2.4.1 单脉冲测角原理
二次雷达系统有两种目标方位角测量技术：单脉冲技术和“滑窗”处理技术。影响二次雷达系统方位角测量精度的主要因素包括询问天线方向图的稳定性、询问天线视轴的容限和接收机的有关性能等。
单脉冲技术，顾名思义就是使用一个信号到达脉冲就可以完成精确的目标方位角测量的技术。单脉冲技术是在第二次世界大战期间开发的，在一次雷达中使用了多年，在自寻导弹系统中也得到应用。直到20世纪70年代中期，单脉冲技术才开始在二次雷达中应用，国际民航组织制定的单脉冲二次监视雷达规范直到1983年才开始实施。
形成单脉冲天线波束通常的方法是，使用两个喇叭馈源通过天线的双曲抛物面（反射面）聚焦产生两个向天线视轴两侧斜视的波束。当目标位于天线视轴方向时，两个波束的信号强度相等；当目标位于天线视轴右侧时，右侧波束的信号强于左侧波束；当目标位于天线视轴左侧时，左侧波束的信号强于右侧波束。通过比较两个波束输出的信号幅度，可以完成目标方位角测量。
二次雷达通常使用阵列天线，因此采用类似于干涉仪测角原理的单脉冲测角原理。通过测量两个间距为D的独立天线阵列接收信号的相位延迟，完成信号到达方向测量：当信号到达方向与天线视轴方向一致时，两个天线阵列接收信号的相位一致、幅度相等；当信号到达方向偏离天线视轴方向时，两个天线阵列接收信号的相位不同，将产生与信号到达方向一一对应的相位差，通过测量两个接收信号的相位差，可以得到信号到达方向，完成目标方位角测量。
单脉冲天线波束形成原理图如图 2.6 所示。单脉冲天线按照水平方向馈电网络将天线分成左、右两个天线阵列，构成干涉仪单脉冲系统的两个相位中心，相位中心的间距为D。左、右两个天线阵列可以看作两个独立天线，具有窄波束、高增益、低副瓣方向特性，方向图相同，输出信号幅度相等。设左侧天线输出信号为VL，右侧天线输出信号为VR。它们在混合环中分别经过λ/4路径延迟，到达混合环和信号输出端口，实现同相相加，从而得到矢量和信号VΣ。在混合环的另一侧，左侧天线输出信号 VL经过 3λ/4 路径延迟到达混合环差信号输出端口，右侧天线输出信号VR只经过了λ/4路径延迟到达混合环差信号输出端口，两个信号到达混合环差信号输出端口的相位正好相差180°，从而得到矢量差信号VΔ。
图2.6 单脉冲天线波束形成原理图
天线输出信号VL和VR的相对相位差与信号到达方向有关，如图2.7（a）所示，VL、VR之间的相位延迟Φ为
式中，D为两个天线相位中心的间距；θ为目标偏离天线视轴方向的角度；λ为接收信号工作波长。
和、差信号的相位关系如图2.7（b）所示。和、差信号的相位相差π/2。以两个天线基线的中间点C的信号相位为参考，当目标位于天线视轴左侧时，VL超前VΣΦ/2，VR滞后VΣΦ/2。
图2.7 干涉仪天线信号的相对相位关系
左侧天线输出信号可表示为
右侧天线输出信号可表示为
式中，V为信号幅度；f（θ）为天线的方向图因子。左、右两侧天线输出信号方向图如图2.8（a）所示，VL的方向与天线视轴方向的夹角θ=Φ/2，VR的方向与天线视轴方向的夹角θ=-Φ/2。
左、右两侧天线输出信号经过混合环处理后可得到矢量和信号VΣ，VΣ方向图如图2.8（b）所示，VΣ的数学表达式为
VΔ方向图如图2.8（c）所示， VΔ的数学表达式为
由式（2.4）和式（2.5）可以得出以下结论。
（1）矢量和信号的方向性因子在原有方向性因子的基础上，增加了阵列方向性因子cos[（πD/λ）sinθ]，如图2.8（b）所示。当目标位于天线视轴方向时，θ=0，矢量和信号幅度最大，随着目标偏离天线视轴方向，矢量和信号幅度按cos规律变化。
（2）矢量差信号的方向性因子在原有方向性因子的基础上，增加了阵列方向性因子sin[（πD/λ）sinθ]，如图2.8（c）所示。当目标位于天线视轴方向时，θ=0，矢量差信号幅度为零，随着目标偏离天线视轴方向，矢量差信号幅度按sin规律变化。
（3）矢量和信号VΣ与矢量差信号VΔ是正交的，如图2.7（b）所示。当目标位于天线视轴左侧时，VΣ滞后VΔπ/2。当目标从左侧跨过天线视轴位于右侧时，VΔ反向180°，这时， VΣ超前VΔπ/2。因此，可以通过测量VΣ与VΔ的相对相位判断目标偏离天线视轴的方向。
矢量和信号与矢量差信号比值（VΔ/VΣ，简称和差比）随着目标偏离视轴方向按tan规律变化，如图2.8（d）所示，其值为
将图2.8（d）中左侧的负值改变成对应的正值，即可得到式（2.6）偏离天线视轴的方向图特性，类似于图2.9中的没有负值。只要能够得到矢量差信号VΔ与矢量和信号VΣ的标称幅度比值，利用式（2.6）就可以计算目标偏离天线视轴方向的角度，即离轴角（OBA）值θ，将θ与天线视轴的方位角相加，就可以完成目标方位角测量。但是，实际的OBA值与实际天线波束的形状相关，必须事先进行精确测量，得出各个方位角的和差比测量值与理论值的差值，形成校正之后的OBA表，并且将其存储在对应的存储器中以便在测量过程中进行查找。图2.9所示为某型民航二次监视雷达的OBA表，其中和信道信号幅度是VΣ方向特性，差信道信号幅度是VΔ方向特性取绝对值，所以天线视轴左侧的VΔ也变成了正值，其他的曲线是旁瓣方向特性曲线。
图2.8 左、右两侧天线输出信号方向图及和、差波束方向图
图2.9 某型民航二次监视雷达的OBA表
根据矢量和信号与矢量差信号的特点，设计师可以使用不同的处理方法提取目标的方位角数据。总体来说，单脉冲测角的处理方法可以分为幅度单脉冲处理和相位单脉冲处理。