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导弹制导控制系统原理

导弹制导控制系统原理. 第六章 角度测量. 第六章 角度测量. 6.1 概述 6.2 测角方法及其比较 6.3 天线波束的扫描方法 6.4 自动测角的原理和方法. 6.1 概述. 为了确定目标的空间位置 , 雷达在大多数应用情况下 , 不仅要测定目标的距离 , 而且还要测定目标的方向 , 即测定目标的角坐标 , 其中包括目标的方位角和高低角 ( 仰角 ) 。. 雷达结构图. 雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性。. 电波的直线传播. 天波传播. 具有国际水平的三坐标雷达天线.

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导弹制导控制系统原理

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Presentation Transcript

  1. 导弹制导控制系统原理

  2. 第六章角度测量

  3. 第六章 角度测量 6.1 概述 6.2 测角方法及其比较 6.3 天线波束的扫描方法 6.4 自动测角的原理和方法

  4. 6.1 概述 为了确定目标的空间位置, 雷达在大多数应用情况下, 不仅要测定目标的距离, 而且还要测定目标的方向, 即测定目标的角坐标, 其中包括目标的方位角和高低角(仰角)。 雷达结构图

  5. 雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性。雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性。 电波的直线传播 天波传播

  6. 具有国际水平的三坐标雷达天线 西晶L波段探空雷达天线 航海雷达天线

  7. 雷神公司的AN/FPS-115“铺路爪”远程预警雷达采用双面阵天线

  8. AN/APG-68（V）9型火控雷达

  9. 由于电波沿直线传播, 目标散射或反射电波波前到达的方向, 即为目标所在方向。

  10. 目标散射或反射电波

  11. 但在实际情况下, 电波并不是在理想均匀的介质中传播, 如大气密度、湿度随高度的不均匀性造成传播介质的不均匀, 复杂的地形地物的影响等。 左图中电波经过不同的路径到达同一点，不同路径的电波行成干扰

  12. 电波在不均匀媒质传播 电离层对电波的连续折射

  13. 由于以上原因使电波传播路径发生偏折, 从而造成测角误差。 通常在近距测角时, 由于此误差不大, 仍可近似认为电波是直线传播的。当远程测角时, 应根据传播介质的情况, 对测量数据(主要是仰角测量)作出必要的修正。 电波的偏析

  14. 光的偏析（折射）形成彩虹 星光的偏折 图

  15. 天线的方向性可用它的方向性函数或根据方向性函数画出的方向图表示。但方向性函数的准确表达式往往很复杂, 为便于工程计算, 常用一些简单函数来近似, 如表 7.1 所示。 极坐标表示的天线俯仰方向图

  16. 表 6.1 天线方向图的近似表示

  17. 表 6.1 天线方向图的近似表示

  18. 雷达测角的性能可用测角范围、测角速度、测角准确度或精度、角分辨力来衡量。准确度用测角误差的大小来表示, 它包括雷达系统本身调整不良引起的系统误差和由噪声及各种起伏因素引起的随机误差。而测量精度由随机误差决定。 雷达探测与定位

  19. 6.2 测角方法及其比较 相位法测角 测角方法 最大信号法 振幅法测角 等信号法

  20. 6.2.1 相位法测角 1. 基本原理 相位法测角利用多个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角。 正弦电信号相位差的测量

  21. 如图 6.1 所示, 设在θ方向有一远区目标, 则到达接收点的目标所反射的电波近似为平面波。由于两天线间距为d, 故它们所收到的信号由于存在波程差ΔR而产生一相位差φ。 图 6.1 相位法测角方框图

  22. (6.2.1) 其中λ为雷达波长。如用相位计进行比相, 测出其相位差φ, 就可以确定目标方向θ。 武直-10直升机 采用吸收雷达波长的复合材料和涂装来缩短被发现的距离

  23. 由于在较低频率上容易实现比相, 故通常将两天线收到的高频信号经与同一本振信号差频后, 在中频进行比相。 设两高频信号为 u1=U1 cos (ωt-φ) u2=U2cos (ωt) 本振信号为 uL=ULcos (ωLt+φL) 其中，φ为两信号的相位差；φL为本振信号初相。u1和uL差频得 uI1=UI1cos［(ω-ωL)t-φ-φL］

  24. u2与uL差频得 uI2=UI2cos［(ω-ωL)t-φL］ 可见，两中频信号uI1与uI2之间的相位差仍为φ。 图 6.2 所示为一个相位法测角的方框图。接收信号经过混频、放大后再加到相位比较器中进行比相。其中自动增益控制电路用来保证中频信号幅度稳定, 以免幅度变化引起测角误差。

  25. 图 6.2 相位法测角方框图

  26. 图 6.3 二极管相位检波器电路及矢量图 (a) 电路; (b) U2>>U1; (c) U2=1/2U1

  27. 为讨论方便, 设变压器的变压比为1∶1, 电压正方向如图 6.3(a)所示, 相位比较器输出端应能得到与相位差φ成比例的响应。为此目的, 当相位差为φ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 u1=U1cos (ωt-φ) u2=U2=cos (ωt-90°)

  28. U1、U2为u1、u2的振幅, 通常应保持为常值。现在u1在相位上超前u2的数值为(90°-φ)。 由图 6.3(a)知：

  29. 当选取U2>>U1时, 由矢量图 6.3(b)可知 故相位检波器输出电压为 其中Kd为检波系数。

  30. 由式(6.2.2)可画出相位检波器的输出特性曲线, 如图6.4(a)所示。测出Uo, 便可求出φ。 显然, 这种电路的单值测量范围是-π/2~π/2。当φ＜30°, Uo≈KdU1φ, 输出电压Uo与φ近似为线性关系。 当选取1/2U1=U2时, 由矢量图 6.3(c)可求得:

  31. 则输出 输出特性如图7.4(b)所示, φ与Uo有良好的线性关系, 但单值测量范围仍为-π/2~π/2。为了将单值测量范围扩大到 2π, 电路上还需采取附加措施。

  32. 图6.4 相位检波器输出特性 (a)U2>>U1; (b)U2=1/2U1

  33. 2. 测角误差与多值性问题 相位差φ值测量不准, 将产生测角误差, 将式(6.2.1)两边取微分它们之间的关系如下: (6.2.3)

  34. 从上式中，大家发现：当θ=0 时, 即目标处在天线法线方向时, 测角误差dθ最小。当θ增大, dθ也增大, 为保证一定的测角精度, θ的范围有一定的限制。 三天线干涉仪系统

  35. 图 6.5 三天线相位法测角原理示意图

  36. 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6.5所示。

  37. 设目标在θ方向。天线 1、2 之间的距离为d12, 天线 1、3 之间的距离为d13, 适当选择d12, 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: φ12由相位计 1 读出。 根据要求, 选择较大的d13, 则天线 1、3 收到的信号的相位差为 (6.2.4)

  38. φ13由相位计2读出, 但实际读数是小于 2π的ψ。为了确定N值, 可利用如下关系: (6.2.5) 根据相位计 1 的读数φ12可算出φ13, 但φ12包含有相位计的读数误差, 由式(6.2.5)标出的φ13具有的误差为相位计误差的d13/d12倍, 它只是式(6.2.4)的近似值, 只要φ12的读数误差值不大, 就可用它确定N, 即把(d13/d12)φ12除以 2π, 所得商的整数部分就是N值。然后由式(6.2.4)算出φ13并确定θ。由于d13/λ值较大, 保证了所要求的测角精度。

  39. 6.2.2 振幅法测角 振幅法测角是用天线受到的回波信号的幅度来测角的。

  40. 1. 最大信号法 当天线波束作圆周扫描或在一定扇形范围内作匀角速扫描时, 对收发共用天线的单基地脉冲雷达而言, 接收机输出的脉冲串幅度值被天线双程方向图函数所调制。找出脉冲串的最大值(中心值), 确定该时刻波束轴线指向即为目标所在方向。  天线波束

  41. 图 6.6 最大信号法测角 (a) 波束扫描; (b) 波型图

  42. 图 6.6 最大信号法测角 (a) 波束扫描; (b) 波型图

  43. 如天线转动角速度为ωar/min, 脉冲雷达重复频率为fr, 则两脉冲间的天线转角为 这样, 天线轴线(最大值)扫过目标方向(θt)时, 不一定有回波脉冲, 就是说, Δθs将产生相应的“量化”测角误差。 雷达以不同的仰角扫描

  44. 在人工录取的雷达里, 操纵员在显示器画面上看到回波最大值的同时, 读出目标的角度数据。 采用平面位置显示(PPI)二度空间显示器时, 扫描线与波束同步转动, 根据回波标志中心(相当于最大值)相应的扫描线位置, 借助显示器上的机械角刻度或电子角刻度读出目标的角坐标。 光栅扫描雷达

  45. 最大信号法测角的优点与缺点 优点 缺点 一是直接测量时测量精度不很高。 二是不能判别目标偏离波束轴线的方向, 故不能用于自动测角。最大信号法测角广泛应用于搜索、引导雷达中。 一是简单; 二是用天线方向图的最大值方向测角, 回波最强, 信噪比最大, 对检测发现目标是有利的。 

  46. 2. 等信号法 等信号法测角采用两个相同且彼此部分重叠的波束。 图 6.7 等信号法测角 (a) 波束; (b)K型显式器画面

  47. 如果目标处在两波束的交叠轴OA方向, 则由两波束收到的信号强度相等, 否则一个波束收到的信号强度高于另一个(如图 6.7(b)所示)。 故常常称OA为等信号轴。当两个波束收到的回波信号相等时, 等信号轴所指方向即为目标方向。

  48. 设天线电压方向性函数为F(θ), 等信号轴OA的指向为θ0, 则波束 1、2 的方向性函数可分别写成: F1(θ)=F(θ1)=F(θ+θk-θ0) F2(θ)=F(θ2)=F(θ-θ0-θk) θk为θ0与波束最大值方向的偏角。  用等信号法测量时,波束1接收到的回波信号u1=KF1(θ)=KF(θk-θt), 波束2收到的回波电压值u2=KF2(θ)=KF(-θk-θt)=KF(θk+θt), 式中θt为目标方向偏离等信号轴θ0的角度。对u1和u2信号进行处理, 可以获得目标方向θt的信息。

  49. （1）比幅法: 求两信号幅度的比值 根据比值的大小可以判断目标偏离θ0的方向, 查找预先制定的表格就可估计出目标偏离θ0的数值。

  50. (2) 和差法: 由u1及u2可求得其差值Δ(θt)及和值Σ(θt), 即 Δ(θ)=u1(θ)-u2(θ)=K［F(θk-θt)-F(θk+θt)］ 在等信号轴θ=θ0 附近, 差值Δ(θ)可近似表达为 而和信号 Σ(θt)=u1(θ)+u2(θ)=K［F(θk-θt)+F(θk+θt)］ 在θ0附近可近似表示为 Σ(θt)≈2F(θ0)k

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