【正文】 測角的基本原理為：①角誤差信號。雷達天線在一個角平面內(nèi)有兩個部分重疊的波束如 圖 411所示：振幅和差式單脈沖雷達取得角誤差信號的基本方法是將這兩個波束同時收到的信號進行和差處理，分別得到和信號和差信號。與和差信號相應(yīng)的和差波束如 圖 411(b) (c)。圖 411 振幅和差式單脈沖波束圖（a）兩波束；（b）和波束；（c）差波束34其中差信號即為該角平面內(nèi)的角誤差信號。若目標處在天線軸向方向（等信號軸） ，誤差角為零，則兩波束收到的回波信號幅度相同，差信號等于零。目標偏離等信號軸而有一誤差角時，差信號輸出振幅與誤差角成正比，而其符號（相位）則由偏離的方向決定。和信號除用作目標檢測和距離跟蹤外，還用作角誤差信號的相位基準。②和差波束形成原理：和差比較器是單脈沖雷達的重要部件，由它完成和差處理，形成和差波束。以 圖 412（a）中的雙 T 接頭為例,它有四個端口, ∑（和）端、△（差）端和2 端，這四個端口是匹配的。發(fā)射時，從發(fā)射機來的信號加到和差比較器的∑端，2 端輸出等幅同相信號，△端無輸出，兩個饋源同相激勵，并輻射相同功率，結(jié)果兩波束在空間各點產(chǎn)生的場強同相相加，形成發(fā)射和波束。和方向圖用來發(fā)射，和方向圖和差方向圖用來接收，差方向圖接收的信號提供角度誤差信號的幅度。接收時，回波脈沖同時被兩個波束饋源所接收。兩波束接收到的信號振幅有差異，但相位相同，即信號從 2 端輸入同相信號，則△端輸出兩者的差信號，∑端輸出兩者的和信號。這時，在∑（和）端，完成兩信號同相相加，輸出和信號。設(shè)和信號為 ，E?其振幅為兩信號振幅之和，相位與到達和端的兩信號相位相同，且與目標偏離天圖 412 （a）雙 T接頭。 (b)和差比較器示意圖第四章 測角方法及其比較35線軸線的方向有關(guān)。假定兩個波束的方向性函數(shù)完全相同，設(shè)為 F（ ） ，兩波束?接收到的信號電壓振幅為 EE2，并且到達和差比較器∑端時保持不變，兩波束相對天線軸線的偏角為 ，則對于 方向的目標，和信號振幅為：??\* 122()()()[]EkFkk?????????????MERGEFORMAT (425)式中 為接收和波束方向性函數(shù)，與發(fā)射和波束的方向()FF??????性函數(shù)完全相同；k 為比例系數(shù)，它與雷達參數(shù)、目標距離、目標特性等因素有關(guān)。在和差比較器的△（差）端，兩信號反向相加，輸出差信號，設(shè)為 ，若到E?達△端的兩信號用 EE2 表示，他們的振幅仍為 EE2 ，但相位相反，故差信號的振幅為:\* MERGEFORMAT (412()[)()]EEkFF?????????26)其中 。即和差比較器的△端對應(yīng)的接收方向性函數(shù)()()F??????為原來兩方向性函數(shù)之差?，F(xiàn)假定目標的誤差角為 ，則差信號振幅為 ，在跟蹤狀態(tài)下，?()EkF?????很小，將 展開成泰勒級數(shù)并忽略高次項，則有：?()??\* MERGEFORMAT ()()[0()]EkFk????????A(427)因為\* MERGEFORMAT (428)(0)()F???所以 \* MERGEFORMAT (429)()0Ek?????A又因為 很小，上式中?()F???因此有： \* MERGEFORMAT (4()0()0kkF???????AA3630)由上式可知，在一定的誤差角范圍內(nèi)，差信號的振幅與誤差角成正比。同理，對于和信號振幅：\* MERGEFORMAT (431)22E=()(0)kF????將兩式相除，得： \* MERGEFORMAT (432)2()()0k???????AA所以，角誤差信號與和差信號的振幅比成正比，即\* MERGEFORMAT (433)()E0F????A 單平面振幅和差單脈沖測角根據(jù)比幅和差單脈沖測角原理,可畫出單平面振幅和差單脈沖雷達的基本組成方框圖 [13],如圖 413 所示。系統(tǒng)的簡單工作過程為: 發(fā)射信號加到和差比較器的Σ端 ,分別從 2 端輸出同相激勵兩個饋源。接收時, 兩波束的饋源接收到的信號分別加到和差比較器的 2 端,Σ 端輸出和信號,Δ 端輸出差信號(高頻角誤差信號)。和、差兩路信號分別經(jīng)過各自的接收系統(tǒng)(稱為和、差支路)。中放后,差信號作為相位檢波器的一個輸入信號,和信號分三路:一路經(jīng)檢波視放后作為測距和顯示用 。另一路用作和、差兩支路的自動增益控制,再一路作為相位檢波器的基準信號。和、差兩中頻信號在相位檢波器進行相位檢波,輸出就是視頻角誤差信號,變成相應(yīng)的直流誤差電壓后, 加到伺服系統(tǒng)控制天線跟蹤目標。和圓錐掃描雷達一樣, 進入角跟蹤之前,必須先進行距離跟蹤,并由距離跟蹤系統(tǒng)輸出一距離選通波門加到差支路中放,只讓被選目標的角誤差信號通過。第四章 測角方法及其比較37圖 413 單平面振幅和差單脈沖雷達簡化方框圖為了消除目標回波信號振幅變化(由目標大小、距離、有效散射面積變化引起)對自動跟蹤系統(tǒng)的影響,必須采用自動增益控制。由和支路輸出的和信號產(chǎn)生自動增益控制電壓。該電壓同時去控制和差支路的中放增益,這等效于用和信號對差信號進行歸一化處理,同時又能保持和差通道的特性一致。由和支路信號作自動增益控制后,和支路輸出基本保持常量,而差支路輸出經(jīng)歸一化處理后其誤差電壓只與誤差角 ε有關(guān)而與回波幅度變化無關(guān)。 雙平面振幅和差單脈沖測角 為了對空中目標進行自動方向跟蹤,必須在方位和高低角兩個平面上進行角跟蹤,因而必須獲得方位和高低角誤差信號。為此,需要用四個饋源照射一個反射體,以形成四個對稱的相互部分重疊的波束。在接收機中,有四個和差比較器和三路接收機，即和支路、方位差支路、俯仰差支路,兩個相位鑒別器和兩路天線控制系統(tǒng)等。雙平面振幅和差單脈沖雷達的原理框圖已經(jīng)在 圖 35給出，其工作原理與單平面雷達原理是一致的，只是獲取和差信號的數(shù)目不相同。雙平面脈沖雷達采用三路接收機同時工作，將差信號與和信號做幅度比較后，去多誤差信號，包括誤差信號的大小和方向。因此工作中要求三路接收機的工作特性嚴格一致，各路接收機幅相特性不一致的后果是測角靈敏度境地并產(chǎn)生測角誤差。 本章小結(jié)本章對幾種常見的測角方法進行了介紹、對比，相位法測角是利用回波信號38的相位差異來結(jié)算角度誤差的；振幅法測角分為最大信號法和等信號法，兩者發(fā)射的波束數(shù)不同，等信號法為同時多波束，和差脈沖測角就是在此基礎(chǔ)上進行的；最后還給出了在單平面、雙平面內(nèi)的振幅和差脈沖測角的方框圖。第五章 仿真測角系統(tǒng)設(shè)計與測試39第五章 仿真測角系統(tǒng)設(shè)計與測試隨著雷達技術(shù)的發(fā)展及其各種應(yīng)用的不同，從文獻資料中人們常常會看到各種樣式的實際單脈沖雷達。對單脈沖雷達系統(tǒng)類型的劃分也各有不同，不同類型的名稱也不一樣。任何實際的單脈沖測角系統(tǒng)必須包含一下基本的部分：角度敏感器，角度信息變換器和角度鑒別器，如 圖 51 所示：角度敏感器 角度信息變換器 角度鑒別器圖 51單脈沖系統(tǒng)基本組成框圖圖中，角度敏感器是用來對目標的角位置及其變化敏感并形成包含目標角信息的信號。其基本類型有幅度敏感器，相位敏感器以及幅相組合敏感器。角信息變換器是用來將角度敏感器得到的包含角信息的信號，變換成為兩個獨立通道之間的幅度相位關(guān)系或幅度和相位關(guān)系的組合，以適應(yīng)后面不同的角鑒別處理形式。角度鑒別器的作用是將變換器得到的信號幅相關(guān)系組合與信號到達角（角度偏離）構(gòu)成單值關(guān)系，以得到單值的角度信息量。 角度敏感器和角信息變換器 [14]角度敏感器有 3 種不同的基本形式，即幅度敏感，相位敏感，和幅相組合敏感。 幅度敏感系統(tǒng)在幅度敏感系統(tǒng)中，天線形成兩個相同并且其指向分別為等信號方向（或零軸）偏置 時的方向。零軸上，兩個波束幅度相等，即當目標位置在零軸的指0??向上時，兩波束比幅后的輸出為零；當目標從零軸偏離 角時，則低波束接收信?號大于高波束接收信號，這兩個信號幅度之差就決定了目標偏置零軸的角度大小，兩個幅度之差的符號（正或者負）則表示目標偏離角的方向。將幅度敏感圖畫成波束 圖 52 如下：40圖 52 幅度敏感系統(tǒng)波束圖將波束圖用 F1，F(xiàn)2 表示, 則其角敏感差響應(yīng)為：\* MERGEFORMAT (51)12()F?????在相位敏感系統(tǒng)中，目標角信息量通過一堆相距 L，相同波束且指向相同的天線的接收信號來得到目標角度信息的。圖 53 相位敏感系統(tǒng)波束示意圖設(shè)目標在 方向，由圖中兩個天線相位中心到目標的路徑差為：?\* MERGEFORMAT (52)sin()RL???即相位差\* MERGEFORMAT (53)2si???式中， 為波長，L 為兩天線之間的距離， 為目標偏角。??這里可以通過選擇合適的 L 值來克服由于出現(xiàn)相位模糊而造成的測量模糊。第五章 仿真測角系統(tǒng)設(shè)計與測試41 幅相組合敏感系統(tǒng)在幅相組合敏感系統(tǒng)中，同時利用幅度敏感和相位敏感。它采用一堆相距Ｌ的相同波束天線，但兩個波束指向分別與等信號方向偏置 。其幅相信號關(guān)系0??式上述幅度敏感與相位敏感的組合。 角信息變換器角信息變換器的作用主要是將角度敏感器傳來的角信息形成兩個獨立通道信號之間的幅度和相位關(guān)系組合，以適應(yīng)于不同的鑒別器處理。由幅相敏感信號變換成和差鑒別處理，其變換關(guān)系如 圖 54 所示，其中 S1,S2分別表示在一個角平面內(nèi)兩個同時波束接收到的信號，S1，S2 包含幅度及相位信息。圖 54 角信息變換器 由幅相敏感信號變換成和差鑒別處理，其變換關(guān)系如 圖 54（a） 。由和差信號變換成幅度鑒別處理，其變換關(guān)系如 圖 54（b） 。 角度鑒別器在單脈沖系統(tǒng)中，角度鑒別器實際上就是單脈沖信號處理器或單脈沖復(fù)比計算器。角度鑒別器的作用就是形成僅僅與角度偏離大小和方向有關(guān)，而與信號絕對值大小無關(guān)的角誤差信號，即所謂的單值關(guān)系。角度鑒別器同樣也有三種實現(xiàn)形式：幅度鑒別器，相位鑒別器以及和差鑒別器。幅度鑒別器就是在單脈沖系統(tǒng)中僅對兩路信號的幅度進行鑒別，通常有兩種形式，采用對數(shù)中頻放大的鑒別器以及采用視頻和歸一化的鑒別器。相位鑒別器就是通過由角度敏感器和角信息變換器來的兩路信號相位進行鑒別，從而求得單脈沖復(fù)比的輸出。相位鑒別器鑒別的是由角度敏感器和交換器來42的兩路獨立的信號的相位信息，相位鑒別采用限幅中頻放大器和相位檢波器完成。和差鑒別器可以有兩種形式，采用 AGC 中頻歸一化的和差鑒別器以及采用視頻歸一化的和差鑒別形式。由角信息變換器來的和差信號經(jīng)混頻后，分別為：\* MERGEFORMAT (54)()cos()twt???????經(jīng)由以和信號進行 AGC 的中頻放大器后輸出為：\* MERGEFORMAT (55)()()tt???A再將 與 送到相位檢波器，則輸出為兩信號點積。()t?At? 基本實現(xiàn)形式由前面的基本角度敏感器，即幅度敏感、相位敏感、和幅相組合敏感以及三種基本角度鑒別器，即幅度鑒別、相位鑒別和和差鑒別，將其進行組合，原理上可以形成九種單脈沖系統(tǒng)的實現(xiàn)形式。然而在實際的基本系統(tǒng)中，典型應(yīng)用的只有四種，即幅度敏感幅度鑒別單脈沖系統(tǒng)，相位敏感相位鑒別單脈沖系統(tǒng)，幅度敏感和差鑒別單脈沖系統(tǒng)，以及相位敏感和差鑒別單脈沖系統(tǒng)。而最常用的為幅度和差單脈沖系統(tǒng)和相位和差單脈沖系統(tǒng)。 幅度—幅度單脈沖系統(tǒng)幅度—幅度單脈沖系統(tǒng)是指在單脈沖系統(tǒng)中利用目標回波信號的幅度定向（幅度角敏感）和幅度測角（幅度角鑒別）來確定目標角位置的方法。幅度—幅度單脈沖系統(tǒng)利用兩個指向分別與等信號方向偏置 的波束所接收信號的幅度0??差大小確定目標偏離零軸的角度大小，幅度差的符號確定目標角度偏離的方向。當目標處在零軸上時，兩信號波束接收信號的幅度相等，其差為零。幅度—幅度單脈沖系統(tǒng)的缺點主要是，要求兩路接收通道的響應(yīng)必須保持嚴格的幅度匹配，系統(tǒng)任何幅度不平衡或不穩(wěn)定都將直接引起角偏離大小的估值誤差。第五章 仿真測角系統(tǒng)設(shè)計與測試43?? 和差單脈沖系統(tǒng)和、差單脈沖系統(tǒng)是采用幅度或相位定向與和、差角度測量的單脈沖系統(tǒng)。最常用的是幅度—和差單脈沖系統(tǒng)和相位—和差單脈沖系統(tǒng)。幅度和差脈沖工作流程及原理如下：兩個分別與零軸方向偏離 的天線波束0??方向圖 F1( )與 F2( )，其中：? \* MERGEFORMAT (56)0F1())2????兩天線波束接收的目標回波信號: \* MERGEFORMAT (57)12()()sjSeF???式中，s 為在 方向目標的回波信號。sje??同時送入和差變換器進行矢量相加和相減，得：12(),S \* MERGEFORMAT (58)12()()S?????從而形成和差特性。和差信號形成后，分別送至接收機的和通道與差通道進行混頻和放大，并經(jīng)自動增益控制用和信號對和差通道進行增益控制，控制后的輸出分別為，和支路輸出為，差支路輸出為，則兩路信號經(jīng)相位檢波器后，輸出單脈沖角誤差信號為：\* MERGEFORMAT (59)cos()????對于測角，該誤差信號用來對目標角偏離（相對于等信號方向）估值；對于角跟蹤系統(tǒng)，該誤差信號則送至角伺服系統(tǒng)以控制天線波束位置向誤差減小的角方向運動，以實現(xiàn)對目標的連續(xù)角跟蹤。其和信號除用于相位檢波器作為參考信號外，還送至目標檢測、目標截獲、對目標精密測距和對目標測速。與其他單脈沖系統(tǒng)相比，振幅和差單脈沖系統(tǒng)的主要優(yōu)點是，對通道響應(yīng)之間的匹配要求可以大大降低。 單脈沖系統(tǒng)的變化實現(xiàn)形式