單脈沖雷達幅相不一致對測角特性的影響

李國君， 趙棟華

(海軍92941部隊93分隊，遼寧 葫蘆島 125001)

【信息科學(xué)與控制工程】

單脈沖雷達幅相不一致對測角特性的影響

李國君， 趙棟華

(海軍92941部隊93分隊，遼寧 葫蘆島 125001)

在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中，跟蹤制導(dǎo)雷達系統(tǒng)的性能是決定武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵因素。比幅單脈沖測角是跟蹤制導(dǎo)雷達采用的重要角跟蹤技術(shù)。分析了比幅單脈沖雷達測角原理，研究了角誤差信號的數(shù)學(xué)模型，給出了天線波束偏置角的最優(yōu)數(shù)值。通過仿真分析，分別研究了比幅單脈沖雷達幅相不一致對測角精度和測角靈敏度等測角特性的影響，指出幅度不一致對測角特性的影響要大于相位不一致對測角特性的影響。

單脈沖雷達；幅相不一致；測角特性

艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為實現(xiàn)對目標(biāo)的連續(xù)穩(wěn)定跟蹤從而控制導(dǎo)彈擊落目標(biāo)[1]，跟蹤制導(dǎo)雷達通常采用單脈沖測角技術(shù)測量目標(biāo)偏離等信號軸的誤差角，伺服系統(tǒng)利用負反饋技術(shù)控制天線向減小誤差角方向運動，從而使雷達波束準(zhǔn)確對準(zhǔn)探測目標(biāo)，完成火力打擊任務(wù)[2]。

1 比幅單脈沖雷達測角原理

單脈沖測角理論上只處理一個回波脈沖就可以確定目標(biāo)角誤差信息，在工程上，通常對多個回波脈沖進行積累，以提高檢測概率和角誤差測量精度。單脈沖測角技術(shù)主要包括比幅和比相單脈沖測角技術(shù)，本文主要研究比幅單脈沖測角系統(tǒng)中和差通道幅相不一致的問題[3]，并進一步分析幅相不一致對測角特性的影響。

單脈沖測角技術(shù)是通過比較至少2個天線波束接收信號來獲得精確的目標(biāo)角誤差信息，為了得到2個波束，可以采用同時波瓣法和順序波瓣法，順序波瓣法測角時，當(dāng)信號幅度隨時間變化時，測角精度將下降，因此工程上多采用同時波瓣法測角[4]。比幅單脈沖測角原理如圖1所示。根據(jù)天線理論，當(dāng)饋源偏離拋物面天線焦點時，天線波束形狀基本保持不變，天線波束將發(fā)生傾斜。同時波瓣法測角時在拋物面天線焦點對稱分布2個饋源，2個饋源輻射的天線波束交線方向為等信號軸方向，波束中心偏離等信號軸方向的角度即波束偏置角分別為±θ0。圖1中，當(dāng)目標(biāo)相對等信號軸方向的偏離角為θ時,目標(biāo)回波脈沖同時被2個波束的饋源接收，下面天線接收到的目標(biāo)回波信號強度大于上面天線接收到的目標(biāo)回波信號強度。兩信號強度差值的大小表示目標(biāo)相對等信號軸的偏移量，兩信號強度差值的正負表示目標(biāo)相對等信號軸的偏移方向。

2 角誤差信號數(shù)學(xué)模型

為了對飛機和導(dǎo)彈類目標(biāo)進行穩(wěn)定跟蹤，必須測量目標(biāo)方位和俯仰的角誤差信號。因此，在工程上采用4個饋源同時向空間饋電，該型系統(tǒng)稱之為雙平面單脈沖雷達系統(tǒng)。雙平面比幅單脈沖雷達系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

在單脈沖雷達系統(tǒng)中，和差比較器是重要部件，主要完成目標(biāo)回波信號和差處理，并形成和差波束。圖2中1-4為和差比較器，其中和差比較器1的2個輸入端連接饋源A和C，和差比較器2的2個輸入端連接饋源B和D，和差比較器3形成和信號和方位角誤差信號，和差比較器4形成俯仰角誤差信號。本文僅研究方位角誤差信號的數(shù)學(xué)模型，俯仰角誤差的研究方法與該方法相同，不進行重復(fù)敘述。

圖1 比幅單脈沖雷達測角原理

圖2 雙平面比幅單脈沖雷達系統(tǒng)

單脈沖雷達系統(tǒng)天線輻射電磁波時，饋源被同相激勵，并輻射相同的功率，在空間各點場強同相相加，形成發(fā)射和波束。接收時，回波脈沖同時被2個波束的饋源所接收，饋源接收到的信號振幅不同。對于精密跟蹤系統(tǒng)而言，波束很窄，和波束照射范圍內(nèi)的目標(biāo)，兩饋源接收到的回波的波程差可以忽略不計。

比幅單脈沖和差支路電壓信號[5]分別為

υ∑RF=υ1+υ2=A[g(θs-θT)cos(ωt)+g(θs+θT)cos(ωt)]

(1)

υΔRF=υ1-υ2=A[g(θs-θT)cos(ωt)-g(θs+θT)cos(ωt)]

(2)

其中：g為天線方向圖；θs為天線偏置角；θT為目標(biāo)誤差角。

為簡化分析過程，采用信號的復(fù)數(shù)表示：

υ1=Re{V1ejωt}

(3)

V1=Ag(θs-θT)=Ag1

(4)

υ2=Re{V2ejωt}

(5)

V2=Ag(θs+θT)=Ag2

(6)

單脈沖雷達系統(tǒng)對射頻信號下變頻至中頻，比幅單脈沖雷達和差通道中頻信號為：

V∑IF=K∑(V1+V2)

(7)

VΔIF=e-jφ0KΔ(V1-V2)

(8)

φ0=φ∑-φΔ

(9)

其中φ0為和差通道相位差。

為消除目標(biāo)回波信號因目標(biāo)大小、距離和有效散射面積引起回波振幅變化對單脈沖雷達測角性能的影響，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，即由和信號對差信號進行歸一化處理。

AGC對中頻增益的控制與和通道的信號為

(10)

υ∑=Re(A(g1+g2)ejωIFt)

(11)

相位檢波器的輸出的角誤差信號為

(12)

(13)

在單脈沖測角雷達系統(tǒng)中，天線波束偏置角是影響角測量精度的重要因素。偏置角越大，角誤差信號的斜率越大，角測量精度越高，然而隨著偏置角的增加，和波束的增益將下降[6]。偏置角的最佳值為θs=0.31θ3 dB和θs=0.46θ3 dB。

3 仿真結(jié)果

為了分析比幅單脈沖測角系統(tǒng)和差通道幅相不一致對測角精度的影響，首先需要確定天線方向圖。本文研究中天線方向圖采用辛格函數(shù)近似

(14)

圖3 和差通道幅度特性對測角特性的影響

當(dāng)和差通道相位一致時，式中φ0=0。圖4給出了當(dāng)定向斜率分別為3、6時，和差通道相位一致和存在45°的相位失配時單脈沖雷達測角特性變化情況。

在圖3和圖4中，橫坐標(biāo)為目標(biāo)偏離等信號軸角度對波束寬度的歸一化數(shù)值，縱坐標(biāo)為相位檢波器輸出的信號強度。

4 幅相不一致對測角特性的影響

在圖3中，當(dāng)和差通道幅度一致時，測角特性曲線經(jīng)過原點；當(dāng)和差通道幅度失配為3 dB時，測角特性曲線零點向右偏移約0.25半功率波束寬度，同時測角特性曲線斜率變大。雖然測角特性曲線斜率變大能夠提高測角靈敏度，但測角特性曲線零點偏移將大幅降低單脈沖雷達系統(tǒng)的測角精度。

在圖4中，當(dāng)和差通道相位不一致時，測角特性曲線斜率小于相位一致時的測角特性曲線斜率，斜率變小引起單脈沖雷達系統(tǒng)測角靈敏度下降。

圖4 和差通道相位特性對測角特性的影響

由圖3和圖4可以得到如下結(jié)論：比幅單脈沖雷達和差通道幅度特性影響測角靈敏度和測角精度，在一定的失配范圍內(nèi)，幅度失配能夠提高單脈沖雷達系統(tǒng)的測角靈敏度，但是將大幅降低單脈沖雷達系統(tǒng)的測角精度；比幅單脈沖雷達和差通道相位特性影響測角靈敏度，相位失配使得測角特性曲線斜率變小，降低了單脈沖雷達系統(tǒng)測角靈敏度，但對測角精度沒有影響。因此在單脈沖雷達系統(tǒng)中，幅度不一致的影響要大于相位不一致對測角的影響。同時需要指出的是，當(dāng)幅度失配和相位失配特別嚴(yán)重時，將導(dǎo)致單脈沖雷達測角系統(tǒng)角誤差信號紊亂，無法正常完成測角功能。

5 結(jié)束語

本文研究了實際中應(yīng)用比較廣泛的比幅單脈沖雷達測角原理，分析了和差通道幅相不一致對測角特性的影響，給出了最佳偏置角的數(shù)值，并指出單脈沖雷達系統(tǒng)和差通道幅度不一致的影響要大于相位不一致對測角特性的影響。因此，在靶場艦空武器系統(tǒng)試驗前，必須對比幅單脈沖雷達幅相通道進行一致性檢查和校正。

[1] 斗計華,余良盛,陳萬春.艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估綜述[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2011，39(1)：12-18.

[2] 位寅生,楊思量.單脈沖雷達掃描方式分析與仿真[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2011，33(2)：468-472.

[3] 劉養(yǎng)林,董勝波,梅光宗,等.毫米波單脈沖測角中幅相不一致的影響及補償[J].宇航計測技術(shù)，2011，11(2)：1-6.

[4] 丁鷺飛.雷達原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[5] 張江華,劉逸平,杜自成.單脈沖雷達測角特性分析[J].火控雷達技術(shù)，2005,34(2)：55-58.

[6] 斯科尼克.雷達系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

(責(zé)任編輯 楊繼森)

Effect of Amplitude and Phase Inconsistency in Angle Measurement by Monopulse Radar

LI Guo-jun， ZHAO Dong-hua

(Navy 94941 Troop 93 Unit, Huludao 125001, China)

In missile weapon system, the characteristic of tracking-and-guiding radar plays an important role in weapon system’s operational effectiveness. The method of angle measurement is widely used at present by monopulse radar．At first the article introduced the theory of amplitude comparison monopulse angle measurement in radar, and then proposed the math model of angle error and the optimized antenna beam bias angle. The result shows the effect of angle measurement accuracy and angle measurement sensitivity in amplitude comparison monopulse radar and point that the amplitude inconsistency is worse than phase inconsistency on angle measurement characteristic.

monopulse radar; amplitude and phase inconsistency; angle measurement characteristic

2015-03-02

李國君(1978—)，男，碩士，工程師，主要從事導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗研究。

10.11809/scbgxb2015.08.028

李國君，趙棟華.單脈沖雷達幅相不一致對測角特性的影響[J].四川兵工學(xué)報，2015(8):112-114.

format:LI Guo-jun，ZHAO Dong-hua.Effect of Amplitude and Phase Inconsistency in Angle Measurement by Monopulse Radar[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):112-114.

TN958

A

1006-0707(2015)08-0112-03