1、42 航天电子对抗 第28卷第1期 单脉冲和差波束及测角方法研究 孙海浪，侯庆禹，陈昌云，王宗凤，苏焕程 (中国航天科工集团8511研究所，江苏南京210007) 摘要： 给出单脉冲测角的线阵鉴角曲线的数学推导，阐述线阵、面阵鉴角曲线和目标角 度的关系以及工程上的具体应用，介绍四种和差波束形成方法，并指出直接和差法的优越性。 仿真结果表明了该方法的有效性。 关键词： 相控阵；单脉冲测角；鉴角曲线 中图分类号：TN971 1 文献标识码： A Study on the method of sam and difference patterns and angle method Sun Haila
2、ng，Hou QingyuChen Changyun，Wang Zongfeng。Su Huancheng (No8511 Research Institute of CASIC，Nanjing 210007JiangsuChina) Abstract： rhe mathematic formulae of Kamangle curve for linear array is discussedThe relationship be tween the Kam-angle curve of linear array and plane array to target angle and the
3、 specific application of engi neering are describedFour sum and difference beamforming methods are introducedThe advantages of direct sum and difference are proposedThe effectiveness of proposed method is proved by the simulation results Key words：phased array；monopulse angle measurement；Kamangle cu
4、rve O 引言 和差测角由于其测角精度高和工程容易实现而得 到了广泛的应用。把和差测角用在相控阵雷达中更能 提高测角的精度。从简单的规则小型阵到近似规则的 大型阵(近万个阵元)，近些年相控阵和差测角天线无 论是在军用雷达还是在民用雷达应用的都比较多，一 些研究所和高校在这方面也做了大量的工作。在这种 情况下，对相控阵单脉冲和差测角及和差波束形成方 法的研究便显得尤为重要。 l 和差波束形成方法 所谓和差测角，是通过某种方法使接收的输出端 形成和波束和差波束。和波束即通常所说的在目标方 向形成的主瓣，而差波束是在目标方向形成零陷。通 过和差波束比值得到某一确定的值，然后再查表找出 目标角度。下
5、面列出了四种和差波束的形成方法。第 收稿日期：20111022 作者简介：孙海浪(1984一)，女，工程师硕士，主要研究方向为雷 达信号处理、信道化。 一种：半阵法=1，即由左右(面阵为上下，左右)阵元形 成的方向图相加得到和波束，相减得到差波束；第二 种：直接和差法 ，即对阵列输出加Taylor权得到 和波束，对阵列输出加Bayliss权形成差波束；第三种： 双指向法，即由全阵产生指向两个方向的波束，两个波 束相加得到和波束、相减得到差波束；第四种：和波束 对称取反法，即在对和波束权值对称取反。比较发现， 第一种和第四种在本质上是一样的。 2鉴角曲线及测角的工程中的实现 下面针对线阵采用第一
6、种和差波束划分方法后的 鉴角曲线与偏角、波束指向、目标方向的关系进行 讨论。 参数说明：阵元间距为d的均匀线阵，阵元数为 2N，0为目标方向。左半阵方向矢量为In( )=(1，exp (一2ndxsin( )a)，exp(一2n(N一1)dxsin(0) )。w为对阵列所加的权值，若要使波束形成指向 ，可取w=a(00)，为了研究问题方便，假设在理想情 况下。每个阵元的输出为y，P 和 分别为左右子 阵的输出。 万方数据2012(1) 孙海浪，等：单脉冲和差波束及测角方法研究 43 前半阵的输出为： P1=Yl+YN=1+exp(一j2ndx(N一1) (sinOsinOo)k) 后半阵的输出
7、为： Pz：YN+1+y2N exp(一j2xNdx(sinOsin&)k)Pl 和波束的输出为： P币H：Pl+P2=(1+exp(一j2ndx(sinOsinOo)x)Pl 差波束的输出为： P差=P2一Pl=(exp(一j2ndx(sinOsin&) )一1)Pl 线阵的差和比为： p R= 丰ll 一(exp(一j2nNdx(sinOsinOo)a)一1)Pl (exp(一j2nNdx(sinOsinOo)x)+1)Pl 令U sin9一sinqo，由exp(jx)=COS,：+jsinx，exp(一j ) =c0 一jsinx得到： p R： I =(exp(一jnNdxu2)exp
8、(一j7rNdxu,1)一exp(一jnNdxu) P1)(exp(一jnNdxu2)exp(一jNdxuk)+exp(一jnNdxu )P1) 一jsin(nNdxuk 一 i 万 即R=一jtan(nNdxuA)，当目标偏离波束中心 指向很小时，sinOsinOo很小，在N和dx有限大的情 况下，U值很小近似为0，有R=一jxkNdx(sinO Oo)。利用Taylor把sinO在 0附一阶展开，有：sinO sinOI口：+cosO1 ： ( 一Oo)+0。( 一Oo)。，后面的是一 个极小值的高阶累量，可以做近似，即可得到sinO= sinOo+cosOo( 一Oo) 代入得到：R=一
9、jrNdxcosOo( 一Oo)x，令 ：0一Oo，即可以看出 为目标偏角。 则R=一j7rNdxcosOoAOk，从上式可以看出，线阵差和 比斜率在与波束指向和目标的偏角有关，与偏角成正 比。由和差波束比值得到R，通过查表法即可以得到 偏角大小，从而得到目标方向。由于该方法实现简单、 运算速度快，和差测角在工程上有广泛的应用。 下面采用双指向法，研究目标偏离等信号轴不同 角度对鉴角曲线的影响。偏角分别为1。、3。、5。、7。，仿 真结果如图1所示。 从图1中可以看出，目标偏离等信号轴不同方向 时候鉴角曲线不同，偏离越小，鉴角曲线的线性区越 大。偏离越大，斜率越大，但是线性区变小。 O8 O4
10、 警 o -04 08 一l0 -6 2 2 6 lO 方向。 图1 不同偏角I时的鉴角曲线 面阵推导方法和线阵类似，这里就不再赘述。给 出结论：二维面阵和差测角的差和比不仅与波束指向、 目标偏角有关，而且还与目标的方向有关。由于二维 阵面俯仰和方位耦合在工程应用上有一定复杂度，通 常做某种近似从而将其转化成线阵进行优化，方法是 在俯仰差和比中用波束中心的指向方位角近似目标方 向的方位角，从而求出俯仰角度。这样的近似是在和 波束宽度很窄的前提下实现的。求方位角时也做同样 的近似。 由上面的分析可以看出，线阵和面阵的情况虽有 很多相似之处，但是面阵要比线阵复杂。线阵和差测 角的鉴角曲线在目标角度
11、附近是一条直线，而二维测 角用查表法则复杂得多。 3三种和差波束划分方式的比较 仿真实验：针对线阵，研究三种和差波束形成方法 对鉴角曲线影响(第四种和第一种和差波束形成方式 在本质上一样的，在这里不对第四种和差波束形成方 式仿真)。 仿真参数：8阵元ULA，阵元间距为半波长，下面 列出了波束分别指向一20。0。和10。时候和差波束方 向图以及波束分别指向不同方向时的鉴角曲线图。 1)半阵法得到的和差波束以及鉴角曲线如图2 和图3所示。 厂 ： k l f ， 。l ， l ： ! ， l i f 扫描角。 图2半阵法指向O。时和波束与差波束方向 国* ；：十； ；： 十 1： ； ：上 一 万
12、方数据44 航天电子对抗 2012(1) 罂 霹 jIlj J 20 ll1 专 观察区间。 图3 半阵法指向0。时鉴角曲线图 2)通过加Taylor和Bayliss权得到和差波束，权 值主副比均为30dB。如图4和图5所示。 匝 匿 地 ， ， I 冀黻 、 f ，、 l 、 7 1 I 扫描角。 图4直接和差法指向0。和差波束方向图 9 扫描角。 图5 直接和差法指向0。鉴角曲线图 3)利用双指向法产生和差方向图(没有加权)，如 图6和图7所示。 60 2O 2O 6O 扫描角。 图6双指向法指向0。时和差波束方向图 馨 犀 一 一育 ； ； ； 扫描角 图7 双指向法指向0。时奎角曲线图
13、 表1列出了三种和差波束方式在三个波束指向的 鉴角曲线斜率。由k面仿真可以看出，在相同的条件 下直接和差波束法得到的鉴角曲线曲率大，从而具有 最好的测角精度；直接和差波束法鉴角曲线的线性范 围最广，具有最大的线性度范围(测角范围)；鉴角曲线 斜率为负值，验证了前述线阵曲率数学推导。 表l 三种和差波束法在不同指向时的鉴角曲线的曲率 4 结束语 本文主要介绍了和差测角的基本方法，并结合硬 件实现说明相控阵和差测角的具体应用。文中首先给 出和差波束形成的四种方法，然后推导线阵和差测角 公式，结合工程应用说明和差测角的实现过程。接着 阐述线阵各种和差波束形成方式对鉴角曲线的影响， 指出直接和差法的优
14、越性，仿真结果验证了方法的有 效性，对工程应用有一定的参考意义。一 参考文献： r1许文龙，蒋伟，尚勇，等一种基于子阵合成的D()A估计 算法J电子学报，2006，34(9)：15711577 E21 胡航，靖涛一种由均匀子阵构成的DBF方向图设计方 法J系L-T-程与电子技术，2000，22(6)：2931 31 束成荣。何炳发，高铁相控阵雷达天线EM3北京：国防 工业出版社，2007 万方数据单脉冲和差波束及测角方法研究作者： 孙海浪， 侯庆禹， 陈昌云， 王宗凤， 苏焕程作者单位： 中国航天科工集团8511研究所,江苏南京,210007刊名： 航天电子对抗英文刊名： Aerospace Electronic Warfare年，卷(期)： 2012,28(1)本文链接：http:/
