非均勻圓陣列無模糊長基線干涉儀測向方法*

王永軍，池浩

(1.北京電子工程總體研究所，北京 100854；2.北京計算機技術及應用研究所，北京 100854)

0 引言

隨著信息化的高速發展，攻防雙方的武器系統更加智能多樣化。面對復雜多變的戰場環境和對抗策略，傳統單一模式的雷達導引頭已難以滿足制勝的軍事需求，采用雙/多模復合導引頭獲取多源信息、豐富對抗措施是一種有效的技術途徑，易實現察打一體化的目的，提升導彈武器系統的生命力，贏取戰場最終的勝利權。多模復合制導指由多種模式的導引頭參與制導，共同完成導彈的尋的任務。多模復合制導是在同一制導段、同時采用2種及以上末制導方式進行工作的一種制導方式[1]。當前多模復合制導技術是無人飛行器上雷達探測系統設計研究的主要方向。

美國的AGM-45“百舌鳥”、AGM-78“標準”、AGM-88“哈姆”反輻射導彈(anti-radiation missile,ARM)在被動導引頭探測方面表現優異，AGM88E反輻射導彈彈徑僅200 mm，采用了寬帶被動微波+INS/GPS+主動毫米波復合制導探測體制[2-3]。被動雷達導引頭實際上就是一部偵察機[4]，偵察感知戰場電磁環境，獲取海量信息，并以敵方雷達輻射電磁波為制導信息，引導導彈跟蹤目標。在多次局部戰爭中，反輻射導彈發揮了巨大的作用，有效地毀傷了對方地面雷達系統。

由于無人飛行器艙體可利用空間有限，且又要解決多體制導引頭之間的相互耦合、串擾等一系列問題，給多模復合的設計帶來巨大的挑戰。在系統方案確立前，選擇合理可行的復合樣式尤其重要。相位干涉儀測向體制形式簡單易于復合，在多個國家反輻射導彈雷達導引頭中得到廣泛應用。

干涉儀測向是一種無源相位測向技術，其基本原理是通過測量入射信號在各陣元上的相位差來確定目標方位。其測向具有精度高、實現簡單等優點，是目前廣泛應用的測向方法之一，在無線電頻譜管理、航空航天及無線電偵察與對抗等民用和軍用領域中均得到了廣泛的應用[5]。雖然相位干涉儀測向精度高，但當干涉儀基線長度大于信號波長的一半時，將會出現相位模糊問題，解模糊便成為干涉儀測向方法的關鍵技術問題之一[5-8]。數字干涉儀測向逐步成熟，線陣已實際應用，但圓陣干涉儀測向算法實用較少[9-16]，共形復合圓陣列干涉儀測向更是寥寥無幾，本文給出了一種基于非均勻圓陣列無模糊長基線干涉儀測向的實現形式。

1 干涉儀測向

如圖1所示是由2個天線組成的單基線干涉儀，平面電磁波從與天線口面夾角為θ的方向入射到天線1,2，電磁波到達2個天線的波程差為dcosθ，則由波程差引起的相位差為

(1)

圖1 單基線干涉儀Fig.1 Single baseline interferometer

如圖2所示是圓陣列干涉儀天線系統，在雷達導引頭測量坐標系中，天線1，2，3，4分布在半徑為r的圓周上，其坐標分別為(0，r，0)，(0，0，-r)，(0，-r，0)，(0，0，r)；為了獲得最大的角精度，則必將利用d13,d24作為基線進行相位差測角。根據上述干涉儀測角原理，可知兩對干涉儀的輸出將會出現測角模糊現象。

圖2 圓陣列干涉儀天線系統Fig.2 Circular array interferometer antenna system

2 改進型圓陣列無模糊長基線干涉儀測向的天線系統設計

為了解決圓陣列干涉儀測角模糊問題，設計了如圖3所示的天線位置分布，相對圖2系統，1號、4號天線位置不變，2號和3號天線向外增進d長度，且增加了5號天線；即此干涉儀天線系統由5個單元組成，則基線可取d31，d42，d51，d54。

圖3 單元天線分布示意Fig.3 Element antennas distribution diagram

其中5個單元天線在導引頭測量坐標系中的坐標如下：

1號天線：(0，r，0)；

2號天線：(0，0，-(r+d))；

3號天線：(0，-(r+d)，0)；

4號天線：(0，0，r)；

則所取基線相對應的向量分別為

(2)

依據干涉儀測角原理，可得4個測向通道的相位差：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中目標坐標向量lOT=R(cosεcosβ,sinε,cosε·sinβ)，經計算可得

(7)

(8)

(9)

(10)

解方程式可得

(11)

(12)

3 精度計算分析

一般在多基線相位干涉儀測角系統中，測角精度由最長基線所決定[3]，如果忽略頻率不定引起的誤差，本系統的測角誤差分析如下：

假若鑒相器的測角誤差均為Δφ，則由式(7)所決定的誤差為

(13)

由式(11)所決定的誤差為

(14)

由(11),(12)右邊式不模糊性，可對4個鑒相器測量的相位差進行值域限定：

(15)

(16)

使得鑒相器值滿足不模糊組合值：

進而通過式(11),(12)，可以解得不模糊的低精度的εljd,βljd。

(17)

4 仿真分析

結合整機系統誤差和隨機誤差可進行仿真分析，仿真參數如表1所示，仿真結果如圖4-6所示。

表1 仿真參數Table 1 Simulation parameters

圖4 基于定點的測角誤差Fig.4 Angle error based on fixed point

其中主要的系統誤差：本振信號產生時的延時誤差E1，接收通道延時誤差E2，干涉儀通道幅度一致性誤差E3，基線長度標定誤差引起的測角誤差E4。系統誤差可以通過后期標定進行校準、消掉。

主要的起伏誤差：熱噪聲引起誤差σ1為

(18)

式中：SNR為信噪比；N為A/D采樣點數。

圖5 合成角誤差Fig.5 Synthetic angle error

圖6 合成角誤差Fig.6 Synthetic angle error

5 結束語

本文提出了一種基于非均勻圓陣列無模糊長基線干涉儀測向的天線系統的設計方法，其測角精度由基線2r+d的長度決定，相比通常意義上的圓陣干涉儀測角精度高、無模糊，且算法簡單，易于實現?？捎糜谟邢蘅趶綏l件約束下，既要滿足大探測威力、高精度測角，又要解決復合天饋交聯互耦的導引頭設計；同樣，也可以以非均勻圓陣列天線設計為基礎，在解決測角模糊和精度的前提下，結合二維空間譜估計測角算法，通過二維面陣超分辨解相干策略，實現超分辨高精度測角；獲取目標輻射電磁波極化信息，剔除多目標及其他干擾源，進一步優化系統性能指標。