比幅測(cè)向與比相測(cè)向偵察技術(shù)比較研究

馬 珂，徐聲海

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海200083；2.海軍裝備部駐揚(yáng)州地區(qū)軍代室，江蘇 揚(yáng)州225001)

0 引 言

比幅測(cè)向和比相測(cè)向是電子偵察裝備最常用的2種測(cè)向體制。本文從基本工作原理、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性、試裝性等方面對(duì)2種技術(shù)體制進(jìn)行對(duì)比分析研究，為電子偵察裝備的前期方案選擇提供參考。

1 比幅測(cè)向技術(shù)

1.1 多波束比幅測(cè)向基本原理

比幅測(cè)向是利用多個(gè)接收波束進(jìn)行比幅測(cè)向，即通常所說的多波束比幅測(cè)向，它是根據(jù)測(cè)向天線偵收信號(hào)的相對(duì)幅度大小來確定信號(hào)的到達(dá)角[1]，廣泛應(yīng)用到世界范圍內(nèi)的主要電子偵察裝備上，其典型代表為美國(guó)的AL/SLQ-32。

多波束比幅測(cè)向的原理是先找出收到信號(hào)最大的波束號(hào)及與之相鄰的次最大波束號(hào)，然后在這2個(gè)波束之間進(jìn)行幅度比較。其基本原理框圖如圖1所示。

圖1中的天線數(shù)量N根據(jù)系統(tǒng)的測(cè)向精度指標(biāo)要求進(jìn)行確定，其常用的形式有恒波束喇叭天線、R-KR 透鏡天線、柱透鏡天線、羅特曼透鏡天線等。

1.2 多波束實(shí)現(xiàn)方式

采用多波束測(cè)向，其多波束的實(shí)現(xiàn)主要通過前端天線系統(tǒng)進(jìn)行。常用的前端天線系統(tǒng)的型式主要有雙脊喇叭天線直線陣、羅特曼透鏡[2]、恒波束喇叭陣及柱透鏡等。具體的天線結(jié)構(gòu)型式示意圖如圖2所示。

圖1 多波束比幅測(cè)向基本原理框圖

圖2 多波束測(cè)向常用天線陣示意圖

1.3 多波束比幅測(cè)向精度分析

多波束比幅測(cè)向采用的天線，其方向圖可用高斯型近似表示，檢波 對(duì)數(shù)放大器輸出電壓與接收信號(hào)功率的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系，根據(jù)多波束比幅測(cè)向方程可得到方位角θ與兩相鄰波束接收功率的比值γ之間的關(guān)系：

式中：θ為入射波方向與兩波束中心線的夾角；θ0為天線單元-3 d B波束寬度的一半；θS為兩相鄰天線軸線之間的夾角；γ為相鄰天線通道接收信號(hào)的幅度之比(dB)。

由于天線方向圖近似為高斯型，因此，到達(dá)角θ與比值γ成線性關(guān)系，這意味著信道不平衡度引起的測(cè)向誤差不隨方位而變化。

為了分析測(cè)向誤差，對(duì)式(1)進(jìn)行全微分：

架設(shè)一測(cè)向系統(tǒng)，其測(cè)向精度指標(biāo)要求為3°(均方根值)，現(xiàn)通過分析來確定其波束數(shù)N。由于相鄰波束通常設(shè)計(jì)在-3 d B 附近相交，因此θ0=θS/2=11.25°，在高斯型方向圖情形下，γ的最大值在10 d B左右。

式(2)中第1項(xiàng)是由于波束寬度的變化量dθ0引起的，根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，波束寬度的相對(duì)變化量為20%，則：

式(2)中的第2項(xiàng)是由于天線波束指向變化引起的，則：

天線方向圖可能會(huì)隨著頻率的變化而“歪頭”，此外，天線罩的不均勻性也可能引起波束指向偏差。一般這種偏差在波束寬度的10%以內(nèi)，則：

式(2)中第3項(xiàng)是由于系統(tǒng)不平衡引起的：

系統(tǒng)的不平衡度主要由以下幾個(gè)因素引起：

(1)天線方向圖與標(biāo)準(zhǔn)的高斯分布有差異；

(2)濾波器、限幅器、RF 放大器、檢波器、對(duì)數(shù)視頻放大器對(duì)數(shù)特性的差異，其數(shù)值隨所用的器件水平而變；

(3)天線罩對(duì)方向圖的影響。

通常，系統(tǒng)的不平衡度在±3 dB～±5 d B 之間，取±3 d B計(jì)算，即γ最大誤差6 dB，則有：

此外，還有量化誤差dθ4及噪聲引起的誤差Δθ5。通常采用10 位量化，其量化誤差dθ4=0.7°(最大)，噪聲引起的均方根誤差Δθ5約為0.3°(均方根值)。

dθ1～dθ4均為誤差的最大值，假設(shè)誤差按高斯分布，則單項(xiàng)誤差的均方根值約等于其最大值的1/3，這樣，總的均方根誤差為：

以上計(jì)算尚未考慮到實(shí)際安裝條件引起的測(cè)向誤差。艦載偵察系統(tǒng)裝艦后會(huì)受到安裝條件、艦面反射及艦船搖擺的影響，以及受到信號(hào)分選、數(shù)據(jù)傳輸與更新顯示的影響，會(huì)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)測(cè)向誤差加大。由于該項(xiàng)誤差無法定量計(jì)算，和艦艇的上層建筑及安裝高度有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般需按照0.5°進(jìn)行考慮，即Δθ需小于2.5°，由式(8)可以得出N=14即可滿足指標(biāo)要求。實(shí)際裝備研制過程，可根據(jù)安裝條件等因素，適當(dāng)增加天線單元數(shù)。

2 比相測(cè)向

2.1 比相測(cè)向基本原理

比相測(cè)向的實(shí)質(zhì)是通過測(cè)量空間來波信號(hào)在接收天線上形成的相位差來確定來波信號(hào)的到達(dá)角[2]。最簡(jiǎn)單的單基線相位干涉儀的組成原理圖如圖3所示。

圖3 干涉儀測(cè)向原理圖

圖3中d為兩天線之間的基線長(zhǎng)，θ為入射波到達(dá)角，則兩天線接收到的信號(hào)相位差為：

式中：λ為入射波波長(zhǎng)。

所以知道相位差后可求出到達(dá)角為：在式(10)中，當(dāng)d≥λ/2時(shí)，φ的取值可能超過[-π，+π)的范圍。相位差φ是由鑒相器測(cè)得的，而鑒相器的輸出范圍只能在[-π，+π)之內(nèi)，對(duì)應(yīng)的無模糊測(cè)角范圍為[-arcsinλ/2d，+arcsinλ/2d)，所以當(dāng)d≥λ/2時(shí)可能出現(xiàn)相位差模糊。然而d/λ卻決定測(cè)向的精度，這可由下式看出：

由式(11)可見，相位誤差Δφ對(duì)測(cè)向誤差的影響與d/λ成反比，要獲得高的測(cè)向精度，必須盡可能提高d/λ。但是，d/λ越大，無模糊測(cè)角的范圍就越小。因此，同時(shí)滿足大的測(cè)角范圍和高的測(cè)角精度要求是單基線相位干涉儀測(cè)向難以實(shí)現(xiàn)的。

2.2 多基線干涉儀測(cè)向

由于單基線無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)大的測(cè)角范圍和高的測(cè)角精度要求，在干涉儀測(cè)向應(yīng)用中基本都采用多基線測(cè)向，用短基線保證大的測(cè)角范圍，長(zhǎng)基線保證高的測(cè)角精度[3]。圖4給出了四基線多比特相位干涉儀測(cè)向的原理方框圖。

圖4 一維四基線相位干涉儀測(cè)向原理

圖3 中所示的基線長(zhǎng)度 滿 足：d4=nd3，d3=nd2，d2=nd1，其中d＜λ。

假設(shè)一維多基線相位干涉儀測(cè)向的基線數(shù)為k，相鄰基線的長(zhǎng)度比為n，最長(zhǎng)基線編碼器的角度量化位數(shù)為m，則理論上的測(cè)向精度為[2，4]：

2.3 比相測(cè)向?qū)崿F(xiàn)方式

比相測(cè)向的工程實(shí)現(xiàn)主要采用干涉儀方式，其天線多以平面螺旋天線為主，因?yàn)槠矫媛菪炀€具有極寬的射頻帶寬和相當(dāng)恒定的波束寬度，且其具有圓極化性能，其測(cè)向?qū)崿F(xiàn)方式主要有一維線陣、二維L 陣、二維圓陣和二維十字陣等形式。采用一維線陣不具備俯仰角測(cè)向能力，在需要俯仰信息的電子偵察系統(tǒng)中需采用二維陣列方式，具體采用哪種陣列形式，主要取決于安裝平臺(tái)的結(jié)構(gòu)空間。干涉儀測(cè)向常用天線陣如圖5所示。

圖5 干涉儀測(cè)向常用天線陣示意圖

3 指標(biāo)對(duì)比分析

一套電子偵察系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)主要有測(cè)向精度、靈敏度、測(cè)頻精度、動(dòng)態(tài)范圍、脈寬測(cè)量精度等指標(biāo)，其中測(cè)向精度、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)與采用的測(cè)向體制精密相關(guān)。下面就這幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比分析多波束比幅測(cè)向與干涉儀比相測(cè)向的差異。

3.1 測(cè)向精度指標(biāo)分析

對(duì)于電子偵察系統(tǒng)重點(diǎn)偵收的7.5～18 GHz頻段，由于該頻段通常有引導(dǎo)有源干擾的功能需求，因此其測(cè)向精度指標(biāo)一般要求優(yōu)于1.5°(均方根值)。根據(jù)式(8)，其需要的理論波束數(shù)為22個(gè)，實(shí)際工程上，由于諸多不確定因素，所需要的波束數(shù)要遠(yuǎn)多于理論值。美國(guó)的AL/SLQ-32，在8～18 GHz頻段采用了64波束，用以實(shí)現(xiàn)1.5°(均方根值)的測(cè)向精度指標(biāo)。由式(8)可知，采用多波束體制，測(cè)向精度的提升所需要增加的波束數(shù)越來越多，從而導(dǎo)致設(shè)備量過于龐大，成本過高，且安裝要求也高。

由前文分析可得，干涉儀比相測(cè)向的測(cè)向精度指標(biāo)主要取決于最長(zhǎng)基線的長(zhǎng)度，其短基線用于解模糊，因此實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)向精度比較容易，通常采用四單元三基線就可以實(shí)現(xiàn)1°(均方根值)的測(cè)向精度指標(biāo)。歐洲多功能護(hù)衛(wèi)艦DDG1000上采用了四單元三基線，可以實(shí)現(xiàn)1°(均方根值)的測(cè)向精度指標(biāo)[5]。由于天線單元數(shù)量少，其具有成本低、安裝容易的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 靈敏度指標(biāo)分析

多波束比幅測(cè)向與干涉儀比相測(cè)向的最大區(qū)別在于前端接收天線的形式不同，后端接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式略有差異。圖6和圖7給出了平面螺旋天線和多波束天線增益仿真效果圖。由圖可見，相同覆蓋角范圍內(nèi)多波束天線增益比平面螺旋天線的增益高約10 d B。采用干涉儀體制，由于通道較少，便于數(shù)字化，數(shù)字化后干涉儀測(cè)向系統(tǒng)可以消除前端天線系統(tǒng)與多波束前端天線系統(tǒng)的增益差，其靈敏度與采用模擬體制的多波束測(cè)向系統(tǒng)基本相當(dāng)。當(dāng)多波束測(cè)向系統(tǒng)的測(cè)頻支路也采用數(shù)字化之后，多波束測(cè)向體制相對(duì)于數(shù)字干涉儀測(cè)向體制在靈敏度上約優(yōu)5 d B。

圖6 平面螺旋天線增益仿真效果圖

3.3 動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)分析

一套電子偵察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)主要取決于接收機(jī)，多波束比幅測(cè)向與干涉儀比相測(cè)向均可以采用模擬體制接收機(jī)和數(shù)字體制接收機(jī)，通常模擬體制接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于數(shù)字體制，2種測(cè)向體制在動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)上沒有明顯的優(yōu)劣區(qū)別。

3.4 其它指標(biāo)分析

除了上述指標(biāo)之外，一套電子偵察系統(tǒng)由于安裝平臺(tái)的不同，其重量、結(jié)構(gòu)尺寸、供水和供電需求、成本也是重要指標(biāo)。在相同的靈敏度、測(cè)向精度條件下，相比多波束測(cè)向技術(shù)，干涉儀測(cè)向技術(shù)在重量、結(jié)構(gòu)尺寸、供水和供電需求方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，易于小型化，其系統(tǒng)靈敏度提升能力差于多波束測(cè)向技術(shù)。干涉儀測(cè)向技術(shù)較適于機(jī)載、彈載、星載電子偵察平臺(tái)，而多波束測(cè)向技術(shù)則適于靈敏度要求較高的陸基、艦載平臺(tái)。

4 結(jié)束語

本文闡述了多波束測(cè)向技術(shù)和干涉儀測(cè)向技術(shù)的基本原理及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)比分析了2種測(cè)向技術(shù)的測(cè)向精度、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)。通過對(duì)比分析可以看出，2種測(cè)向技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在電子偵察系統(tǒng)方案選擇時(shí)，需根據(jù)指標(biāo)、安裝平臺(tái)、成本等多個(gè)因素，進(jìn)行測(cè)向技術(shù)選擇。