一種實(shí)時(shí)的圓陣干涉儀測(cè)向技術(shù)

韋賢歲，韋洪浪

(1.桂林長(zhǎng)海發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541000；2.桂林理工大學(xué)南寧分校，廣西 南寧 530001)

0 引 言

干涉儀測(cè)向的基本原理是通過(guò)測(cè)量入射信號(hào)的相位差來(lái)確定信號(hào)的來(lái)波方向。干涉儀測(cè)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高，廣泛應(yīng)用于電子偵察、無(wú)線電管理等領(lǐng)域[1]。均勻圓陣干涉儀測(cè)向具有全空域偵察及測(cè)向、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和可采用多種測(cè)向體制等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)均勻圓陣的測(cè)向，文獻(xiàn)[2]～[6]提出了相關(guān)干涉儀的方法，該方法需要對(duì)測(cè)量的相位差與樣本庫(kù)中的不同入射方向?qū)?yīng)的相位差做相關(guān)處理，計(jì)算量很大，實(shí)時(shí)性差，在實(shí)時(shí)性較高的場(chǎng)景中，偵測(cè)效率差強(qiáng)人意；文獻(xiàn)[7]提出來(lái)的聚類解模糊算法，同樣計(jì)算量較大，并且在噪擾較大的場(chǎng)景中，解模糊的成功率較低；文獻(xiàn)[7]提出了比幅比相的方法，通過(guò)比幅粗測(cè)引導(dǎo)解模糊，該方法易受天線陣大小的制約，同樣在噪擾較大的場(chǎng)景中，解模糊的成功率較低。本文以七元圓陣為例，提出了一種基于平行基線的圓陣干涉儀測(cè)向算法，該方法算法簡(jiǎn)單，更易于工程實(shí)現(xiàn)，滿足不同場(chǎng)景的偵測(cè)要求。

1 基于平行基線的圓陣干涉儀測(cè)向原理

N元圓陣的空間俯視圖如圖1所示，假設(shè)陣元都位于xoy平面，半徑為R,則有k個(gè)陣元的平面坐標(biāo)位置為：

圖1 N元圓陣空間俯視圖

(1)

假設(shè)目標(biāo)的入射角為θ∈[-π,π]，目標(biāo)信號(hào)的波長(zhǎng)為λ，任意兩天線i、j的相位差為：

(2)

信號(hào)頻率已知的情況下，可以通過(guò)實(shí)測(cè)的相位差推導(dǎo)出入射角。在實(shí)際應(yīng)用中,大多數(shù)情況下Φij是大于2π的，即kij≠0，由于通過(guò)鑒相器測(cè)量的φij∈[-π,π]，所以需要通過(guò)解模糊算法求解kij。

七元圓陣在工程應(yīng)用中較為常見(jiàn)，所以重點(diǎn)介紹七元圓陣測(cè)向的實(shí)現(xiàn)方法。

七元圓陣的布置圖，如圖2所示，從圖中可見(jiàn)陣列中有任意2個(gè)單元的基線，都存在2組其它單元基線跟其平行，如L12//L37//L46、L17//L26//L35、L23//L14//L57等等。

圖2 七元圓陣布置圖

假設(shè)L12的基線長(zhǎng)度為d1，L37的基線長(zhǎng)度為d2，L46的基線長(zhǎng)度為d3，則有:

(3)

(4)

(5)

式中：θ為入射角；Φ12為1和2兩天線的相位差；Φ37為3和7兩天線的相位差；Φ46為4和6兩天線的相位差；k1、k2、k3為整數(shù)；φ1∈[-π,π]、φ2∈[-π,π]、φ3∈[-π,π]。

式(1)、(2)、(3)中的φ1、φ2、φ3通過(guò)頻域鑒相算法進(jìn)行求解，k1、k2、k3通過(guò)參差解模糊算法進(jìn)行求解。

(6)

(7)

搜索k1使得|k2-round(k2)|+|k3-round(k3)|最小值作為k1的估計(jì)值，進(jìn)而求得k2、k3，然后求出真實(shí)的相位后，可通過(guò)下式求入射角:

(8)

系統(tǒng)的測(cè)向精度由下式?jīng)Q定:

(9)

式中：Φ為系統(tǒng)相位誤差；λ為波長(zhǎng)；d為基線的長(zhǎng)度；θ為入射角。

2 本文算法流程

本文算法流程可歸納為：

(a) 根據(jù)鑒相器測(cè)量的相位信息，對(duì)入射方向進(jìn)行扇區(qū)判斷，不同的扇區(qū)采用不同的基線組進(jìn)行相位差的測(cè)量，如表1所示。

表1 不同扇區(qū)對(duì)應(yīng)的基線組

(b) 采用頻域鑒相的方法對(duì)所選的基線組測(cè)量相位差。

(c) 采用參差解模糊方法測(cè)量基線組對(duì)應(yīng)的模糊數(shù)。

(d) 根據(jù)模糊數(shù)求取信號(hào)的到達(dá)角。

3 算法仿真

仿真條件：針對(duì)北約敵我識(shí)別信號(hào)，信號(hào)的頻率設(shè)為1 090 MHz，信噪比為-5～12 dB，測(cè)向范圍為360°，七圓陣的半徑為450 mm，通道之間相位差隨機(jī)加入[-20 20]的相位抖動(dòng)，進(jìn)行1 000次蒙特卡羅試驗(yàn)，將本文算法與文獻(xiàn)[2]的相關(guān)干涉儀算法及文獻(xiàn)[7]的聚類分析算法在不同信噪比情況下，比較算法復(fù)雜度以及測(cè)向精度。不同信噪比不同算法下的測(cè)向精度，如圖3所示。3種算法的運(yùn)行時(shí)間如表1所示。

圖3 測(cè)向精度示意圖

由圖3可知，在信噪比大于3 dB時(shí)，本文算法與相關(guān)干涉儀及聚類算法的測(cè)向精度一致，可滿足工程使用要求。在算法復(fù)雜度方面，本文的算法運(yùn)行時(shí)間是相關(guān)干涉儀算法的百分之一，是聚類算法的二十分之一，可見(jiàn)本文算法簡(jiǎn)單有效，易于工程實(shí)現(xiàn)。

表2 不同算法運(yùn)行時(shí)間對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前七元均勻圓陣中存在算法復(fù)雜度大以及抗干擾性差的問(wèn)題，本文根據(jù)七圓陣的布陣特點(diǎn)，對(duì)每個(gè)扇區(qū)都創(chuàng)造3組平行基線，等價(jià)于三基線線陣的干涉儀測(cè)向方法；然后進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了算法的可行性；并從算法復(fù)雜度分析，驗(yàn)證了算法的實(shí)時(shí)性。