单脉冲雷达测角的论文.doc
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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
ABSTRACT
Anglemeasurementistomeasuretheazimuthandelevationangleofthedetectedtargets,it’sacrucialpartoftargetdirection-findingandprecisionguiding.Sumanddifferencemonopulseradariswidelyusedforitsshortinformationacquisitiontimeandhighanglemeasurementprecision.ThecombinationofsignalprocessingtheoryandMATLABsimulationsoftwarecanproduceefficientoperationaswellasgoodaccuracy.
Firstly,thisdissertationstudiesthemodelofsignalenvironment,analyzestheradarantennamodel,andsimulatesthe2-Dand3-Dsumanddifferenceantennapatterns.Secondly,severalcommonlyusedtargetangle-trackingmethodsaswellasrealizationofmonopulsesystemisintroduced.Finally,testsarecarriedoutonthesysteminpresenceofdifferenterrorsanderrorcurveisobtained.
Keywords:
sumanddifferencebeam,anglemeasurement,radarsignal,antennapattern
目录
目录
第一章引言 1
1.1课题背景 1
1.2MATLAB在信号处理中的应用 1
1.3主要工作及章节安排 2
第二章信号环境的建模与仿真 3
2.1角度测量处理模型 3
2.2常用雷达信号 3
2.2.1线性调频信号 3
2.2.2相位编码信号 5
2.3回波信号 6
2.4噪声及杂波信号 8
2.4.1雷达目标噪声 9
2.4.1.1幅度噪声 9
2.4.1.2角噪声 9
2.4.1.3距离噪声 9
2.4.2发射和接收噪声 10
2.4.2.1发射机噪声 10
2.4.2.2接收机噪声 10
2.4.3杂波及干扰信号 10
2.4.3.1杂波信号 10
2.4.3.2干扰信号 10
2.5本章小结 11
第三章雷达天线 13
3.1天线参数 13
3.1.1方向性增益 13
3.1.2功率增益 13
3.1.3天线辐射方向图 14
3.2天线方向图数学模型 14
3.3天线和差波束方向图 16
3.3.1和波束性能 16
3.3.2差波束性能 17
3.4三维天线建模 18
3.5本章小结 22
第四章测角方法及其比较 23
4.1相位法测角 23
4.1.1基本原理 23
4.2振幅法测角 27
4.2.1最大信号法 28
4.2.2等信号法 30
4.3和差脉冲测角 33
4.3.1基本原理 33
4.3.2单平面振幅和差单脉冲测角 36
4.3.3双平面振幅和差单脉冲测角 37
4.4本章小结 37
第五章仿真测角系统设计与测试 38
5.1角度敏感器和角信息变换器 38
5.1.1幅度敏感系统 38
5.1.2.相位敏感系统 39
5.1.3幅相组合敏感系统 40
5.2角信息变换器 40
5.3角度鉴别器 40
5.4基本实现形式 41
5.4.1幅度—幅度单脉冲系统 41
5.4.2和差单脉冲系统 41
5.5单脉冲系统的变化实现形式 42
5.5.1误差通道合并双路单脉冲系统 43
5.5.2和差通道合并双路单脉冲系统 43
5.5.3幅相组合双通道单脉冲系统 43
5.6解角误差 44
5.7仿真系统功能概述 47
5.7.1仿真场景设定子系统 47
5.7.2仿真数据获取及分析子系统 49
5.8仿真测角系统的测试 49
5.8.1仿真参数设置 50
5.8.2仿真结果 51
5.8.3仿真结果分析 52
5.9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 69
V
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。
1.2MATLAB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[4][5][6]
2.2.1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k<0时,表示频率递减。
B为频率变化范围,简称频偏,f0表示时间为零时的频率。
常见的线性调频信号的应用包括声纳、雷达、多普勒效应。
为了能够测量长距离又保留时间的分辨率,雷达需要短时间的派冲波但是又要持续的发射信号,线性调频信号可以同时保留连续信号和脉冲的特性,因此被应用在雷达和声纳上。
如图2-2及图2-3为其实部及其虚部图像,线性调频信号具有如下特点:
1)具有近似矩形的幅频特性,时宽带宽积D=BT值越大,其幅频特性越接近矩形,频谱宽度近似等于信号的调制频偏B。
2)具有平方率的相频特性,它是设计匹配滤波器时主要考虑的部分。
3)具有可选择的时宽带宽积。
普通脉冲雷达产生的是单一载频脉冲信号,它的时
图2-2线性调频信号I路
图2-3线性调频信号Q路
宽带宽积是固定的,约为1,而线性调频脉冲信号的B和T都容易做的很宽。
目前,线性调频脉冲压缩雷达D值可以达到几百、几千甚至几万。
4)具有多普勒不变性,也就是说,它的匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感,在存在多普勒频移的情况下仍能维持匹配。
2.2.2相位编码信号
与线性调频信号的调制函数是连续函数不同,相位编码信号的调制函数则是离散的有限状态。
相位编码信号具有保密性好、反有源干扰能力强、旁瓣均匀等优点。
二相编码信号是较常用的相位编码信号,其信号复包络可以表示成:
(2-5)
其中T为子脉冲宽度,P为码长,*为卷积运算。
(2-6)
为子脉冲函数。
在二相编码中,通常用两个相反的相位“0°”或“180°”来表示数字信息“0”或者“1”。
因此二相编码信号可以表示为:
(2-7)
式中由数字码“1”或“0”来决定是“0”或“180”。
图2-4为利用MATLAB实现的二相编码信号。
二相编码信号主要用于目标多普勒分布很窄的场合,作为一种脉冲压缩信号,要求所采用的序列具有脉冲型的非周期自相关函数。
真正的二元随机序列可以满足要求,但信号产生和处理相当困难。
伪随机序列虽然完全确定,但它在某些方面和二元随机序列非常相似。
常用伪随机序列包括巴克码序列、互补序列、M序列等。
图2-47位巴克码信号图
2.3回波信号[7]
雷达信号仿真通常是指零中频信号仿真,又称相干视频信号仿真,它是逼真的复现包含幅度和相位的信号,复现这种信号的发射、在空间中的传输、经散射体反射、杂波与干扰信号叠加、以及在接收机内进行处理的全过程。
其理论基础是雷达方程:
(2-8)
其中为发射/接收信号功率;为目标方向上天线发射/接收功率;为雷达工作波长;为目标雷达截面积;D为雷达抗干扰改善因子;L为雷达综合损耗和大气传输损耗因子。
方程中描述了目标反射信号能力的大小,如果要精确描述目标反射信号的特性,还必须包含一个相位项,将雷达方程改写成雷达瞬时功率的时间函数:
(2-9)
其中为目标双程延时时间,假设发射一个高频信号,发射信号功率为:
,根据恒定多普勒理论,简化方程为:
(2-10)
其中和是目标的延时和多普勒频移,可以表示为:
(2-11)
雷达目标回波信号是雷达发射信号经目标调制后的延迟信号,其中包含了目标的距离、方位、速度等信号。
由于雷达发射信号一般为窄带信号,可用复调制函数表示为:
(2-12)
为载频,为复调制信号,将式代入式得:
(2-13)
通常对雷达回波信号的处理是先将回波射频信号混频到视频段后进行信号处理,故一般雷达仿真中可以省略式的射频项,即可看成是雷达目标回波经过接收机相干解调后的输出,称为雷达相干视频信号,其数学表达式为:
(2-14)
再假设复调制函数,其中是的包络函数,它是关于时间的慢变化函数,则式可以表示成:
(2-15)
设雷达脉冲重复间隔为T,则点目标回波的相干视频信号采样可用其同相分量和正交分量表示为:
(2-16)
其中n为采样序号,为目标初始相位,雷达点目标回波的全部信息都包含在这两个正交分量中。
图2-5为回波信号实部图像(I路),从图中看出,回波信号为相比于发射信号在时间上有一个延迟,幅度上明显减小的信号。
图2-5回波信号图
2.4噪声及杂波信号
通常来讲,雷达接收到的信号当中一般包括下面几个部分:
一是有用的雷达目标回波,它相对于雷达来说可以是运动的、也可以是固定的,运动或固定的形式可用多普勒频率表示;其次是地面、海面、及空中的云、雨、干扰箔条等背景形成的杂乱回波;再次就是天电干扰、热噪声等形成的噪声。
后两种是我们不希望的干扰成分。
雷达的基本任务就是从混杂着各种噪声和各类干扰的回波信号中,检测出有用信号,发现并测定目标坐标。
2.4.1雷达目标噪声
雷达目标噪声是指雷达目标不断运动会引起测量参数的不规则变化,这种变化特性与一般噪声的统计特性相似,故称为雷达目标噪声。
大部分雷达目标的形状很复杂,尺寸也比雷达波长大得多,所以目标回波是目标各部分(散射体)回波信号的矢量合成。
目标相对于雷达位置发生变化时,反射回波信号的参数(幅度、频率、相位等)也随着发生变化。
目标噪声按其性质和对雷达测量参数的影响,可以分为幅度噪声、角噪声和距离噪声等。
2.4.1.1幅度噪声
复杂运动目标的回波信号幅度发生变化而形成的噪声,由目标各部分反射回波合成矢量变化所引起。
幅度噪声的起伏可分为快起伏和慢起伏两种。
幅度噪声的统计特性可用概率密度函数表示。
早在50年代,斯威尔林首先提出四种起伏目标的模型,即斯威尔林1、2、3、4型。
在这些模型中,1、3型属于慢起伏,2、4型属于快起伏[8]。
幅度噪声对搜索雷达的检测概率、跟踪雷达的跟踪精度及目标的截获和识别性能都有很大的影响。
特别是对于远距离的目标,由于回波信号很弱,加上幅度的不规则波动,在短时间内目标回波信号可能低于噪声电平,这就使目标幅度检测产生一定困难。
2.4.1.2角噪声
目标视在中心相对于目标长时间平均跟踪点“重心”随时间变化而形成的噪声,视在中心不一定都在目标之内。
雷达接收机的自动增益控制、天线波束宽度、伺服系统的带宽都会影响角噪声的大小。
实践表明,如以视在中心相对于“重心”的线角度衡量误差时,则此误差与雷达到目标距离成反比。
角噪声由大量独立单元相互作用而形成,所以它的概率分布是正态分布。
2.4.1.3距离噪声
雷达实测的距离和距离“重心”随时间变化而形成的噪声。
除了上述的三种噪声之外,目标的噪声还应包括由于复杂目标的运动引起的发射和接收信号极化不一致和多普勒闪烁等产生的噪声。
2.4.2发射和接收噪声
2.4.2.1发射机噪声
在高功率的雷达发射机中存在着种种引起不需要调制和噪声的原因,热噪声和约翰逊噪声是一个重要的例子,某些起伏噪声可归结为使用的有源器件的物理过程以及其他方面的电路设计和工程因工程应用问题。
热噪声是经常存在的,其信号的一般特征是单位带宽的平均功率是对信号频率的频偏的函数。
通常的信号平均噪声是相对于平均信号功率而言的。
2.4.2.2接收机噪声
通常认为,雷达接收机窄带系统之前的噪声是宽带或认为是白噪声。
而在窄带系统输出端,噪声受带宽限制变为窄带的,依据大数定理,其幅度满足正态分布,中频输出的噪声经包络检波处理后,输出为幅度满足瑞利分布的视频噪声。
实际工作中,为避免外来回波信号的干扰,雷达接收机内部的噪声是在无信号及杂波的时间区间,对雷达接收机的高频、中频或视频输出用相应足够高的采样频率进行采样即可分别获得高频、中频噪声数据。
此外,除了上述几种情况下可能产生噪声,在雷达信号数据处理的过程中也可能引入噪声。
各类目标噪声对雷达的发现能力、测距精度、测角精度和目标多普勒频率测量都有限制作用。
掌握目标噪声特性即可研究降低这些噪声的技术,从而推动雷达技术的发展。
例如,为消除测角系统中幅度噪声而出现的单脉冲雷达技术就是一例。
此外,利用目标噪声特性还可能对目标进行分类和识别。
2.4.3杂波及干扰信号
2.4.3.1杂波信号
杂波表示环境中的不需要的回波,这些不需要的回波扰乱了雷达工作,使对需要目标回波的检测变得困难。
杂波包括来自陆地、海洋、天气、鸟群甚至是昆虫的回波。
被称为箔条的电子战技术,虽然不是自然环境的一个案例,但由于它是不需要且像雨一样的杂波,因此通常也被认为是杂波。
杂波通常在空间范围内分布,其物理尺寸比雷达分辨单元要大得多。
大的杂波回波能够遮蔽所需要的目标回波,从而限制雷达的能力。
2.4.3.2干扰信号
干扰是电子战的一部分,它主要是利用电磁能确定、剥夺、削弱或者防止雷达使用电磁频谱。
干扰的目的是使得雷达无法探测、跟踪、定位、识别目标的信息特征,或使有用的信息淹没在许多假的目标当中,以致无法提取真正的信息。
干扰是有意或存心发射或重新发射幅度、频率、相位或其他调制的间歇或连续波及其他类噪声信号,以干扰、扰乱、剥夺、欺骗、掩盖以及降低雷达系统对有用信号的接收[9]。
由于噪声和杂波都不是确知信号,只能通过统计特性来分析,常见随机热噪声按其统计特性的不同,分为按高斯分布的热噪声、按均匀分布的热噪声、以及按瑞利分布及指数分布的热噪声。
而对于杂波,由于雷达工作环境的不同,其接收到的杂波就不同。
按照杂波背景的不同,通常将其分为地物杂波、海杂波、气象杂波。
不同杂波类型具有不同的杂波特性,对于地物杂波,可采用幅度概率分布为瑞利分布、对数正态分布、K分布的高斯杂波模型来表示,常用的谱型为高斯谱;海杂波可采用幅度为对数正态分布、K分布的高斯杂波模型来表示;气象杂波可采用幅度分布为瑞利分布的高斯谱模型来描述。
具体对应某种杂波,采用何种幅度分布及功率谱模型分布应根据实际情况而定。
雷达系统本身的系统噪声为高斯白噪声,而现代干扰技术产生的噪声干扰信号也已非常接近于高斯白噪声,因此对于雷达检测系统来说,可将雷达接收到的噪声干扰当做雷达系统噪声来看待,并且可统一用信噪比表示。
雷达信噪比的测量应首先分别测出雷达信号的回波信号功率和噪声功率,二者相比即为雷达之信噪比。
MATLAB中的awgn函数能方便的在某一信号中加入高斯白噪声,并可自行设定信噪比。
图2-6为不同信噪比条件下的回波信号幅值图。
2.5本章小结
本章首先根据角度测量过程,提出了角度处理模型;在雷达方程的基础上,对几种常用雷达信号模型进行了仿真介绍,并在此基础上,建立了雷达目标回波信号模型;对噪声、杂波、干扰信号进行了介绍,并在不同信噪比条件下对回波信号进行了仿真。
从而完成了信号经发射、目标再辐射、混入杂波再接收全过程的建模与仿真。
由本章对信号的仿真可以看出,获取角度的过程实际上就是对信号的处理过程,而所有的信号均是在雷达方程基础之上的变形。
图2-6不同信噪比下的I路信号图
21
第三章雷达天线
第三章雷达天线
要获得精确的角度数据,往往采用单脉冲技术,而单脉冲技术对雷达系统的天线有很严格的要求,要获得目标的位置信息,天线便是一个关键的部件。
天线方向图是表征天线的辐射特性和空间角度关系的图形。
完整的方向图是一个三维空间图像。
方向图有场方向图与功率方向图之分,以天线为中心,距离其足够远的同一个大球面上各点场强值随位置角变化的图形,称为场方向图。
各功率点随位置角的变化图形称为功率方向图。
一般来讲,在工程上要获得天线的方向图,主要有以下三种途径:
1)由原天线生产厂家提供天线方向图。
2)在测试设备上产生不同方位的目标,通过测定天线输出端口的峰值功率,来确定天线的方向图。
3)在测定设备上通过设定不同的振幅比,然后观察合格的目标方位,来确定天线的方向图。
3.1天线参数[10]
3.1.1方向性增益
增益是指天线在特定方向上集中发射能量的能力的一种度量。
它有两个不同但互为相关的定义。
第一种是方向性增益,也叫作方向性;另一个是功率增益,常常简称为增益。
方向性增益是天线辐射方向图本性的描述,它通常是我们感兴趣的增益。
功率增益与方向性增益有关,但他考虑了天线本身的损耗。
我们用GD来表示方向性增益,发射天线的方向性增益可以定义为:
GD=最大辐射强度/平均辐射强度
式中,辐射强度是在方向单位立体角内辐射的功率,表示为。
3.1.2功率增益
用G表示的功率增益处理,它考虑了在天线中消耗性的损耗外,是与方向性增益类似的。
它可以用于方向性增益定义式类似的方法来定义,如果分母是天线从与之连接的发射机收到的净功率,或者
G=4(单位立体角辐射的最大功率)/天线收到的净功率
一个等效的定义为:
G=从主体天线辐射的最大强度/从具有同样功率输入的无损各向同性辐射强度。
在雷达方程中,应选功率增益,因为它包括了
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