多波束比幅和干涉儀測向的研究與仿真分析?

胡富增

（解放軍91404部隊 秦皇島 066001）

1 引言

無源測向技術是電子對抗的關鍵技術，現代雷達為了反偵察和抗干擾，其信號的調制樣式和調制參數具有時變性，快速性和大范圍的特點，這就為電子對抗的偵察識別帶來了較大的困難，并且隨著電磁環境的日益復雜和實際作戰環境的多樣化，對不同作戰條件下測向方法的適應性以及測向精度的要求也越來越高。多波束比幅測向和干涉儀測向是目前應用最為廣泛的兩種測向技術，但在不同的作戰條件下，兩種測向方法各有優劣，本文通過對兩種測向方法的原理和誤差進行比較研究，并通過仿真分析其在不同作戰環境下的特點和適用性，對未來艦艇電子對抗的發展及實際作戰應用有著重要意義。

2 干涉儀測向和多波束比幅測向原理

2.1 單基線干涉儀測向原理

由圖1可知：

?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）可知，只要測出信號的相位差?即可得出信號的到達角：

圖1 干涉儀測向原理示意圖

2.2 多波束比幅測向原理

多波束比幅測向原理：通過對多個獨立的、波束主瓣比鄰的天線覆蓋360°方位的n個同時存在的窄波束中相鄰的2個以上（包括2個）窄波束所接收到的信號包絡幅度進行比較來確定信號的到達角度。假設各通道幅度特性一致，第n個波束的軸線角為nθ0，信號入射角為θ在第n個天線軸線附近，如圖2所示。

圖2 多波束比幅測向原理示意圖

相鄰兩個波束n、n-1接收到的信號幅度可表示為

式中Ai代表各接收通道的幅度增益，k為常數，對式（3）和式（4）兩邊取對數然后相減即可求得信號到達角為0

3 干涉儀測向和多波束比幅測向誤差分析

3.1 干涉儀測向誤差分析

干涉儀測向誤差來源主要是測向模糊性、信道失衡及系統噪聲等。其中模糊性問題直接影響到了干涉儀測向方法對作戰環境的適應性。由于干涉儀測向的相位差是以2π為周期的函數，當相位差超過該周期時，就導致了干涉儀測向角度的不唯一性，即模糊性問題，主要包括鏡像模糊和相位模糊。

鏡像模糊是由于兩個單基線兩側對稱方向的來波會產生相同的相位差，兩條不平行的基線就可以消除鏡像模糊。

相位模糊［8］又被稱為長基線模糊，相位差?是以2π為周期的。由式（1）可知，干涉儀測量的相位差只能在±π范圍內，當基線長l＜λ/2時，任何方向的相位差都會在±π范圍內；當基線長l＞λ/2時，某一方向的相位差實際值可能超過±π范圍，此時根據測量值來推算實際值會有若干可能。

通常利用長短基線的方法來解決相位模糊問題 ，如 圖 3所 示 ，其 中 d＜λ/2 ，D=md＞λ/2（m=0，±1，±2…），解相位模糊時首先根據式（1）分別求出 k0k1，k0k2基線的相位差 ?1，?2，又相位差精確值 ?2′=?2+2kπ ，再根據 k0k1基線的相位差求出k0k2基線相位差的近似值?2′=m?1，改變 k值，找出最接近近似值?2′的唯一精確值 ?2

′。對于干涉儀測向系統來說在接近視軸的角度處精度最高，接近基線兩端處精度最低，基線（相對于輻射源信號半波長）越長，精度越高。在實際工程應用中，高頻的信號波長通常較短，小于其半波長間距的基線難以物理實現，一般不用于寬帶高頻測向。

圖3 一維多基線相位干涉儀

在測向過程中，進入接收機的信號會通過射頻放大器，濾波器等各類元器件，由于每個陣元都是相互獨立的，其頻幅特性一致性有限，當通道間出現失衡時就會導致附加的相位，引起測向誤差。

接收機內部噪聲（寬帶白高斯噪聲）實際是一種幅度起伏、相位隨機的同時到達的干擾信號，會引起被測信號的矢量相位起伏，引起測向誤差為

又當信噪比較大時，sinΔ?≈Δ?，所以

對式（7）兩邊對時間取平均得：

3.2 多波束比幅測向誤差分析

多波束比幅測向誤差的來源主要有系統內部噪聲、通道幅度特性不一致、波束寬度變化、波束軸線角偏差等。

1）系統內部噪聲主要是由于各接收通道的內部噪聲是不相干的，在進行幅度比值計算時，無法相互抵消，導致通道失衡，引起測向誤差為

式中，SNR為信噪比。

2）通道幅度特性不一致是由于各通道之間中的相關微波器件如限幅放大器、濾波器、DLVA組件等不可能做到性能上完全一致，從而導致測向誤差。

3）波束寬度變化帶來的影響是指當信噪比確定時，波束寬度越窄，對系統測向誤差影響越小；當波束寬度確定時，信噪比越高，對系統測向誤差影響越小。

4）波束軸線角偏差是由于當信號頻率變化時，天線波束的軸線角也會發生變化，導致最大波束值所對應的角度發生變化，波束軸線角一旦發生偏差就會引起測向誤差。

4 現代艦艇電子對抗作戰環境特點分析

電子對抗的作戰環境是在復雜電磁環境下進行的，復雜電磁環境是指電磁信號在一定的空域、時域、頻域以及能量上的分布成交叉、連續、密集、大數量、多體制、多變化等特點，并且對電磁活動有較大影響的電磁環境。而以特定海域及其周圍空域為主要作戰區域的戰場電磁形式就是海戰場復雜電磁環境。

對于海戰場來說，戰場復雜電磁環境可以分為兩大類，即近海環境和遠海環境。在近海環境下，戰場電磁環境復雜多變，空間反射信號多，外部環境噪聲大，其信號環境主要由各種民用電磁信號，己方艦船及周邊的輻射源以及陸地、海洋和海上平臺對這些輻射源的反射信號組成；在遠海環境下，背景信號相對簡單，可能會有少量的民用（遠海貨輪）電磁信號，敵我雙方信號較為明朗，作戰時最大的威脅還是來自敵方艦船的干擾信號，這就要求電子偵察系統要有很強的抗干擾以及信號分選能力。

實際上海戰場復雜電磁作戰環境的本質主要還是電磁信號本身的特性，現如今雷達輻射源信號體制多樣，種類繁多，實際作戰時在識別信號上主要還是依靠三參數（載頻、重周、脈寬）來判別，除了常規雷達信號外，在載頻類型上有捷變，分集，脈內變頻，脈組捷變等幾種方式；在重周類型上有抖動，參差，周期性調制，脈組變化等方式；在脈寬類型上有脈組捷變，抖動等方式。復雜電磁環境正是由這些不同樣式的電磁信號及其他環境噪聲所構成的，這對電子偵察系統的性能提出了更大的挑戰，由于大量電磁環境噪聲的存在，不管是干涉儀測向還是多波束比幅測向，都難以全方面地滿足實際作戰的需求，在實際作戰中應發揮每種測向方法的優勢，以適應日益復雜的戰場電磁環境。

5 不同作戰環境下兩種測向方法的比較和仿真分析

5.1 干涉儀測向的局限性

雷達輻射源信號頻率范圍廣、作用域大并且針對性強，但由于用干涉儀進行測向時，其無模糊基線長度要滿足小于半波長的條件，所以在實際測向中，對18GHz以上高頻信號的測向一般采用多波束比幅，因為其波長較短，半波長以下的無模糊基線長度難以物理實現，這也就限制了干涉儀作用頻域的范圍。

對于多波束比幅來說主要就是提高測向精度，在頻域上并沒有什么限制，所以對于18GHz以上的高頻信號一般采用此方法，理論上測向精度可以通過增加比幅的波束數來提高，但實際運用時還需要考慮增加波束數后所帶來的設備成本的提高以及對體積大小的要求等問題，一般在48波束比幅以上就可以獲得很高的精度，這些需要根據實際作戰的使命和性質來設計。

5.2 仿真分析信噪比對兩種測向方法的影響

多波束比幅測向方法主要是根據信號強度來判別信號方向，但在實際作戰環境中，接收機實際接收到的信號強度是由目標信號和空間中其他的噪聲共同構成的，噪聲會給信號強度的判別帶來干擾。該方法對目標信號的信噪比要求較高，信號來襲方向不同信噪比對測向的影響也不同，如果信噪比較低，就會帶來較大的測量誤差，如圖4所示。

圖4 信噪比對多波束比幅測向誤差的影響

干涉儀測向方法主要是根據信號的相位差來判別信號方向，信噪比越小，噪聲引起的相位抖動就會越大，測向誤差就會越大，如圖5所示。

圖5 信噪比對干涉儀測向誤差的影響

兩種測向方法都會受到信噪比的影響，整體來看，噪聲對相位的影響比對強度的影響程度要小很多，在大信噪比的情況下，干涉儀測向具有一定的優勢。信噪比一定的情況下，信號不同來襲方向對多波束比幅測向誤差有很大的影響，但在優勢方向上有著較高的測向精度，而干涉儀存在的測向模糊性問題會受到信號不同來襲方向的影響，進而影響測向精度，不同的信噪比情況下，兩種測向方法各有各的優勢，考慮到電磁環境的不確定性，提出了一種融合測向的方法。

5.3 兩種測向方法的協同使用

在遠海作戰環境下，背景環境相對簡單，主要威脅來自于敵方艦船的干擾信號，與近海環境下的空間噪聲干擾有著很大的區別，其干擾樣式復雜多變，包括壓制干擾、欺騙干擾和復合干擾等多種形式，在作戰時無法預測敵方會使用哪種干擾樣式，兩種測向方法在這樣的作戰環境下受到的干擾概率是相同的。表1和表2給出了兩種測向方法在不同信噪比下得出的測向誤差（量化后）。如果能夠融合使用兩種測向方法，在干涉儀能夠作用的頻域內，不僅可以提高測向精度，還可以提高抗干擾能力。

表1 不同信噪比引起的比幅測向誤差

表2 不同信噪比引起的干涉儀測向誤差

融合測向就是干涉儀測向和多波束比幅測向結合使用的方法，相對于多波束比幅測向法來說，干涉儀測向更容易達到較高的測向精度，但最主要的問題是干涉儀是利用信號到達天線的波程差來進行測向，但輻射源信號來襲時覆蓋的面陣不止一個，僅通過相位無法精確到某一個面陣，同時還存在相位模糊以及在實際的工藝設計當中難以實現最短基線無模糊的基線長度等問題，因此需要采用多重測量或其他處理方法才能實現更加精確地測向。

如圖6所示是一種融合測向天線陣布置圖。采用6面陣3基線干涉儀，12波束比幅的測向方法。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6個天線共同構成8～18GHz頻段的比幅測向天線陣，每個天線覆蓋30°，共同覆蓋水平 360°。比幅天線陣由 26、8、27、12、28、16、29、20、30、24、25、4號12個天線構成。

在復雜電磁環境下，反射信號嚴重，尤其是一些大反射信號對測向的影響非常大，單純地依靠干涉儀從相位上難以進行區分，虛擬短基線法解模糊可以提高測向精度但依然無法消除反射信號的影響，之前通過調研了解過一種4波束比幅進行粗引導，然后由干涉儀進行精測向（利用虛擬短基線的相關算法進行解模糊）的方法，測向精度非常高，但這種方法只適合于空間電磁環境較為簡單的情況，一旦有大的反射信號存在，4波束比幅就無法滿足測向粗引導的要求，海戰場環境復雜，反射信號多，對融合測向的粗引導要求較高，波束越多比幅的精度就會越高，但考慮到成本以及布放的空間限制，理論上來講，一個4面陣的干涉儀配合使用8波束比幅就可以達到基本的測向要求，綜合考慮各方面因素后，本文提出了6面陣12波束比幅的測向方法，不僅可以適應復雜的電磁環境而且能夠達到非常高的測向精度。具體測向時首先是通過12波束比幅進行粗測向（具體測向方法同2.2）來確定來襲目標信號方位所對應的面陣，并將波束比幅的測向結果作為干涉儀最短基線的測向結果，以此來消除最短基線帶來的模糊問題，再由該面陣上的干涉儀對目標信號進行精確測向（具體測向方法同2.1）。

圖6 融合測向天線陣布置示意圖

6 結語

隨著電磁環境的日益復雜，單一的測向方法已經很難滿足實際作戰的需求，本文介紹了干涉儀和多波束比幅兩種測向方法及其在不同作戰環境下的特點，并通過仿真信噪比對測向精度的影響程度來分析兩種測向方法的適用性，進而提出一種融合測向的方法以適應海戰場的復雜電磁環境，大幅提高了測向的精度和穩定性，然而影響測向精度的因素還有很多，建立一個系統的分析模型將是今后研究的重點。