单脉冲测角技术

轩健

摘 要：现代社会，随着导弹、卫星和宇航技术的大幅提高和进步，雷达技术逐渐应用到了越来越多的领域中。对于目标信号，雷达不仅需要测量目标距离，还包括目标的参数测量，而在某些应用中为了快速地提供目标的精确坐标值，还需要采用自动测角的方法。单脉冲测角技术定向精度高、实现简单、稳健性好，本文的工作就是围绕着单脉冲技术在雷达中的应用展开的。文章首先简要阐述了研究的背景和意义，重点表明了单脉冲技术的优势，然后介绍了单脉冲技术测角的原理，最后讨论了该技术存在的缺陷。

关键词：雷达测角；单脉冲技术；同时波瓣测角

一、论文研究的背景和意义

这些年来，火箭、导弹、人造卫星和宇航技术的日益成熟和不断发展，随之而来的是对跟踪雷达的配套技术的迫切要求，这些方面和指标主要体现在其跟踪的速度、跟踪的精度、跟踪的距离和抵抗外界干扰的能力等方面。在很大一部分应用情况下，跟踪和检测一个目标，雷达不仅需要估计目标的距离值和速度值，而且要额外计算目标的角坐标。目前普遍有三种雷达测角方法：顺序波瓣法、圆锥扫描跟踪、单脉冲[1]技术。顺序波瓣法利用两波束交替出现，或只要其中一个波束，使它绕等信号轴旋转，波束便按时间顺序在1，2位置交替出现。单脉冲法则使用两套一样的接收系统同时工作。它们都是属于等信号法[2]。圆锥扫描法属于最大信号法，天线波束围绕等强线锥形旋转。当目标偏离其等强线时，接收机收到一个调幅信号的，由此计算出目标的偏离值。然后将接收机输出的偏离大小的误差值，送到伺服控制电路，使天线对准目标。

单脉冲雷达有很多其他雷达无法比拟和企及的优势。首当其冲的当属其测量精度，其之所以能达到如此高的测量精度与其工作原理是分不开的。我们知道单脉冲雷达不会随着目标回波幅度的起伏变化而变化，而其他类型的雷达比如：圆锥扫描雷达却会随着随着目标回波幅度的起伏变化而发生相应的变化，从而产生了一种附加的调制误差。同时，其角跟踪精度也是相当的可观，一般是圆锥扫描雷达相应参数的2倍，具体指标可以达到波束宽度1/100 左右。其次，单脉冲雷达抵抗外界干扰的能力也是相当突出。例如圆锥扫描雷达会受到回答式调幅信号的严重干扰，甚至可以说是致命的，之所以这么说是因为干扰机收到相应的雷达信号后，通过虚假调制这一流程后会再次将其转发出去，从而导致雷达角跟踪系统产生不可以弥补的错误信息接收。而这些影响和担心于单脉冲雷达而言就不存在了，因为其工作原理决定了其可以不受任何回答式调幅干扰。同时，对于人为的干扰和自然的干扰，它都可以在最大程度上给予消除，以保证其高居不下的抵抗外界干扰的能力。

20世纪40年代后期开始萌发了单脉冲雷达这一新型技术，至此以来，其在航空和导弹防御系统中逐渐起着越来越重要和不可替代的重要作用，因其高精度的指标更是满足了许多精确制导武器的迫切和苛刻的需求。大多数情况而言，距离方面上的超高分辨率很多都是依赖于脉冲串的相参合成、处理来实现的，如脉冲线性调频雷达、频率步进雷达等，而精确的测角则往往使用文中的此项技术。

二、单脉冲技术测角原理

我们知道雷达系统通常会依赖脉冲压缩这一技术来达到增强其测距精度，而同时测角精度的增强又依赖于单脉冲这一技术。单脉冲技术把同一面上的两个波束分别接收到的各自回波做详细的具体对比，即可得到测量目标的角误差信号，由于两个波束在接收时间上几乎是一致的，所以由此得到的信号在时间上是非常短的，因此由一个回波脉冲就可以确定角误差，这就是“单脉冲”这个名称的由来。由于它避免了目标起伏对结果的影响，因此精度很高。

文中单脉冲技术的核心或者本质就是比较回波信号在两个独立波束上投影的大小（V0，V1），两电压中相同的部分互相抵消，而保留角度相关的部分，表示为：

这里ξv叫做误差电压，包含全部的角误差信息，通过映射函数则可以将其转化为角度的形式，这个映射函数就称为单脉冲比曲线，它是通过两个接收波瓣函数的比例形式来定义的，波瓣函数代表目标在角范围的天线实际响应。

站在结构的层面上，其核心算法的工程实现顺序由以下三大部分一次组成：角度传感器、变换器及角度鉴别器[3]。第一部分是为了产生信号， 此信号中囊括了被测目标的角度信息，其在类型上主要有比幅、比相、综合之分；第二部分的主要作用是变换信号参数之间的相应关系；第三部分是为了确定与目标角度的一一对应关系，其比较的具体方法有幅度法、相位法、和差法三种。这样一来总共有9种类型，但实际上大家所熟知的常用方法仅4种：幅度比较（直接比幅）、幅度和差（和差比幅）、相位比较（直接比相）、相位和差，其中和差比幅在实际中应用最为广泛。

由于定向精度的高低受接收支路相位一致性及其稳定性的影响很大，而有由于和及差角度鉴别器对此项要求相对不是那么严格，所以此项技术和仪器在单脉冲雷达中得到了较为普遍的应用。在这种单脉冲雷达中，由波导桥传输出来的较高频率信号和信号及差信号又分别加到和及差接收的支路，在此过程中其将被变换为中频信号，同时其电平值夜会被放大到下一步所需要的水平。

三、单脉冲测角的缺陷

同时，单脉冲雷达也不是完全没有缺点，比如在结构上和技术上，相较其他方法略复杂一些。比如，它与圆锥扫描雷达主要在获取误差信号的方式有所不同，因此，二者的天线和馈线系统有较大的差别，由此而来，相应的的电路要求也有很大区别。圆锥扫描雷达只需要单路接收机，只需要简单的结构和加工，而普通的单脉冲雷达则需要三路幅相一致的接收机，一旦各路相位和振幅出現不平衡，会导致测角灵敏度降低并加大测角误差。

参考文献：

[1]丁鹭飞.耿富录-雷达原理.西安：电子科技大学出版社，2002，21（05）：26-30.

[2]胡体玲.李兴国-单脉冲探测技术的发展综述.现代雷达，2006，28（12）：24-29.

[3]谢俊好.熊卫明-传统单脉冲方法的数学原理及工程实现.系统工程与电子技术，2004，26（04）：467-473.