基于輻射式與注入式的內場時差測向精度測試方法對比分析

王鄭力，伍鵬宇

(1.海軍裝備部，四川 成都 610036；2.電子科技大學，四川 成都 611731)

1 概 述

時差測向具有成熟且廣泛的應用[1-3]，關于測向精度指標的測試方法，相關論文也進行了研究[4-5]。本文基于時差測向精度指標內場測試的輻射式和注入式兩種方法，進行對比分析。在產品內場性能測試中，生產和維修階段常沿用研制階段的輻射測試方法，對暗室等測試資源配置要求較高，測試效率不高。比較于輻射法，注入法在測試效率上具備優勢，通過理論分析，設計測試流程及模擬器，開展實測驗證，與理論分析相結合，為注入法提供產品測試應用支撐，在保證測試有效性的基礎上，提高測試應用效率。

2 短基線時差測向原理

如圖1所示，設2副天線分別安裝在間隔為d的基線的兩端A和B，信號入射角與基線法線的夾角為θ，則由天線A和天線B所接收到的遠場輻射信號之的時間差為:

(1)

式中:c為輻射電磁波傳播速度，即光速；θ為信號入射角與基線法線的夾角[6]。

圖1 時差測向原理

由式(1)可見，只要測量出Δτ，就可以得出輻射源的到達方向角θ:

(2)

對式(2)求微分，可以得出時差測向誤差主要由時差測量誤差引起，在不考慮基線長度測量誤差時，時差測向均方根誤差σθ為：

(3)

式中：στ為時差測量的均方根誤差。

可見，時差測向精度與基線長度d、信號入射角θ、時差測量誤差στ有關。在入射角θ一定的條件下，基線越長，時差測量誤差越小，測向精度越高。測向誤差當基線配置與實際基線存在縮放倍數時，根據式(3)，測向誤差應放縮相應倍數[7]。

時差測量誤差στ主要來源于通道之間的相位延遲不一致性、通道熱噪聲和時間測量誤差：

(4)

式中：στφ為通道間相位延遲不一致性造成的時延不一致性；στn為通道熱噪聲誤差；στd為時間測量誤差。

(1) 通道間相位延遲不一致性στφ

由通道之間相位延遲不一致性造成的時延不一致性στφ為：

(5)

式中：σφ為兩通道的相位延遲不一致性；f0為信號頻率。

(2) 通道熱噪聲誤差στn

對單個脈沖測量，通道熱噪聲造成的測時誤差στn為：

(6)

式中：Bv為接收機視頻帶寬；σS/N為信號信噪比。

(3) 時間測量誤差στd

當采用高速數字電路進行時間測量時，測量誤差為：

(7)

式中：fs為數字電路采樣時鐘頻率。

(4) 工程估算與仿真分析

設置仿真參數，中頻頻率f0=400 MHz；通道間相位延遲不一致性控制在25°以內，即σφ=25°；視頻帶寬Bv=30 MHz；時差提取所需的信噪比σS/N=13 dB；時間測量電路的時鐘頻率fs=1.2 GHz。將這些參數代入式(5)、(6)、(7)，可以得到各部分誤差分別為στφ=0.17 ns,στn=2.29 ns,στd=0.48 ns，代入式(4)，可以得出總的時差測量均方根誤差στ為：

(8)

設置測向基線分別為40 m、35 m、30 m、25 m，利用式(8)估計的時差測量誤差στ，按照時差測向誤差的表達式(3)，對不同測向基線的測向誤差進行仿真。圖2為不同信號入射角下時差測向誤差的仿真結果曲線。

圖2 不同入射角下的測向誤差仿真結果

3 內場測試的2種方法

針對時差測向精度指標的內場測試，工程上選用的測試方法主要有2種，即輻射法和注入法。重點分析兩者之間的區別。

3.1 輻射法測向

在微波暗室中采用輻射法測試。直接照射，用被測輻射源目標相對于偵收系統的物理空間方位為目標真方位。

3.2 注入法測向

3.2.1 測試說明

在普通實驗室聯試環境中采用注入法測試。直接注入，依據時差測向原理，通過不同的時延裝置模擬不同方位的目標信號。

3.2.2 信號方位模擬單元

在短基線時差測向系統中，輻射源目標信號入射方位與輻射源目標信號到達構成測向基線的2信號接收通道之間的信號延遲時間一一對應，也就是說當向構成測向基線的兩信號接收通道注入信號，信號之間的延遲值與注入信號所攜帶的方位信息也是一一對應的，據此原理可設計出圖3所示原理的信號方位模擬單元。

圖3 信號方位模擬單元基礎原理

信號方位模擬單元的電路設計如圖4所示。

圖4 信號方位模擬單元電路設計

3.2.3 測試框圖

信號方位模擬單元的時延測試框圖如圖5所示。

圖5 信號方位模擬單元的時延測試框圖

4 2種測試方法比較研究

4.1 相同點

(1) 除天線外，被測產品的組成相同；

(2) 被測產品配置及運行狀態相同；

(3) 測試選取的頻率測試頻點、方位測試點的覆蓋范圍相同；

(4) 數據記錄與處理方法、合格判據保持不變。

4.2 不同點

(1) 輻射法測試中包含天線，而注入法測試中不包含；

(2) 輻射法測試需要在暗室進行，注入法不需要在暗室進行；

(3) 輻射法選取的方位測試點真值是通過發射天線與電子支援措施(ESM)天線陣在物理空間的相對位置來設定的，注入法選取的方位測試點真值(標定)是依據短基線時差測向原理用信號方位模擬單元產生的。

在短基線時差測向體制工程應用的技術實現中，對輻射源目標信號進行方位測量的本質是測量進入測向基線的兩接收通道信號之間的時延，通過該時延與輻射源目標方位之間的一一對應關系再演算出輻射源目標信號的方位。

從原理上看，如果待驗收測試產品的狀態一樣，被待驗收測試產品截獲偵收輻射源目標信號的本質相同(都是與信號入射方位一一對應的時延信號)，從這個角度可以認為其驗收測試的作用是等效的。

4.3 實際應用分析

(1) 關于天線陣對測向精度測試結果有無影響的問題

根據短基線時差測向原理，測向精度僅與時差測量誤差有關，而時差測量誤差主要來自于通道之間的相位延遲不一致性、通道熱噪聲和時間測量誤差等。而天線陣的天線單元可以做到工程實踐上的一致，由天線陣相位延遲不一致性而引入的時延不一致性影響幾乎可以忽略不計，再加上天線為無源器件，不存在通道熱噪聲，因此在測向精度指標測試中，天線陣的引入與否幾乎可以不對測向精度結果產生影響。

(2) 關于信號方位模擬單元是否可以用于驗證外場應用條件下的測向功能問題

在內場驗證外場裝機條件下的測向功能時，只需在原信號方位模擬單元中增加1路注入信號，用比測向電纜更短的電纜來模擬提前到達，測量方位仍由測向基線兩接收通道信號之間的時延確定，方位具體數據與外場裝機基線配置相關，方位覆蓋范圍為0°～360°測向范圍內的一個子集，即當基線長度配置為40 m時，目前信號方位模擬單元可提供的方位測試點測向范圍將被限制在測向基線法線方向周圍±10°以內。所以，信號方位模擬單元可用于驗證外場應用條件下的測向功能，具體外場實際應用環境更為復雜，仍需根據實際情況調整應用。

4.4 測試結果驗證

分別采用輻射法和注入法，在實驗室環境進行測向精度測試，按均方根方式做數據處理，測試結果如圖6所示。

圖6 測試驗證結果圖

通過對內場測試可采取的2種方法的分析比較和實測結果驗證，可以看出無論是輻射法還是注入法，待驗收測試產品中涉及測向精度指標實現的設備組成及運行狀態相同，兩種方法的測試結果均在理論估算值容差范圍內，測向精度指標均得到有效測試與檢驗，因此可認為兩種測試方法在測向精度指標內場測試的實踐應用是完全可行的。

從測向精度指標質量一致性檢驗的角度分析，原則上可以采用注入法，也可以采用輻射法?？紤]到注入法不再需要暗室資源條件且配套儀器設備狀態固定，對批生產、大修等任務而言，符合產品質量一致性檢驗的要求，結合批生產、大修等工作實際，采用注入法可有效提高工作效率。

5 結束語

在短基線時差測向內場測試中，通過對輻射法和注入法進行理論分析，設計了注入法所需的信號方位模擬單元，搭建了測試環境，對2種方法進行了理論和實際應用對比，最后通過2種測試方法的實際測試結果與理論估算相比較，從測向精度指標質量一致性檢驗的角度來看，2種測試方法的作用與效果均是滿足要求的，同時，相較于輻射法，注入法對暗室和測試環境的依賴程度更低，應用效率上具有優勢，為注入式方法在產品時差測向精度指標內場測試應用提供了理論支撐和驗證參考。