雷电原理 课件 【ch07】角度测量

角度测量第七章雷达原理（第6版）高等学校电子信息类精品教材01概述PARTONE一、概述

一、概述02测角方法及比较PARTTWO二、测角方法及比较1.相位法测角

二、测角方法及比较图7.2所示为一个相位法测角的框图。接收信号经过混频、放大后再加到相位比较器中进行比相。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。1.相位法测角二、测角方法及比较2.振幅法测角

二、测角方法及比较

2.振幅法测角二、测角方法及比较2.等信号法等信号法测角采用两个相同且彼此部分重叠的波束，其方向图如图7.7（a）所示。2.振幅法测角二、测角方法及比较2.振幅法测角等信号法的主要优点如下:（1）测角精度比最大信号法高，因为等信号轴附近方向图斜率较大，目标略微偏离等信号轴时，两信号强度变化比较显著。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%，比最大信号法高约个量级。（2）根据两个波束收到的信号强弱可判别目标偏离等信号轴的方向，便于自动测角。等信号法的主要缺点：一是测角系统较复杂；二是等信号轴方向不是方向图的最大值方向，故在发射功率相同的条件下，作用距离比最大信号法小些。若两波束交点选择在最大值的0.7~0.8处，则对收发共用天线的雷达，作用距离比最大信号法减小20%~30%。等信号法常用来进行自动测角，即应用于跟踪雷达中。2.振幅法测角03天线波束的扫描方法PARTTHREE三、天线波束的扫描方法1.波束形状和扫描方法1.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。圆周扫描时，波束在水平面内做360°圆周运动(见图7.9)，可观察雷达周围目标并测定其距离和方位角坐标。当需要对某一区域特别仔细观察时，波束可在所需方位角范围内往返运动，即做扇形扫描三、天线波束的扫描方法2.针状波束针状波束的水平面和垂直面波束宽度都很窄。采用针状波束可同时测量目标的距离、方位和仰角，且方位和仰角两者的分辨力和测角精度都较高。主要缺点是因波束窄，扫完一定空域所需的时间较长，即雷达的搜索能力较差。1.波束形状和扫描方法三、天线波束的扫描方法2.天线波束和扫描方法1.机械性扫描利用整个天线系统或其中某一部分的机械运动来实现波束扫描称为机械性扫描。如环视雷达、跟踪雷达，通常采用整个天线系统转动的方法。机械性扫描的优点是简单。其主要缺点是机械运动惯性大，扫描速度不高。三、天线波束的扫描方法2.电扫描电扫描时，天线反射体、馈源等不必做机械运动。因无机械惯性限制，扫描速度可大大提高，波束控制迅速灵便，故这种方法特别适用于要求波束快速扫描及巨型天线的雷达中。电扫描的主要缺点是扫描过程中波束宽度将展宽，因而天线增益也要减小，所以扫描的角度范围有一定限制。另外，天线系统一般比较复杂。根据实现时所用基本技术的差别，电扫描又可分为相位扫描法、频率扫描法、时间延迟法等。2.天线波束和扫描方法三、天线波束的扫描方法3.频率扫描法

04相控阵雷达PARTFOUR四、相控阵雷达1.概述中获得了广泛应用。20世纪60年代，为适应对人造地球卫星及弹道导弹观测的要求，相控阵雷达获得了很大发展。由于技术进步及研制成本的降低，相控阵雷达技术逐渐推广应用于多种战术雷达及民用雷达。多种机载与星载合成孔径相控阵雷达是军民两用雷达的一个重要例证。相控阵雷达是采用相控阵天线的雷达。相控阵雷达是一种电子扫描雷达。用电子方法实现天线波束指向在空间的转动或扫描的天线称为电子扫描天线或电子扫描阵列(ESA)天线。电子扫描天线按实现天线波束扫描的方法分为相位扫描(简称相扫)天线和频率扫描(简称频扫)天线，两者均可归入相控阵天线(PAA）的概念。四、相控阵雷达2.相控阵天线和相控阵雷达的特点1.天线波束快速扫描，实现多目标搜索、跟踪与多种雷达功能天线波束快速扫描能力是相控阵天线的主要技术特点。克服机械扫描（简称机扫）天线波束指向转换的惯性及由此带来的对雷达性能的限制，是最初研制相控阵天线的主要原因。相控阵雷达具有的多目标跟踪与多种雷达功能的工作能力是基于相控阵天线波束快速扫描的技术特点。相控阵雷达能够实现的主要功能有4种：边搜索边跟踪(TMS)功能；跟踪加搜索（TAS）功能；分区搜索功能；集中能量工作功能。四、相控阵雷达2.相控阵天线和相控阵雷达的特点2.具有多波束形成能力，实现高搜索数据率和跟踪数据率相控阵天线的快速扫描和多波束形成能力，可以实现高搜索数据率和跟踪数据率。数据率是反映雷达系统性能的一个非常重要的指标，它体现了相控阵雷达一些重要指标之间的相互关系。相控阵雷达的搜索数据率是指相邻两次搜索完给定空域的间隔时间的倒数。3．天线波束形状捷变能力，实现自适应空间滤波和自适应空时处理能力相控阵天线波束形状的捷变能力是实现自适应空间滤波及空时自适应处理的基础。4．天线孔径与雷达平台共形能力的实现采用共形相控阵天线的机载预警雷达在工作方式上更易于实现全空域覆盖，更易于将雷达、电子战、通信、导航等电子系统进行综合设计，构成综合电子集成系统。四、相控阵雷达3.平面相控阵天线

四、相控阵雷达3.平面相控阵天线

四、相控阵雷达4.相控雷达的馈电和馈相方式相控阵雷达的馈电方式主要分为空间馈电和强制馈电(constrainedfeeding)两种。空间馈电也称光学馈电，实际上是采用空间馈电的功率分配/相加网络实现的。采用空间馈电方式可以省掉许多加工要求严格的高频微波器件。与强制馈电相比，对于波长较短(如S、C、X、Ku和Ka)的情况来说，它具有一些明显的优点。强制馈电系统采用波导、同轴线、板线、微带线等微波传输线实现功率分配网络(对发射阵)或功率相加网络(对接收阵)以完成对发射信号的分配或对接收信号的相加。强制馈电分并联馈电、串联馈电和混合馈电3种。从保证相控阵雷达天线的宽带性能考虑，并联强制馈电的方式在大部分相控阵雷达中得到了广泛的应用。四、相控阵雷达4.相控雷达的馈电和馈相方式1.空间馈电方式（1）透镜式空间馈电阵列图7.26(a)示出了透镜式空间馈电天线阵，主要包括收集阵面和辐射阵面两部分。收集阵面又称为内天线阵面，辐射阵面也可称为外天线阵面。（2）反射式空间馈电阵列图7.26(b)示出了反射式空间馈电阵列，它的收集阵面与辐射面是同一阵面，无论天线处于发射工作状态还是接收工作状态，每个天线单元收到的信号，经过移相器移相后，都被短路器全反射再从阵面辐射出去。四、相控阵雷达4.相控雷达的馈电和馈相方式四、相控阵雷达4.相控雷达的馈电和馈相方式2.强制并联馈电方式图7.29所示的发射天线阵强制并联情电网络可以是等功率分配网络，也可以是不等功率分配网络，其中部分功率分配器采用隔离式的，以增加各路馈线之间反射信号的隔离度。一个功率分配器的功率分配路数根据具体情况是可以变化的。四、相控阵雷达4.相控雷达的馈电和馈相方式3.强制串联馈电方式串联馈电、并联馈相方式示意图如图7.31所示。四、相控阵雷达1.PIN二极管移相器利用PN二极管在正偏和反偏状态下具有不同阻抗或其开关特性，可构成多种形式的移相器。5.移相器四、相控阵雷达2.铁氧化移相器铁氧体移相器的基本原理是利用外加直流磁场改变波导内铁氧体的导磁系数，从而改变电磁波的相速，得到不同的相移量。5.移相器四、相控阵雷达1.T/R组件的组成典型TR组件的组成框图如图7.42所示。该图是收发合一的有源相控阵雷达中的T/R组件框图，主要包括发射支路、接收支路及发射与接收支路的射频转换开关和移相器等。6.T/R组件的组成与主要功能四、相控阵雷达2.T/R组件的主要功能（1）对发射信号进行功率放大。（2）接收信号的放大和变频。（3）实现波束扫描的相移及波束控制。（4）变极化的实现。（5）T/R组件的监测功能。6.T/R组件的组成与主要功能05数字阵列雷达PARTFIVE五、数字阵列雷达数字阵列达(DARDigitalArrayRadar)是一种接收束和发射束都采用数字波束形成(DBFDigitalBeamForming)术的全数字有源相控阵列雷达。数字阵列雷达是有源相控阵雷达和数字雷达的最新发展方向。数字阵列雷达的核心部件是数字式T/R组件(DigitalT/RModule)，或称数字T/R模块，它包括一个完整的发射通道和一个完整的接收通道。基于直接数字合成器(DDS，DiretDigitalSynthEsizer)的数字式TR组件是数字阵列雷达的关键部件。在发射通道，把输入的数字信号转换为射频信号，发射信号所需的频率、相位和幅度完全用数字方法实现：在接收通道，把接收到的每个阵元的射频回波信号通过下变频和中频A/D采样数字鉴相技术转换为I、正交数字信号。1.概述五、数字阵列雷达全数字化的有源相控阵列雷达不仅接收波束形成以数字方式实现，而且发射波束形成同样也以数字技术实现，数字波束形成技术充分利用阵列天线各阵元所获得的空间信号信息，通过信号处理技术实现波束形成、目标跟踪以及空间千扰信号的置零。数字波束形成可以形成单个或多个独立可控的波束而不损失信噪；波束特性由权矢量控制，因而可实现可编程控、灵活多变。数字波束形成的很多优点是模拟波束形成不可能具备的，它在雷达系统、通信系统以及电子对抗系统中得到了广泛应用。数字阵列雷达正在逐步代替采用传统射频T/R组件的有源相控阵雷达，具有很大的发展潜力。1.概述五、数字阵列雷达1.主要组成数字阵列雷达的基本结构框图如图7.46所示,主要由数字T/R组件、数字波束形成(DBF)、信号处理器、控制处理器和基准时钟等部分组成。2.数字阵列雷达的组成和工作原理五、数字阵列雷达2.DAR的DBF概念图7.47示出了DAR的DBF概念示意图。图7.47(a)为几种潜在的收、发波束的DBF模式；图7.47(b)示出了将阵元合成为若干子阵实现模拟波束形成，然后将每一子阵输出的I、Q数字信号进行复加权再求和，从而实现数字波束形成。2.数字阵列雷达的组成和工作原理五、数字阵列雷达3.数字T/R组件的组成和特点1.数字T/R组件及其工作原理数子式TR组件可以看成是一种视频T/R组件。视频TR组件可分为两种：第一种T/R组件发射支路的输入信号为射频信号，接收支路的输出信号，即接收机输出端输出为正交双通道数字信号；第二种TR组件中发射支路输入信号和接收支路输出信号均为数字化的视频信号。上述第二种视频T/R组件因发射通道的输入信号和接收通道的输出信号均为数字量化的视频信号，故可称为数字式T/R组件。一种比较典型的基于DDS的数字式T/R组件的工作原理如图7.48所示。五、数字阵列雷达2.数字T/R组件的特点（1）发射激励信号与接收本振信号均以数字方式产生。（2）易于产生复杂的信号波形。（3）通过改变加到DDS中相位累加器的数字控制码可以实现移相器和衰减器的功能，因此在T/R组件发射与接收支路的射频部分不再需要模拟移相器和衰减器。（4）这种TR组件可集波形变化和波束变化于一身，具有良好的可重复性和可靠性。3.数字T/R组件的组成和特点五、数字阵列雷达用数字技术实现波束形成，称为数字波束形成(DBF)。图7.50示出了数字波束形成的原理框图。前面讲述的数字波束形成，实际上是在接收状态下的数字波束形成，通常简称为接收数字波束形成。4.接收数字波束形成五、数字阵列雷达在数字阵列雷达中，发射数字波束形成是将传统的相控阵雷达发射波束形成所需的幅度加权和移相器从射频部分转移到数字部分来实现，从而形成发射波束。从图7.52可见，视频控制信号分配系统是一个数字总线系统。其信号波形的产生和波束形成的控制信号以及时钟频率分别要传送至每一个天线单元的数字T/R模块的DDS的各相关输入端。5.发射数字波束形成06三坐标雷达PARTSIX六、三坐标雷达

1.三坐标雷达的数据率六、三坐标雷达通常的三坐标雷达采用在方位角上机械扫描以测定目标的距离和方位角，在方位上机械慢扫的同时在仰角方向波束用电扫描进行快速扫描以测定仰角。针状波束在仰角的快扫可以采用相位扫描的办法，也就是对阵天线每行阵元馈电输出端的移相器进行电控。2.单波束三坐标雷达六、三坐标雷达1.偏焦多波束三坐标雷达图7.59所示称为偏焦多波束三坐标雷达，天线的馈源为多个喇叭，在抛物面反射体的焦平面上垂直排列，由于各喇叭相继偏离焦点，故在仰角平面上可以形成彼此部分重叠的多个波束。2．脉内频扫系统根据前面讨论的频率扫描原理，对于一个频率扫描天线阵列，若激励信号的频率不同，则其波