基于相鄰一維線陣干涉儀陣面的測向補償算法研究

王 開，陳 強

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

對輻射源的精確測向是電子戰偵察系統的重要任務之一。在現有的測向體制中，干涉儀測向具有結構簡單、精度高的優點。按照干涉儀天線陣型可以將干涉儀側向分為一維線陣干涉儀測向、二維線陣干涉儀測向[1]等，其中二維線陣干涉儀可以測量入射信號的方位角和俯仰角，適用于對信號測量要求高的頻段，但相應的成本也較高；一維線陣干涉儀只能測量入射信號的方位角，適用于對信號測量要求不高的頻段，但由于一維干涉儀沒有俯仰角信息，對有俯仰的入射信號測量存在偏差，導致偵察系統測向精度變差。

本文提出一種基于相鄰陣面一維線陣干涉儀測向補償算法，具有原理簡單、計算量小、正確率高的特點，可以提高一維線陣干涉儀對高俯仰目標的測向精度。

1 一維線陣干涉儀測向原理及缺點

一維線陣干涉儀測向原理可以用如圖1所示最簡單的單基線干涉儀模型[2]來描述，假設圖1中2個天線單元間距為D，波長為λ的入射信號方位角為θ，2個天線接收到信號的相位差為:

圖1 干涉儀測向基本原理

(1)

可以得到入射信號方位角的計算公式為:

(2)

公式(1)和(2)是在默認入射信號與一維線陣干涉儀天線在同一平面上得到的，即入射信號無俯仰角，但在實際情況中入射信號往往是既有方位角也有俯仰角，此時通過公式(1)和(2)得到的入射信號方位角與實際信號的方位角存在誤差，下面分析此誤差。

如圖2所示，假設入射信號的俯仰角為β，則有：

(3)

(4)

圖2 干涉儀方位測量示意圖

sinθ′=sinθcosβ

(5)

由于一維線陣干涉儀無法測量入射信號的俯仰角，所以一維線陣干涉儀在測量不同俯仰的入射信號方位角時與實際方位角存在偏差，通過計算觀測角度θ′與實際角度θ′的誤差曲線如圖3所示。

圖3 不同俯仰下一維線陣干涉儀方位角測量誤差

從圖3可以看出：(1)對于俯仰角不為0的入射信號而言，方位角測量值向陣面法向偏移(即偏小)，入射信號偏離陣面法線越遠則對應方位角測量誤差越大；(2)對于不同俯仰角的入射信號而言，俯仰角越大則對應方位角測量誤差越大。極端情況下，當入射信號方位角為45°、俯仰角為30°時，對應方位角的測量誤差可達-7.2°。

這種測量誤差是由于一維線陣干涉儀本身的特性決定的，最根本的解決方法是將一維干涉儀擴展為二維干涉儀測出入射信號的俯仰角，從而精確計算出方位角，但二維線陣干涉儀也會增加多路天線、微波以及后端接收處理模塊，大大增加整個偵察系統的成本。

2 基于相鄰陣面的測向補償算法

單個陣面一維線陣干涉儀可以接收±60°甚至更寬角度范圍的信號，在實際應用中一般用4個相互垂直的一維干涉儀陣面覆蓋方位360°范圍。在一定角度范圍內的入射信號相鄰2個陣面都能接收到，由前文分析結果可知，相鄰陣面對同一部信號的方位角測量值不同(超出了方位角測量容差)，會導致信號分選時出現2部信號，即出現“信號增批”現象，干擾操作員判斷，影響了測向系統的整體性能。

2.1 補償算法

(6)

對于陣面2,有:

(7)

聯立式(6)和式(7)得：

(8)

(9)

圖4 高俯仰兩陣面測向偏差示意圖

2.2 正確判斷高俯仰角信號的條件

假定單陣面可以正常測向的范圍為±60°，俯仰覆蓋±30°，每個陣面判斷范圍則為方位30°～60°和-30°～-60°，俯仰10°～30°。從分析結果看，高俯仰下單陣面測量方位角向陣面法向偏移，由此，相鄰陣面同時收到同一信號時，相鄰陣面的2個測量角度會形成1個夾角，高俯仰信號判斷可以根據相鄰兩陣面測量角的夾角進行判斷。根據分析，相鄰兩陣面測量角的夾角與入射信號俯仰角的對應關系如表1所示。

表1 俯仰角與測量角夾角范圍對應關系

3 算法驗證

3.1 仿真驗證

相鄰2個陣面的交界處為45°，假設單個陣面可以覆蓋到60°，那么對于陣面1而言，在30°～45°范圍內可以利用陣面2方位角測量值推算出入射信號的俯仰角，再結合陣面1方位角測量值推算出入射信號方位角。同理，對于陣面2而言，在45°～60°范圍內可以利用陣面1方位角測量值推算出入射信號的俯仰角，再結合陣面2方位角測量值推算出入射信號方位角。從而減少方位測量誤差。

假設測向系統是理想的，入射信號俯仰角為20°，在方位30°～60°范圍內做圓周運動，通過仿真可以看出補償前陣面1的方位角測量值小于真實值，陣面2的方位角測量值大于真實值，且在交界處陣面1與陣面2的方位角測量值會發生“跳躍”。補償后，在交界處陣面1與陣面2的方位角測量值是連續的。

3.2 試驗驗證

2個一維線陣干涉儀陣面相互垂直地安裝在1個三維轉臺上，在距離轉臺中心500 m遠處架設1個信號源，信號參數為：頻率5 000 MHz、重復周期1 000 μs、脈沖寬度5 μs，控制轉臺在俯仰-20°、方位0°～90°范圍內以0.5°/s勻速轉動，通過錄取報文形式來記錄信號分選目標，并統計方位角測量精度。

如圖5所示，采用補償算法前，方位角測量值會從陣面2的52°“跳躍”到陣面1的46°，由于方位角變化量超出了容差值，信號在從陣面1過渡到陣面2時信號分選結果會出現“換批”和“增批”的現象。采用補償算法后，在陣面1和陣面2交接范圍內，方位角測量值在真實值附近上下波動，其變化值在容差范圍內，信號分選結果始終保持1部目標方位角連續變化。經統計補償前的測向誤差為1.79°，補償后的測向誤差為1.58°，也比補償前有所改善。說明補償算法是有效的。

圖5 采用補償算法前后的方位角測量值

4 結束語

本文通過對一維線陣干涉儀測向原理和缺點的分析，提出了一種利用2個相互垂直的一維線陣干涉儀測向補償方法，并且分析了正確判斷高俯仰角信號的條件。通過仿真和試驗驗證了該方法的正確性和有效性，對一維線陣干涉儀測向系統的實際應用具有一定的指導意義。