任意分散布陣通信干擾機(jī)空間功率合成方法*

鞠 濤，黃高明，滿 欣

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

日益復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境促使現(xiàn)有通信干擾機(jī)向著小型化、機(jī)動(dòng)化的趨勢發(fā)展，以提升設(shè)備的機(jī)動(dòng)性和生存能力。小型化給通信干擾機(jī)帶來生存優(yōu)勢和機(jī)動(dòng)優(yōu)勢的同時(shí)，不可避免地引入了功率降低的缺陷，使其對大功率通信電臺無法形成足夠威脅?？臻g功率合成技術(shù)［1］利用多個(gè)發(fā)射單元發(fā)射相位符合特定關(guān)系的電磁波，能夠在指定方向形成高功率電磁波束，以多個(gè)干擾機(jī)為發(fā)射單元進(jìn)行空間功率合成，能夠從根本上解決設(shè)備小型化與功率不足的矛盾。

基于通信干擾機(jī)的空間功率合成已有一些研究基礎(chǔ)，文獻(xiàn)［2］提出了以多個(gè)干擾站作為“相控陣天線”基本單元構(gòu)成短波空間功率合成通信干擾系統(tǒng)的設(shè)想，并使用計(jì)算機(jī)模擬仿真了由4 個(gè)干擾站組成的直線陣列。由于規(guī)則布陣抗打擊能力差，且缺乏靈活性，文獻(xiàn)［3］進(jìn)一步分析了任意分散布陣通信干擾機(jī)空間功率合成所需的關(guān)鍵技術(shù)，但沒有給出具體實(shí)現(xiàn)方案。就空間功率合成的研究現(xiàn)狀而言，對分布式廣義天線陣［4］的研究較少，且現(xiàn)有工程應(yīng)用［5-6］多是基于密集天線陣的，各個(gè)發(fā)射單元共用信號源，在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)整體，不具備獨(dú)立運(yùn)行的能力。采用傳統(tǒng)共源方法對通信干擾機(jī)進(jìn)行功率合成顯然違背了設(shè)備小型化的初衷，本文提出了一種任意分散布陣通信干擾機(jī)空間功率合成方法，能夠?qū)Χ鄠€(gè)結(jié)構(gòu)獨(dú)立的通信干擾機(jī)進(jìn)行空間功率合成，使得各個(gè)干擾機(jī)既能單獨(dú)遂行作戰(zhàn)任務(wù)，也能通過空間功率合成協(xié)同干擾大功率通信電臺，在保留小型化通信干擾機(jī)機(jī)動(dòng)優(yōu)勢和生存優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，克服了其功率不足的弊端。

在本文所提的合成方法中，對任意分散布陣通信干擾機(jī)進(jìn)行空間功率合成需要預(yù)先對各干擾機(jī)進(jìn)行時(shí)鐘同步，并根據(jù)干擾機(jī)和干擾目標(biāo)的位置信息計(jì)算出時(shí)間補(bǔ)償和相位補(bǔ)償。文章定量分析了時(shí)鐘同步誤差、定位誤差和導(dǎo)向誤差對功率合成效率的影響，給出了功率合成效率為0.8 時(shí)系統(tǒng)對于相位同步精度、定位精度和導(dǎo)向精度的要求。

1 任意分散布陣通信干擾機(jī)空間功率合成原理

如圖1 所示，多個(gè)干擾機(jī)對同一目標(biāo)發(fā)起干擾，發(fā)送的干擾信號均為：

將干擾機(jī)視為稀布陣列的陣元，假設(shè)各干擾機(jī)在目標(biāo)處的場強(qiáng)極化方向?qū)?zhǔn)，根據(jù)場強(qiáng)疊加原理，該陣列在目標(biāo)處產(chǎn)生的合成場強(qiáng)度為：

其中，j（t）為各干擾機(jī)發(fā)出的干擾信號，J（t）為基帶信號，fc為信號的載波頻率，N 為參與合成的干擾機(jī)數(shù)目，hi為各信道的幅度增益，主要由自由空間傳播損耗決定為各信號的到達(dá)時(shí)延，由發(fā)射時(shí)延和傳播時(shí)延共同組成，θi為各信號的到達(dá)相位，由初始相位和傳播相移共同組成。

圖1 任意分散布陣干擾機(jī)空間功率合成示意圖

對場強(qiáng)的平方求時(shí)間平均，可以得到合成信號場的功率為：

對到達(dá)時(shí)間和到達(dá)相位的控制存在誤差時(shí)，實(shí)際合成功率小于Pmax，定義空間功率合成效率η 為實(shí)際合成功率與最大合成功率的比值：

2 任意分散布陣通信干擾機(jī)空間功率合成方法

對于基于密集天線陣的傳統(tǒng)空間功率合成而言，各發(fā)射單元共用信號源，在發(fā)射時(shí)間和發(fā)射相位上能夠保持高度一致，只需使用移相器補(bǔ)償信號的傳播相移，就能在目標(biāo)方向形成高功率波束。在任意分散布陣的情形下，各單元難以在發(fā)射時(shí)間上保持精確一致，此外，發(fā)射單元的本地時(shí)鐘不是精確同步的，造成各信號的載波頻率和初始相位存在模糊［7］，因此，需要額外的協(xié)同措施解決時(shí)鐘同步和發(fā)射時(shí)間同步的問題。

本方法通過發(fā)送參考載波和觸發(fā)信號［8］實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步和發(fā)射時(shí)間同步。指定某一干擾機(jī)為主干擾機(jī)，其余干擾機(jī)為從干擾機(jī)，在實(shí)施干擾前，主干擾機(jī)向從干擾機(jī)發(fā)射參考載波，從干擾機(jī)使用鎖相環(huán)［9］鎖定相應(yīng)的參考載波實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，時(shí)鐘同步建立之后，主干擾機(jī)發(fā)射觸發(fā)信號，觸發(fā)各干擾機(jī)開始產(chǎn)生干擾信號。

應(yīng)當(dāng)注意，在上述同步過程中，從干擾機(jī)通過鎖相環(huán)鎖定的載波在頻率上與主干擾機(jī)保持一致，在相位上等于主干擾機(jī)的載波相位加上主干擾機(jī)到從干擾機(jī)的傳播相移，從干擾機(jī)接收到觸發(fā)信號的時(shí)間等于主干擾機(jī)發(fā)射觸發(fā)信號的時(shí)間加上主干擾到從干擾機(jī)的傳播時(shí)延。此外，在后續(xù)干擾信號的發(fā)射過程中，各干擾信號到目標(biāo)的傳播相移和傳播時(shí)延各不相同。為使各干擾信號在目標(biāo)處的到達(dá)時(shí)間和到達(dá)相位保持一致，需要同時(shí)對同步過程和發(fā)射過程的傳播相移及傳播時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償，該補(bǔ)償可以通過干擾機(jī)和目標(biāo)的位置信息計(jì)算得出。

根據(jù)本方法的構(gòu)想，干擾機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，干擾信息預(yù)先存儲(chǔ)在各干擾機(jī)中，以確保干擾信號基帶波形的一致性。在產(chǎn)生干擾信號前，各干擾機(jī)根據(jù)接收到的參考載波進(jìn)行時(shí)鐘同步，同步建立之后，一旦接收到觸發(fā)信號，基帶干擾源讀取干擾信息開始產(chǎn)生基帶信號。延時(shí)電路和移相器分別起到時(shí)間補(bǔ)償和相位補(bǔ)償?shù)淖饔?，該補(bǔ)償需要干擾機(jī)及目標(biāo)的位置信息作為依據(jù)，下面給出時(shí)間、相位補(bǔ)償方法。

圖2 干擾機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 干擾機(jī)和目標(biāo)位置信息示意圖

2.1 時(shí)間補(bǔ)償方法

2.2 相位補(bǔ)償方法

3 合成效率分析

在實(shí)際戰(zhàn)場環(huán)境下，對Ri和的測量存在誤差，且時(shí)鐘同步過程存在相位誤差（相位同步誤差服從正態(tài)分布，誤差的大小與從干擾機(jī)接收載波信號的信噪比有關(guān)［9］），這些誤差的存在會(huì)導(dǎo)致各信號的到達(dá)時(shí)間差和到達(dá)相位差不為零，從而降低功率合成效率。本小節(jié)主要分析定位誤差、測向誤差、以及時(shí)鐘同步誤差對合成效率的影響，探究任意分散布陣空間功率合成方法對于定位精度、測向精度、時(shí)鐘同步精度的要求。

3.1 仿真方法

3.2 仿真結(jié)果與分析

從4（a）～4（c）3 幅仿真圖可以直觀地看到，合成效率隨各項(xiàng)誤差標(biāo)準(zhǔn)差增大而迅速減小，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差到達(dá)某一界限時(shí)，功率合成效率趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)檎`差標(biāo)準(zhǔn)差的大小實(shí)質(zhì)上反映了系統(tǒng)對到達(dá)相位差的控制精度。標(biāo)準(zhǔn)差越大，控制精度越差，合成效率越低，隨著各項(xiàng)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差超出一定范圍，各信號的到達(dá)相位將在［0，2π］區(qū)間趨于均勻分布，此時(shí)合成效率趨于下限。此外，功率合成效率的下限為1/N，干擾機(jī)數(shù)量越多，功率合成效率的下限值越低，這是因?yàn)镹 個(gè)具有單位功率的信號最大合成功率為N2，而在到達(dá)相位均勻隨機(jī)分布的情況下平均合成功率僅為N。從圖4（d）可以看出干擾機(jī)群的分布半徑越大，功率合成效率隨σφ增加而下降越快，這是因?yàn)閺母蓴_機(jī)到主干擾機(jī)的距離越長，相同測向誤差導(dǎo)致的到達(dá)相位差越大。

圖4 單項(xiàng)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差與合成效率的關(guān)系

4 結(jié)論

本文提出了一種任意分散布陣通信干擾機(jī)空間功率合成方法，以無線的方式發(fā)送載波信號和觸發(fā)信號控制各單元的初始相位和發(fā)射時(shí)間，根據(jù)干擾機(jī)和目標(biāo)的位置信息計(jì)算出時(shí)間補(bǔ)償和相位補(bǔ)償，使各單元發(fā)出的信號在目標(biāo)處的到達(dá)時(shí)間和到達(dá)相位保持一致。該方法能夠在不破壞各干擾機(jī)結(jié)構(gòu)的完整性和獨(dú)立性的前提下進(jìn)行空間功率合成，且不受地形的影響，可以隨意布陣，靈活性極強(qiáng)。文章著重分析了相位同步誤差、定位誤差和測向誤差對功率合成效率的影響，得到結(jié)論如下：

1）系統(tǒng)的平均合成效率隨各項(xiàng)誤差標(biāo)準(zhǔn)差的增加迅速減小，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差超出一定界限時(shí)，平均合成效率趨于最小值。實(shí)際運(yùn)用中，可以根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)需求選取自定位方法（例如激光測距、衛(wèi)星定位）和輻射源定位方法獲取干擾機(jī)及目標(biāo)的位置信息，但相應(yīng)的精度必須控制在一定限度之內(nèi)。（精度控制要求可參考3.2 節(jié)的仿真結(jié)果）

2）系統(tǒng)的分布半徑越大，對測向精度的要求越高，實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)選取靠近干擾機(jī)群幾何中心的干擾機(jī)作為主干擾機(jī)，以縮小分布半徑。

3）較高平均合成效率對應(yīng)的誤差水平下，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較高合成效率的概率較大，若偶爾出現(xiàn)合成效率較低導(dǎo)致干擾效果不理想的情況，可更新位置信息并重新建立同步再次干擾。