非均勻共形天線陣多基線聯(lián)合測角及最優(yōu)布陣設(shè)計

殷 飛 吳一龍 吳 迪

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

非接觸性攻擊成為了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要作戰(zhàn)方式，精確打擊能力將主導(dǎo)作戰(zhàn)進(jìn)程。精確打擊能力很大程度上是以偵察和識別能力為條件的，在精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)中各類體制的雷達(dá)起著十分重要的作用。作為雷達(dá)對抗的主要技術(shù)手段之一，反輻射導(dǎo)彈是一種先進(jìn)的硬殺傷武器，可對敵有效實施防空壓制、反艦、空中打擊，已成為各國優(yōu)先發(fā)展的信息戰(zhàn)進(jìn)攻武器[1-4]。因此，大力發(fā)展反輻射導(dǎo)彈對于奪取制空權(quán)、制海權(quán)，繼而真正達(dá)到制信息權(quán)是至關(guān)重要的。

傳統(tǒng)的單模反輻射導(dǎo)彈易受雷達(dá)關(guān)機(jī)、誘餌等問題的困擾，無法有效完成防空壓制任務(wù)。主被動復(fù)合反輻射導(dǎo)彈通過融合主被動雷達(dá)探測到的信息能有效實現(xiàn)抗雷達(dá)關(guān)機(jī)和抗誘餌[5-6]。由于主被動復(fù)合反輻射導(dǎo)彈口徑有限，被動雷達(dá)天線需要采用共形設(shè)計，以給主動雷達(dá)留出足夠空間，確保其探測性能。而基于被動共形天線陣的方位俯仰二維測角是主被動復(fù)合反輻射制導(dǎo)技術(shù)中的難點。

已有的被動共形天線陣都是采用簡單的均勻共形布陣設(shè)計，為實現(xiàn)性能指標(biāo)，典型配置通常需要8個天線單元，相應(yīng)需要8個接收通道和較高信號處理硬件要求，不能滿足軍方最新提出的反輻射導(dǎo)彈主被動復(fù)合雷達(dá)導(dǎo)引頭小型化、低成本和低功耗的要求。

常用的均勻共形布陣方式對被動兩維測角來說并非是最優(yōu)布陣方式，布局合理的非均勻布陣方式能更大程度地利用被動天線單元的測角效能，具備在更少的天線單元數(shù)量的條件下達(dá)到和簡單均勻共形布陣相當(dāng)?shù)臏y角能力的潛力。更少的天線單元對應(yīng)更少的接收通道個數(shù)，更少的AD采樣路數(shù)，并能降低對信號處理硬件的要求，實現(xiàn)小型化、低成本和低功耗的目標(biāo)。

針對非均勻布陣情況，本文首先將只能完成一維測角的傳統(tǒng)干涉儀推廣為能完成方位俯仰二維測角的雙基線聯(lián)合干涉儀；其次，提出了多基線聯(lián)合解模糊算法以解決測角模糊問題；最后，提出了一種非均勻最優(yōu)布陣評價準(zhǔn)則和最優(yōu)布陣選擇方法，通過基于超算并行平臺的仿真實驗驗證了所提方法的有效性。

本文第1節(jié)對典型寬帶共形天線陣被動探測系統(tǒng)做了簡述。第2節(jié)詳述了所提出的非均勻共形天線多基線聯(lián)合測角方法。第3節(jié)提出了非均勻最優(yōu)共形布陣設(shè)計方法和并行計算實現(xiàn)方法。第4節(jié)給出了實驗結(jié)果及分析。最后，對本文研究內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)。

1 典型寬帶共形天線陣被動探測系統(tǒng)簡述

典型寬帶共形天線陣被動探測系統(tǒng)工作頻率范圍為2～18GHz，整個被動接收天線系統(tǒng)主要包含共形超寬帶輻射陣面、射頻前端模塊、超寬帶數(shù)字接收機(jī)以及框架結(jié)構(gòu)等部分，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 典型共形超寬帶天線系統(tǒng)組成框圖

典型天線陣面由8個輻射單元等間隔均勻分布于彈體表面，如圖2所示。寬帶天線陣在接收狀態(tài)工作時，8個單元可分別接收來自空間的信號，隨后將接收到的各路單元信號分別輸出至8個獨立的接收通道，各接收通道再分別經(jīng)過下變頻與AD采樣后送入數(shù)字信號處理器，最終在數(shù)字域中進(jìn)行方位俯仰二維測角。

圖2 典型寬帶共形天線陣面分布示意圖

2 非均勻共形天線陣多基線聯(lián)合測角

第1節(jié)介紹的典型寬帶共形天線陣被動探測系統(tǒng)采用被動天線均勻布陣的方式，這種共形布陣方式對被動兩維測角來說并非是最優(yōu)布陣方式，布局合理的非均勻布陣方式能更大程度地利用被動天線單元的測角效能，具備在更少的天線單元數(shù)量的條件下達(dá)到和均勻共形布陣相當(dāng)?shù)臏y角能力的潛力，并有助于實現(xiàn)小型化、低成本和低功耗的目標(biāo)。

本節(jié)針對非均勻共形天線布陣的情況，開展方位俯仰二維測角方法研究。首先將傳統(tǒng)干涉儀推廣為雙基線聯(lián)合干涉儀，以實現(xiàn)方位俯仰二維測角；其次，提出多基線聯(lián)合解模糊方法完成二維測角解模糊。

2.1 雙基線聯(lián)合干涉儀

傳統(tǒng)干涉儀能夠測量低仰角情況下輻射源的方位角，但在反輻射導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、衛(wèi)星電子偵察等應(yīng)用中，需要同時測量輻射源在水平面內(nèi)的方位角和垂直面內(nèi)的俯仰角。傳統(tǒng)干涉儀無法完成輻射源方位俯仰二維測角，本節(jié)將傳統(tǒng)干涉儀推廣為雙基線聯(lián)合干涉儀，使其能夠完成對輻射源的方位俯仰二維測角。

雙基線聯(lián)合干涉儀由兩個處于不同方向上的兩個傳統(tǒng)單基線干涉儀組成。雙基線聯(lián)合干涉儀的一個基本模型如圖3所示，雙基線聯(lián)合干涉儀由OA方向和OB方向上的兩個單基線干涉儀組成，基線OA和OB相互垂直，設(shè)其基線長度分別是lA和lB。圖中xoy面表示水平面，z軸垂直于xoy面，設(shè)S是輻射源入射方向上某點。首先，沿S分別做垂直于xoy面和xoz面的垂線SP和SQ。然后分別沿P和Q做垂直與基線OA和OB的線段PR和QT。因此，∠SPO,∠SQO,∠ORP和∠OTQ都是直角。此外，由三垂線定理可知∠ORS和∠OTS也是直角。

圖3 雙基線聯(lián)合干涉儀原理圖

設(shè)來波的方位角和俯仰角分別為α和β，來波方向與基線OA和OB的夾角分別為θa和θb。來波在基線OA上的相位差為φa，在基線OB上的相位差為φb?；趩位€干涉儀原理可得

(1)

(2)

從圖3中的幾何關(guān)系可得

(3)

(4)

將式(3)和式(4)分別代入式(1)和式(2)可得

(5)

(6)

因此，在鑒相器得到兩條基線上的相位差φa和φb后，通過求解上述二元方程即可得到來波方位角α和俯仰角β，由此便可完成方位俯仰二維測角。

2.2 多基線聯(lián)合解模糊

從基本干涉儀原理可知，在基線長度一定的情況下，如輻射源頻率較高便會出現(xiàn)測角模糊，即通過干涉儀測角會得到幾個可能的測角結(jié)果。已有文獻(xiàn)提出過多種解模糊算法[7-9]，但都有特殊條件限制，不適用于被動非均勻共形天線陣二維測角解模糊。因此，本節(jié)提出一種新的多基線聯(lián)合的方法來完成非均勻共形天線陣二維測角解模糊。

一個5單元非均勻共形天線陣如圖4所示，每一對基線可以按照2.1節(jié)的方法求得一個二維模糊角集合。設(shè)有n對基線，則可得n個模糊角集合S1,S2,…,Sn。

圖4 多基線聯(lián)合解模糊示意圖

定義點s與點集Si的距離為式(7)。

(7)

其中，Sij表示點集Si的第j個元素，|Si|表示Si中的元素個數(shù)，‖·‖2表示歐幾里得范數(shù)。

那么無模糊的方位俯仰角s*就是距所有模糊角集合最近的那個點，可以通過式(8)求出。

(8)

多基線聯(lián)合解模糊算法如表1所示。

表1 多基線聯(lián)合解模糊算法

3 非均勻最優(yōu)共形布陣設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 非均勻最優(yōu)共形布陣設(shè)計

第2節(jié)針對非均勻共形天線陣，提出了多基線聯(lián)合測角及解模糊方法。本節(jié)基于第2節(jié)提出的多基線聯(lián)合測角方法，提出一種非均勻共形天線陣最優(yōu)布陣設(shè)計方法，以達(dá)到在設(shè)定的天線單元個數(shù)下實現(xiàn)最高測角精度。

首先提出如下的布陣性能評價準(zhǔn)則為

其中，array表示某種天線布陣方式，MBCM(array)表示在該天線布陣下的多基線聯(lián)合測角方法(Multi-Baseline Combination Method) ，angle_range表示被動雷達(dá)瞬時測角范圍，error(A,B)表示測角方法A在角度方向B上的測角誤差。布陣性能評價函數(shù)f(array)刻畫了天線布陣方式array在被動雷達(dá)瞬時測角范圍內(nèi)的總測角誤差。

因此，本文提出如下的優(yōu)化問題來求解最優(yōu)的天線布陣為

上述優(yōu)化問題能夠找出能使總測角誤差最小的天線布陣形式array*。非均勻最優(yōu)共形布陣設(shè)計算法如表2所示。

表2 非均勻最優(yōu)共形布陣設(shè)計算法

3.2 非均勻最優(yōu)共形布陣設(shè)計算法并行實現(xiàn)方法

由于第3.1節(jié)提出的非均勻最優(yōu)共形布陣設(shè)計算法計算復(fù)雜度很高，單核串行計算效率低，做一次布陣優(yōu)化計算時間過長，本文通過對所提算法進(jìn)行并行化實現(xiàn)，以在有效時間內(nèi)得到最優(yōu)布陣設(shè)計。

本文提出的并行布陣優(yōu)化架構(gòu)如圖5所示。首先，將最優(yōu)共形布陣優(yōu)化問題進(jìn)行可并行任務(wù)劃分，結(jié)合可使用的并行節(jié)點數(shù)量，本文將原問題劃分為75個可并行處理的子問題，分配給75個處理節(jié)點進(jìn)行并行優(yōu)化計算。利用第76個處理節(jié)點對前75個節(jié)點的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行收集整合，并綜合計算出非均勻最優(yōu)共形布陣問題的最優(yōu)解，作為最優(yōu)布陣輸出。

圖5 非均勻最優(yōu)共形布陣設(shè)計算法并行化實現(xiàn)方法

4 實驗結(jié)果及分析

為驗證非均勻共形天線陣多基線聯(lián)合測角及最優(yōu)布陣設(shè)計方法的性能，開展了仿真試驗驗證。針對160mm口徑尋找最優(yōu)5單元非均勻共形天線陣問題，仿真試驗采用超級計算機(jī)提供的并行計算平臺，其中75個計算節(jié)點用來并行進(jìn)行布陣設(shè)計子問題優(yōu)化計算，第76個節(jié)點用來進(jìn)行結(jié)果收集整理和最優(yōu)布陣計算輸出。

仿真得到的5單元最優(yōu)非均勻共形天線布陣結(jié)果如圖6所示。

圖6 5單元非均勻共形天線最優(yōu)布陣

基于該最優(yōu)布陣，使用本文提出的非均勻共形天線陣多基線聯(lián)合測角算法分別計算了對2GHz、4GHz、6GHz、8GHz、10GHz、12GHz、14GHz、16GHz、18GHz等典型頻點目標(biāo)的測角范圍和測角精度，結(jié)果如表3所示。

表3 5單元非均勻共形天線最優(yōu)布陣下各典型頻點上的測角范圍和測角精度

從試驗結(jié)果可以看出：

1)非均勻共形天線陣多基線聯(lián)合測角方法隨著輻射源頻率增加，測角精度提高，與基線波長比越大測角精度越高的基本原理一致。

2)所提算法在2～18GHz全頻段范圍內(nèi)的測角范圍能夠覆蓋方位/俯仰±20°。

3)5單元最優(yōu)非均勻共形天線布陣在2GHz～4GHz頻段的測角精度優(yōu)于1.5°，在4GHz～10GHz頻段的測角精度優(yōu)于1°，在10GHz～18GHz頻段的測角精度優(yōu)于0.5°，該測角精度水平能夠滿足典型使用要求。

5 結(jié)束語

針對主被動復(fù)合反輻射制導(dǎo)中的被動非均勻共形天線陣方位俯仰二維測角問題，本文首先將只能完成一維測角的傳統(tǒng)干涉儀推廣為能完成方位俯仰二維測角的雙基線聯(lián)合干涉儀；其次，提出了多基線聯(lián)合解模糊算法以解決測角模糊問題；最后，提出了一種非均勻最優(yōu)布陣設(shè)計算法和該算法的并行實現(xiàn)方法。通過基于超算提供的并行計算平臺的仿真實驗驗證了所提方法的可行性和有效性，為反輻射制導(dǎo)裝備研制中實現(xiàn)更少的天線單元、更少的接收通道、更少的AD采樣路數(shù)、可降低對信號處理硬件的要求，實現(xiàn)小型化、低成本和低功耗的目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。