關(guān)于比幅制測角技術(shù)的仿真

民航寧夏空管分局 柳 斌

關(guān)于比幅制測角技術(shù)的仿真

民航寧夏空管分局 柳 斌

測角就是測量目標(biāo)的方位角，二次雷達(dá)比幅制單脈沖測角，只用分析一個(gè)回波脈沖就可以確定目標(biāo)到達(dá)角，因此稱為“單脈沖”。本文使用ADS工具搭建仿真，模擬了單脈沖二次雷達(dá)比幅制的工作原理和實(shí)現(xiàn)過程。通過仿真，我們得到雷達(dá)測角受到目標(biāo)距離，信道增益、衰減和相位差等幾方面的影，研究內(nèi)容可為雷達(dá)系統(tǒng)測角精度研究提供參考。

二次雷達(dá)；比幅制；單脈沖

一、二次雷達(dá)比幅制介紹

民航二次雷達(dá)采用比幅制測角時(shí)，波束以勻角速度旋轉(zhuǎn)，所以相當(dāng)于有兩個(gè)脈沖相同并有重疊。當(dāng)目標(biāo)位于兩個(gè)波束中間時(shí)，處于等信號(hào)軸，此時(shí)接收機(jī)收到的回波信號(hào)強(qiáng)度相等，當(dāng)有偏離等信號(hào)軸時(shí)的，則收到的波束強(qiáng)度不等，偏離方向強(qiáng)度大于另一波束強(qiáng)度。因此，通過比較兩波束回波的強(qiáng)弱就可以判斷偏離方向，估算出偏離角度值得大小。

設(shè)已知天線方向性函數(shù)為f(θ)，等信號(hào)軸OA的角度為θ0，則波束1、2的方向性函數(shù)可分別寫為式（1），式（2）：

θb為θ0與波束最大值方向的夾角。

采用等信號(hào)法，1號(hào)波束收到的回答信號(hào)：

2號(hào)波束收到的回答信號(hào)：

θT為偏離OA軸的角度，將從天饋系統(tǒng)接受到R1，R2信號(hào)送入?yún)R流環(huán)（也稱和差電橋）進(jìn)行處理，產(chǎn)生相互正交的和、差信號(hào)。如圖1所示。

圖1 和差電橋

R1，R2分別從P1和P4端口進(jìn)入信號(hào)，P3端口將對這兩個(gè)信號(hào)矢量疊加，由于傳輸?shù)絇3端口的相位變化相等因此號(hào)進(jìn)行相加。P2端口輸出的信號(hào)為P1和P4端口信號(hào)兩個(gè)信號(hào)的相差λ/2個(gè)相位所以給他們做矢量差，。此時(shí)，相當(dāng)對單脈沖二次雷達(dá)天饋系統(tǒng)的兩個(gè)等效輻射單元接收的信號(hào)進(jìn)行和、差處理。P2端口輸出差（Δ）信號(hào)P4端口輸出和（Σ）信號(hào)[1]。

差波束中心有一個(gè)左右對稱很窄且很深的零值。若在波束的一側(cè)存在回答信號(hào)，偏離瞄準(zhǔn)軸的角度為θT，該信號(hào)同時(shí)被天線的和波束及差波束接收、并被檢測[2]。通過差信號(hào)強(qiáng)度與偏離瞄準(zhǔn)軸角度的關(guān)系，便可以得到對應(yīng)偏離瞄準(zhǔn)軸角度的大小。由于飛機(jī)距雷達(dá)站的遠(yuǎn)近距離不同，導(dǎo)致接收機(jī)收到回波信號(hào)強(qiáng)度也有所不同，當(dāng)目標(biāo)偏離瞄準(zhǔn)軸的角度不變時(shí)，僅利用差信號(hào)回波輸出幅度就可能造成測角誤差。因此，使用和信號(hào)對差信號(hào)歸一化?？赏ㄟ^測量相對比例(D/S或S/D)來克服了不同距離差信號(hào)強(qiáng)度不同的影響。如式（3），式（4）。

在θ0附近時(shí)，給他們歸一化，θ0和θt成正比，因此可以算出角度，根據(jù)正負(fù)確定方向。如式（5）：

二、利用ADS的仿真

利用ADS建模，二次雷達(dá)和差信號(hào)分別進(jìn)入接收機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過低噪放大器，鏡像濾波器，然后進(jìn)入混頻器下變頻，得到一個(gè)60MHZ的中頻信號(hào)，接著送入帶同濾波器濾波，再經(jīng)過一個(gè)可變衰減器，同時(shí)對和差信號(hào)進(jìn)行一個(gè)衰減，防止功率過大燒毀器件，最后進(jìn)入一個(gè)單脈沖檢測器進(jìn)行一個(gè)和差信號(hào)的比幅。在實(shí)際過程中，考慮到雷達(dá)接收通道是有噪聲的，使用諧波平衡模擬器模擬振蕩器的行為模型帶來的相位噪聲，同時(shí)設(shè)置一個(gè)射頻源模擬雷達(dá)天線進(jìn)來的1090MHZ信號(hào)，考慮雷達(dá)的標(biāo)稱靈敏度最低可接收信號(hào)為-82dBm，用OSCwPhNoise連到混頻器上，則如圖2所示。

圖2 含相位噪聲的模擬圖

在仿真中，濾波器采用巴特沃茨濾波器，設(shè)置中心頻率為1090MHZ，通帶帶寬200MHZ，同時(shí)放入兩個(gè)放大器，在中頻放大器設(shè)置增益分別為10dB,20dB分別模擬兩個(gè)通道增益不同時(shí)的狀態(tài)。模擬運(yùn)行，分別得到他們的S21參數(shù)。在中頻放大器末端插入節(jié)點(diǎn)Vout，繪制Vout輸出，單位采用dBm，在中頻信號(hào)100MHz處放置一個(gè)marker標(biāo)記，接收通道因?yàn)橛?3dB的功放增益和轉(zhuǎn)換增益，所以輸出為－59dBm。如圖3所示。

圖3 S21和Vout輸出結(jié)果

三、測量以及誤差分析

1.增益或者衰減的變化造成誤差。

兩個(gè)接收通道的增益或者傳輸通道衰減應(yīng)保持一致，這樣最終信號(hào)就會(huì)按照固有的幅度成比例地放大。在實(shí)際過程中由于各種因素的影響，兩接收通道應(yīng)能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整增益，使增益偏差盡可能地小。當(dāng)偏差超過門限值時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)調(diào)整。當(dāng)通道增益或衰減不一致時(shí)，如圖，分別模擬了增益10Db,20dB時(shí)接收機(jī)系統(tǒng)獲得的信號(hào)幅度，也就會(huì)使：

得值就會(huì)發(fā)生變化，從而得到錯(cuò)誤的偏離值，在瞄準(zhǔn)軸附近誤差較小，但是目標(biāo)偏離越大時(shí)測角誤差也會(huì)隨著越大[3]。

2.相移引發(fā)誤差

這主要集中在兩方面，一方面和(S)，差(D)接收機(jī)應(yīng)必須采用同一本振信號(hào)。這樣經(jīng)過混頻以后和，差信號(hào)仍然保持原有(輸入時(shí))的相位關(guān)系。以便能夠正常檢測偏離瞄準(zhǔn)軸方向的相位信息（符號(hào)信息）；另一方面兩等效輻射單元收到的回波信號(hào)存在一定的相差j。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上應(yīng)保持兩個(gè)信號(hào)通道傳輸過程中保持固有的相位關(guān)系避免附加相移。因此在傳輸?shù)倪^程由于兩射頻通道的相位誤差，以及中頻放大過程引起的附加相移，必須進(jìn)行人為的調(diào)整，達(dá)到上述的要求。這樣在電路設(shè)計(jì)上采用相位均衡電路，以保持和，差信號(hào)處于正交關(guān)系。

3.目標(biāo)的遠(yuǎn)近不同造成回答信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)強(qiáng)度不同引發(fā)誤差

不能單純使用差（Δ）信號(hào)幅值作為判決目標(biāo)偏離瞄準(zhǔn)軸角度的依據(jù)。由式（6）：

我們可以發(fā)現(xiàn)，在同一個(gè)方位上，目標(biāo)距雷達(dá)站的遠(yuǎn)近不同所合成的差（Δ）信號(hào)的強(qiáng)度不同的，單純使用差（Δ）信號(hào)就會(huì)造成判決偏離瞄準(zhǔn)軸角度的錯(cuò)誤。所以就必須得和（Σ），差（Δ）信號(hào)進(jìn)行歸一化，如式使方位相同信號(hào)的比例相同來保證偏離瞄準(zhǔn)軸一致。

四、結(jié)束語

本文主要是研究了單脈沖雷達(dá)的運(yùn)行原理和測角實(shí)現(xiàn)過程，通過仿真，模擬了單脈沖和差脈沖測角的實(shí)現(xiàn)過程，總體說來，主要有以下幾個(gè)方面： 1）簡化信號(hào)流程處理，以超外差接收機(jī)為模型，在不考慮外界環(huán)境和波束不對稱情況下，從二次雷達(dá)和差接收通道對測角精度影響做以仿真。 2）系統(tǒng)的從原理上進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，分析了單脈沖比幅制的數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)結(jié)合具體型號(hào)雷達(dá)從功能實(shí)現(xiàn)上進(jìn)行仿真分析。3）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了測角仿真系統(tǒng)，模擬理想狀態(tài)下，通道不同增益下和差信號(hào)對歸一化的誤差影響和在有相位噪聲下接收系統(tǒng)Vout的輸出曲線。

由以上所述分析可知雷達(dá)測角受到目標(biāo)距離，信道增益、衰減和相位差等幾方面的影，通過仿真結(jié)果，我們可以方便地觀測出接收通道在增益和相位不一致對定向曲線和測角的影響，以及單脈沖比幅值為何采取和差歸一化的重要性，分以上研究內(nèi)容可為雷達(dá)系統(tǒng)測角精度研究提供參考。

通過分析可知，單脈沖技術(shù)作為新一代的測角技術(shù)優(yōu)點(diǎn)毋庸可言，其方位分辨率較于傳統(tǒng)測角技術(shù)有了大大的提高，當(dāng)采取14位的編碼器時(shí)，其角度誤差小于。

[1]何光橋.民航系統(tǒng)中防撞告警技術(shù)的仿真研究.科技視界[J].2013(19).[2]李欣.淺談二次雷達(dá)單脈沖測角技術(shù).黑龍江科技信息[J].2011(30).

[3]M.C.Stevens.Secondary Surveillance radar. Artech House[M].1988.