干涉儀基線組合對(duì)測(cè)向精度的影響

吳一帆

【摘要】 針對(duì)干涉儀測(cè)向算法，以三種不同基線組合為例，通過(guò)理論和仿真分析，說(shuō)明信號(hào)頻率、來(lái)波方位、相位模糊對(duì)測(cè)向精度的具體情況。得出長(zhǎng)基線數(shù)量越多測(cè)向模糊越嚴(yán)重，但測(cè)向精度越高的結(jié)論。為干涉儀測(cè)向系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 干涉儀 基線組合 測(cè)向精度 相位模糊

常用的測(cè)向體制包括比幅法、瓦特森-瓦特測(cè)向法、多普勒法測(cè)向法、干涉儀法測(cè)向法和空間譜估計(jì)法等[1]。干涉儀法測(cè)向具有測(cè)向精度高、測(cè)向速度快等優(yōu)點(diǎn)，是目前無(wú)線電測(cè)向領(lǐng)域的主要測(cè)向體制。

在基于干涉儀測(cè)向體制的系統(tǒng)中，測(cè)向天線陣是影響系統(tǒng)測(cè)向精度的重要因素。測(cè)向天線陣一般采用均勻圓形陣列，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）天線元之間的互耦情況相同；（2）與支撐天線陣的桅桿互耦最小；（3）測(cè)向精度與來(lái)波方向無(wú)關(guān)；（4）具有圓對(duì)稱性，其方向圖在陣列盤面上電磁旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)波束的形狀不會(huì)有太大改變。可見，均勻圓形陣列干涉儀測(cè)向系統(tǒng)兼有優(yōu)越的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和良好的測(cè)向性能，這使其在軍用和民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用[2]。

一、干涉儀測(cè)向算法

以圖1所示的四元天線為例，假設(shè)天線對(duì)NS、EW的間距均為d，來(lái)波的方位角為θ，則電波到達(dá)NS天線對(duì)時(shí)所形成的的相位差分別為：

二、三種基線組合對(duì)測(cè)向精度影響的分析

以5單元均勻圓陣列為例，其中A1、A2、A3、A4、A5分別表示1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)天線單元。5個(gè)天線單元兩兩組合共有10條基線。此處主要分析三種基線組合方式：最短基線法、最長(zhǎng)基線法、長(zhǎng)短基線法。最短基線法選取A2A1、A3A2、A4A3、A5A4為基線組合；最長(zhǎng)基線法選取A3A1、A4A2、A5A3、A1A4為基線組合；長(zhǎng)短基線法選取A2A1、A3A1、A4A1、A3A2為基線組合。

2.1 信號(hào)頻率對(duì)測(cè)向精度的影響

以孔徑1.5m的5單元均勻圓陣為例，假設(shè)頻率范圍是30～500MHz，來(lái)波方位為60°，相位不一致性取10°，通過(guò)式（2）可以推算出三種基線組合的測(cè)向精度隨信號(hào)頻率的變化曲線，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可得，不論在何種基線組合下，測(cè)向精度都隨信號(hào)頻率的增加而提高。最長(zhǎng)基線法和長(zhǎng)短基線法的測(cè)向精度始終高于最短基線法，這說(shuō)明基線越長(zhǎng)測(cè)向精度越高。

2.2 來(lái)波方位對(duì)測(cè)向精度的影響

設(shè)信號(hào)頻率為500MHz，相位不一致性取10°，通過(guò)式（2）可以推算出三種基線組合下測(cè)向精度隨來(lái)波方位的變化曲線，結(jié)果如圖3所示。

由上圖可得，不論在何種基線組合下，測(cè)向精度都隨著來(lái)波方位的變化呈周期性變化。最長(zhǎng)基線法波動(dòng)范圍最小，測(cè)向精度最高，長(zhǎng)短基線法次之，最短基線法最差。

2.3 不同基線組合對(duì)相位模糊的影響

根據(jù)式（3）可得，基線越短則N就越小，越不易出現(xiàn)相位模糊。下表是頻率為500MHz時(shí)N的數(shù)值統(tǒng)計(jì)。

三、模型仿真分析

根據(jù)上述理論分析數(shù)據(jù)，建立一個(gè)直徑為1.5米的5單元均勻圓陣天線的仿真模型。得出三種基線組合下測(cè)向精度仿真結(jié)果，見圖4所示。

對(duì)比仿真結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：①最短基線法具有最強(qiáng)的抗相位模糊性，但是測(cè)向精度最低；②最長(zhǎng)基線法具有最高的測(cè)向精度，而且測(cè)向精度隨來(lái)波方位的變化起伏最小，但抗相位模糊性最差；③長(zhǎng)短基線法具有與最長(zhǎng)基線法同樣的測(cè)向精度，測(cè)向精度隨來(lái)波方位變化起伏次于最長(zhǎng)基線法優(yōu)于最短基線法，同時(shí)抗相位模糊性介于最短基線法和最長(zhǎng)基線法之間。

四、結(jié)束語(yǔ)

天線陣列的基線組合對(duì)測(cè)向系統(tǒng)的性能有不容忽視的影響。本文從頻率變化、來(lái)波方位變化，相位模糊3個(gè)方面，對(duì)干涉儀測(cè)向中最典型的3種基線組合：最短基線法，最長(zhǎng)基線法和長(zhǎng)短基線法的測(cè)向精度進(jìn)行了理論分析和模型仿真。通過(guò)對(duì)比分析，總結(jié)出3種基線組合在干涉儀體質(zhì)測(cè)向系統(tǒng)中的優(yōu)劣，對(duì)于測(cè)向系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)具有一定的指導(dǎo)意義。