRdBR22261212rrrrSSSSdRdRddRn对称天线函数对称天线函数F()可展开傅氏级数可展开傅氏级数:000( )cos2( )cos( )()cos()0,1kkkiSkSkFakaFk dFFiakkiiN 用权值用权值cos(iS)，sin

9、(iS)，i=0,N-1，对，对各天线输各天线输出信号取加权出信号取加权和：和：简化后得：简化后得：1010( )( )cos()( )( )sin()NiSiNiSiCFiSFi11011101( )cos(1)cos(1)22( )sin(1)sin(1)22iNiNiiiNiNiiNNCaiNaiNNNSaiNaiNn当天线当天线数量较大数量较大时时,天线函数的高次展开系数很小天线函数的高次展开系数很小再次简化后：再次简化后：n利用利用C(),S()可可无模糊地无模糊地进行进行全方位测向全方位测向11( )cos2( )sin2NCaNSa( )arctan( )SCn由于高斯函数的周期

10、展开式由于高斯函数的周期展开式收敛较快收敛较快,在在同样波束宽度同样波束宽度下下,高斯函数的测向误差小于半余弦函数高斯函数的测向误差小于半余弦函数;n由于宽波束的展开式收敛较快由于宽波束的展开式收敛较快,所以所以宽波束时的测向误差宽波束时的测向误差小于窄波束时的测向误差小于窄波束时的测向误差。nNABD测向时也应适当地选择天线方向图函数和波束宽度测向时也应适当地选择天线方向图函数和波束宽度。(a) 高斯、半余弦两高斯、半余弦两种天线方向图函数种天线方向图函数(b) 6元高斯天线比元高斯天线比幅测向的误差曲线幅测向的误差曲线(c) 6元半余弦天线元半余弦天线比幅测向误差曲线比幅测向误差曲线多波束

11、测向的原理示意图多波束测向的原理示意图罗特曼透镜馈电多波束原理图罗特曼透镜馈电多波束原理图罗特曼透镜馈电多波束原理图罗特曼透镜馈电多波束原理图罗特曼透镜馈电多波束原理图n 当当平面电磁波由平面电磁波由方向方向到达天线阵时到达天线阵时,各天线阵各天线阵元的输出信号为元的输出信号为( )2( )( ), ( )sin0,1jiiS tS t ediN d为相邻天线的间距。为相邻天线的间距。连接各天线阵元到聚焦区的可变长度馈线等效电长度为连接各天线阵元到聚焦区的可变长度馈线等效电长度为Li,对应的相移量为对应的相移量为20,1iiLiN,2,0,1iji jdi jN(334) 由聚焦区口由聚焦区口

12、i到输出口到输出口j的等效路径长度为的等效路径长度为di,j,相移量为相移量为罗特曼透镜通过对测向系统参数罗特曼透镜通过对测向系统参数 的设计和调整，使的设计和调整，使j输出口的天线振幅方向图函数输出口的天线振幅方向图函数Fj() 近似为近似为 从而使从而使N个输出口具有个输出口具有N个不同的波束指向个不同的波束指向 。110,0 NNiii ji jdNLd、 、,1( )0sin()( )0,1()ii jNjjijijNFejN 10 Njj2sinLn测角范围测角范围短基线短基线n测角精度测角精度长基线长基线n解决的方法：多基线相位干涉仪解决的方法：多基线相位干涉仪2sinL2cosd

13、L图图311 一维三基线相位干涉仪测向的原理一维三基线相位干涉仪测向的原理n四四天线接收的信号经过各信道接收机天线接收的信号经过各信道接收机(混频、混频、中放、限幅器中放、限幅器),送给三路鉴相器。其中送给三路鉴相器。其中“0”信信道为鉴相基准。三路鉴相器的道为鉴相基准。三路鉴相器的6路输出信号分路输出信号分别为别为sin1,cos1, sin 2,cos2, sin 3,cos3, n在在忽略三信道相位不平衡误差的条件下忽略三信道相位不平衡误差的条件下,1112133212sin2sin42sin4=16lll(344) n比幅法测向主要问题：比幅法测向主要问题： 各信道幅度各信道幅度匹配匹

14、配问题问题 各信道放大器、检波器之间的幅度平衡问题。各信道放大器、检波器之间的幅度平衡问题。n相位干涉仪测向主要问题：相位干涉仪测向主要问题： 不不能能同时对多信号测向同时对多信号测向n阵列信号处理最主要的两个研究方向：阵列信号处理最主要的两个研究方向： 自适应空域滤波自适应空域滤波（自适应阵列处理）（自适应阵列处理） 数字波束形成（数字波束形成（DBF) 空间谱估计空间谱估计 利用阵列对信号空域参数估计，重点到达角（利用阵列对信号空域参数估计，重点到达角（DOA）估计）估计n子空间分解类算法（子空间分解类算法（20世纪世纪70年代末）年代末） 通过对阵列接收数据的数学分解（通过对阵列接收数据

15、的数学分解（特征分解特征分解等），将接收数等），将接收数据分为两个相互正交的子空间（据分为两个相互正交的子空间（信号子空间和噪声子空间信号子空间和噪声子空间）。）。利用子空间的利用子空间的正交特性构造出正交特性构造出“针状针状”空间谱空间谱，提高算法的，提高算法的分辨率。分辨率。 多重信号分类（多重信号分类（MUSIC）算法（噪声子空间类算法）算法（噪声子空间类算法） 旋转不变子空间（旋转不变子空间（ESPRIT)算法（信号子空间类算法）算法（信号子空间类算法）n子空间拟合类（子空间拟合类（ 20世纪世纪80年代后期）年代后期） 子空间拟合类算法可归结为多维参数的优化问题子空间拟合类算法可归结

16、为多维参数的优化问题。 最大似然（最大似然（ML） 方向估计的似然函数式非线性的，求解其最优解需要举行方向估计的似然函数式非线性的，求解其最优解需要举行多维搜索，运算量巨大。多维搜索，运算量巨大。 加权空间拟合（加权空间拟合（WSF） 多维多维MUSIC（MD-MUSIC) 虽然子空间拟合算法有计算量大的缺点，但与子虽然子空间拟合算法有计算量大的缺点，但与子空间分解类算法相比，估计性能优良，空间分解类算法相比，估计性能优良，尤其在低信尤其在低信噪比、小快拍数据情况下，噪比、小快拍数据情况下，比子空间分解类算法估比子空间分解类算法估计性能好很多。另外计性能好很多。另外ML、 WSF在相干源情况下仍在相干源情况下仍能有效估计。能有效估计。n测向需要在几个因素之间折中：精度、灵敏度和测向需要在几个因素之间折中：精度、灵敏度和速度。速度。n采用相位干涉仪的方法，既可以是单脉冲的，也采用相位干涉仪的方法，既可以是单脉冲的，也可以实现一定程度的积累。测向要确保全方位，可以实现一定程度的积累。测向要确保全方位，天线很可能是全向的，于是灵敏度不是很高，可天线很可能是全向的，于是灵敏度不是很高，可以用高灵敏度的监视接收机引导。以用高灵敏度的监视接收机引导。n需要记住的一个原则是，测向精度往往是需要用需要