幅相聯合技術下導引裝置測向性能仿真分析

趙風東，朱元清，潘英鋒

（1.中國人民解放軍93498部隊，河北 石家莊050073；2.空軍雷達學院信息對抗系，湖北 武漢430019）

0 引言

隨著雷達裝備探測技術的不斷發展，防空武器系統日益完善，這對空中突防構成越來越嚴重的威脅。為應對威脅，各種反輻射武器裝備應運而生。反輻射無人機（ARUAV）既具有反輻射導彈的攻擊能力，又具有無人機機動、自主、靈活的作戰能力，備受各國青睞，成為反輻射攻擊家族的主力軍。導引裝置作為反輻射無人機的核心部件，其測向準確與否直接關系到反輻射無人機能否準確命中目標，甚至關系作戰成敗。因此，對國外反輻射無人機導引裝置測向性能進行仿真分析具有重要意義。

1 反輻射無人機導引裝置［1］

國外某型反輻射無人機導引裝置天線陣由六個天線單元組成，每個單元的結構均為平面螺旋天線。輻射源信號頻率不同，導引頭選用的測向天線也不同。當輻射源信號頻率處于fmin～7.8GHz頻段時，導引裝置分別選用水平、垂直平面內兩個間距較長的大天線工作，同平面內兩個大天線的基線長度為l1，天線張角為60°，此時導引裝置共有4個大天線工作；當輻射源信號頻率處于7.8GHz～fmax頻段時，導引裝置分別選用水平、垂直平面內間距較小的一大一小兩個天線工作，同平面內兩個天線的基線長度為l2，天線張角為60°，此時導引裝置共有2大2小共4個大天線工作。無論輻射源信號頻率如何，導引裝置始終分別選用水平、垂直平面內兩個天線，共4個天線實現測向。

導引裝置采用幅相聯合測向技術，粗測向采用單脈沖比幅法測向，精測向采用干涉儀測向。測向天線由4個平面螺旋天線構成，相對位置關系如圖1所示。天線1、2水平排列，視軸指向張角為θs，基線長度為l12，實現對輻射源方位角的測量；天線3、4垂直排列，視軸指向張角為αs，基線長度為l34，實現對輻射源俯仰角的測量。下面以水平面內到達的天線1、2信號為例，對其聯合測向技術進行仿真分析。

圖1 4個天線的相對位置

2 干涉儀條件下測向性能仿真分析

2.1 干涉儀測向性能分析［2-4］

相位干涉儀截獲單個脈沖就能夠實現對輻射源方向的測向，故又稱為相位單脈沖測向。單基線相位干涉儀由兩個信道組成，如圖2所示。

圖2 干涉儀測向原理

若輻射源信號從與天線視軸夾角為θ方向到達測向天線1、2，則由于波程差使兩天線接收到的信號產生的相位差為：

式中，λ為信號波長，l為天線間距。

假設兩個信道的相位響應完全一致，則由接收機輸出的兩路信號相位差仍然為φ，經過鑒相器取出由相位差信息決定的正交鑒相視頻信號：

式中，K 為接收機系統增益。

因此，求得信號的到達方向角為：

2.2 干涉儀測向范圍仿真分析

因為鑒相器無模糊的相位檢測范圍僅為［-π，π），所以單基線相位干涉儀測向最大的無模糊測角范圍［-θmax，θmax）為：

式中，天線間距l為常量，其值為0.13m，c為光速。天線1、2為固定天線。

由式（4）可得最大無模糊測角范圍與工作頻率的關系，如圖3所示。

圖3 導引裝置干涉儀測向最大無模糊測角范圍隨頻率變化關系

由圖3可以看出，導引裝置進行干涉儀測向時，其最大無模糊測角范圍與信號頻率成反比，即導引裝置工作頻率越高，無模糊測角范圍越小。如導引裝置工作頻率為fmin時，無模糊測角范圍為［-35.2°，35.2°）。而當導引裝置工作頻率為7.8GHz時，計算出的無模糊測角范圍為［-8.5°，8.5°），測角范圍內有3個模糊區。當導引裝置工作頻率為fmax時，無模糊測角范圍為［-3.72°，3.72°），測角范圍有9個模糊區。戰術指標要求導引裝置的測角范圍為［-30°，30°］，當最大無模糊測角范圍小于［-30°，30°］時，會產生測向模糊。必須對干涉儀測向的結果進行解模糊處理，由比幅測向實現解模糊。

3 比幅法條件下測向性能仿真分析

3.1 比幅法測向性能分析［3-5］

設天線1、2性能相同，方向圖函數以F（θ）表示，若F（θ）在水平面內滿足對稱性，即F（θ）＝F（-θ），兩天線張角為θs，則天線1、2振幅方向圖如圖4所示。

圖4 天線1、2的振幅方向圖

當輻射源方向處于兩天線波束最大值方向之間的任意位置，且偏離兩天線等信號強度方向的夾角為θ時，由于兩天線波束的最大值方向與雷達信號方向的夾角分別為θs／2-θ和θs／2＋θ，則對應天線1、2的輸出對數視頻信號分別為：

式中，A（t）為信號的幅度調制。

比幅測向時將兩信號進行幅度比較，即進行對數視頻幅度相減運算，則對數電壓比為：

導引裝置天線為平面螺旋天線，其天線方向圖函數F（θ）可用高斯函數近似表示為：

式中，常數k 為-1.3836，半功率波瓣寬度θr為72°。當頻率在fmin～fmax之間變化時，導引裝置天線半功率波瓣寬度在90°～70°之間變化。假設天線波束寬度隨頻率線性變化，則天線半功率波瓣寬度與頻率的關系可表示為：

所以導引裝置天線方向圖函數為：

可見，由于導引裝置天線尺寸不變，信號頻率越高，天線半功率波瓣寬度越窄。可得：

因此，由R 可以唯一地確定出θ，實現對信號到達方向的測量。

3.2 比幅法測向范圍仿真分析

由式（9）可知，一旦輻射源到達方向、信號頻率確定，導引裝置天線方向圖函數就唯一確定了，其對數電壓比R 是確定的。由式（10）可知，天線1、2信號幅度的對數電壓比R 可以唯一地確定信號到達角θ。

由于天線方向圖函數F（θ）在區間［-60°，60°］內具有單調性，所以θ在區間［-30°，30°］內是單調變化的，即導引裝置比幅測向無模糊測角的范圍為［-30°，30°］。

3.3 比幅法測向精度分析

對式（10）中的θr、θs和R 分別求全微分，得到比幅測角的誤差為：

導引裝置天線半功率波瓣寬度θr＝72°、測角范圍θs＝60°是確定的，對于某一方向到達的輻射源信號Δθr、Δθs、R 是確定的，假設Δθs與Δθr近似相等，則此時測角誤差Δθ為：

查閱技術說明書，得知Δθr＝0.5°，此時測角誤差為：

當輻射源信號到達角在30°方向時，對應的測角誤差大于3°，可見比幅測向的精度比干涉儀小，需要干涉儀測向來提高測向精度。

4 幅相聯合條件下測向性能仿真分析

由上面的分析可以看出，干涉儀測向的測向精度較比幅法測向的精度高，但存在測向模糊，特別是輻射源信號頻率越高，產生的測向模糊越嚴重。比幅法測向的測向精度不高，但可以用來確定干涉儀測向的相位周期，以解除干涉儀測向產生的模糊。導引裝置正是綜合了兩種測向的優勢來進行幅相聯合測向的。當輻射源信號頻率f0為7.8GHz，同一平面兩天線基線長度l為0.13m 時，振幅單脈沖與干涉儀測向結果如圖5所示。

圖5 振幅單脈沖與干涉儀測向結果

由圖5可以看出，單脈沖比幅法測向在測角范圍［-30°，30°）內單調變化，但是隨著信號到達角偏離天線視軸方向的增大，其測向誤差逐漸增大，在±30°時，測角誤差＞3°。干涉儀測向的無模糊測角范圍為［-8.5°，8.5°），測角范圍內有3個模糊區，與計算分析結果是一致的。

因此，導引裝置測向時，采用單脈沖比幅法測向進行粗測向，對安裝在同一平面內的兩個天線所接收的信號進行幅度比較，確定干涉儀測向的測向周期；利用干涉儀進行精測向，對安裝在同一平面內的兩個天線所接收到的信號相位進行比較，輸出精度較高的測向結果。當鎖定目標時，單脈沖比幅法測向與干涉儀測向二者都有零視軸誤差。

5 結束語

本文首先介紹了國外某型反輻射無人機導引裝置幅相聯合測向技術。在此基礎上，分別就干涉儀、比幅法測向技術條件下導引裝置測向性能進行了仿真，分析了兩種測向技術的優劣。結果表明，干涉儀測向的測向精度較比幅法測向的精度高，但存在測向模糊，比幅法測向的測向精度不高，但可以用來確定干涉儀測向的相位周期，以解除干涉儀測向產生的模糊。最后得出導引裝置正是綜合了兩種測向的優勢來進行幅相聯合測向的。最后，分析給出了測角范圍與目標雷達頻率、測角誤差與測量到達角的關系。■

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