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雷达原理


——角度测量 角度测量
•比较 比较
最大 信号法 作用距离 测量精度 抗干扰 能力 自动测角 设备 最远 较低 一般 不能 易于实现 等信号法 较远 高 强 能 难以实现 最小 信号法 近 低 弱 不能 易于实现
——角度测量 角度测量
三、相位法 ——利用多个天线接收回波信号之间的相位差测角 利用多个天线接收回波信号之间的相位差测角 1. 相位法测角系统原理构成
ϕ =ψ
时,各分量同相相加获得最大值
E (θ )
max
= NE
——角度测量 角度测量
相位扫描法的原理解释 :
d sin θ 0
0 ~ 2π
θ = sin
−1
λ φ 2π d
——角度测量 角度测量
方向性函数
F (θ ) =
E (θ ) E (θ ) max
sin N (ψ − ϕ ) 2 = N sin 1 (ψ − ϕ ) 2
——角度测量 角度测量
第三节 天线波束的扫描方法
波束扫描 ——波束在指定空域内以一定方式进行搜索 波束在指定空域内以一定方式进行搜索 • 使雷达主动发现目标 •测量目标的坐标 测量目标的坐标
——角度测量 角度测量
一、波束形状和扫描方式 1、环视雷达(R,α) 、环视雷达( )
θα 0.5 ↓ 扇形 θ β 0.5 ↑
——角度测量 角度测量
一、雷达角度坐标的确定 •方位角α,高低角β 方位角α 高低角β 方位角 •绝对坐标表示法: 绝对坐标表示法: 绝对坐标表示法 方位角α 基准为正北, 方位角α——基准为正北,顺时针方向为正 基准为正北 高低角β 基准为水平面, 高低角β——基准为水平面,向上方向为正 基准为水平面 •相对坐标表示法: 相对坐标表示法: 相对坐标表示法 测出目标相对于天线轴线的偏离角, 测出目标相对于天线轴线的偏离角,再根据 天线轴线的实际角度,计算出目标实际角度。 天线轴线的实际角度,计算出目标实际角度。
——角度测量 角度测量
四、天线方向图近似表示 •天线的方向性用方向性函数表示 天线的方向性用方向性函数表示 ——电场强度幅度的归一化 电场强度幅度的归一化 •余弦函数 F (θ ) ≈ cos nθ 余弦函数
——角度测量 角度测量
•高斯函数 F (θ ) ≈ e 高斯函数
−θ 2 a2
——角度测量 角度测量
= sin
N 2
(

1 2π N sin ( d sin θ − ϕ ) 2 λ
λ
d sin θ − ϕ )
——角度测量 角度测量
2.半功率波束宽度 半功率波束宽度
θ 0. 5 s
0.886λ = (rad ) Nd cos θ 0
θ 0 — 波束的扫描角
法线方向: 法线方向: 0.5 θ
0.886 ≈ λ (rad ) Nd
∆R = dsinθ
——角度测量 角度测量
波程差∆R = d sin θ

ϕ=
λ
d sin θ
λϕ ∴θ = sin 2πd
−1
——角度测量 角度测量
2. 两天线相位法测角系统
——角度测量 角度测量
dθ =
提高精度措施 •减小 减小 •减小 减小
λ
2πd cos θ

结论:波束扫描角越大, 结论:波束扫描角越大,波束越宽
——角度测量 角度测量
3.天线阵增益 天线阵增益
G0 = 4π
A
λ
2
cos θ 0 = 4π
md × nd
λ
2
cos θ 0
结论:波束扫描角越大,天线增益越低 结论:波束扫描角越大,
G ↑⇒θ0 ↓ 限制天线的扫描角小于 度 60度 60 d ⇒ ↑ ⇒ (m× n) ↑ 加大天线阵的口面尺寸
等信号轴
1波束 波束 收到回波强
1、2波束 、 波束 收到回波相等
2波束 波束 收到回波强
——角度测量 角度测量
•最小信号法 最小信号法 ——采用两个在零点 采用两个在零点 处相切的波束, 处相切的波束,转动 天线使显示器上的回 波消失或最小时, 波消失或最小时, 天 线零值轴所指方向即 为目标的角度。 为目标的角度。
——角度测量 角度测量
为了便于波束控制, 通常采用数字式移相器。 数字式移相器 为了便于波束控制 通常采用数字式移相器。 如果要构成n位数字移相器 可用n个相移数值不同的移相器 如果要构成 位数字移相器, 可用 个相移数值不同的移相器 位数字移相器 (PIN管的或铁氧体的 作为子移相器串联而成 。 每个子移相器 管的或铁氧体的)作为子移相器串联而成 管的或铁氧体的 作为子移相器串联而成。 应有相移和不相移两个状态, 且前一个的相移量应为后一个的 应有相移和不相移两个状态 两倍。 处在最小位的子相移器的相移量为∆φ=360°/2n, 故n位 两倍。 处在最小位的子相移器的相移量为 ° 位 个不同相移值。 数字移相器可得到 2n个不同相移值。
θ0.5
——角度测量 角度测量
第二节 测角方法
一、分类 二、振幅法 三、相位法
——角度测量 角度测量
一、分类
测角方法
振幅法
最 大 信 号 法 等 信 号 法 最 小 信 号 法 相 位 法
相位法
两 天 线 相 位 法 三 天 线
——角度测量 角度测量
二、振幅法 ——利用天线收到的回波信号幅度值进行角度测量 利用天线收到的回波信号幅度值进行角度测量 •最大信号法 最大信号法 ——天线作圆周扫描或扇形扫描时, ——天线作圆周扫描或扇形扫描时,找出回 天线作圆周扫描或扇形扫描时 波脉冲串的最大值(中心值) 波脉冲串的最大值(中心值)对应的波束轴 线指向角度, 线指向角度,即为目标所在方向

λ
ϕ=

d •减小 θ 减小
λ
d sinθ > 2π
测角多值性
——角度测量 角度测量
3. 三天线相位法测角系统
三天线相位法测角系统能克服多值性问题。 1、2天线间距小 满足单值测角范围
φ12 =

λ
d 12 sin θ < 2π
选择较小的 d12 ,克服多值性 精度不高
φ13 =

λ
d13 sin θ = 2πN + φ > 2π
=E e
j N (ψ −ϕ ) 2 1 j (ψ −ϕ ) 2
(e [e
j
N (ψ −ϕ ) 2
−e −e
−j
N (ψ −ϕ ) 2
)
e
1 j (ψ −ϕ ) 2
1 − j (ψ −ϕ ) 2
]
sin N (ψ − ϕ ) j N2−1(ψ −ϕ ) 2 e =E 1 sin 2 (ψ − ϕ )
显然当
——角度测量 角度测量
相控阵雷达) 三、相位扫描法 (相控阵雷达) ——采用移相器天线阵,改变移相器的相移量实 采用移相器天线阵, 采用移相器天线阵 现波束扫描。 现波束扫描。
——角度测量 角度测量
1.相扫天线阵的方向性函数 相扫天线阵的方向性函数 分析: 目标出现在与天线阵法线方向夹角 分析:设目标出现在与天线阵法线方向夹角 θ 0 方向,要使波束最大辐射方向对准目标, 方向,要使波束最大辐射方向对准目标, 方向上同相相加。 要求各阵元辐射场在 θ 0方向上同相相加。 •
——角度测量 角度测量
馈源不动反射体动的机械性扫描
风琴管式扫描器示意图
——角度测量 角度测量
2.电扫描 电扫描 ——天线系统不做任何机械运动,利用电子技术 天线系统不做任何机械运动, 天线系统不做任何机械运动 实现波束扫描 实现方法 (1)相位法 ) (2)频率法 ) (3)时间延迟法 ) 特点 无惯性限制,波束控制迅速, 无惯性限制,波束控制迅速,方便灵活 特别适用于要求波束快速扫描及巨型天线的雷达
λ
——角度测量 角度测量
4.不出现栅瓣的条件 不出现栅瓣的条件
F (θ ) = sin[ Ndπ
λ πd N sin[ (sin θ − sin θ 0 )] λ
(sin θ − sin θ 0 )]
1 < λ 1 + sin 0 d
——角度测量 角度测量
5.相扫天线阵的移相器 相扫天线阵的移相器 ——相位扫描的关键器件 相位扫描的关键器件 移相器:模拟式、 移相器:模拟式、数字式 材料:铁氧体和PIN PIN二极管 材料:铁氧体和PIN二极管 相扫天线阵一般采用数字式移相器, 相扫天线阵一般采用数字式移相器,便于由 专用计算机控制相位。 专用计算机控制相位。 要求: 性能稳定; 要求:移相数值精确 ;性能稳定;频带和功率容量 足够大便于快速控制损耗、体积和重量大小。 足够大便于快速控制损耗、体积和重量大小。 常用的有:铁氧体移相器;PIN二极管移相器两种 二极管移相器两种。 常用的有:铁氧体移相器;PIN二极管移相器两种。 移相器均可做为模拟式、数字式。常做为数字式, 移相器均可做为模拟式、数字式。常做为数字式,便 于波束控制,性能稳定。 于波束控制,性能稳定。
选择较大的 d 13 ,提高精度; 精度高,但出现多值性。 1、3天线间距大 保证测角精度高
——角度测量 角度测量
关键是确定N的大小?
因为:
φ13 d13 λ = = φ12 d 2π sin θ d12 12 λ
d13 φ12 ——近似值 d12
d13

sin θ
所以有:商的整数部分即为 N ,根据φ13 = 2 Nπ + ϕ 来确定 θ 。 用 d12
——角度测量 角度测量
六、雷达测角性能的度量 •测角范围 测角范围 •测角速度 测角速度 •角度分辨力 角度分辨力 •测角准确度 测角准确度 •测角精度 测角精度
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