单脉冲雷达测角的论文.doc

摘 要测角即是测定目标的俯仰角和方位角，它是目标定向、精确制导的重要组成部分。和差单脉冲测角由于其快速性、精确性而获得了广泛应用。运用信号处理理论与MATLAB仿真软件相结合的思想进行测角仿真，不仅能够提供方便快捷的运算，还能获得很好的精确度。本文首先建立了仿真信号模型，分析了天线方向图，仿真得到了二维和三维的天线和差波束方向图；其次对几种常见的测角方法、单脉冲系统的实现形式进行了介绍；最后综合前几章的内容，在不同环境条件下对系统进行了测试分析。得到了目标的角度误差曲线。关键词：和差波束，测角，雷达信号，天线方向图ABSTRACTAngle measurement is to measure the azimuth and elevation angle of the detected targets, its a crucial part of target direction-finding and precision guiding. Sum and difference monopulse radar is widely used for its short information acquisition time and high angle measurement precision. The combination of signal processing theory and MATLAB simulation software can produce efficient operation as well as good accuracy.Firstly, this dissertation studies the model of signal environment, analyzes the radar antenna model, and simulates the 2-D and 3-D sum and difference antenna patterns. Secondly, several commonly used target angle-tracking methods as well as realization of monopulse system is introduced. Finally, tests are carried out on the system in presence of different errors and error curve is obtained.Keywords: sum and difference beam, angle measurement, radar signal,antenna pattern目录目录第一章 引言11.1课题背景11.2 MATLAB在信号处理中的应用11.3 主要工作及章节安排2第二章 信号环境的建模与仿真32.1 角度测量处理模型32.2 常用雷达信号32.2.1 线性调频信号32.2.2 相位编码信号52.3 回波信号62.4 噪声及杂波信号82.4.1 雷达目标噪声92.4.1.1 幅度噪声92.4.1.2 角噪声92.4.1.3 距离噪声92.4.2 发射和接收噪声102.4.2.1 发射机噪声102.4.2.2 接收机噪声102.4.3 杂波及干扰信号102.4.3.1 杂波信号102.4.3.2 干扰信号102.5 本章小结11第三章 雷达天线133.1 天线参数133.1.1 方向性增益133.1.2 功率增益133.1.3 天线辐射方向图143.2天线方向图数学模型143.3 天线和差波束方向图163.3.1 和波束性能163.3.2 差波束性能173.4 三维天线建模183.5 本章小结22第四章 测角方法及其比较234.1相位法测角234.1.1 基本原理234.2振幅法测角274.2.1 最大信号法284.2.2 等信号法304.3 和差脉冲测角334.3.1基本原理334.3.2 单平面振幅和差单脉冲测角364.3.3 双平面振幅和差单脉冲测角374.4 本章小结37第五章 仿真测角系统设计与测试385.1 角度敏感器和角信息变换器385.1.1幅度敏感系统385.1.2.相位敏感系统395.1.3幅相组合敏感系统405.2 角信息变换器405.3 角度鉴别器405.4 基本实现形式415.4.1 幅度幅度单脉冲系统415.4.2 和差单脉冲系统415.5单脉冲系统的变化实现形式425.5.1 误差通道合并双路单脉冲系统435.5.2 和差通道合并双路单脉冲系统435.5.3 幅相组合双通道单脉冲系统435.6 解角误差445.7 仿真系统功能概述475.7.1 仿真场景设定子系统475.7.2 仿真数据获取及分析子系统495.8 仿真测角系统的测试495.8.1 仿真参数设置505.8.2 仿真结果515.8.3 仿真结果分析525.9 本章小结55第六章 全文总结56参考文献57致谢58外文资料原文59外文资料译文69V第一章 引言第一章 引言1.1课题背景对目标的定向，是雷达的主要任务之一，单脉冲定向是雷达定向的一个重要方法。之所以叫“单脉冲”，是因为这种方法只需要一个目标回波脉冲，就可以给出目标角位置的全部信息1。单脉冲雷达系统中，目标的角位置信息是将回波信号加以成对比较得到的，在进行这种比较时，系统输出电压只取决于信号的到达角。单脉冲探测技术的作用就是首先选择一个具体的目标，然后在角度、距离，有时还在频率（或者速度）坐标上跟随目标的路线。其中角度跟踪也即测角就是测定目标的方位角和俯仰角。单脉冲测角的基本原理是运用指向目标（或发射机）的有方向性的天线波束，测量接收信号的到达角。为实现这样的目的，天线必须有这样的特性：它能测量指向误差，并将该指向误差作为适用于控制天线位置的信号。单脉冲测角属于同时波瓣测角。在一个平面内，两个相同的波束部分重叠，其交叠方向即为等信号轴。将这两个波束同时接收到的回波信号进行和差处理，就可取得目标在这个平面上的角误差信号，然后将此误差电压放大变换加到驱动电动机控制天线向减小误差的方向运动。因为两个波束同时接收回波，故单脉冲测角获得目标角误差信息的时间可以很短，理论上只需分析一个回波脉冲就可以确定角误差。为了能够在两个正交的角坐标上得到单脉冲角度偏离估计值并进行角度跟踪，基本的单脉冲必须有三个通道，且通道之间都需要保持良好的幅度和相位响应的一致性。单脉冲技术由于其良好的测角、角跟踪性能和抗干扰能力，因此除了在跟踪雷达中应用之外，还广泛应用到各种武器平台的控制雷达当中。1.2 MATLAB在信号处理中的应用现代雷达系统日益变得复杂，难以用简单直观的分析方法进行处理，往往需要借助计算机来完成对系统各项功能和性能的仿真。利用计算机来进行雷达系统仿真具有方便、灵活以及经济的特点。而MATLAB提供了强大的仿真平台，可以为大多数仿真系统提供方便快捷的运算。根据雷达信号处理的主要方式，运用信号处理理论与MATLAB仿真软件相结合的思想，可以确定仿真模型2。该模型应该具有将包含杂波的信号输入信号处理机的动态处理过程。利用MATLAB的仿真平台，能够方便的产生所需类型的回波信号，以及信号与各类干扰、噪声的组合；能够方便的进行信号处理，消除不需要的信号及干扰，提取或加强由目标所产生的回波信号。一般来说，在MATLAB上进行系统仿真应该有如下步骤3：1) 首先确定研究的对象及要解决的问题，然后根据要解决的问题提出系统仿真所要达到的目的和要求。2) 根据所研究的问题和目的，确定合理的系统模型，并给出数学表达式，这也是仿真成败的关键。一般要求模型尽量简单，但又要与原型保持一致。3) 确定具体的系统结构、描述方法、参数。4) 确定仿真次数，打印仿真结果或直接绘制出曲线。5) 最后对结果进行分析、判断，看是否达到仿真目的和要求。1.3 主要工作及章节安排本文主要是在MATLAB下进行和差脉冲测角的研究和仿真，研究和仿真的内容主要有：雷达信号、天线、各种测角方法及其比较，并且着重对比幅和差单脉冲测角进行了仿真。各章节大致安排如下：1) 第一章，简要介绍了当下最为常见的单脉冲探测技术，并对MATLAB在系统仿真及信号处理方面的作用进行了介绍。2) 第二章，提出了具体的角度处理模型，对雷达的发射信号、目标回波信号、以及在噪声存在条件下的回波信号进行了建模和仿真。3) 第三章，对天线方向图进行了介绍，介绍了三种天线方向图函数模型，仿真了二维和三维天线方向图及和差波束方向图。4) 第四章，对常用的测角方法进行了介绍及对比。5) 第五章，对单脉冲系统的具体实现形式进行介绍、对比。重点仿真了和差比幅测角，建立了具体仿真系统，并对在不同信噪比条件下仿真结果进行了对比。1第二章 信号环境的建模与仿真第二章 信号环境的建模与仿真天线调制和差波束形成回波信号接收和差波束形成和差通道幅度比较目标角度（方位角、俯仰角计算）（）雷达发射信号杂波目标干扰现代雷达的体制多种多样，根据雷达体制的不同，可以选用各种各样的信号形式，雷达信号形式的不同，对发射机和射频部分和调制器的要求也不同。对于常规雷达的简单脉冲波形而言，调制器主要满足脉冲宽度、脉冲重复频率和脉冲波形（脉冲上升沿、下降沿、和顶部的不稳定）的要求，一般困难不大，但对于复杂调制、射频放大器、调制器往往要用一些特殊措施才能满足。2.1 角度测量处理模型目标角度测量的基本处理流程框图如图2-1。其处理的基本原理是：发射机产生电磁信号（如正弦波短脉冲），经由天线调制，辐射到空中。发射信号的一部分被目标拦截并向许多方向再辐射。向后再辐射回到雷达的信号被雷达天线采集，并送到接收机，在接收机中，该信号被处理以检测目标的存在并且确定其位置。2.2 常用雷达信号4562.2.1 线性调频信号线性调频信号也称为chirp信号，它是通过对载波进行线性频率调制而得到的。调频信号的频率变化规律可以是单调增加的，也可以是单调减小的，还可以是按V字型变化的。 图2-1线性调频矩形脉冲信号的复数表达式可以写成(2-1)其中(2-2)为信号的复包络信号，T为脉冲宽度。且(2-3)信号的瞬时频率可以写成(2-4)其中K=B/T为频率变化斜率，当k大于零时，表示频率递增，当kU1; (c) U2=1/2U1设变压器的变压比为11, 电压正方向如图4-3所示,相位比较器输出端应能得到与相位差成比例的响应。为达到此目的, 当相位差为的两高频信号加到相位检波器之前, 其中之一要预先移相90。因此相位检波器两输入信号为： (4-7)、为、的振幅,通常应保持为常值。现在在相位上超前的数值为。由图4-3知： (4-8)当选取U2U1时, 由矢量图4-3（b）可知：(4-9)故相位检波器输出电压为： (4-10)其中为检波系数。由式可画出相位检波器的输出特性曲线, 如图4-4所示。测出, 便可求出。显然,这种电路的单值测量范围是-/2/2。当30度时, , 输出电压与近似为线性关系。 当选取1/2U1=U2时,由矢量图4-3（c）可求得:(4-11)则输出：(4-12)输出特性如图4-4所示,与有良好的线性关系, 但单值测量范围仍为-/2/2。为了将单值测量范围扩大到2,电路上还需采取附加措施。图4-4 相位检波输出特性图(a)U2U1 (b)U2=1/2U14.1.2 测角误差与多值性问题相位差值测量不准, 将产生测角误差, 它们之间的关系如下，将式两边取微分: (4-13)由式看出, 采用读数精度高(小)的相位计, 或减小/d值(增大d/值), 均可提高测角精度。也注意到：当=0 时, 即目标处在天线法线方向时, 测角误差最小。当增大,也增大, 为保证一定的测角精度,的范围有一定的限制。增大d/虽然可提高测角精度, 但由式可知, 在感兴趣的范围(测角范围)内, 当d/加大到一定程序时,值可能超过 2, 此时, 其中N为整数;2, 而相位计实际读数为值。由于N值未知, 因而真实的值不能确定, 就出现多值性(模糊)问题。必须解决多值性问题, 即只有判定N值才能确定目标方向。比较有效的办法是利用三天线测角设备,间距大的 1、3天线用来得到高精度测量, 而间距小的 1、2 天线用来解决多值性,如图4-5所示。 图4-5三天线相位法测角原理示意图设目标在方向。天线 1、2 之间的距离为, 天线 1、3 之间的距离为, 适当选择, 使天线 1、2 收到的信号之间的相位差在测角范围内均满足: (4-14)由相位计1读出。根据要求, 选择较大的, 则天线 1、3 收到的信号的相位差为： (4-15)由相位计2读出, 但实际读