基于多基線干涉儀和多波束比幅聯(lián)合測向天線系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李東海，柯 凱

（解放軍91404部隊，秦皇島 066001）

0 引 言

目前，船用雷達(dá)偵察裝備可以選擇的測向體制主要有搜索式測向、多波束比幅、相位干涉儀、數(shù)字相控陣、時差法等。

多波束比幅測向法技術(shù)成熟，難度小，瞬時帶寬寬，截獲概率高，不依賴于測頻，成本較低；但是其測向精度對天線的幅度方向圖特性和通道之間的幅度平衡特性依賴性較大，測向精度很難做得很高，就8～18GHz頻段八比幅測向而言，難以滿足1.5°（rms）的測向精度要求［1-2］。

相位干涉儀測向法相對容易達(dá)到較高的測向精度，但是它對通道之間的相位一致性要求較高，而且與測頻精度有關(guān)。最主要的問題是干涉儀測向還存在相位模糊問題，為了消除相位模糊和兼顧測向精度，需要采用多重測量或其他處理方法。本文提出一種3基線干涉儀測向保精度、八比幅測向解模糊的方法，僅供參考［3］。

1 干涉儀測向原理

干涉儀測向的原理示意圖見圖1。

圖1 干涉儀測向原理示意圖

由圖1可知：

式中：φ為兩天線接收同一信號的相位差；λ為輻射源的信號波長；θ為信號的到達(dá)角（相對于基線的法線夾角）；l為兩天線之間的基線長度。

由式（1）知：由于基線長度l是已知的，只要測得信號的相位差φ和信號波長λ即可得到信號到達(dá)角。

2 干涉儀測向誤差分析

對式（1）進(jìn)行微分可以得到測向誤差估算公式：

式中：Δθ為角度測量誤差；Δφ為相位測量誤差；Δλ為載頻測量誤差；Δl為基線長度誤差。

首先僅考慮測頻誤差引起的測向誤差，即：

假設(shè)測角范圍限制在 ±π／3范圍內(nèi)，設(shè)θ＝π／3，f＝8 000MHz，Δf＝15MHz，計算得 Δθ＝0.18°，影響較小，可以忽略不計。由于基線長度可以靠結(jié)構(gòu)安裝保證，由基線長度誤差引起的測向誤差也可以忽略。重點考慮相位誤差的影響，這在干涉儀測向中是主要的誤差來源。忽略式（2）后兩項得：

因為是相位測量，所以對于單基線干涉儀測向，無模糊的相位檢測范圍為 ［-π，＋π］，設(shè)其對應(yīng)的最大無模糊測角范圍為［-θmax，＋θmax］，根據(jù)式（1）可獲得最大相位差為π時的信號到達(dá)角θmax為：

綜上可以看出：

（1）測向誤差來源于相位測量誤差、頻率測量誤差和基線長度誤差，其中頻率測量誤差和基線長度誤差較小，可以忽略。

（2）測向誤差大小與θ有關(guān)，與cosθ成反比。在θ＝0°時（視軸方向）誤差最小，在θ＝90°時（基線方向）誤差非常大，已無法進(jìn)行正常的測向。因此，通常將單基線的測角范圍限制在±π／3，甚至更窄。

（3）測向誤差大小與l有關(guān)，l越大，測向誤差越小。

（4）干涉儀測向存在這樣的矛盾：要獲得高的測向精度，應(yīng)盡可能地提高λ／l，但是此時能夠獲得的無模糊測角范圍就越小。

為了解決這個矛盾，以長基線保證高的測向精度，以采用更多的基線或其他方法獲得無模糊角，解決長基線的模糊問題。

下面列表分析一下8～18GHz頻段的測向精度，假設(shè)測角范圍限制在±45°，考慮最差情況：λmax＝37.5mm（f＝8GHz）、θ＝45°，由式（4）可以計算得到幾種情況下的測向誤差，見表1。

表1__干涉儀測向誤差估算表

由表1可以看出：選取干涉儀的最長基線大于3.56λmax，在8～18GHz頻段內(nèi)的測向精度能夠達(dá)到1.5°（rms）指標(biāo)要求，考慮其它誤差因素，最長基線長度取8λmax（300mm）。

3 解模糊對比幅測向的精度要求

從上面的測向誤差分析可以知道：為了使干涉儀測向精度提高一點，可以將2個天線的間距取大一點，但是這樣一來，有可能由此帶來系統(tǒng)相位模糊問題。為了解除相位模糊問題，可以采用多條基線或比幅測向等其它方法獲得無模糊角。

本系統(tǒng)的解模糊方案采用八比幅測向值解除最短基線（虛基線d23-d12）的相位模糊，再依次用短基線解除長基線的相位模糊。比幅解相位模糊的方法可以理解為：假設(shè)存在一無模糊的基線（λ／2），比幅測向的測量結(jié)果可以等效為這一基線的測量結(jié)果。能否解模糊，取決于兩基線的相位誤差，對相位誤差的要求為：

式中：Δφs為較短基線的相位誤差；Δφl為較長基線的相位誤差；n為基線長度比。

將比幅測向誤差轉(zhuǎn)換相位誤差，由式（4），當(dāng)l＝λ／2時，可得：

結(jié)合式（6），認(rèn)為短基線和長基線的相位誤差一致，由此可得到解模糊對比幅測向誤差的要求：

對于比幅解相位模糊：

代入式（8）有：

式中：ΔθA為比幅測向誤差。

根據(jù)式（10）可知，用比幅結(jié)果解基線的相位模糊對比幅測向精度的要求與θ、λ／l、Δφ有關(guān)：

（1）θ越小，要求的 Δθ越小，最小值在θ＝0°。

（2）Δφ越大，要求的Δθ越小，且成線性關(guān)系。

（3）λ／l越小，要求的Δθ越小。因為是整項的線性系數(shù)，其影響也最大。

當(dāng)θ＝0°時，重新整理式（10），可得到最苛刻的比幅測向誤差（忽略不同θ的相位誤差的差異）：

對于8～18GHz頻段而言，λmin＝3×108／18GHz＝16.7mm，由式（11）可以計算得到各種條件下，利用比幅測向值解除相位模糊對比幅測向的精度要求，列出幾種典型情況見表2。

表2 比幅解相位模糊對比幅測向的精度要求（θ＝0°，λmin＝16.7mm）

由上表可以看出：解除本方案選取的最短基線（虛基線，長度為λmin，約16.7mm）的相位模糊要求比幅測向的最大誤差小于23°，目前八比幅測向的最大誤差ΔθA基本在15°～18°，因此，八比幅測向精度完全可以滿足解除最短基線相位模糊的要求。

4 分析結(jié)論

由前面測向誤差分析可知，單基線的覆蓋視角不可能太大，將其限定在±45°（相對于視軸方向）范圍內(nèi)。因為船用平臺的安裝條件所限，天線陣是分成左、右舷布置的，干涉儀測向系統(tǒng)采用4個天線線陣，左、右舷各包括2條線陣，每個天線陣由4個天線構(gòu)成，每個天線陣覆蓋±45°視角范圍，考慮到比幅測向的誤差，每個天線陣實際覆蓋區(qū)間需要在±60°視角范圍，采用3根基線測向。

根據(jù)干涉儀天線陣的布置，可以將4個線陣天線的覆蓋范圍區(qū)間劃分，覆蓋方位劃分與所含天線見表3。

表3_干涉儀天線陣覆蓋范圍區(qū)間劃分

根據(jù)八比幅測向試驗結(jié)果，對照表3，選擇相應(yīng)的4個天線構(gòu)成的干涉儀測向線陣作為干涉儀基線通道，用比幅測向值解最短基線（虛基線d23-d12）相位模糊，再依次用相應(yīng)的短基線解除長基線的相位模糊，而用最長基線的角度測量值作為最終的測向結(jié)果，以此保證測向精度。

對于8～18GHz頻段，本方案選用的比幅加線陣干涉儀測向體制在比幅測向最大誤差23°、相位測量誤差≤30°時，可以同時滿足比幅解模糊和測向精度指標(biāo)1.5°（rms）的要求。

5 方案實現(xiàn)

對于8～18GHz頻段，本系統(tǒng)采用比幅加線陣干涉儀的測向體制。比幅測向采用八比幅測向體制，用于寬帶寬開瞬時比幅測向，同時比幅測向值還用于解除干涉儀測向最短基線（虛基線d23-d12）的相位模糊，而依靠干涉儀測向來保證測向精度。

干涉儀測向系統(tǒng)在頻域和方位上均為寬開系統(tǒng)，保證了對信號的瞬時全概率截獲。8～18GHz頻段測向天線陣的布置示意圖見圖2。

圖2 8～18GHz測向天線陣布置示意圖

干涉儀測向系統(tǒng)的天線陣布置成4條線陣，360°全方位覆蓋，每條線陣分別覆蓋90°，每條線陣上的4個天線分別構(gòu)成幾條長短不一樣的干涉儀基線，由最長基線d14保證測向精度，依靠虛基線（d23-d12）解除短基線d12的相位模糊，再用基線d12解除基線d23的相位模糊，最終用基線d23解除最長基線d14的相位模糊，而虛基線的相位模糊則依靠比幅測向結(jié)果來解除。

短基線盡量短，以降低解除短基線相位模糊對比幅測向的精度要求；在短基線能夠解除長基線相位模糊的前提下長基線可盡量長，以提高測向精度。本方案選擇基線長度為d12＝2λmax，d23＝3λmax，d14＝8λmax。

由干涉儀測向天線陣的每條線陣中抽出1個天線，另外再增加4個天線共同構(gòu)成8～18GHz頻段的比幅測向天線陣，每個天線覆蓋45°，共同覆蓋水平360°。比幅天線陣由17，4，18，8，19，12，20，16號8個天線構(gòu)成。

6 結(jié)束語

本文從干涉儀測向原理出發(fā)，結(jié)合干涉儀測向公式進(jìn)行了測向誤差分析，根據(jù)測向精度要求，提出了三基線及最長基線設(shè)計要求；根據(jù)相位解模糊要求，提出了八比幅測向精度要求。本方案實現(xiàn)之后的最終測向精度結(jié)果還有待于后續(xù)外場試驗驗證。

［1］ 趙勇慧.提高相位干涉儀測向精度與改善測角范圍的探討［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2002，31（2）：34-37.

［2］ 李建軍.多基線干涉儀測向的基線設(shè)計［J］.電子對抗，2005，31（3）：8-11.

［3］ 吳寶東，陳舒.基于相位干涉儀測向系統(tǒng)的相位誤差分析［J］.艦船電子對抗，2008，31（3）：74-76.