一種基于干涉儀體制的機(jī)載測向技術(shù)研究

楊 忠

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四所,河北石家莊050081)

0 引言

隨著航空電子偵察技術(shù)的發(fā)展,機(jī)載測向系統(tǒng)以其作用范圍大、偵測距離遠(yuǎn)和可實(shí)現(xiàn)單機(jī)對地面目標(biāo)定位等優(yōu)點(diǎn),正越來越受到關(guān)注。

對于機(jī)載測向系統(tǒng),由于機(jī)載平臺(tái)可供布設(shè)天線陣列的有效空間、允許的天線陣元尺寸和數(shù)量都十分有限,不能使用大基礎(chǔ)天線陣,另外飛機(jī)機(jī)身的金屬蒙皮結(jié)構(gòu)會(huì)引起測向天線幅相特性的變化,這些都增加了機(jī)載測向天線布陣的難度和復(fù)雜性。結(jié)合工程實(shí)際,給出一種9陣元機(jī)載干涉儀測向天線陣的設(shè)計(jì)并給出了計(jì)算機(jī)模擬仿真結(jié)果。

1 干涉儀測向原理

目前較為成熟的測向體制有比幅、瓦特森-瓦特、多普勒、干涉儀和空間譜等,其中干涉儀測向體制由于具有測向精度高、處理速度快、能對短持續(xù)信號(hào)測向、能夠使用任意陣型的天線陣等特點(diǎn)而倍受推崇,該體制特別適應(yīng)于機(jī)載環(huán)境這種要根據(jù)具體情況對天線陣進(jìn)行靈活配置的場合;同時(shí)可以利用相關(guān)數(shù)據(jù)匹配技術(shù),采用較大孔徑的天線陣,使其對天線表面金屬蒙皮二次反射引起的電波波前扭曲起到較好的平滑作用[1],從而具有較高的測向精度和較強(qiáng)的抗多徑測向能力。

根據(jù)干涉儀測向原理可知,它是利用多個(gè)天線元測量來波在空間的相位關(guān)系,并同天線元本身的坐標(biāo)位置一起確定來波方向的測向方法。一般測向天線陣的基線越大,測向結(jié)果越精確,但超過0.5倍信號(hào)波長時(shí),又將產(chǎn)生測向模糊。為同時(shí)兼顧測向精度和測向結(jié)果的唯一性,需要采用基于長短基線匹配的干涉儀處理方法,即利用無模糊的較短基線上的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。計(jì)算機(jī)模擬表明,當(dāng)多徑信號(hào)較強(qiáng)時(shí),相鄰長短基線長度比不宜超過3,但可以通過相鄰基線內(nèi)插算法提高長短基線匹配比來達(dá)到提高測向精度的目的。

外場實(shí)測結(jié)果表明,相比地面測向設(shè)備,機(jī)載測向天線方向圖特別是相位方向圖將會(huì)出現(xiàn)明顯的相位畸變,如果根據(jù)理論推導(dǎo)的公式由相位差數(shù)據(jù)直接求解方位角,可能會(huì)產(chǎn)生較大誤差。通常利用相位差-方位相關(guān)處理方法來消除方向性圖畸變帶來的影響,利用多條基線上的相位差進(jìn)行擬合,估計(jì)出信號(hào)的入射方向,達(dá)到高精度測向的目的。

2 測向天線陣設(shè)計(jì)

2.1 單元天線

受機(jī)體安裝空間的限制,機(jī)載測向系統(tǒng)中一般使用小型寬帶單元天線,其中典型的天線單元有單極天線、對稱振子天線、Vivaldi定向天線和平面螺旋天線等。

對飛機(jī)天線來講,機(jī)體幾何形狀是不規(guī)則的,在求解天線場的問題時(shí),只能按理想幾何形體進(jìn)行數(shù)學(xué)分析與近似求解,要做到精確求解往往比較困難,所以對機(jī)載單元天線電參數(shù)測量就顯得十分必要。天線測量一般包括:天線出廠檢驗(yàn)階段、地面安裝測試階段和飛行測試階段。電參數(shù)主要包括天線的幅度方向圖、相位方向圖、電壓駐波比、增益和陣元間互耦等。

2.2 組陣設(shè)計(jì)

根據(jù)干涉測向原理,為提高測向精度必須增大測向天線陣元之間的間距,但陣元間距過大又可能造成測向模糊。對于測向模糊問題,通?？刹捎瞄L短基線匹配和多陣元組陣等措施來解決?？紤]到飛機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)-機(jī)身橫向?qū)挾容^窄而縱向長度很長,為有效利用飛機(jī)機(jī)腹的空間,提出一種適合機(jī)載安裝條件的干涉儀測向天線陣,該測向天線陣采用均勻橢圓布陣形式,長軸尺寸為5 m,短軸尺寸為1.9 m,如圖1所示。

圖1 橢圓形測向天線陣示意圖

在均勻圓陣干涉儀測向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,盡管已從理論上證明[2]5陣元以上的奇數(shù)個(gè)陣元以及8單元以上的偶數(shù)個(gè)陣元不存在測向模糊,但數(shù)學(xué)意義上的測向無模糊并不能保證有相位誤差時(shí)工程實(shí)現(xiàn)上的測向無模糊。在有一定相位誤差的情況下,如何確定橢圓陣測向天線陣元的個(gè)數(shù)、陣列孔徑和工作頻帶與無模糊測向的關(guān)系,目前還沒有成熟的結(jié)論。借用空間譜測向技術(shù)中常用的方向向量的概念來分析橢圓陣干涉儀的空間特性,定量地討論一下干涉儀測向系統(tǒng)中的測向模糊問題,為該干涉儀測向系統(tǒng)陣列孔徑的確定提供一些有益的參考。設(shè)M個(gè)天線陣元均勻分布在一個(gè)橢圓圓周上,以幾何中心為參考點(diǎn),則陣列的方向向量a(θ)可表示為:

設(shè)a(θ1),a(θ2)是陣列流形上的2個(gè)方向向量,定義空間相關(guān)系數(shù)為:

對于均勻橢圓陣,利用上式可寫出空間相關(guān)系數(shù)的解析表達(dá)式,但由于陣列流形的復(fù)雜性,從解析表達(dá)式中并不太容易得到有關(guān)的結(jié)論,通過計(jì)算機(jī)仿真對測向模糊問題進(jìn)行討論。若假定各個(gè)陣元的增益均為1,則利用預(yù)先得到的空間各個(gè)入射方向信號(hào)的相位數(shù)據(jù),可以得到一組空間入射信號(hào)的方向向量a(θi)。對于空間一個(gè)實(shí)際入射信號(hào),干涉儀測向系統(tǒng)測得的相位數(shù)據(jù)所對應(yīng)的方向向量為a(θ),由ρi最大值對應(yīng)的相位數(shù)據(jù)所代表的方位值即可作為空間實(shí)際入射信號(hào)的方位角估計(jì)值。9陣元均勻橢圓陣的相關(guān)系數(shù)圖如圖2所示。橢圓陣孔徑與波長之比分別為14和12,信號(hào)入射方向?yàn)?80°?？梢?相關(guān)系數(shù)的最大值在方位角180°左右兩邊各一個(gè)次最大值。由此可以得到如下結(jié)論:①孔徑波長比越大,主瓣越窄,方位測量精度越高;②去除測向模糊就是要求相關(guān)系數(shù)圖的主瓣與付瓣的高度易于分辨。

從仿真結(jié)果可以看到,對于9陣元均勻橢圓陣干涉儀測向系統(tǒng),由于陣元個(gè)數(shù)的增加,可以有更多的基線參與運(yùn)算,因此孔徑波長比相對5陣元測向系統(tǒng)(一般不超過4)來說要大得多,因此可以獲得更高的測向精度。但一味增加天線陣的孔徑的做法一是受限于載機(jī)平臺(tái)的尺寸,二是會(huì)帶來測向模糊的問題,仿真數(shù)據(jù)表明,該測向天線陣的孔徑波長比不宜超過15。

圖2 9陣元均勻橢圓陣相關(guān)系數(shù)圖

3 仿真結(jié)果

對相關(guān)干涉儀測向系統(tǒng),測向精度主要由基線長度和系統(tǒng)相位誤差決定,而系統(tǒng)相位誤差主要由接收通道的相位失衡誤差、相位測量誤差和相位噪聲誤差等部分組成。對上述9陣元橢圓天線陣組成的機(jī)載測向系統(tǒng)的測向誤差進(jìn)行了大量的計(jì)算機(jī)模擬,仿真結(jié)果表明,在這種陣列配置下,即使存在由于機(jī)體二次反射或較強(qiáng)的多徑干擾導(dǎo)致的相位畸變,系統(tǒng)仍然具有較好的測向性能。

在信號(hào)工作頻率取100～400 MHz,最大相位誤差設(shè)為20°,信噪比為12 dB的條件下,分別對給定頻率的測向誤差隨入射信號(hào)角度的變化情況以及在特定的工作頻段內(nèi)測向誤差隨頻率的變化關(guān)系情況進(jìn)行了仿真計(jì)算,從仿真結(jié)果可見全方位、全頻段測向誤差的典型值均小于2°,仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

值得指出的是,受限于飛機(jī)本身的結(jié)構(gòu)尺寸提出的這種布陣方式并沒有達(dá)到無模糊測向所要求的最大孔徑波長比,因此對于空間更大的平臺(tái),采用這種布陣方式既可以充分利用平臺(tái)的空間,又可以獲得更高的測向精度。

圖3 測向誤差-入射信號(hào)方位關(guān)系曲線

圖4 測向誤差-入射信號(hào)頻率關(guān)系曲線

4 結(jié)束語

通過分析機(jī)載測向系統(tǒng)的特點(diǎn),從長短基線干涉儀測向原理出發(fā),給出了一種均勻橢圓陣型的機(jī)載測向天線陣設(shè)計(jì),它最大限度地利用了飛機(jī)載體的表面尺寸,較好地滿足了天線陣元數(shù)量適中、天線陣口徑盡量大、不同長度的基線種類盡量多等要求。計(jì)算機(jī)模擬仿真表明,使用該測向天線陣,系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抑制機(jī)載天線受金屬蒙皮影響所形成的相位畸變能力,能較好地解決機(jī)載測向設(shè)備在實(shí)際環(huán)境中的高精度測向問題。

[1]劉建華,王慕璽.一種具有穩(wěn)健匹配性能的九陣元干涉儀基線配置[J].無線電通信技術(shù),1999,25(1):8-10.

[2]DING Qi,XIAO Xian-ci.DOA Ambiguity vs.Array Configuration for Subspace-based DF Methods[C].Beijing:Proceedings of the 1996 CIE International Conference of Radar Proceedings,ICR'96,1996:488-492.