船載單脈沖雷達(dá)快速標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(中國衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

船載單脈沖雷達(dá)快速標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(中國衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰214431)

當(dāng)前船載單脈沖雷達(dá)幅相一致性標(biāo)定方法受各類條件的限制，不具備快速標(biāo)校的特性，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障或系統(tǒng)更換備件時(shí)難以滿足系統(tǒng)標(biāo)校的需求；針對(duì)此問題在介紹船載單脈沖雷達(dá)幅相一致性標(biāo)定原理的基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)標(biāo)校方法進(jìn)行了分析；基于多模自跟蹤體制，建立了天線偏離角與角誤差信號(hào)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，通過獲取目標(biāo)相對(duì)天線角度變化值以及角誤差電壓變化值，提出了一種幅相一致性快速標(biāo)定的新方法，并研制了快速標(biāo)校軟件，對(duì)設(shè)備進(jìn)行多次標(biāo)定試驗(yàn)，結(jié)果表明標(biāo)校過程快速簡(jiǎn)便，滿足精度指標(biāo)，對(duì)提高幅相標(biāo)定效率、克服標(biāo)定環(huán)境局限性等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

單脈沖雷達(dá)；快速標(biāo)校；幅相一致性；船載

0 引言

船載單脈沖雷達(dá)一般采用單脈沖雙通道或三通道跟蹤體制，在該體制下，只有當(dāng)和、差通道滿足幅相一致性時(shí)，伺服系統(tǒng)才能完成對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。因此，日常的和差路幅相一致性標(biāo)校及參數(shù)補(bǔ)償?shù)恼_性是影響雷達(dá)跟蹤性能的重要因素[1]。船載單脈沖雷達(dá)的標(biāo)校分為對(duì)塔標(biāo)校、標(biāo)定球標(biāo)校以及模擬器標(biāo)校，對(duì)塔標(biāo)校是指船在碼頭或塢內(nèi)對(duì)標(biāo)校塔進(jìn)行幅相一致性標(biāo)校，該方法受制約因素多，且海上無法進(jìn)行，而標(biāo)定球標(biāo)校受天氣等因素制約影響大，模擬器標(biāo)校只能對(duì)場(chǎng)放后端的通道進(jìn)行標(biāo)校，以上幾種方法都受各類條件限制，不具備快速標(biāo)校的特性[2-4]。本文對(duì)船載單脈沖雷達(dá)的幅相一致性標(biāo)校原理進(jìn)行介紹，在對(duì)現(xiàn)有標(biāo)校方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于天伺饋系統(tǒng)多模自跟蹤體制的幅相一致性快速標(biāo)定新方法，對(duì)提高幅相標(biāo)定效率、克服標(biāo)定環(huán)境局限性等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該快速標(biāo)校方法的正確性與有效性，采用該方法標(biāo)校將極大簡(jiǎn)化了標(biāo)校流程，提升了應(yīng)急處置能力。

1 幅相一致性標(biāo)定原理

根據(jù)單脈沖測(cè)角原理，和差信號(hào)幅度與角誤差關(guān)系如下[5]：

(1)

式中,δ為角誤差；UΔ為差信號(hào)的幅度；U∑為和信號(hào)的幅度；kε為比例系數(shù)，常數(shù)；φ為和差信號(hào)之間的相位差，等于0或π。

假設(shè)經(jīng)過中頻數(shù)字正交采樣和幅相補(bǔ)償后，和信號(hào)與差信號(hào)分別表示為：

S∑=I∑+jQ∑=UΔejφ∑

(2)

SΔ=IΔ+jQΔ=UΔejφΔ

(3)

根據(jù)復(fù)平面兩矢量夾角公式，角誤差結(jié)算公式為：

(4)

式(4)中kε是預(yù)先裝填好的常數(shù)，其正確使用的前提是和差3個(gè)通道放大增益一致且相位差為0(或π)，也稱幅相一致性要求。由于器件老化和電氣特性難以一致，和差3個(gè)通道電氣特性在使用過程中會(huì)發(fā)生變化，不可避免影響到3個(gè)通道的幅相一致性，因此在角誤差解算前需要進(jìn)行幅相補(bǔ)償，即對(duì)差支路信號(hào)進(jìn)行幅度和相位關(guān)系的調(diào)整。

假設(shè)差支路相對(duì)于和支路增益變化了A倍，相位變化了ψ，此時(shí)差支路實(shí)際輸出為：

S1Δ=I1Δ+jQ1Δ=UΔejφ1Δ=A·UΔej(φΛ+ψ)

(5)

利用公式(4)進(jìn)行角誤差接算時(shí)必須對(duì)差信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行補(bǔ)償，扣除增益和相位的變化，即:

(6)

(7)

(8)

由此可計(jì)算補(bǔ)償系數(shù)A和ψ的值：

(9)

(10)

2 傳統(tǒng)幅相一致性標(biāo)校方法

當(dāng)前幅相一致性標(biāo)定主要包含對(duì)塔標(biāo)校法、信標(biāo)球標(biāo)校法和模擬器標(biāo)校法，這幾種方法在一定程度上滿足了任務(wù)需求，發(fā)揮了重要的作用，但都存在著自身的局限性。

2.1 對(duì)塔標(biāo)校法

測(cè)量船在碼頭或塢內(nèi)，可以通過跟蹤標(biāo)校塔上應(yīng)答機(jī)的方式進(jìn)行幅相一致性標(biāo)定。該方法受制約因素多，需確保雷達(dá)與標(biāo)校塔之間無遮擋，對(duì)場(chǎng)地空間要求高，標(biāo)校塔上需要人員協(xié)同配合完成，標(biāo)校時(shí)間長，工作效率低，且出海期間無法進(jìn)行。

2.2 信標(biāo)球標(biāo)校法

測(cè)量船在碼頭或海上可通過施放跟蹤信標(biāo)球可以完成脈沖雷達(dá)幅相一致性標(biāo)定。雷達(dá)天線跟蹤上目標(biāo)后，在方位或俯仰方向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行加偏，進(jìn)行二次采樣平均計(jì)算以減少誤差。加偏時(shí)雷達(dá)接收機(jī)將A/D轉(zhuǎn)換后的三通道I、Q支路數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳至終端計(jì)算機(jī)，終端計(jì)算機(jī)相應(yīng)軟件采用平均統(tǒng)計(jì)法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并按照式(9)和式(10)的計(jì)算方法標(biāo)定幅相補(bǔ)償系數(shù)。該方法一方面人工干預(yù)較多，過程較為繁瑣；另一方面受天氣等外界環(huán)境影響因素多，且準(zhǔn)備時(shí)間較長，標(biāo)校的實(shí)時(shí)性較差。

2.3 模擬器標(biāo)校法

利用目標(biāo)模擬器模擬的和路與差路下行信號(hào)代替真實(shí)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)校的方法稱為模擬器標(biāo)校法。該方法具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，信號(hào)穩(wěn)定，標(biāo)校精度高等優(yōu)點(diǎn)，只需在雷達(dá)接收系統(tǒng)與模擬器開機(jī)情況下即可實(shí)現(xiàn)幅相一致性標(biāo)校，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通道間幅度與相位變化情況，但該方法不包含天線及饋線部分，并不是對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)全向通道進(jìn)行標(biāo)校，實(shí)際跟蹤中無法直接使用模擬器標(biāo)校出的幅相一致性補(bǔ)償參數(shù)。由于天線及饋線部分是無源器件，穩(wěn)定性高，不易損壞，該部分的幅相一致性較為穩(wěn)定，可以將其看作是一個(gè)定值；而下行鏈路其它部分有源器件多，日常出現(xiàn)故障更換的器件均出自該部分，所以設(shè)備中幅相一致性修正主要針對(duì)場(chǎng)放后端的數(shù)字器件。當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)幅相不一致，又不滿足放球條件時(shí)，可根據(jù)模擬器相位差變化量，修正當(dāng)前狀態(tài)下的幅相補(bǔ)償系數(shù)。

3 快速標(biāo)校原理

3.1 角誤差信號(hào)形成原理

目標(biāo)在空間偏離軸向時(shí)產(chǎn)生誤差信號(hào)的原理如圖1所示。其中，天線的輻射中心為O，目標(biāo)位置為P，目標(biāo)視軸方向?yàn)镺P，天線電軸方向?yàn)镺O’。OO’與OP有一個(gè)空間夾角θ，θ即為目標(biāo)偏離天線電軸方向的任一空間角，φ是天線軸與目標(biāo)P點(diǎn)構(gòu)成的平面與水平面的夾角。

圖1 單脈沖雷達(dá)角誤差信號(hào)的形成原理

假設(shè)來波及天線均為理想的圓極化，則P點(diǎn)目標(biāo)的信標(biāo)信號(hào)為US=Ue-jwt，與θ、φ無關(guān)。P點(diǎn)信號(hào)首先在饋源(正交模耦合器)激勵(lì)起基模TE11，并將它用作和模，這是因?yàn)樵趫A波導(dǎo)中TE11模具有對(duì)天線軸向偶對(duì)稱的方向性圖[6]。TE11模在饋源和端口輸出為:

U∑(t)=Ucosωt

(11)

式中，ω為信號(hào)角頻率。

由于目標(biāo)信號(hào)偏離天線電軸方向，在天線饋源的跟蹤模耦合器中分別激勵(lì)起高次模TE21、TM01和TE01。根據(jù)電磁波理論[5]，TE21模、TE*21模、TM01模和TE01模的天線輻射場(chǎng)表達(dá)式分別為式12)—15)。

(12)

(13)

(14)

(15)

經(jīng)計(jì)算后可以得到左旋圓極化和、方位、俯仰通道的輻射電場(chǎng)分別為:

(16)

(17)

(18)

其中:ka、ke分別為方位、俯仰通道的天線方向圖差斜率。

理想左旋圓極化來波可用下式來表示:

(19)

根據(jù)天線互易原理，分別得到和、方位和俯仰的電壓為:

(20)

(21)

(22)

于是，可以分別得到方位和俯仰的角誤差電壓為:

(23)

(24)

式中，φa、φe分別為方位通道、俯仰通道相對(duì)和通道的相位差。

3.2 基于差分法的快速標(biāo)校技術(shù)

雷達(dá)天線電軸在不同時(shí)刻相對(duì)目標(biāo)的位置不同，可用極坐標(biāo)(θ,φ)表示電軸位置。在圖1中電軸在方位、俯仰方向偏開目標(biāo)的角度分別為θ·cosφ、θ·sinφ。設(shè)t1時(shí)刻雷達(dá)天線電軸直角坐標(biāo)為(A1,E1),極坐標(biāo)為(θ1,φ1)，產(chǎn)生的角誤差電壓為(Va1,Ve1)；t2時(shí)刻雷達(dá)天線電軸直角坐標(biāo)為(A2,E2)，極坐標(biāo)為(θ2,φ2)，產(chǎn)生的角誤差電壓為(Va2,Ve2)。

則目標(biāo)在t1至t2時(shí)刻相對(duì)天線的變化角度為:

(25)

當(dāng)天線偏轉(zhuǎn)一定角度后，有式(23)和式(24)可得方位、俯仰角誤差電壓為:

(26)

通過差分，可以得到目標(biāo)偏離天線的角誤差電壓變化值為:

(27)

將式(26)代入式(27)，可得:

(28)

以方位支路為例，可得到方位通道相對(duì)和通道的相位差：

(29)

根據(jù)相位差關(guān)系以及幅相補(bǔ)償系數(shù)修正前后模不變的原則，可得:

(30)

3.3 動(dòng)目標(biāo)標(biāo)校的指向修正

上述標(biāo)校方法是以跟蹤靜態(tài)目標(biāo)為例進(jìn)行闡述，而在跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)過程中天線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)目標(biāo)位置也發(fā)生了變化，那么t1與t2時(shí)刻天線指向的角度差已經(jīng)不能反映兩個(gè)時(shí)刻天線電軸與目標(biāo)相對(duì)位置的變化情況。因此為得到t1與t2時(shí)刻天線電軸與目標(biāo)相對(duì)位置的真實(shí)變化情況，需要減去因目標(biāo)運(yùn)動(dòng)帶來的天線指向上的角度變化。由于當(dāng)前軌道預(yù)報(bào)功能已經(jīng)在航天測(cè)控領(lǐng)域中應(yīng)用較為成熟，對(duì)于正常運(yùn)行的飛行器都可以使用其軌道根數(shù)對(duì)其運(yùn)行軌道進(jìn)行精確預(yù)報(bào)，根據(jù)計(jì)算出的數(shù)引數(shù)據(jù)得出不同時(shí)刻因目標(biāo)運(yùn)動(dòng)帶來的位置的變化。

根據(jù)數(shù)引數(shù)據(jù)中的大地方位角和大地俯仰角，可以得出t1時(shí)刻軌道預(yù)報(bào)值(DA1,DE1)與t2時(shí)刻軌道預(yù)報(bào)值(DA2,DE2)，用ΔDA和ΔDE來表示t1到t2時(shí)刻因目標(biāo)運(yùn)動(dòng)帶來的天線指向上的角度變化，則：

(31)

從天線指向變化角度差中將其減去得到t1到t2兩個(gè)時(shí)刻天線電軸與目標(biāo)相對(duì)位置的真實(shí)變化情況。因此在動(dòng)態(tài)目標(biāo)快速標(biāo)校方案中式(25)需修正為下式：

(32)

3.4 快速標(biāo)校的船搖修正

船載測(cè)控雷達(dá)由于工作環(huán)境的特殊性，其隨載體的運(yùn)動(dòng)也在不停地運(yùn)動(dòng)，天線的波束范圍一般遠(yuǎn)比船搖幅度小，因此在動(dòng)平臺(tái)開展動(dòng)目標(biāo)快速標(biāo)校時(shí)，需要進(jìn)一步消除船搖的影響，以解決動(dòng)平臺(tái)快速校相的問題?？筛鶕?jù)慣導(dǎo)設(shè)備提供的船搖信息將甲板坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系，得到類似于陸基測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)量坐標(biāo)系，再進(jìn)一步消除船搖影響。

4 快速標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

船載單脈沖雷達(dá)快速標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路為：從測(cè)控網(wǎng)中實(shí)時(shí)接收脈沖雷達(dá)方位角、俯仰角以及相應(yīng)角誤差電壓等計(jì)算用測(cè)量數(shù)據(jù)，在具備數(shù)引數(shù)據(jù)或慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的條件下自動(dòng)進(jìn)行短時(shí)間數(shù)據(jù)積累，再根據(jù)目標(biāo)相對(duì)天線的角度差以及相應(yīng)的角誤差電壓計(jì)算其方位和俯仰的幅相補(bǔ)償系數(shù)，并實(shí)時(shí)更新定向靈敏度系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)快速標(biāo)定功能。其軟件工作流程如圖2所示。

圖2 軟件工作流程圖

4.1 軟件部署位置

快速標(biāo)校方法需要用到和差通道I/Q值、角誤差電壓、甲板角、大地角、引導(dǎo)角等數(shù)據(jù)，在船載雷達(dá)系統(tǒng)中，能同時(shí)接收處理上述數(shù)據(jù)的有指顯微機(jī)和雷達(dá)終端設(shè)備?？紤]到終端設(shè)備在跟蹤過程中要負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信功能，數(shù)據(jù)交換工作量負(fù)荷較重，而指顯微機(jī)僅負(fù)責(zé)接收和顯示各類數(shù)據(jù)，因此將快速標(biāo)校軟件部署在指顯微機(jī)上。

4.2 軟件結(jié)構(gòu)和流程

標(biāo)校軟件采用Delphi語言編寫，主要用于進(jìn)行標(biāo)校過程的數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理。軟件界面如圖3所示。

圖3 軟件界面

4.2.1 數(shù)據(jù)接收模塊

該功能通過導(dǎo)入中心機(jī)數(shù)據(jù)或者網(wǎng)絡(luò)接收，將雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)角數(shù)據(jù)、中心機(jī)數(shù)引數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)內(nèi)。利用網(wǎng)絡(luò)初始化函數(shù)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)接收Socket并綁定，設(shè)置組播屬性，利用WSAAsyncSelect設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接收為消息觸發(fā)。

4.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

根據(jù)目標(biāo)特性、船搖幅度人工選擇合適的角度數(shù)據(jù)來源：甲板角(適用于靜態(tài)目標(biāo)、船搖較小)、大地角(適用于靜態(tài)目標(biāo)、船搖較大)、數(shù)引數(shù)據(jù)(適用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)、船搖較大)。

1)點(diǎn)擊“開始標(biāo)定”后，開始處理緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。

2)根據(jù)角度數(shù)據(jù)來源，進(jìn)行角度數(shù)據(jù)預(yù)處理，其中選擇“甲板角”不作處理；選擇“大地角”則將甲板角、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)時(shí)間碼對(duì)齊，并計(jì)算大地角；選擇“數(shù)引”將甲板角、數(shù)引數(shù)據(jù)時(shí)間碼對(duì)齊，并將甲板角與數(shù)引數(shù)據(jù)比較，得到差值。

3)角度數(shù)據(jù)預(yù)處理后，調(diào)用函數(shù)進(jìn)一步處理。首先將預(yù)處理后角度數(shù)據(jù)、誤差電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，然后數(shù)據(jù)篩選，主要根據(jù)和差通道I/Q幅值、變化范圍判斷目標(biāo)是否在天線主波束內(nèi)。篩選后剩下認(rèn)為是數(shù)據(jù)有效點(diǎn)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算此時(shí)間點(diǎn)的相位差、幅值。調(diào)用函數(shù)統(tǒng)計(jì)平均值并剔除。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表(方位)

(4)將計(jì)算結(jié)果存入內(nèi)存變量中，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算相位調(diào)整量、幅值調(diào)整量。

5 試驗(yàn)結(jié)果和分析

5.1 快速標(biāo)校流程

1)雷達(dá)顯示計(jì)算機(jī)加載任意和差通道初始值。

2)伺服主控臺(tái)控制天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，確保目標(biāo)在天線波束主瓣內(nèi)。

3)啟動(dòng)標(biāo)校軟件，點(diǎn)擊新校軟件界面“開始標(biāo)定”按鈕，伺服主控臺(tái)在確保目標(biāo)始終處于主波束內(nèi)的前提下，可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)方位和俯仰。計(jì)算3～5秒后，新型標(biāo)校軟件直接得出方位、俯仰通道幅相補(bǔ)償參數(shù)，點(diǎn)擊“停止標(biāo)定”按鈕停止標(biāo)校，伺服主控臺(tái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)天線。

4)確認(rèn)標(biāo)校結(jié)果正常后，將幅相補(bǔ)償參數(shù)供雷達(dá)顯示計(jì)算機(jī)加載使用。

5)伺服主控臺(tái)根據(jù)更新的幅相補(bǔ)償參數(shù)控制天線進(jìn)行線性檢查和定向靈敏度檢查；若仍有交叉耦合存在，則重復(fù)步驟3)～4)。

5.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

快速標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行多次標(biāo)定試驗(yàn)，標(biāo)定過程快速準(zhǔn)確，應(yīng)用效果良好。此時(shí)無需天線跟蹤目標(biāo)，只需天線主瓣對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)即可迅速標(biāo)定補(bǔ)償參數(shù)。在軟件使用過程中，界面簡(jiǎn)潔明了，操作方便，輸出的補(bǔ)償參數(shù)準(zhǔn)確，可直接作為跟蹤方式下幅相補(bǔ)償?shù)妮斎雲(yún)?shù)進(jìn)行通道的補(bǔ)償。應(yīng)用該系統(tǒng)后可隨時(shí)在跟蹤目標(biāo)前檢驗(yàn)系統(tǒng)幅相一致性，解決了測(cè)量船海上標(biāo)校對(duì)信標(biāo)球的依賴。下面選取部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示(以方位為例)，從表中可見標(biāo)定結(jié)果滿足精度要求。

6 結(jié)論

本文分析了船載單脈沖雷達(dá)幅相一致性標(biāo)校方法的原理和應(yīng)用局限性，通過建立天線偏離角與角誤差信號(hào)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，通過獲取目標(biāo)相對(duì)天線角度變化值以及角誤差電壓變化值，提出了一種標(biāo)定幅相補(bǔ)償系數(shù)的新方法。運(yùn)用該方法海上標(biāo)校時(shí)不再局限于跟蹤信標(biāo)球，克服了天氣因素對(duì)標(biāo)校的制約，可在跟蹤實(shí)際目標(biāo)前對(duì)幅相補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行快速的標(biāo)定和檢查。大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的幅相一致性標(biāo)定流程，豐富了脈沖雷達(dá)標(biāo)校手段，有效提升了雷達(dá)系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

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DesignandImplementonQuick-CalibrationSystemofShip-borneMono-pulseRadar

Song Haijun, Ding Qiuqi, Su Yan， Jiang Zhiyu

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214431,China)

The calibration method of amplitude-phase of ship-borne mono-pulse radar is limited by all kinds of conditions, so it is difficult to meet the requirement of system calibration if the equipment fails or the replacement of space parts. In this paper, the theory and design of mono-pulse radar amplitude-phase calibration are introduced and the traditional methods of amplitude-phase calibration are analyzed. Based on the system of multi-mode tracking, the mathematical model of the relation between deviation angle and error voltage is built. Through obtaining the variation value of deviation angle and error voltage, a new method is determined and a rapid calibration software is developed, which is used to calibrate the amplitude and phase consistency. The experiment results show the calibration process is fast and simple.It has important practical significance for improving the efficiency of amplitude-phase calibration, as well as overcoming the limitation of the calibrating environment.

mono-pulse radar; quick-calibration; amplitude-phase consistency; ship-borne

2017-02-22；

2017-03-31。

宋海軍(1972-)，男，江蘇江陰人，工程師，主要從事航天測(cè)控系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)09-0095-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.025

TN953.3

A