單脈沖測角技術

軒健

摘 要：現代社會，隨著導彈、衛星和宇航技術的大幅提高和進步，雷達技術逐漸應用到了越來越多的領域中。對于目標信號，雷達不僅需要測量目標距離，還包括目標的參數測量，而在某些應用中為了快速地提供目標的精確坐標值，還需要采用自動測角的方法。單脈沖測角技術定向精度高、實現簡單、穩健性好，本文的工作就是圍繞著單脈沖技術在雷達中的應用展開的。文章首先簡要闡述了研究的背景和意義，重點表明了單脈沖技術的優勢，然后介紹了單脈沖技術測角的原理，最后討論了該技術存在的缺陷。

關鍵詞：雷達測角；單脈沖技術；同時波瓣測角

一、論文研究的背景和意義

這些年來，火箭、導彈、人造衛星和宇航技術的日益成熟和不斷發展，隨之而來的是對跟蹤雷達的配套技術的迫切要求，這些方面和指標主要體現在其跟蹤的速度、跟蹤的精度、跟蹤的距離和抵抗外界干擾的能力等方面。在很大一部分應用情況下，跟蹤和檢測一個目標，雷達不僅需要估計目標的距離值和速度值，而且要額外計算目標的角坐標。目前普遍有三種雷達測角方法：順序波瓣法、圓錐掃描跟蹤、單脈沖[1]技術。順序波瓣法利用兩波束交替出現，或只要其中一個波束，使它繞等信號軸旋轉，波束便按時間順序在1，2位置交替出現。單脈沖法則使用兩套一樣的接收系統同時工作。它們都是屬于等信號法[2]。圓錐掃描法屬于最大信號法，天線波束圍繞等強線錐形旋轉。當目標偏離其等強線時，接收機收到一個調幅信號的，由此計算出目標的偏離值。然后將接收機輸出的偏離大小的誤差值，送到伺服控制電路，使天線對準目標。

單脈沖雷達有很多其他雷達無法比擬和企及的優勢。首當其沖的當屬其測量精度，其之所以能達到如此高的測量精度與其工作原理是分不開的。我們知道單脈沖雷達不會隨著目標回波幅度的起伏變化而變化，而其他類型的雷達比如：圓錐掃描雷達卻會隨著隨著目標回波幅度的起伏變化而發生相應的變化，從而產生了一種附加的調制誤差。同時，其角跟蹤精度也是相當的可觀，一般是圓錐掃描雷達相應參數的2倍，具體指標可以達到波束寬度1/100 左右。其次，單脈沖雷達抵抗外界干擾的能力也是相當突出。例如圓錐掃描雷達會受到回答式調幅信號的嚴重干擾，甚至可以說是致命的，之所以這么說是因為干擾機收到相應的雷達信號后，通過虛假調制這一流程后會再次將其轉發出去，從而導致雷達角跟蹤系統產生不可以彌補的錯誤信息接收。而這些影響和擔心于單脈沖雷達而言就不存在了，因為其工作原理決定了其可以不受任何回答式調幅干擾。同時，對于人為的干擾和自然的干擾，它都可以在最大程度上給予消除，以保證其高居不下的抵抗外界干擾的能力。

20世紀40年代后期開始萌發了單脈沖雷達這一新型技術，至此以來，其在航空和導彈防御系統中逐漸起著越來越重要和不可替代的重要作用，因其高精度的指標更是滿足了許多精確制導武器的迫切和苛刻的需求。大多數情況而言，距離方面上的超高分辨率很多都是依賴于脈沖串的相參合成、處理來實現的，如脈沖線性調頻雷達、頻率步進雷達等，而精確的測角則往往使用文中的此項技術。

二、單脈沖技術測角原理

我們知道雷達系統通常會依賴脈沖壓縮這一技術來達到增強其測距精度，而同時測角精度的增強又依賴于單脈沖這一技術。單脈沖技術把同一面上的兩個波束分別接收到的各自回波做詳細的具體對比，即可得到測量目標的角誤差信號，由于兩個波束在接收時間上幾乎是一致的，所以由此得到的信號在時間上是非常短的，因此由一個回波脈沖就可以確定角誤差，這就是“單脈沖”這個名稱的由來。由于它避免了目標起伏對結果的影響，因此精度很高。

文中單脈沖技術的核心或者本質就是比較回波信號在兩個獨立波束上投影的大小（V0，V1），兩電壓中相同的部分互相抵消，而保留角度相關的部分，表示為：

這里ξv叫做誤差電壓，包含全部的角誤差信息，通過映射函數則可以將其轉化為角度的形式，這個映射函數就稱為單脈沖比曲線，它是通過兩個接收波瓣函數的比例形式來定義的，波瓣函數代表目標在角范圍的天線實際響應。

站在結構的層面上，其核心算法的工程實現順序由以下三大部分一次組成：角度傳感器、變換器及角度鑒別器[3]。第一部分是為了產生信號， 此信號中囊括了被測目標的角度信息，其在類型上主要有比幅、比相、綜合之分；第二部分的主要作用是變換信號參數之間的相應關系；第三部分是為了確定與目標角度的一一對應關系，其比較的具體方法有幅度法、相位法、和差法三種。這樣一來總共有9種類型，但實際上大家所熟知的常用方法僅4種：幅度比較（直接比幅）、幅度和差（和差比幅）、相位比較（直接比相）、相位和差，其中和差比幅在實際中應用最為廣泛。

由于定向精度的高低受接收支路相位一致性及其穩定性的影響很大，而有由于和及差角度鑒別器對此項要求相對不是那么嚴格，所以此項技術和儀器在單脈沖雷達中得到了較為普遍的應用。在這種單脈沖雷達中，由波導橋傳輸出來的較高頻率信號和信號及差信號又分別加到和及差接收的支路，在此過程中其將被變換為中頻信號，同時其電平值夜會被放大到下一步所需要的水平。

三、單脈沖測角的缺陷

同時，單脈沖雷達也不是完全沒有缺點，比如在結構上和技術上，相較其他方法略復雜一些。比如，它與圓錐掃描雷達主要在獲取誤差信號的方式有所不同，因此，二者的天線和饋線系統有較大的差別，由此而來，相應的的電路要求也有很大區別。圓錐掃描雷達只需要單路接收機，只需要簡單的結構和加工，而普通的單脈沖雷達則需要三路幅相一致的接收機，一旦各路相位和振幅出現不平衡，會導致測角靈敏度降低并加大測角誤差。

參考文獻：

[1]丁鷺飛.耿富錄-雷達原理.西安：電子科技大學出版社，2002，21（05）：26-30.

[2]胡體玲.李興國-單脈沖探測技術的發展綜述.現代雷達，2006，28（12）：24-29.

[3]謝俊好.熊衛明-傳統單脈沖方法的數學原理及工程實現.系統工程與電子技術，2004，26（04）：467-473.