单脉冲雷达角度跟踪原理
引言
单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达。

它有较高的测角精度、分辨率和数据率，但设备比较复杂。

单脉冲雷达早在60年代就已广泛应用。

美国、英国、法国和日本等国军队大量装备单脉冲雷达，主要用于目标识别、靶场精密跟踪测量、弹道导弹预警和跟踪、导弹再入弹道测量、火箭和卫星跟踪、武器火力控制、炮位侦察、地形跟随、导航、地图测绘等；在民用上主要用于中交通管制。

目前使用的单脉冲雷达基本上都实现了模块化、系列化和通用化，具有多目标跟踪、动目标显示、故障自检、维修方便等特点。

中国的跟踪雷达技术的发展大体上分为两个阶段。

在50年代仿制圆锥扫描体制的炮瞄雷达、机载截击雷达等；50年代末期开始单脉冲技术的研究。

1960～1961年间研制出第一个微波复合比较器，对单脉冲天线的实现起了推动作用。

1963年研制成功第一部单脉冲体制试验雷达，随后陆续研制出各种用途的单脉冲跟踪雷达。

一、单脉冲雷达分类
根据从回波中获取角信息的方式(测角法)不同，单脉冲雷达可分为振幅法(比幅)、相位法(比相)和综合法(振幅相位)3种。

这3种测角法又可用3种角度鉴别器(振幅式、相位式、和差式)中的任何一种来获得目标的角度信息，因此综合起来有9种形式的单脉冲雷达系统，其中以振幅和差式单脉冲雷达系统用的最多。

通常分为有振幅比较单脉冲雷达和相位比较单脉冲雷达两大类。

二、工作原理
单脉冲雷达每发射一个脉冲，天线能同时形成若干个波束，将
各波束回波信号的振幅和相位进行比较，当目标位于天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位相等，信号差为零；当目标不在天线
轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位不等，产生信号差，驱动
天线转向目标直至天线轴线对准目标，这样便可测出目标的高低角
和方位角，从各波束接收的信号之和，可测出目标的距离，从而实
现对目标的测量和跟踪。

它具有圆锥扫描雷达所没有的优点：获得
角误差信息的时间短(以微秒计算)；不受回波振幅起伏变化的影响；测角精度高；测角支路抗幅度调制干扰(如回答式倒相干扰)的能力强。

振幅和差式单脉冲雷达系统的基本工作原理：将两个比幅天线
方向图所得的幅度不同的信号经过和差变换器之后，再把和信号
(U∑ )、差信号(U△ )加到鉴相器得出差信号。

三、振幅和差式单脉冲雷达
单脉冲雷达中由和差比较器完成和、差处理，其中应用最为广泛的是双T 接头，示意图如下：
（1） 当处于发射状态时，∑输入，∆无输出
和天线方向图函数)()()(δθδθθ-++=∑F F F
差天线方向图函数)()()(δθδθθ--+=∆F F F
（2） 当处于接受状态时，1、2输入，∑输出和信号，∆输出差信号,此时得到的和信号和差信号分别为
)()()(k )()(k u u 221θδθθδθθ∑∑∑∑=++-=+=kF F F F F E
)()(21θθ∆∑∆=-=F kF u u E
和差比较器的示意图如下：
两馈源形成的波束如下图：
和波束如下图：
差波束如下图：
将得到的和信号和差信号进行泰勒展开得到：
)(42
δkF E =∑
θδδ)()(4∙∆-=F kF E 相除消去未知数ｋ得到
ηθθδδ=-=∙∆∑)
()(F F E E 和差比较器输出的误差信号还不能用来控制天线跟踪目标，必须把它变换成直流误差电压，其大小应与角误差信号的振幅成比例。

这一变换由相位检波器完成。

单平面振幅和差单脉冲雷达系统组成主要有：双T 接头、AGC 控制电路、相位比较器等，其示意图如下：
四、单脉冲雷达角度跟踪的应用
1 信号处理和测量技术
PD 采用一种合适的且可以适当改变的配置方式及数据处理算法，可成功的实现跟踪低仰角目标。

假定一种处理算法，地面的反射系数应有一个确定的模型(如镜面反射和几何光学原理)，重要的是要估计这样的算法偏离假定的反射模型的灵敏度如何。

在一个真实系统中，这样的偏差肯定会发生。

即使是光滑的镜面表面(理想的镜面反射)，当雷达位于几倍天线直径大的该表面时，由物理光学原理即菲涅尔区，也需要校正。

关键的问题是，在反射的雷达信号中有多少是未知量，要确定这些未知量，雷达需要测量的量是多少，很明
显，在多路径效应下，未知数的数量会增加。

雷达必须做更多的测量才能获得反射平面的信息以鉴别目标的真实仰角。

但是更多的工作是需要找到最优的算法，需要确定它们对不同反射系数模型的灵敏度。

图l 从平坦地面镜面反射产生的多路径问题示意图下面介绍一种基于多路径信号传播模型的目标高度估计值。

如图1所示的平坦地球表面反射几何模型，多路径回波理论上可以分解成3个部分，用多路径模型表示为
式中：p表示镜面反射系数模型； r 表示多路径延时
式中： Hr和Ht分别表示雷达天线高度和目标高度；R为目标到雷达的径向距离。

如果已知Tm，则可以通过式(2)直接计算出目标的高度，但由于r远比Tm目标的径向尺度小，3部分回波实际上是叠加在一起的，因此直接通过目标高分辨测量多路径延时是不可能的。

考
虑到多路径分量与主路径分量在时间域的强相关作用可以通过目标
像(含多路径分量)的自相关函数来估计Tm。

2 频率捷变技术
雷达工作频率动态变化的能力有助于改善低角跟踪性能。

通常
的低角跟踪问题只有当目标和它的镜象之间的距离小到多普勒滤波
和距离波门不能把目标分离出来时，才会遇到。

因此根据接收到的
信噪比通过合适的频率变化，一部带宽非常宽的雷达就能把目标和
镜像信号分开。

这些动态——相移技术是与频谱展宽技术密切相关的，特别是对着扫描区域进行精确跟踪时，更为突出。

要完成这个
工作，一种方法就是递归地估计出目标距离、高度和反射信号相位，并根据这些估计出目标和镜象的高度差。

于是我们可选择下一个试
探频率以改变相对相位使得天线信号交替地变为极大和极小。

这样，我们并不是根据天线的位置来获得目标高度，而是根据频率差、距
离测量值和已知的雷达站的几何关系求出目标高度。

拓宽捷变频率
范围、提高捷变频率速度和向自适应方向发展是频率捷变雷达的发
展趋势。

自适应抗干扰频率捷变雷达能测出干扰信号频谱中的最弱
点频率，并能自动地快速捷变到这一频率。

自适应频率捷
变跟踪雷达还能自动跳到回波幅度最强即角误差最小的频率。

目前，人们正在研究把频率捷变同自适应旁瓣对消技术结合起来，
以便同时具备对抗自备式干扰机和掩护式干扰机的能力。

3 双波段组合技术
通常可利用高频窄波束雷达与常规跟踪雷达组合一体的技术来克服多路径效应。

用于阻止多路径信号进入天线的最简单的方法是采用极窄的波束宽度，以防止波束全部打地，从而避免接收多路径反射信号，但是极窄波束将导致捕获时间较长，而且对于常规火控雷达工作频率来说，还需要大口径天线。

将高频窄波束雷达与常规跟踪雷达有效的组合在一起，可以较好地弥补二者的不足。

常规跟踪雷达主要用于跟踪远距离目标，其波束宽，反应速度快，跟踪精度低。

当目标进入近距离时，高频窄波束雷达已获得足够的目标信息，系统转向高频率窄脉冲波段自动跟踪，其波束窄受多路径影响小，跟踪精度高。

通常窄波束雷达频率可在Ku波段和Ka波段之间选择，如图2所示。

图2 X／Ka双波段组合式跟踪雷达
4 雷达组网技术
把几个雷达站联成一体是改进整个系统性能，包括低角跟踪性
能的一种有效方法。

由于目标的雷达反射截面积是仰角和波长的函数，目标运动时各站所对应的目标反射截面积是起伏的，从而影响
单站对目标的捕获和跟踪，而通过对多部雷达特别是其中的低空补
盲雷达所测数据进行融合处理，可以提高发现概率并获得稳定跟踪，从而改善低空性能。

首先一个或多个雷达站跟踪同一个目标，它将
它们的垂直扫描误差信号进行混合平均，这样可将来自不相关的反
射产生的误差信号进行有效的对消，而来自目标的直达信号可相干
叠加。

这是能改善低角跟踪性能的一种比较简单的方法，特别是如
果有两部以上的雷达跟踪同一个目标，即使只有一部在发射也是有
用的。

然而多部发射能大大改善低角跟踪性能。

例如，考虑3部单脉
冲雷达站(以不同频率工作)，它们正在跟踪同一目标，但它们以各
自的频率用各自的接收天线各自获得有关仰角和差信号的回波脉冲
强度方面的信息，它们可以相互交换这种信息。

提高雷达组网技术，设计和建造新的雷达信息综合处理系统和信息分发系统，在结构上
采用分布式来避免过于集中，使雷达网的工作效能更高，生存能力
更强，避免战争中防空雷达全面瘫痪的局面。

雷达原理大作业
学院电子工程学院
专业信息对抗技术
学生姓名。