单脉冲雷达幅相不一致对测角特性的影响

李国君， 赵栋华

(海军92941部队93分队，辽宁 葫芦岛 125001)

【信息科学与控制工程】

单脉冲雷达幅相不一致对测角特性的影响

李国君， 赵栋华

(海军92941部队93分队，辽宁 葫芦岛 125001)

在导弹武器系统中，跟踪制导雷达系统的性能是决定武器系统作战效能的关键因素。比幅单脉冲测角是跟踪制导雷达采用的重要角跟踪技术。分析了比幅单脉冲雷达测角原理，研究了角误差信号的数学模型，给出了天线波束偏置角的最优数值。通过仿真分析，分别研究了比幅单脉冲雷达幅相不一致对测角精度和测角灵敏度等测角特性的影响，指出幅度不一致对测角特性的影响要大于相位不一致对测角特性的影响。

单脉冲雷达；幅相不一致；测角特性

舰空导弹武器系统为实现对目标的连续稳定跟踪从而控制导弹击落目标[1]，跟踪制导雷达通常采用单脉冲测角技术测量目标偏离等信号轴的误差角，伺服系统利用负反馈技术控制天线向减小误差角方向运动，从而使雷达波束准确对准探测目标，完成火力打击任务[2]。

1 比幅单脉冲雷达测角原理

单脉冲测角理论上只处理一个回波脉冲就可以确定目标角误差信息，在工程上，通常对多个回波脉冲进行积累，以提高检测概率和角误差测量精度。单脉冲测角技术主要包括比幅和比相单脉冲测角技术，本文主要研究比幅单脉冲测角系统中和差通道幅相不一致的问题[3]，并进一步分析幅相不一致对测角特性的影响。

单脉冲测角技术是通过比较至少2个天线波束接收信号来获得精确的目标角误差信息，为了得到2个波束，可以采用同时波瓣法和顺序波瓣法，顺序波瓣法测角时，当信号幅度随时间变化时，测角精度将下降，因此工程上多采用同时波瓣法测角[4]。比幅单脉冲测角原理如图1所示。根据天线理论，当馈源偏离抛物面天线焦点时，天线波束形状基本保持不变，天线波束将发生倾斜。同时波瓣法测角时在抛物面天线焦点对称分布2个馈源，2个馈源辐射的天线波束交线方向为等信号轴方向，波束中心偏离等信号轴方向的角度即波束偏置角分别为±θ0。图1中，当目标相对等信号轴方向的偏离角为θ时,目标回波脉冲同时被2个波束的馈源接收，下面天线接收到的目标回波信号强度大于上面天线接收到的目标回波信号强度。两信号强度差值的大小表示目标相对等信号轴的偏移量，两信号强度差值的正负表示目标相对等信号轴的偏移方向。

2 角误差信号数学模型

为了对飞机和导弹类目标进行稳定跟踪，必须测量目标方位和俯仰的角误差信号。因此，在工程上采用4个馈源同时向空间馈电，该型系统称之为双平面单脉冲雷达系统。双平面比幅单脉冲雷达系统原理图如图2所示。

在单脉冲雷达系统中，和差比较器是重要部件，主要完成目标回波信号和差处理，并形成和差波束。图2中1-4为和差比较器，其中和差比较器1的2个输入端连接馈源A和C，和差比较器2的2个输入端连接馈源B和D，和差比较器3形成和信号和方位角误差信号，和差比较器4形成俯仰角误差信号。本文仅研究方位角误差信号的数学模型，俯仰角误差的研究方法与该方法相同，不进行重复叙述。

图1 比幅单脉冲雷达测角原理

图2 双平面比幅单脉冲雷达系统

单脉冲雷达系统天线辐射电磁波时，馈源被同相激励，并辐射相同的功率，在空间各点场强同相相加，形成发射和波束。接收时，回波脉冲同时被2个波束的馈源所接收，馈源接收到的信号振幅不同。对于精密跟踪系统而言，波束很窄，和波束照射范围内的目标，两馈源接收到的回波的波程差可以忽略不计。

比幅单脉冲和差支路电压信号[5]分别为

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为天线方向图；θs为天线偏置角；θT为目标误差角。

为简化分析过程，采用信号的复数表示：

υ1=Re{V1ejωt}

(3)

V1=Ag(θs-θT)=Ag1

(4)

υ2=Re{V2ejωt}

(5)

V2=Ag(θs+θT)=Ag2

(6)

单脉冲雷达系统对射频信号下变频至中频，比幅单脉冲雷达和差通道中频信号为：

V∑IF=K∑(V1+V2)

(7)

VΔIF=e-jφ0KΔ(V1-V2)

(8)

φ0=φ∑-φΔ

(9)

其中φ0为和差通道相位差。

为消除目标回波信号因目标大小、距离和有效散射面积引起回波振幅变化对单脉冲雷达测角性能的影响，由和支路输出的和信号产生自动增益控制电压。该电压同时去控制和差支路的中放增益，即由和信号对差信号进行归一化处理。

AGC对中频增益的控制与和通道的信号为

(10)

υ∑=Re(A(g1+g2)ejωIFt)

(11)

相位检波器的输出的角误差信号为

(12)

(13)

在单脉冲测角雷达系统中，天线波束偏置角是影响角测量精度的重要因素。偏置角越大，角误差信号的斜率越大，角测量精度越高，然而随着偏置角的增加，和波束的增益将下降[6]。偏置角的最佳值为θs=0.31θ3 dB和θs=0.46θ3 dB。

3 仿真结果

为了分析比幅单脉冲测角系统和差通道幅相不一致对测角精度的影响，首先需要确定天线方向图。本文研究中天线方向图采用辛格函数近似

(14)

图3 和差通道幅度特性对测角特性的影响

当和差通道相位一致时，式中φ0=0。图4给出了当定向斜率分别为3、6时，和差通道相位一致和存在45°的相位失配时单脉冲雷达测角特性变化情况。

在图3和图4中，横坐标为目标偏离等信号轴角度对波束宽度的归一化数值，纵坐标为相位检波器输出的信号强度。

4 幅相不一致对测角特性的影响

在图3中，当和差通道幅度一致时，测角特性曲线经过原点；当和差通道幅度失配为3 dB时，测角特性曲线零点向右偏移约0.25半功率波束宽度，同时测角特性曲线斜率变大。虽然测角特性曲线斜率变大能够提高测角灵敏度，但测角特性曲线零点偏移将大幅降低单脉冲雷达系统的测角精度。

在图4中，当和差通道相位不一致时，测角特性曲线斜率小于相位一致时的测角特性曲线斜率，斜率变小引起单脉冲雷达系统测角灵敏度下降。

图4 和差通道相位特性对测角特性的影响

由图3和图4可以得到如下结论：比幅单脉冲雷达和差通道幅度特性影响测角灵敏度和测角精度，在一定的失配范围内，幅度失配能够提高单脉冲雷达系统的测角灵敏度，但是将大幅降低单脉冲雷达系统的测角精度；比幅单脉冲雷达和差通道相位特性影响测角灵敏度，相位失配使得测角特性曲线斜率变小，降低了单脉冲雷达系统测角灵敏度，但对测角精度没有影响。因此在单脉冲雷达系统中，幅度不一致的影响要大于相位不一致对测角的影响。同时需要指出的是，当幅度失配和相位失配特别严重时，将导致单脉冲雷达测角系统角误差信号紊乱，无法正常完成测角功能。

5 结束语

本文研究了实际中应用比较广泛的比幅单脉冲雷达测角原理，分析了和差通道幅相不一致对测角特性的影响，给出了最佳偏置角的数值，并指出单脉冲雷达系统和差通道幅度不一致的影响要大于相位不一致对测角特性的影响。因此，在靶场舰空武器系统试验前，必须对比幅单脉冲雷达幅相通道进行一致性检查和校正。

[1] 斗计华,余良盛,陈万春.舰空导弹武器系统作战效能评估综述[J].现代防御技术，2011，39(1)：12-18.

[2] 位寅生,杨思量.单脉冲雷达扫描方式分析与仿真[J].系统工程与电子技术,2011，33(2)：468-472.

[3] 刘养林,董胜波,梅光宗,等.毫米波单脉冲测角中幅相不一致的影响及补偿[J].宇航计测技术，2011，11(2)：1-6.

[4] 丁鹭飞.雷达原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

[5] 张江华,刘逸平,杜自成.单脉冲雷达测角特性分析[J].火控雷达技术，2005,34(2)：55-58.

[6] 斯科尼克.雷达系统导论[M].北京：电子工业出版社，2007.

(责任编辑 杨继森)

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

李国君(1978—)，男，硕士，工程师，主要从事导弹武器系统试验研究。

10.11809/scbgxb2015.08.028

李国君，赵栋华.单脉冲雷达幅相不一致对测角特性的影响[J].四川兵工学报，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