天線相位誤差對干涉儀測向影響研究

黨浩淮，陳役濤，周國永

（南京科瑞達電子裝備有限責任公司，江蘇南京 211100）

0 引言

在現(xiàn)代化電子戰(zhàn)中，干涉儀測向法因其精度高、可靠性高等特點而被廣泛應用。它是一種多天線通道測向技術，一般采用長短基線法、參差基線法、虛擬基線法等不同算法進行解算，不同的解算方法均面臨相同的問題，即天線陣列相位一致性對測向結果的影響。

文獻［1］闡述虛擬基線逐級解模糊方法的基線配置相關問題，但并未對天線相位誤差相關問題產(chǎn)生的影響進行研究。文獻［2］研究了天線布陣與測向精度之間的關系，但對天線相位誤差帶來的影響分析較少，未能反映天線相位誤差對干涉儀測向的影響。

本文針對相同基線配置情況下不同天線布陣的情況，采用文獻［3］中的干涉儀測向方法對天線相位誤差的影響進行分析，并根據(jù)分析結果改進布陣方式。仿真及試驗結果表明，不同的布陣方式帶來不同的測向解算結果，該方法能夠為工程應用提供指導。

1 干涉儀測向原理

干涉儀測向原理如圖1所示，以三基線干涉儀測向為例對干涉儀測向系統(tǒng)原理進行說明。

圖1 干涉儀測向系統(tǒng)原理框圖

不同天線組成干涉儀陣列，采用虛擬基線逐級解模糊的方式進行相位差的逐級解算，最終解算出最長基線的相位差。

基線d1的無模糊相位差為：

根據(jù)干涉儀測向過程中逐級解模糊的原理，可知基線（d1+d2）的無模糊相位差為：

最長基線（d1+d2+d3）的無模糊相位差為：

由最長基線的相位差可求出最終角度值為：

為了能夠在逐級解算的過程中不產(chǎn)生模糊，需滿足以下條件：

采用比相法對信號角度進行測量，要求各天線之間的相位差需準確可靠，若天線相位誤差較大，即無法滿足式（5）中的條件，則會導致測向解算過程中模糊區(qū)解算錯誤，最終導致測向解算結果錯誤。

2 測向天線相位誤差分析

測向天線是電子對抗系統(tǒng)中電磁場能量的探測器，是接收威脅目標信號過程中的重要一環(huán)。它能夠把空間中傳播的電磁輻射接收下來，同時將幅度、相位等相關信息轉換為交流電信號，饋送給接收機進行下一步處理。由第1節(jié)可知，在干涉儀測向系統(tǒng)中，相位測量的誤差直接決定了系統(tǒng)的測向精度。因此，測向天線的天線相位測量偏差的大小會對測向精度產(chǎn)生重要的影響。

天線的相位中心也就是通常所說的電氣中心，它是一個等效的概念：天線所輻射出的電磁波在離開天線后，其等相位面會近似為一個球面，球面的球心即為該天線的等效相位中心［4］。

如圖2所示，虛線為該天線的等相位面，在離天線一定距離后，虛線近似為球形，其球心即為天線的等效相位中心。

圖2 等相位面和相位中心圖

當天線作為接收使用時，其相位中心為輻射信號的有效接收點，通過這個點電磁波能量傳輸?shù)教炀€。

理想天線存在唯一的相位中心，等相面為球面，不會因天線本身而產(chǎn)生額外的相位誤差。但實際中不可能存在這種情況，由于天線的相散，在不同的信號頻率上，甚至不同的信號方位角和俯仰角上，相位中心都不是同一個點。

在進行干涉儀測向接收系統(tǒng)的高精度測向時，其觀測量是以天線的相位中心為基準，但工程中以其幾何中心為基準來安裝，由于相位中心與幾何中心的不一致，這會給測量引入誤差。

因此，在進行干涉儀測向系統(tǒng)中，天線的相位誤差是必須要考慮的重要誤差之一。

3 相位誤差對干涉儀測向的影響分析

3.1 理論分析與推導

在干涉儀測向過程中，解算整個基線的模糊區(qū)個數(shù)（以下簡稱“解模糊”）是其中非常重要的一部分。在解模糊的過程中，天線的相位誤差是造成解模糊錯誤的“罪魁禍首”，根據(jù)文獻［3］中的論述，在解模糊的過程中需滿足相位差誤差的要求，而相位差的誤差則是天線本身的相位誤差帶來的。下文將分析每個天線的相位誤差對干涉儀解模糊的影響。天線布陣如圖3所示。

圖3 天線布陣圖

在圖3中，d1、d2、d3為天線布陣實基線，假設d1、d2、d3三者之間基線長度按照從小到大進行排列（d1＜d2＜d3）。

假設天線1的相位誤差為Δ1，其他基線符號相似，則基線d1相位差所產(chǎn)生的誤差為Δφ1=Δ2-Δ1，基線d2相位差所產(chǎn)生的誤差為Δφ2=Δ3-Δ4，基線d3相位差所產(chǎn)生的誤差為Δφ3=Δ4-Δ3。

若采用虛擬基線逐級解算的方法，則假設其第一種解算步驟為：

1）第一級實基線d1；

2）第二級實基線d1+d2；

3）第三級實基線d1+d2+d3。

第二種解算步驟為：

1）第一級實基線d3；

2）第二級實基線d2+d3；

3）第三級實基線d1+d2+d3。

現(xiàn)分別對2種不同的基線組合方式進行分析。

按照第一種解算步驟，其解模糊誤差為：

按照第二種解算步驟，其解模糊誤差為：

因每個天線誤差為正負雙向，故使用平方的形式對誤差進行加權，得到每個天線的影響因子公式。

第一種解算步驟得到天線影響因子公式為：

由式（10）和式（11）可以看出，每個天線的影響因子是不同的，在實際的工程應用中，干涉儀天線陣受周邊結構影響較大，可根據(jù)周邊結構對天線單元相位的影響，調(diào)整相應的布陣方式。

3.2 案例分析

以文獻［3］中提到的基線組合為例進行分析，即基線組合為76 mm、190 mm、209 mm，其工作頻率范圍為2～6 GHz，偵察范圍為±45°。

3.2.1 常規(guī)天線布陣相位誤差分析

常規(guī)天線布陣如圖4所示。由干涉儀測向原理及虛擬基線逐級解模糊測向原理，可知其解算步驟為：

圖4 常規(guī)天線布陣圖

1）第一級無模糊相位差虛擬基線d3-d2；

2）第二級虛擬基線d1+d2-d3；

3）第三級虛擬基線d2-d1；

4）第四級實基線d3；

5）第五級實基線d1+d2+d3。

按照3.1節(jié)中推導方法對上述步驟逐級計算其相位差誤差，得到天線影響因子公式為：

由式（12）可以看出各天線所占權重比例，其中天線3所占權重最大，若天線3相位差波動較大，例如天線3周邊存在結構件遮擋等，則會極大地影響干涉儀測向過程中解模糊正確概率，故可對布陣方式進行調(diào)整，使天線3所占影響因子權重比例下降。

3.2.2 改進天線布陣相位誤差分析

在基線長度配置不變的情況下，改變基線的位置組合，形成改進的天線布陣方式，如圖5所示。

圖5 改進天線布陣圖

由圖5可看出，天線的基線配置依然為76 mm、190 mm、209 mm，但其基線組合方式變?yōu)?09 mm-76 mm-190 mm，則其解算步驟為：

1）第一級無模糊相位差虛擬基線d1-d3；

2）第二級虛擬基線d2+d3-d1；

3）第三級虛擬基線d3-d2；

4）第四級實基線d1；

5）第五級實基線d1+d2+d3。

按照3.1節(jié)中的算法進行逐級解算，得到每個天線的影響因子公式為：

由式（13）可以看出，在該天線布陣情況下，相對于式（12）來說，其天線總影響因子較低，且各天線影響因子較為平均，能夠適應相位差波動更大的情況。

4 仿真分析

4.1 解模糊正確率仿真

針對3.2節(jié)中描述的2種天線布陣方式，采用Matlab搭建仿真模型，對干涉儀測向過程中解模糊正確率進行仿真。

設置工作頻率為2～6 GHz，偵察范圍±45°，按照3.1節(jié)及3.2節(jié)中所述解模糊過程進行基線的逐級解算，設置天線相位誤差從±15°逐漸遞增。

常規(guī)布陣情況下，設置天線誤差分別為±15°、±17°、±20°、±22°，對其進行500次蒙特卡洛仿真，其解模糊正確率如表1所示。

表1 不同布陣下解模糊正確率比對表

在表1中采用2～6 GHz解模糊正確率平均值。

天線相位誤差為±20°和±22°時，2種天線布陣的解模糊正確率如圖6所示。

圖6 不同布陣解模糊正確率圖

由表1及圖6可以看出，在相同的基線配置及相同天線相位誤差情況下，改變天線布陣方式，能夠得到不同的解模糊正確率，而在干涉儀測向過程中，解模糊的正確率直接影響到測向的精確性。

4.2 測向精度仿真

在電子對抗過程中，系統(tǒng)解算方位的準確度直接影響到系統(tǒng)的指標。天線相位誤差通過影響干涉儀解算過程中解模糊的正確率，最終影響干涉儀測向的方位解算精度。

對第3節(jié)中描述的2種布陣方式進行測向精度仿真，在每個天線上增加隨機相位誤差，比對其測向精度。

設置頻率為6 GHz，入射角為45°，設置100個樣本點，天線相位誤差為±20°、±22°時干涉儀解算方位圖如圖7所示。圖中解算的角度為0代表未能解算出方位。

圖7 不同布陣干涉儀解算方位圖

2種不同布陣情況下解算精度對比如表2所示。

表2 干涉儀方位解算比對

在表2中，解算正確數(shù)的條件為解算出的角度與實際入射角度相差在1°范圍內(nèi)，反之為大于1°。

由圖7及表2可以看出，改進布陣時解算方位正確個數(shù)明顯優(yōu)于常規(guī)布陣時解算方位正確個數(shù)，故改進的布陣方式比常規(guī)布陣方式擁有更大的天線相位誤差容忍度。

5 結束語

本文對干涉儀測向過程中天線相位誤差的影響進行了研究，提出了一種改進天線布陣的方法，在基線配置相同的情況下，通過調(diào)整基線位置，能夠提高干涉儀測向過程中解模糊正確率，進而提高測向準確度。通過仿真可以看出，改進的布陣方式能夠增加對天線相位誤差的容忍度，可為工程應用提供參考。

在實際工程中，由于天線布置位置的限制，天線周邊遮擋、天線罩曲率不一致等會造成天線誤差變大的情況，此時可計算變差天線的權重因子，選擇影響最小的布陣方式，提高干涉儀測向精度?！?/p>