多波束比幅測向波束交疊與測向精度的研究

李 磊，寧 勇，李麒鵬，靳 東，孫海浪

（中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

隨著現代戰場電磁環境的日益復雜，電子對抗的作用和地位越來越重要，對測向系統的性能要求也越來越高。單脈沖無源測向精度是電子偵察技術中置信度最高的關鍵指標之一，直接影響對目標方位信息的判斷，目標的方位信息是信號分選、引導干擾和輻射源定位等功能的重要參數。當前常用的單脈沖測向方法有比幅測向法、干涉儀測向法和比幅比相測向法[1]。

干涉儀測向法具有測向精度高、體積質量小與成本低的優點，但是單基線干涉儀存在相位模糊問題，需要多個基線組合解模糊，對各通道間的相位一致性要求較高[2]，同時要求布陣的天線之間空域共視。比幅比相測向法具有測向精度較高、體積小與成本低等優點，但是與干涉儀測向類似,該方法要求布陣天線之間空域共視，這樣就會凸顯天線增益與覆蓋空域的矛盾。相較于干涉儀測向與比幅比相測向，在相同覆蓋空域條件下，比幅測向法具有結構簡單、性能穩定、復雜環境適應性強等特點，同時比幅測向法能夠大幅提高天線增益，從而提高探測距離，具備超視距偵察能力，同時具有較強的抗干擾（多徑效應）能力和多波束同時處理能力。通過分析干涉儀測向與比幅測向方法的最優測向精度，推導出2種測向精度的對比結果，當無合成損耗、天線數目大于等于8時，單脈沖比幅最高測向精度優于干涉儀最高測向精度[3]。因此對多波束比幅測向的波束交疊與測向精度的技術研究有著重要意義。

常規比幅測向法需要對天線加工畸變、機械安裝誤差、波束增益不一致性、波束法向偏差以及波束寬度變化等進行校正[4]，大幅增加系統校正工作量，同時不利于后期維護與升級。所以本文提出天線單元組陣后，單獨對天線陣所有通道進行天線方向圖測量，單獨對所有微波前端與變頻通道完成幅度校正。利用通道與相鄰通道實測方向圖差值生成比幅測向表并加載到數字信號處理中，數字信號處理根據偵測數據中通道間幅度差值進行比幅測向查表，進而得到單脈沖比幅測向信息。

1 系統組成分析

比幅測向體制適應于拋物面、羅特曼透鏡、喇叭、平螺與DBF陣列等天線類型，天線單元組陣后，利用自動測試設備控制轉臺對天線陣所有通道進行天線方向圖測量。由于各個微波通道相對獨立，利用微波前端中設計的自檢源同時對微波前端與變頻通道完成幅度校正。利用當前通道與左右相鄰通道測量的方向圖差值，生成比幅測向表并加載到數字信號處理中，數字信號處理根據偵測數據中通道間幅度差值進行比幅測向查表，進而得到單脈沖比幅測向信息。從而避免天線加工畸變、機械安裝誤差、天線通道之間不一致性、波束法向偏差以及波束寬度變化、波束左右對稱性差等對測向精度的影響。

所以本方案影響測向精度的因素主要有系統噪聲、天線第一交叉點位置、幅度測量精度、微波前端與變頻通道校正后一致性精度、天線方向圖測量精度、波束寬度等。多波束比幅測向系統組成框圖如圖1所示。

圖1 多波束比幅測向系統組成

2 多波束比幅測向原理

假設各天線按照3 dB波束寬度交疊（即波束交疊系數D=3），天線3 d B波束寬度均為θ3dB，第N個天線法線指向θM，信號入射的方位角θ處于第N個天線3 d B波束寬度內。同時假設天線的方向圖在偏離軸線±θ3dB的角度范圍內為是高斯型分布，天線陣方向圖如圖2所示。第N個天線頂點增益為Gmax，入射信號幅度為Ar,則第N個天線接收信號為：

圖2 多波束比幅測向系統方向圖

當信號入射的方位角θ偏移第N個天線法線指向θ3dB/2，即信號入射角在波束3 dB交疊處時，

根據波束交疊系數D=3的波束方向圖，提取第N個天線方向圖數據，分別于N-1和N+1天線方向圖數據相減，得到波束N的比幅測向表數據如圖3所示，信號入射的方位角θ取值范圍為θM±2θ3dB。比幅測向表斜率計算公式為：

圖3 多波束比幅測向系統測向表

第N個天線與第N-1個天線方向圖相減：

第N個天線與第N-1個天線方向圖相減，比幅測向表左的斜率公式描述為：

同理，第N個天線與第N+1個天線方向圖相減，比幅測向表右的斜率公式描述為：

根據多波束數字信道化檢測結果，形成波束N脈沖信號的全脈沖信息，同時單脈沖引導N-1與N+1波束進行幅度測量，計算出單脈沖信號在波束N與波束N-1或者波束N+1的幅度差，利用幅度差查找對應的比幅測向表，得到單脈沖入射信號測向結果。

3 多波束比幅測向精度的影響因素

本文提出測量組陣后天線陣單元的各個波束方向圖，獨立對微波前端與變頻通道進行幅度校正，從而解決常規比幅測向方法帶來的問題。所以在本文所述多波束比幅測向系統中，影響多波束比幅測向精度的因素主要有波束第一交叉點位置、天線通道之間不一致性、數字測幅精度、微波通道校正后通道一致性精度、天線方向圖測量精度、波束寬度一致性精度、波束法向偏差等，同時系統噪聲也會不可避免地影響測幅精度。

波束第一交叉點位置、天線通道之間不一致性、波束寬度一致性精度、波束法向偏差會影響比幅測向系統的波束交疊位置（即波束交疊系數）。波束交疊系數直接決定比幅測向系統的比幅測向表斜率，進而影響多波束測向精度。系統噪聲、數字測幅精度、微波通道校正后通道一致性精度、天線方向圖測量精度會影響多波束數字信道化檢測結果中幅度參數的測量精度，比幅測向表斜率（即波束交疊系數）一定的前提下，系統幅度測量精度直接影響多波束比幅測向精度。因此，下文著重研究比幅測向表斜率（即波束交疊系數）與系統幅度參數測量精度對測向精度的影響。

4 比幅測向表斜率提取

波束寬度、波束增益與波束法向的不一致都會導致按照3 dB交疊設計的天線陣，實際未按照3 dB交疊。同時不同頻段的波束寬度也有差別，因此不能確保所有頻段的波束第一交叉點都按3 dB交疊。上述因素直接影響比幅測向表的斜率，進而影響比幅測向精度。著重研究波束交叉點位置與比幅測向表斜率的關系，進一步仿真相同測幅精度時，不同比幅測向表斜率與比幅測向精度之間的關系。

當相鄰波束在波束寬度為θDdB處交疊時（波束寬度在D dB處交疊，D為波束交疊系數），信號入射交疊點的方位角θ偏移第N個天線法線指向θDdB/2。

第N個天線與第N－1個天線方向圖相減，比幅測向表左的斜率公式描述如下：

當D=3與D=2時，天線方向圖與比幅測向表對比如圖4、圖5所示。

圖4 D=3與D=2多波束天線方向圖

圖5 D=3與D=2多波束比幅測向系統測向表

5 系統幅度參數測量精度分析與波束交疊系數的選擇范圍

本節著重研究影響多波束檢測結果中幅度測量精度的因素，以及按照工程實測經驗數據確定系統幅度測量誤差。按照工程實測經驗數字測幅測量最大誤差ΔMDA=2 dB、微波通道校正后通道一致性最大誤差ΔMCC=2 d B、天線方向圖測量最大誤差ΔMAP=3 d B。根據最大誤差產生按照高斯分布的隨機誤差值ΔDA、ΔCC、ΔAP，計算上述3個影響因素疊加后的幅度測量誤差為：

結果表明，系統幅度測量誤差σSA=1.210 7 d B（rms）。

波束交疊系數與測角精度仿真結果如圖6所示。假設比幅測向精度需要達到波束寬度的1/12（0.083 3），波束交疊系數D取值應該不小于1.1。假設比幅測向精度需要達到波束寬度的1/15（0.066 7），波束交疊系數D取值應該不小于1.75。

圖6 波束交疊系數與測角精度仿真結果

波束交疊系數越大測角精度越高，但是隨著波束交疊系數的增大，造成比幅測向表斜率增大，天線左右比幅測向表交差點位置的幅度差值增大（不能大于數字測幅增益）。按照工程經驗，瞬時帶寬1 GHz時，數字測幅增益按照10 dB計算，中頻輸入信噪比1 dB考核測角精度指標。所以，天線左右比幅測向表交差點位置幅度差值不能大于16 dB，進而推斷出波束交疊系數D≤4。D=1.1與D=4時，比幅測向表曲線對比如圖7-8所示。

圖7 D=1.1與D=4多波束天線方向圖

6 結束語

采用測量天線陣各個通道方向圖，利用自檢源對微波前端與變頻通道進行幅度校正，計算當前通道與左右相鄰通道方向圖差值提取比幅測向表，對數字測幅結果計算通道間幅度差值進行查表測向，可以避免天線加工畸變、機械安裝誤差、天線通道之間不一致性、波束法向偏差以及波束寬度變化、波束左右對稱性差等對比幅測向精度的影響，進而確定系統的比幅測向精度只與輸入信號信噪比、系統幅度測量誤差與波束交疊系數相關。約束系統幅度測量誤差不大于1.210 7 d B（rms）、瞬時帶寬為1 GHz、數字測幅增益為10 dB、中頻輸入信噪比為1 dB時，波束交疊系數1.1≤D≤4，比幅測向精度優于3 d B波束寬度的1/12；波束交疊系數1.75≤D≤4，比幅測向精度優于3 dB波束寬度的1/15。

圖8 D=1.1與D=4多波束比幅測向系統測向表