CN103389496B - 一种用于二次监视雷达的测角方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于二次监视雷达的测角方法，该方法利用二维相位干涉仪，通过二维测角计算，利用无线电波在基线上形成的相位差来确定来波方向。利用该方法可以实现对二次监视雷达系统对目标的监视和管制，实现简单，解决了一维测角的不准确的问题，对二次监视雷达的特殊应用场合也具有一定的应用价值。

Description

一种用于二次监视雷达的测角方法

技术领域

本发明涉及一种二次监视雷达的测量方位角的实现方法，属于雷达无线电领域。

背景技术

二次监视雷达（SSR）主要用于对军民航飞机的飞行态势进行实时监视，为管制员提供雷达数据以便对军民航飞机进行空中交通管制。二次监视雷达系统测量目标飞机的距离是基于到达时间差（TOA）原理来测量的，目标的高度是间接从目标飞机下传的数据中获得，目标的方位角则是通过测量目标位于扫描波束内的位置获得。

在工程应用中，二次监视雷达系统对目标方位角的测量的实现有很多种方法，如：滑窗法测角、相位式和差单脉冲测角及幅度式和差单脉冲测角等。

相位干涉仪测角是利用无线电波在基线上形成的相位差来确定来波方向。如图1所示，在A、B两天线θ方向有一辐射源，到达两天线的辐射电波近似为平行波，两天线间距为d，则由到达两天线的波程差ΔR引起的相位差为：

$\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}d\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}$ ………………………公式（1）

其中，λ为来波波长，由于二次监视雷达的下行频率为1090MHz，其波长约为0.275米。

根据公式（1），选择一固定的基线（即组成阵列的两天线之间的间距）长度d，利用鉴相器鉴出基线AB的相位差φ，即可求得目标的方位角：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{\mathrm{\λ\φ}}{2\mathrm{\πd}}$ ………………………公式（2）

对公式（1）求微分，可得：

$\mathrm{d\φ}=\frac{2\mathrm{\π}d\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{d\θ}$ ………………………公式（3）

$\mathrm{d\θ}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}d\cos \mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ}$ ………………………公式（4）

在图1中，各天线处于同一条直线上，这种呈线性布置的天线阵列称为一维相位干涉仪阵列。一维相位干涉仪存在一定的缺陷，当来波分别从前方和后方以相同的夹角入射到基线时，可以得出来波到达基线的相位差均为2πdsinθ/λ，鉴相器鉴相输出相同值，而来波的方位角却分别为θ和180°-θ，见图3。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于相位干涉仪的用于二次监视雷达的测量方位角的实现方法，该方法利用二维相位干涉仪，通过二维测角计算，利用无线电波在基线上形成的相位差来确定来波方向。利用该方法可以实现对二次监视雷达系统对目标的监视和管制，实现简单，解决了一维测角的不准确的问题，对二次监视雷达的特殊应用场合也具有一定的应用价值。

该方法进一步要解决的问题是由于基线长度过长所引起的相位模糊问题。

本发明采用的技术方案如下：一种用于二次监视雷达的测角方法，其方法步骤为：

步骤一、将接收天线A、C、E呈三角形布置，测出其中两条基线AC、AE的长度d₁、d₂；

步骤二、根据公式 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_1=\frac{2\mathrm{\π}{d}_1\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}}$ 和公式 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}{d}_2\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}}$ 经鉴相器分别鉴出基线AC和AE的相位差Δφ₁和Δφ₂；

步骤三、根据公式经方位解算得出方位角θ。

作为优选，所述步骤一中的三角形是以∠CAE为直角的直角三角形。

作为优选，在基线AC之间加入天线B，在基线AE之间加入天线D，A、B、C在同一条直线上，A、D、E在同一条直线上，形成长基线AC、AE和短基线AB、AD。

作为优选，设d_AC/d_AB＝k_y，d_AE/d_AD＝k_x，则k_y，k_x均大于等于2小于等于4。

作为优选，短基线长度为0.13米。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该方法可以实现对二次监视雷达系统对目标的监视和管制，实现简单，解决了一维测角的不准确的问题，对二次监视雷达的特殊应用场合也具有一定的应用价值。

本发明进一步的有益效果是：1、利用长短基线解决相位模糊，用短基线消除测相模糊，用长基线保证测角精度要求；2、按直角三角形布置天线阵列，不但将求解方程化繁为简，还可以减少因干涉仪阵列排布的不精确带来的误差。

附图说明

图1为相位干涉仪原理图。

图2为双基线相位干涉仪原理图。

图3为辐射源前后来向示意图；

图4为二维相位干涉仪原理图；

图5为本发明的所基于的硬件整体框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排除的特征以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

一种用于二次监视雷达的测角方法，其方法步骤为：

步骤一、将接收天线A、C、E呈三角形布置，测出其中两条基线AC、AE的长度d₁、d₂；

步骤二、根据公式 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_1=\frac{2\mathrm{\π}{d}_1\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}}$ 和公式 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}{d}_2\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}}$ 经鉴相器分别鉴出基线AC和AE的相位差Δφ₁和Δφ₂；

步骤三、根据公式经方位解算得出方位角θ。

所述步骤一中的三角形是以∠CAE为直角的直角三角形。按直角三角形布置天线阵列，不但将求解方程化繁为简，还可以减少因干涉仪阵列排布的不精确带来的误差。

二维相位干涉仪不存在背景技术所述的一维存在的问题。如图4所示，呈直角三角形布置的3个天线位于直角坐标系上，X轴上的AC基线长度为d₁，Y轴上的AE基线长度为d₂，则其测向公式为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_1=\frac{2\mathrm{\π}{d}_1\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}}$ ……………………公式（5）

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}{d}_2\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}}$ ……………………公式（6）

其中，Δφ₁为AB基线的相位差，Δφ₂为AC基线的相位差，α为来波仰角。

根据公式（5）和公式（6）即可求出来波方位角θ：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_1}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_2}$ ……………………………公式（7）

从公式（4）可看出，采用高精度的鉴相器或增大天线间距d，均可提高测角精度。由于鉴相器的输出是在0至2π（或±π）的范围内，由公式（1）可知，d增加到一定长度，大于λ/2时，相位差φ的取值可能超过±π（以±π为例来计算）的范围，这样就会引起相位模糊问题。可利用长短基线解决相位模糊，用短基线消除测角模糊，用长基线保证测角精度要求，如图2所示,可得:

${\mathrm{\φ}}_{12}=\frac{2\mathrm{\π}{d}_{12}\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}$ ………………………公式（8）

……………公式（9）

在公式（8）和公式（9）中，φ₁₂为天线AC之间的相位差，其取值在2π范围内，φ₁₃为天线AE之间的相位差，而鉴相器鉴相出的实际值为φ₁₂、φ₁₃存在以下关系：

$\frac{{\mathrm{\φ}}_{12}}{{\mathrm{\φ}}_{13}}=\frac{d_{12}}{d_{13}}$ ……………………………公式（10）

根据天线AC之间的鉴相器的输出值φ₁₂，再把φ₁₂(d₁₃/d₁₂)除以2π，所得商的整数部分就是n值，然后再将天线AC之间的鉴相器的读数一起代入公式（9）即可求得高精度的测量值。

因此，在基线AC之间加入天线B，在基线AE之间加入天线D，A、B、C在同一条直线上，A、D、E在同一条直线上，形成长基线AC、AE和短基线AB、AD。

设d_AC/d_AB＝k_y，d_AE/d_AD＝k_x，则k_y，k_x均大于等于2小于等于4。

小于2则测角精度不高，大于4则相位差较大，因此我们取值大于等于2小于等于4。这样,既保证了较小的相位误差,又保证了一定的测角精度。

短基线长度为0.13米。

根据前面的分析，为了解相位模糊短基线的选取原则为小于λ/2，但天线间距受天线物理尺寸和天线间互耦影响，又不能过小。二次监视雷达系统接收的目标应答信号半波长为0.1375米，本具体实施例选取短基线d_AB、d_AD为0.13米。

本发明的整体框图如图5所示。射频放大把从天线接收下来的1090MHz应答信号放大，与本振产生的1030MHz信号进行混频，得到60MHz中频信号。中频信号一路进入限幅放大，另一路进入视频检波。限幅放大的作用是对信号进行放大的同时对出现异常的大信号进行限幅，以免烧毁后端电路。经限幅放大后的模拟中频信号进入A/D采样模块进行采样，变成数字中频信号。中频数字鉴相模块从数字中频信号中提取相应通道的相位，并计算两通道之间的相位差，送至方位解算模块。方位解算模块进行解相位模糊和相位差到方位角的转换，得到高精度的方位角。视频检波把调制的中频信号解调成脉冲视频信号，送入译码模块和距离解算模块。译码模块从视频信号中提取目标的应答脉冲，经换算得到识别码和高度。距离解算模块计算询问同步信号和视频中应答脉冲之间的间隔，然后转换成目标的距离。同时，询问同步信号也送入译码模块和方位解算模块进行同步，以得到准确的目标报告信息。

从图5可看出，本发明采用呈直角三角形布置的五个天线构成二维相位干涉仪阵列，按直角三角形布置天线阵列，不但将求解方程化繁为简，还可以减少因干涉仪阵列布置的不精确带来的误差。

布置相位干涉仪天线阵列时,要合理地选取长短基线比,如果长短基线比选得过小,则测角精度不高,同时天线资源的利用率也很低,如果长短基线比选得过大，从公式（3）中可知，测量的相位误差将增大。在本发明中，根据实践经验表明，取天线AC和天线AB的间距比例为:d_AC/d_AB＝k_y,k_y∈[2,4]，取天线AE和天线AD的间距比例为:d_AE/d_AD＝k_x,k_x∈[2,4],这样,既保证了较小的相位误差,又保证了一定的测角精度。

具体实施方式的步骤如下：

5个天线A、B、C、D、E及其对应的接收机接收目标空间辐射信号，经鉴相器分别鉴出基线AB、AC、AD、AE的相位差，读数分别为：φ_AB、φ_AD、均在2π范围内；

a)将φ_ABk_y除以2π，得整数部分n_y，将φ_ADk_x除以2π，得整数部分n_x；

b)将n_y代入公式（8）得到长基线AC的实际相位差φ_AC，同样，将n_x代入公式（8）得到长基线AE的实际相位差φ_AE；

c)将φ_AC、φ_AE代入公式（7），得到方位角θ；

同时，接收机输出的目标飞机应答信号经译码器处理得到目标的识别码A、高度代码值H，这是二次监视雷达现有技术，这里不再累述；

同时，距离计算模块根据应答回波和询问同步信号计算出目标的距离R，这是二次监视雷达现有技术，这里不再累述；

融合识别码A、方位角θ、高度H和距离R，即可得到目标的位置信息TARGET=[AθHR]。

Claims (5)

1.一种用于二次监视雷达的测角方法，其方法步骤为：

步骤一、将接收天线A、C、E呈三角形布置，测出其中两条基线AC、AE的长度d₁、d₂；

步骤二、根据公式 ${\mathrm{\Δ\φ}}_1=\frac{2{\mathrm{\πd}}_{1}sin\mathrm{\θ}cos\mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}}$ 和公式 ${\mathrm{\Δ\φ}}_2=\frac{2{\mathrm{\πd}}_{2}cos\mathrm{\θ}cos\mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}}$ 经鉴相器分别鉴出基线AC和AE的相位差Δφ₁和Δφ₂；

步骤三、根据公式经方位解算得出方位角θ；

其中，λ为来波波长；α为来波仰角。

2.根据权利要求1所述的方法，所述步骤一中的三角形是以∠CAE为直角的直角三角形。

3.根据权利要求1所述的方法，在基线AC之间加入天线B，在基线AE之间加入天线D，A、B、C在同一条直线上，A、D、E在同一条直线上，形成长基线AC、AE和短基线AB、AD。

4.根据权利要求3所述的方法，设d_AC/d_AB＝k_y，d_AE/d_AD＝k_x，则k_y，k_x均大于等于2小于等于4；其中，d_AC为长基线AC的长度，d_AB为短基线AB的长度，d_AE为长基线AE的长度，d_AD为短基线AD的长度，k_y为d_AC与d_AB的比值，k_x为d_AE与d_AD的比值。

5.根据权利要求4所述的方法，短基线长度为0.13米。