對脈間跳頻、頻率捷變信號的雙通道高精度測向技術研究

2013-04-26 06:10:34王智顯鄧尚林鄧興智

艦船電子對抗 2013年1期

關鍵詞：信號

王智顯，鄧尚林，鄧興智

（電子信息控制重點實驗室，成都 610036）

0 引言

相位干涉儀測向作為一種成熟的測向技術，因其技術實現簡單并具有高精度測向特性，廣泛應用于各種平臺。

在一定的偵察區域內，為了滿足對輻射源目標的高精度測向，一般都要求盡可能增大干涉儀的基線長度，從而會導致相位模糊。為了解相位模糊，一種方法是通過比幅粗測向，但比幅測向系統的代價較高，況且對于高精度測向系統，單靠比幅測向也不能順利解除長基線的相位模糊［1］；另一種方法是通過多基線逐次解模糊來進行干涉儀測向，但這要求必須有多個接收系統，設備的復雜性和成本也較高。

基于前述問題，本文的基本思路是設法利用輻射源信號的脈間跳頻和頻率捷變規律，完成相位差的解模糊，僅僅用2個通道實現對脈間跳頻、頻率捷變信號的高精度測向。

1 雙通道高精度測向算法

1.1 相位模糊的由來

如圖1所示，當偵察距離遠大于基線長度時，可把來自同一輻射源的入射波看成平行波，很容易推導出任意2個天線之間的相位差［2］：

式中：φ為2個通道信號的相位差；D為基線長度；θ為信號的入射角；λ為信號波長；c為電磁波的傳播速度。

圖1 雙通道干涉儀測向示意圖

對式（1）微分得到：

由式（3）可知，在一定的條件下，可得測向誤差隨基線長度、信號波長、信號入射角的變化圖如圖2～圖4所示。

由于信號波長和基線長度的測量誤差都很小，一般可忽略，則可把式（2）改寫成誤差表達式：

圖2 測向誤差-基線長度變化圖

圖3 測向誤差-波長變化圖

結合式（3），由圖2、圖3和圖4可知，測向誤差隨基線長度變長而減小，隨波長變長而增大，隨入射角的增大而增大。

圖4 測向誤差-入射角變化圖

在寬帶電子偵察中，偵察空域較大，由于高精度測向所需的基線長度較長，因此一般都會產生相位模糊。

例如，要實現對通信模式1下的聯合戰術信息分配系統（JTIDS）信號的高精度測向，測向精度要求優于0.5°。假定系統的相位差測量精度為10°，偵察空域為-45°≤θ≤45°，由于JTIDS信號的工作頻率范圍為969～1 215MHz［3］，則基線長度D應滿足D≥1.4m，由式（1）可知此時便產生了相位模糊。

1.2 利用跳頻、捷變頻規律解相位模糊

由于脈間跳頻和頻率捷變信號相鄰射頻脈沖采用不同的頻率，設第i個脈沖的頻率為f（i），對應測量的相位差為φc（i），模糊數為K（i），無模糊的相位差為φ（i）；同一輻射源輻射的第j個脈沖的頻率為f（j），對應測量的相位差為φc（j），模糊數為K（j），無模糊的相位差為φ（j），則可得：

因此，在偵察空域、信號頻段一定時，為了獲得對輻射源信號的高精度測向，一般都要求基線長度D較長。

假定信號波長范圍為（λmin，λmax），偵察空域為（θmin，θmax），系統的相位差測量精度為σφ，要求的測向精度為σθ0，則基線長度D應滿足：

式（5）中的兩式相減可得：

將式（1）代入式（6）可得不同脈沖相位差之差：

如果測得的不同脈沖的最小頻率為fmin、最大頻率為fmax，則式（7）左端所表示的相位差的變化范圍為：

則為了保證任意2個測向脈沖的相位差的差值無模糊，由式（8）可得：

因此，只要D滿足式（10），則K（i）＝K（j）。由式（7）可得：

至此，根據特定的偵察空域、相位差測量精度、工作頻率范圍和測向精度要求，利用脈間跳頻和捷變頻信號的跳頻規律，通過設計基線長度便可完成不同脈沖相位差之差的相位解模糊。

1.3 雙通道高精度測向算法

當f（j）-f（i）≠0時，由式（11）可得：

將式（12）中的M（i，j）值代入式（13），便可得到K（i）或K（j）值：

如果認為同一目標輻射N個脈沖期間目標的方位基本不變，則可得：

由式（14）可得：

由式（4）和式（10）可得：

因此，信號最小頻率和最大頻率必須滿足的關系為：

2 仿真分析

根據前述的算法原理，仿真步驟為：

（1）設置仿真參數，產生含隨機誤差的相位差；

（2）求解初始方位和模糊數初值；

（3）尋求模糊數的最優值；

（4）求解目標方位；

（5）數據處理。

仿真條件設置：

以通信模式1下的JTIDS信號為例，假定觀測空域為-45°≤θ≤45°，系統的相位差測量誤差為10°，測向精度要求小于0.5°。則為了滿足測向精度要求，基線長度應滿足D≥1.4m；要能解相位模糊，則要求D≤1.6m，因此基線長度D的范圍為1.4m≤D≤1.6m。取基線長度D＝1.4m，測向脈沖數N＝5，蒙特卡洛仿真次數10 000次。

目標方位角為-45°時，雙通道初始測向誤差、最終測向誤差如圖5和圖6所示，對應的正確解相位模糊的概率為93.18%。