【文章內(nèi)容簡介】 信號也已非常接近于高斯白噪聲，因此對于雷達(dá)檢測系統(tǒng)來說，可將雷達(dá)接收到的噪聲干擾當(dāng)做雷達(dá)系統(tǒng)噪聲來看待，并且可統(tǒng)一用信噪比表示。雷達(dá)信噪比的測量應(yīng)首先分別測出雷達(dá)信號的回波信號功率和噪聲功率，二者相比即為雷達(dá)之信噪比。MATLAB 中的 awgn 函數(shù)能方便的在某一信號中加入高斯白噪聲，并可自行設(shè)定信噪比。 圖 26 為不同信噪比條件下的回波信號幅值圖。 本章小結(jié)本章首先根據(jù)角度測量過程，提出了角度處理模型；在雷達(dá)方程的基礎(chǔ)上，對幾種常用雷達(dá)信號模型進(jìn)行了仿真介紹，并在此基礎(chǔ)上，建立了雷達(dá)目標(biāo)回波信號模型；對噪聲、雜波、干擾信號進(jìn)行了介紹，并在不同信噪比條件下對回波11信號進(jìn)行了仿真。從而完成了信號經(jīng)發(fā)射、目標(biāo)再輻射、混入雜波再接收全過程的建模與仿真。由本章對信號的仿真可以看出，獲取角度的過程實(shí)際上就是對信號的處理過程，而所有的信號均是在雷達(dá)方程基礎(chǔ)之上的變形。126 4 2 0 2 4 6x 1062101 1013一一一一一一一一一一20一一6 4 2 0 2 4 6x 1062101 1013一一一T一一一一一一40dB圖 26 不同信噪比下的 I路信號圖 第三章 雷達(dá)天線13第三章 雷達(dá)天線要獲得精確的角度數(shù)據(jù)，往往采用單脈沖技術(shù)，而單脈沖技術(shù)對雷達(dá)系統(tǒng)的天線有很嚴(yán)格的要求，要獲得目標(biāo)的位置信息，天線便是一個(gè)關(guān)鍵的部件。天線方向圖是表征天線的輻射特性和空間角度關(guān)系的圖形。完整的方向圖是一個(gè)三維空間圖像。方向圖有場方向圖與功率方向圖之分，以天線為中心，距離其足夠遠(yuǎn)的同一個(gè)大球面上各點(diǎn)場強(qiáng)值隨位置角變化的圖形，稱為場方向圖。各功率點(diǎn)隨位置角的變化圖形稱為功率方向圖。一般來講，在工程上要獲得天線的方向圖，主要有以下三種途徑：1) 由原天線生產(chǎn)廠家提供天線方向圖。2) 在測試設(shè)備上產(chǎn)生不同方位的目標(biāo)，通過測定天線輸出端口的峰值功率，來確定天線的方向圖。3) 在測定設(shè)備上通過設(shè)定不同的振幅比，然后觀察合格的目標(biāo)方位，來確定天線的方向圖。 天線參數(shù) [10] 方向性增益增益是指天線在特定方向上集中發(fā)射能量的能力的一種度量。它有兩個(gè)不同但互為相關(guān)的定義。第一種是方向性增益，也叫作方向性；另一個(gè)是功率增益，常常簡稱為增益。方向性增益是天線輻射方向圖本性的描述，它通常是我們感興趣的增益。功率增益與方向性增益有關(guān)，但他考慮了天線本身的損耗。我們用 GD來表示方向性增益，發(fā)射天線的方向性增益可以定義為：GD=最大輻射強(qiáng)度/平均輻射強(qiáng)度式中，輻射強(qiáng)度是在 方向單位立體角內(nèi)輻射的功率，表示為 。(,)??(,)P?? 功率增益用Ｇ表示的功率增益處理，它考慮了在天線中消耗性的損耗外，是與方向性增益類似的。它可以用于方向性增益定義式類似的方法來定義，如果分母是天線從與之連接的發(fā)射機(jī)收到的凈功率，或者Ｇ＝4 （單位立體角輻射的最大功率）/天線收到的凈功率?一個(gè)等效的定義為：14Ｇ＝從主體天線輻射的最大強(qiáng)度/從具有同樣功率輸入的無損各向同性輻射強(qiáng)度。在雷達(dá)方程中，應(yīng)選功率增益，因?yàn)樗擞商炀€引起的消耗性損失。功率增益和方向性增益的定義是發(fā)射天線給出的，由于互易性，接收天線的方向圖與發(fā)射天線的方向圖是一樣的，所以接收天線用發(fā)射天線的增益來描述。 天線輻射方向圖上述的天線增益意味著最大值，增益也常作為角度函數(shù)來討論。通常輻射方向圖的縱坐標(biāo)表示歸一化的作為角度函數(shù)的增益，這也就是所謂的相對增益。如果主波束示于 0176。，主波束之外的方向圖剩余部分就是旁瓣區(qū)域，第一副瓣出現(xiàn)在靠近退化瓣出現(xiàn)的地方，近區(qū)旁瓣的大小隨著角度增加而逐漸減小。減小是由于孔徑照射的形狀決定的。 天線方向圖數(shù)學(xué)模型5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 01T(一)一一一一一一一一一一一一圖 31 MATLAB sinc函數(shù)雷達(dá)測角的物理基礎(chǔ)就是電波在均勻介質(zhì)中傳播的直線性和雷達(dá)天線的方向性。天線的方向性可以用它的方向性函數(shù)或根據(jù)方向性函數(shù)畫出的方向圖來表示。但方向性函數(shù)的準(zhǔn)確表達(dá)式往往很復(fù)雜，為便于計(jì)算，常常用一些簡單函數(shù)近似，第三章 雷達(dá)天線15常用的天線方向圖數(shù)學(xué)模型包括辛可函數(shù)型、余弦函數(shù)型和高斯函數(shù)型，在雷達(dá)信號仿真中通常采用振幅方向圖 ，而在功能仿真中采用功率方向圖 ，??F? ()G?他們之間是一個(gè)平方關(guān)系： 。 圖 31是用 MATLAB 中的 sinc 函數(shù)畫2G()?出的圖形。本文天線模型采用簡化方向圖函數(shù)模型，即主要考慮主瓣和第一副瓣的影響，而對其余副瓣則采用其平均電平進(jìn)行模擬仿真。簡化模型中，假設(shè)天線主瓣 3dB寬度為 ，第一副瓣 3dB 寬度為 ，第一副瓣最大電平為 g1，平均副瓣電平0??1??為 g2。對于歸一化振幅方向圖，得到如下三種天線方向圖的簡化數(shù)學(xué)模型 [11]：1）簡化的辛格函數(shù)模型為：\* 0011 0222sin(/)si[()/]F()=g????????????????MERGEFORMAT (31)其中 a=， 是無偏波束主瓣右零點(diǎn)， 是無偏0/?????101()/??????波束右邊第一副瓣中心， 是無偏波束右邊第一副瓣右零點(diǎn)。201()/????2）簡化余弦函數(shù)模型\* 00122cos(/)()12Fg??? ?????????????MERGEFORMAT (32)其中 是無偏波束主瓣右零點(diǎn)， 是無偏波束右邊第一副瓣中心，0=??101=+??是無偏波束右邊第一副瓣零點(diǎn)。2+3)簡化高斯函數(shù)模型：16\* 20221 2exp(/)F()1[]gg???????????????（ ）MERGEFORMAT (33)圖 32給出了簡化辛格函數(shù)天線方向圖形，其中 ， ，176。0??176。1=?， 。g120dB??40gd?? 0 1一一一一rad一一一一一一一一一一一一一一一一一一一圖 32 簡化辛格天線方向圖 天線和差波束方向圖對于單脈沖雷達(dá)，它是利用和差波束對目標(biāo)進(jìn)行探索和跟蹤，因此需要建立單脈沖雷達(dá)的和差波束方向圖。單脈沖天線在單個(gè)脈沖上同時(shí)提供對角誤差敏感所需的波束，同時(shí)比較各波束的輸出，因而消除了回波幅度隨時(shí)間變化的任何影響。單脈沖雷達(dá)天線要求產(chǎn)生一個(gè)主瓣的和波束，以及具有兩個(gè)主瓣的差波束。和波束作用是探測目標(biāo)的距離并進(jìn)行跟蹤；差波束的作用是探測目標(biāo)的方位角和俯仰角信息，即和波束用于發(fā)射，和、差波束用于發(fā)射和接收。如果目標(biāo)正好在和波束最大值方向，則差波束接收到的信號很弱（為零） ；當(dāng)目標(biāo)移動時(shí)，則差波束收到的信號由弱變強(qiáng)。第三章 雷達(dá)天線17因此可以根據(jù)差波束信號幅度判定目標(biāo)偏離角度的大小。 和波束性能和波束的性能主要是增益、副瓣電平、波束寬度三項(xiàng)指標(biāo)。一般來講，完整的天線方向圖是一個(gè)立體的，但為了更直觀的表達(dá)出天線的特性，通常用包含主瓣軸的剖面圖來表示，天線的波束寬度、副瓣電平都可以從圖中方便的得到。由于和波束用于發(fā)射，因此和波束方向上的天線增益，它關(guān)系到跟蹤雷達(dá)的作用距離。而副瓣則關(guān)系到多路徑效應(yīng)對雷達(dá)跟蹤性能的影響，波束寬度主要取決于雷達(dá)工作頻率、天線口徑和天線口徑上的電流分布，大多數(shù)情況下，波束寬度是指半功率波束寬度。圖 33是簡化的辛格函數(shù)模型形成的和波束方向圖，其中天線 3dB 寬度為 2度，第一副瓣 3dB 寬度為 1176。，第一副瓣最大電平 ，平均副瓣電平 。等信號軸位于零度方向，波束偏角為 176。5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5012 一一一一一一一一一176。一圖 33辛可天線和波束圖 差波束性能天線差波束主要性能指標(biāo)是差斜率、零值深度及差增益。天線的角靈敏度與天線的差斜率是成正比關(guān)系的，因此差斜率是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。差斜率的定義是，在天線差方向圖零點(diǎn)附近差信號電壓隨天線角的變化率，它有三種表示方18法，差方向圖斜率、絕對差斜率以及歸一化斜率。差波束零值深度是差通道另一個(gè)重要指標(biāo)，它一般指差方向圖中心零點(diǎn)處電場與最大值處電場之比，它關(guān)系到雷達(dá)的跟蹤精度，零值越深，跟蹤誤差就越小。差增益是影響天線捕獲遠(yuǎn)距離目標(biāo)的能力，由于差增益是差波束峰值處的增益，因而其定義與和增益類似。圖 34 辛可天線差波束圖圖 34是簡化的辛格函數(shù)模型形成的簡化差波束方向圖，其中天線 3dB 寬度為 2176。，第一副瓣 3dB 寬度為 1176。，第一副瓣最大電平 ，平均副瓣電平 。等信號軸位于零度方向，波束偏角為 176。 三維天線建模通常在雷達(dá)仿真中二維的天線方向圖不能滿足仿真要求，而需要產(chǎn)生三維天線方向圖。此處對三維天線方向圖建模仍采用簡化模型，將三維天線看成是由兩個(gè)二維平面（方位面和俯仰面）方向圖相乘的結(jié)果，如下所示：\* MERGEFORMAT (34)F(,)()???其中， 、 分別為方位面和俯仰面的二維方向圖函數(shù)。()F?()?對于采用單脈沖測角體制的雷達(dá)系統(tǒng)，它是利用和差波束對目標(biāo)進(jìn)行探測跟蹤的。為了對空中目標(biāo)進(jìn)行自動方向跟蹤，必須要在方位和高低角兩個(gè)平面上進(jìn)5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5101 一一一一一一一一一176。一第三章 雷達(dá)天線19行角度跟蹤，因而必須獲得方位和高低角誤差信號。為此需要用四個(gè)饋源照射一個(gè)反射體，以形成四個(gè)對稱的相互部分重疊的波束。在接收機(jī)中，有四個(gè)和差比較器和三路接收機(jī)（和支路，方位差支路，俯仰差支路） ，兩個(gè)相位鑒別器和兩路天線控制系統(tǒng)等。 圖 35 是雙平面振幅和差單脈沖雷達(dá)的原理方框圖。圖 35 雙平面振幅和差單脈沖雷達(dá)的原理方框圖圖中 4 分別代表四個(gè)饋源，如果四個(gè)饋源同相輻射共同形成和方向圖。接收時(shí)四饋源信號之和（1+2+3+4 ）為和信號；（ 1+3） （2+4）為方位角誤差信號；（1+2）（3+4）為俯仰角誤差信號；而（ 1+4）（2+3）為無用信號，被匹配吸收負(fù)載所吸收。圖 36振幅和差單脈沖雷達(dá)空間子波束分布圖圖 36 為所示的搭配布局產(chǎn)生的空間子波束分布圖，設(shè) 和 分別為子波束0??在方位面和俯仰面相對中心軸的偏離角。采用簡化的天線模型可得到四個(gè)子波束的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為：子波速 A： 20\* MERGEFORMAT (35)00(,)()()AFF?????子波束 B： \* MERGEFORMAT (36)00(,)()()B???子波束 C： \* MERGEFORMAT (37)00(,)()()CFF????子波束 D： \* MERGEFORMAT (38)00(,)()()D????于是得到和差波束的方向圖如下：和波束方向圖函數(shù)：\* (,)(,)(,)(,)(,)ABCDFFF?????????MERGEFORMAT (39)圖 37 和波束方向圖圖 37是利用式\* MERGEFORMAT (39)得到簡化的辛格函數(shù)三維方向圖模型的和波束天線方向圖，其中仿真參數(shù)為：方位面和俯仰面的偏離角分別為。176。176。005=3???，通過這種方法得到的簡化之后的和波束天線方向圖，也就是本文中所用到的天線模型，而在很多復(fù)雜的系統(tǒng)仿真中需要對波束進(jìn)行更精確的建模以實(shí)現(xiàn)更加第三章 雷達(dá)天線21復(fù)雜精準(zhǔn)的功能，比如文中只對除主瓣和第一副瓣外的其他旁瓣做平均化處理，顯然會帶來誤差。通過與和波束相似的方法可得到方位、俯仰平面的差波束方向圖，其形式如下：方位差波束方向圖函數(shù)：\* (,)(,)(,)(,)(,)ADBCFFF??????????MERGEFORMAT (310)圖 38方位差波束方向圖圖 38是利用式\* MERGEFORMAT (310)得到的簡化的辛格函數(shù)三維方向圖模型中方位差波束方向圖，其中仿真參數(shù)為：方位面和俯仰面的偏離角分別為。176。176。005=3???，俯仰差波束方向圖函數(shù)：\* (,)(,)(,)(,)(,)ABCDFFF??????????MERGEFORMAT (311)22圖 39 俯仰差波束方向圖圖 39是利用式\* MERGEFORMAT (311)得到的簡化的辛格函數(shù)三維方向圖模型中的俯仰差波束方向圖，其中仿真參數(shù)為：方位面和俯仰面的偏離角分別為。176。176。005=3???， 本章小結(jié)和差脈沖測角是利用和差波束對目標(biāo)進(jìn)行探測、跟蹤的，因而需要建立天線的和差波束方向圖。本章首先介紹了天線的參數(shù)，建立了簡化的和差波束方向圖模型并給出了 matlab下的仿真圖形；對和差波束的性能進(jìn)行了對比分析；最后還建立了在空間中的三維和差波束方向圖，分別得到了和波束、方位差、俯仰差的三維立體圖像。平面的天線方向圖是三維方向圖的剖面，用和波束進(jìn)行發(fā)射是為了增強(qiáng)信號能量，以增大距離測量的范圍。第四章 測角方法及其比較23第四章 測角方法及其比較 相位法測角 [12] 基本原理相位法測角是利用多個(gè)天線所接收回波信號之間的相位差進(jìn)行測角。如 圖 41所示,設(shè)在 方向有一遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo), 則到達(dá)接收點(diǎn)的目標(biāo)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 ΔR 而產(chǎn)生一相位差 ,由?圖 41 知：\* MERGEFORMAT (41)2sinRd??????其中 λ 為雷達(dá)波長。如