多波束比幅測(cè)向波束交疊與測(cè)向精度的研究

李 磊，寧 勇，李麒鵬，靳 東，孫海浪

（中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，電子對(duì)抗的作用和地位越來(lái)越重要，對(duì)測(cè)向系統(tǒng)的性能要求也越來(lái)越高。單脈沖無(wú)源測(cè)向精度是電子偵察技術(shù)中置信度最高的關(guān)鍵指標(biāo)之一，直接影響對(duì)目標(biāo)方位信息的判斷，目標(biāo)的方位信息是信號(hào)分選、引導(dǎo)干擾和輻射源定位等功能的重要參數(shù)。當(dāng)前常用的單脈沖測(cè)向方法有比幅測(cè)向法、干涉儀測(cè)向法和比幅比相測(cè)向法[1]。

干涉儀測(cè)向法具有測(cè)向精度高、體積質(zhì)量小與成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是單基線(xiàn)干涉儀存在相位模糊問(wèn)題，需要多個(gè)基線(xiàn)組合解模糊，對(duì)各通道間的相位一致性要求較高[2]，同時(shí)要求布陣的天線(xiàn)之間空域共視。比幅比相測(cè)向法具有測(cè)向精度較高、體積小與成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是與干涉儀測(cè)向類(lèi)似,該方法要求布陣天線(xiàn)之間空域共視，這樣就會(huì)凸顯天線(xiàn)增益與覆蓋空域的矛盾。相較于干涉儀測(cè)向與比幅比相測(cè)向，在相同覆蓋空域條件下，比幅測(cè)向法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)比幅測(cè)向法能夠大幅提高天線(xiàn)增益，從而提高探測(cè)距離，具備超視距偵察能力，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾（多徑效應(yīng)）能力和多波束同時(shí)處理能力。通過(guò)分析干涉儀測(cè)向與比幅測(cè)向方法的最優(yōu)測(cè)向精度，推導(dǎo)出2種測(cè)向精度的對(duì)比結(jié)果，當(dāng)無(wú)合成損耗、天線(xiàn)數(shù)目大于等于8時(shí)，單脈沖比幅最高測(cè)向精度優(yōu)于干涉儀最高測(cè)向精度[3]。因此對(duì)多波束比幅測(cè)向的波束交疊與測(cè)向精度的技術(shù)研究有著重要意義。

常規(guī)比幅測(cè)向法需要對(duì)天線(xiàn)加工畸變、機(jī)械安裝誤差、波束增益不一致性、波束法向偏差以及波束寬度變化等進(jìn)行校正[4]，大幅增加系統(tǒng)校正工作量，同時(shí)不利于后期維護(hù)與升級(jí)。所以本文提出天線(xiàn)單元組陣后，單獨(dú)對(duì)天線(xiàn)陣所有通道進(jìn)行天線(xiàn)方向圖測(cè)量，單獨(dú)對(duì)所有微波前端與變頻通道完成幅度校正。利用通道與相鄰?fù)ǖ缹?shí)測(cè)方向圖差值生成比幅測(cè)向表并加載到數(shù)字信號(hào)處理中，數(shù)字信號(hào)處理根據(jù)偵測(cè)數(shù)據(jù)中通道間幅度差值進(jìn)行比幅測(cè)向查表，進(jìn)而得到單脈沖比幅測(cè)向信息。

1 系統(tǒng)組成分析

比幅測(cè)向體制適應(yīng)于拋物面、羅特曼透鏡、喇叭、平螺與DBF陣列等天線(xiàn)類(lèi)型，天線(xiàn)單元組陣后，利用自動(dòng)測(cè)試設(shè)備控制轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)天線(xiàn)陣所有通道進(jìn)行天線(xiàn)方向圖測(cè)量。由于各個(gè)微波通道相對(duì)獨(dú)立，利用微波前端中設(shè)計(jì)的自檢源同時(shí)對(duì)微波前端與變頻通道完成幅度校正。利用當(dāng)前通道與左右相鄰?fù)ǖ罍y(cè)量的方向圖差值，生成比幅測(cè)向表并加載到數(shù)字信號(hào)處理中，數(shù)字信號(hào)處理根據(jù)偵測(cè)數(shù)據(jù)中通道間幅度差值進(jìn)行比幅測(cè)向查表，進(jìn)而得到單脈沖比幅測(cè)向信息。從而避免天線(xiàn)加工畸變、機(jī)械安裝誤差、天線(xiàn)通道之間不一致性、波束法向偏差以及波束寬度變化、波束左右對(duì)稱(chēng)性差等對(duì)測(cè)向精度的影響。

所以本方案影響測(cè)向精度的因素主要有系統(tǒng)噪聲、天線(xiàn)第一交叉點(diǎn)位置、幅度測(cè)量精度、微波前端與變頻通道校正后一致性精度、天線(xiàn)方向圖測(cè)量精度、波束寬度等。多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)組成

2 多波束比幅測(cè)向原理

假設(shè)各天線(xiàn)按照3 dB波束寬度交疊（即波束交疊系數(shù)D=3），天線(xiàn)3 d B波束寬度均為θ3dB，第N個(gè)天線(xiàn)法線(xiàn)指向θM，信號(hào)入射的方位角θ處于第N個(gè)天線(xiàn)3 d B波束寬度內(nèi)。同時(shí)假設(shè)天線(xiàn)的方向圖在偏離軸線(xiàn)±θ3dB的角度范圍內(nèi)為是高斯型分布，天線(xiàn)陣方向圖如圖2所示。第N個(gè)天線(xiàn)頂點(diǎn)增益為Gmax，入射信號(hào)幅度為Ar,則第N個(gè)天線(xiàn)接收信號(hào)為：

圖2 多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)方向圖

當(dāng)信號(hào)入射的方位角θ偏移第N個(gè)天線(xiàn)法線(xiàn)指向θ3dB/2，即信號(hào)入射角在波束3 dB交疊處時(shí)，

根據(jù)波束交疊系數(shù)D=3的波束方向圖，提取第N個(gè)天線(xiàn)方向圖數(shù)據(jù)，分別于N-1和N+1天線(xiàn)方向圖數(shù)據(jù)相減，得到波束N的比幅測(cè)向表數(shù)據(jù)如圖3所示，信號(hào)入射的方位角θ取值范圍為θM±2θ3dB。比幅測(cè)向表斜率計(jì)算公式為：

圖3 多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)測(cè)向表

第N個(gè)天線(xiàn)與第N-1個(gè)天線(xiàn)方向圖相減：

第N個(gè)天線(xiàn)與第N-1個(gè)天線(xiàn)方向圖相減，比幅測(cè)向表左的斜率公式描述為：

同理，第N個(gè)天線(xiàn)與第N+1個(gè)天線(xiàn)方向圖相減，比幅測(cè)向表右的斜率公式描述為：

根據(jù)多波束數(shù)字信道化檢測(cè)結(jié)果，形成波束N脈沖信號(hào)的全脈沖信息，同時(shí)單脈沖引導(dǎo)N-1與N+1波束進(jìn)行幅度測(cè)量，計(jì)算出單脈沖信號(hào)在波束N與波束N-1或者波束N+1的幅度差，利用幅度差查找對(duì)應(yīng)的比幅測(cè)向表，得到單脈沖入射信號(hào)測(cè)向結(jié)果。

3 多波束比幅測(cè)向精度的影響因素

本文提出測(cè)量組陣后天線(xiàn)陣單元的各個(gè)波束方向圖，獨(dú)立對(duì)微波前端與變頻通道進(jìn)行幅度校正，從而解決常規(guī)比幅測(cè)向方法帶來(lái)的問(wèn)題。所以在本文所述多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)中，影響多波束比幅測(cè)向精度的因素主要有波束第一交叉點(diǎn)位置、天線(xiàn)通道之間不一致性、數(shù)字測(cè)幅精度、微波通道校正后通道一致性精度、天線(xiàn)方向圖測(cè)量精度、波束寬度一致性精度、波束法向偏差等，同時(shí)系統(tǒng)噪聲也會(huì)不可避免地影響測(cè)幅精度。

波束第一交叉點(diǎn)位置、天線(xiàn)通道之間不一致性、波束寬度一致性精度、波束法向偏差會(huì)影響比幅測(cè)向系統(tǒng)的波束交疊位置（即波束交疊系數(shù)）。波束交疊系數(shù)直接決定比幅測(cè)向系統(tǒng)的比幅測(cè)向表斜率，進(jìn)而影響多波束測(cè)向精度。系統(tǒng)噪聲、數(shù)字測(cè)幅精度、微波通道校正后通道一致性精度、天線(xiàn)方向圖測(cè)量精度會(huì)影響多波束數(shù)字信道化檢測(cè)結(jié)果中幅度參數(shù)的測(cè)量精度，比幅測(cè)向表斜率（即波束交疊系數(shù)）一定的前提下，系統(tǒng)幅度測(cè)量精度直接影響多波束比幅測(cè)向精度。因此，下文著重研究比幅測(cè)向表斜率（即波束交疊系數(shù)）與系統(tǒng)幅度參數(shù)測(cè)量精度對(duì)測(cè)向精度的影響。

4 比幅測(cè)向表斜率提取

波束寬度、波束增益與波束法向的不一致都會(huì)導(dǎo)致按照3 dB交疊設(shè)計(jì)的天線(xiàn)陣，實(shí)際未按照3 dB交疊。同時(shí)不同頻段的波束寬度也有差別，因此不能確保所有頻段的波束第一交叉點(diǎn)都按3 dB交疊。上述因素直接影響比幅測(cè)向表的斜率，進(jìn)而影響比幅測(cè)向精度。著重研究波束交叉點(diǎn)位置與比幅測(cè)向表斜率的關(guān)系，進(jìn)一步仿真相同測(cè)幅精度時(shí)，不同比幅測(cè)向表斜率與比幅測(cè)向精度之間的關(guān)系。

當(dāng)相鄰波束在波束寬度為θDdB處交疊時(shí)（波束寬度在D dB處交疊，D為波束交疊系數(shù)），信號(hào)入射交疊點(diǎn)的方位角θ偏移第N個(gè)天線(xiàn)法線(xiàn)指向θDdB/2。

第N個(gè)天線(xiàn)與第N－1個(gè)天線(xiàn)方向圖相減，比幅測(cè)向表左的斜率公式描述如下：

當(dāng)D=3與D=2時(shí)，天線(xiàn)方向圖與比幅測(cè)向表對(duì)比如圖4、圖5所示。

圖4 D=3與D=2多波束天線(xiàn)方向圖

圖5 D=3與D=2多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)測(cè)向表

5 系統(tǒng)幅度參數(shù)測(cè)量精度分析與波束交疊系數(shù)的選擇范圍

本節(jié)著重研究影響多波束檢測(cè)結(jié)果中幅度測(cè)量精度的因素，以及按照工程實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定系統(tǒng)幅度測(cè)量誤差。按照工程實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)字測(cè)幅測(cè)量最大誤差ΔMDA=2 dB、微波通道校正后通道一致性最大誤差ΔMCC=2 d B、天線(xiàn)方向圖測(cè)量最大誤差ΔMAP=3 d B。根據(jù)最大誤差產(chǎn)生按照高斯分布的隨機(jī)誤差值ΔDA、ΔCC、ΔAP，計(jì)算上述3個(gè)影響因素疊加后的幅度測(cè)量誤差為：

結(jié)果表明，系統(tǒng)幅度測(cè)量誤差σSA=1.210 7 d B（rms）。

波束交疊系數(shù)與測(cè)角精度仿真結(jié)果如圖6所示。假設(shè)比幅測(cè)向精度需要達(dá)到波束寬度的1/12（0.083 3），波束交疊系數(shù)D取值應(yīng)該不小于1.1。假設(shè)比幅測(cè)向精度需要達(dá)到波束寬度的1/15（0.066 7），波束交疊系數(shù)D取值應(yīng)該不小于1.75。

圖6 波束交疊系數(shù)與測(cè)角精度仿真結(jié)果

波束交疊系數(shù)越大測(cè)角精度越高，但是隨著波束交疊系數(shù)的增大，造成比幅測(cè)向表斜率增大，天線(xiàn)左右比幅測(cè)向表交差點(diǎn)位置的幅度差值增大（不能大于數(shù)字測(cè)幅增益）。按照工程經(jīng)驗(yàn)，瞬時(shí)帶寬1 GHz時(shí)，數(shù)字測(cè)幅增益按照10 dB計(jì)算，中頻輸入信噪比1 dB考核測(cè)角精度指標(biāo)。所以，天線(xiàn)左右比幅測(cè)向表交差點(diǎn)位置幅度差值不能大于16 dB，進(jìn)而推斷出波束交疊系數(shù)D≤4。D=1.1與D=4時(shí)，比幅測(cè)向表曲線(xiàn)對(duì)比如圖7-8所示。

圖7 D=1.1與D=4多波束天線(xiàn)方向圖

6 結(jié)束語(yǔ)

采用測(cè)量天線(xiàn)陣各個(gè)通道方向圖，利用自檢源對(duì)微波前端與變頻通道進(jìn)行幅度校正，計(jì)算當(dāng)前通道與左右相鄰?fù)ǖ婪较驁D差值提取比幅測(cè)向表，對(duì)數(shù)字測(cè)幅結(jié)果計(jì)算通道間幅度差值進(jìn)行查表測(cè)向，可以避免天線(xiàn)加工畸變、機(jī)械安裝誤差、天線(xiàn)通道之間不一致性、波束法向偏差以及波束寬度變化、波束左右對(duì)稱(chēng)性差等對(duì)比幅測(cè)向精度的影響，進(jìn)而確定系統(tǒng)的比幅測(cè)向精度只與輸入信號(hào)信噪比、系統(tǒng)幅度測(cè)量誤差與波束交疊系數(shù)相關(guān)。約束系統(tǒng)幅度測(cè)量誤差不大于1.210 7 d B（rms）、瞬時(shí)帶寬為1 GHz、數(shù)字測(cè)幅增益為10 dB、中頻輸入信噪比為1 dB時(shí)，波束交疊系數(shù)1.1≤D≤4，比幅測(cè)向精度優(yōu)于3 d B波束寬度的1/12；波束交疊系數(shù)1.75≤D≤4，比幅測(cè)向精度優(yōu)于3 dB波束寬度的1/15。

圖8 D=1.1與D=4多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)測(cè)向表