柯 凱 修繼信

干涉儀測(cè)向原理及影響試驗(yàn)要素研究?

柯 凱 修繼信

（解放軍91404部隊(duì) 秦皇島 066001）

在裝備試驗(yàn)鑒定中測(cè)向精度是雷達(dá)偵察裝備的重要考核指標(biāo)，論文介紹干涉儀測(cè)向技術(shù)原理，針對(duì)一維干涉儀對(duì)高仰角目標(biāo)的誤差主要來源進(jìn)行分析與計(jì)算。為考查誤差因素對(duì)靶場(chǎng)試驗(yàn)的影響，設(shè)計(jì)一維干涉儀裝備對(duì)高空機(jī)載雷達(dá)目標(biāo)測(cè)向試驗(yàn)典型態(tài)勢(shì)，分析不同距離和仰角條件下的測(cè)向誤差數(shù)據(jù)，并提出試驗(yàn)和裝備使用建議。

干涉儀測(cè)向；測(cè)向誤差；高仰角目標(biāo)；靶場(chǎng)試驗(yàn)

AbstractThe accuracy of direction finding was an important test index of the radar reconnaissance equipment in the range test.The principle of interferometer direction finding was analyzed and the main error source for the high elevation angle target in the one-dimensional interferometer equipment was analyzed and calculated.The typical test situation in which the high altitude airborne radar was used for testing the one-dimensional interferometer equipment was designed for investigating the influence of the error fac?tors in the range test.The error data in the different distance and elevation angle was analyzed and at last the experiments for test and forthputting were put forward.

Key Wordsinterferometer direction finding，direction finding error，high elevation angle target，range test

Class NumberTN971

1 引言

目前高信息技術(shù)條件下的海上戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)雷達(dá)對(duì)抗裝備測(cè)向精度提出了較高要求，干涉儀測(cè)向技術(shù)作為一種較為成熟的雷達(dá)測(cè)向技術(shù)，具有測(cè)頻帶寬大、靈敏度高、測(cè)向精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)［1～5］，在雷達(dá)對(duì)抗領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。但干涉儀技術(shù)測(cè)向主要通過解算電磁波在不同基線上相位差實(shí)現(xiàn)測(cè)向，存在一定局限性，其中一維干涉儀測(cè)向技術(shù)對(duì)高仰角目標(biāo)存在一定程度的誤差，對(duì)裝備的試驗(yàn)及作戰(zhàn)使用具有較大的影響，本文對(duì)干涉儀測(cè)向技術(shù)原理并設(shè)置典型試驗(yàn)場(chǎng)景對(duì)高仰角目標(biāo)測(cè)向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為相關(guān)裝備試驗(yàn)和作戰(zhàn)使用提供借鑒。

2 干涉儀測(cè)向原理

2.1 單基線相位干涉儀測(cè)向原理

單基線相位干涉儀測(cè)向原理［6］如圖1所示，在滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的基礎(chǔ)上，入射電磁波為平面波，干涉儀測(cè)向系統(tǒng)由兩個(gè)接收機(jī)、一個(gè)鑒相器和角度變換器組成，接收機(jī)將接收到的電磁波信息發(fā)送至鑒相器，鑒相器計(jì)算兩信號(hào)間的相位差，角度變化器將相位差轉(zhuǎn)化為波束到達(dá)角。兩根天線間距為l，電磁波與視軸間的夾角為θ，兩根天線在t時(shí)刻接收到的信號(hào)可表示為

圖1 單基線相位干涉儀測(cè)向原理

式中N0(t)、N1(t)為兩個(gè)天線接收到的白噪聲，λ為電磁波波長(zhǎng)，S(t)為電磁波信號(hào)，對(duì)[t1， tM] 時(shí)間內(nèi)兩個(gè)天線的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算可得：

對(duì)白噪聲造成的影響忽略不計(jì)，可得兩個(gè)通道信號(hào)的相位差φ與信號(hào)到達(dá)角θ存在如下關(guān)系：

設(shè)兩個(gè)通道幅相一致，對(duì)兩個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算求出相位差φ，可得信號(hào)的到達(dá)角θ為

由式（4～5）可知，相位差 φ 以 2π 為周期，若其值超過2π將出現(xiàn)相位模糊，無法分辨真實(shí)雷達(dá)方向，單基線干涉儀不模糊視角θu為

因此，若擴(kuò)大測(cè)向視角需縮小天線間距l(xiāng)，但同時(shí)會(huì)增大測(cè)向誤差，這是單基線干涉儀無法解決的矛盾。

2.2 多基線相位干涉儀測(cè)向原理

多基線相位干涉儀［7］原理圖如圖2所示，“0”天線為基準(zhǔn)天線，“1”、“2”、“3”天線與“0”天線之間距離為l1、l2、l3。若輻射源的平面波自右方到達(dá)，自右至左每個(gè)天線與基準(zhǔn)天線之間的相位差依次增加。其無模糊視角為

忽略頻率不穩(wěn)定引起的誤差，則其測(cè)向誤差為

通過多基線解決了單基線干涉儀存在的視角范圍和測(cè)向精度矛盾的問題。

圖2 多基線相位干涉儀原理圖

2.3 二維多基線相位干涉儀測(cè)向原理

一維干涉儀只能測(cè)量水平面內(nèi)輻射源的方位角θ（包括低仰角的輻射源），但在反輻射導(dǎo)彈尋的頭、二維測(cè)向定位等環(huán)境下需要測(cè)量垂直平面內(nèi)仰角α。在三維空間中測(cè)量輻射源的方位角和仰角［8］，用一維干涉儀是難以實(shí)現(xiàn)的，如圖3所示，有一信號(hào)以方位角θ和仰角α入射，“0”天線相對(duì)“1”天線的波程差為l sinθcosα，故相位差為

在α→0的情況下有cosα→1，式（9）可變?yōu)槭剑?）關(guān)系。

圖3 信號(hào)入射三維空間模型

若想求取輻射源的方位角θ和仰角α，至少需要兩個(gè)方程，因此采用一對(duì)基線互相垂直的干涉儀產(chǎn)生兩個(gè)方程，計(jì)算二維角信息：

3 高仰角目標(biāo)測(cè)向試驗(yàn)分析

3.1 數(shù)據(jù)分析

設(shè)存在高仰角目標(biāo)，相對(duì)測(cè)試點(diǎn)的方位角為θ、俯仰角為α，若使用一維干涉儀測(cè)向測(cè)得其水平角為θO，可得一維干涉儀測(cè)向體制引起的誤差ΔθO為

由式（12）可知，針對(duì)具有一定高度的測(cè)向目標(biāo)，其方位角、俯仰角不同，使用一維干涉儀測(cè)向引起的測(cè)向誤差也呈現(xiàn)一定規(guī)律變化，典型方位角、俯仰角情況下的測(cè)向誤差如表1所示。

表1 一維干涉儀體制引起的測(cè)向誤差（單位：°）

通過式（12）及表1數(shù)據(jù)可知：1）使用一維干涉儀技術(shù)測(cè)量高仰角目標(biāo)時(shí)，測(cè)向體制造成的誤差較大；2）隨著方位角增大，測(cè)向體制造成的誤差也逐漸增大。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)高空目標(biāo)測(cè)向試驗(yàn)航路示意圖如圖4所示，陪試飛機(jī)載機(jī)載雷達(dá)向干涉儀測(cè)向裝備平臺(tái)方向飛行，飛行高度為H，航路進(jìn)入點(diǎn)與試驗(yàn)裝備平臺(tái)距離為L(zhǎng)，飛機(jī)過頂后返回。

圖4 對(duì)高空目標(biāo)測(cè)向精度航路示意圖

設(shè)H=4000m，L=100km，方位角真值θ分別為0°、45°、60°、90°時(shí)，由于測(cè)向體制原因造成的測(cè)向誤差隨距離及俯仰角變化關(guān)系如圖5所示。

由圖可知，飛機(jī)在4000m高度抵近飛行時(shí)，俯仰角在( ]

0°，90°區(qū)間內(nèi)增大，對(duì)應(yīng)的測(cè)向誤差在(0°，θ ]區(qū)間內(nèi)非線性變化，誤差增大?？梢娨痪S干涉儀體制對(duì)高仰角目標(biāo)測(cè)向誤差較大，目前可用的較好的解決方法是使用成本低、測(cè)向誤差相對(duì)較大的測(cè)向設(shè)備進(jìn)行粗測(cè)向引導(dǎo)［9］，使干涉儀視軸方向與目標(biāo)電磁波方向夾角即方位角較小，從而提高一維干涉儀技術(shù)對(duì)高仰角目標(biāo)的測(cè)向精度，但該方法對(duì)高速目標(biāo)測(cè)向仍存在一定局限性［10］。

4 結(jié)語(yǔ)

一維干涉儀技術(shù)對(duì)高仰角目標(biāo)存在一定程度的誤差，在仰角超過20°后測(cè)向精度明顯下降，對(duì)作戰(zhàn)使用具有一定的影響。在裝備靶場(chǎng)試驗(yàn)中要充分認(rèn)識(shí)裝備局限性，設(shè)計(jì)航路須測(cè)試到邊界條件下的性能，并與理論分析值比較分析，達(dá)到充分檢測(cè)裝備性能的目的。

圖5 測(cè)向體制原因造成的誤差

［1］賀慶，劉元安，黎淑蘭，等.改進(jìn)的干涉式天線陣及其測(cè)向誤差分析［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34（6）：121-124.

HEQing，LIU Yuanan，LIShulan，et al.An improved anal?yses on interferometer antenna array and errors of direc?tion-finding［J］.Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2011，34（6）：121-124.

［2］毛虎，楊建波，邱宏坤.機(jī)載二維干涉儀測(cè)向誤差分析［J］.火力與指揮控制，2011，36（12）：67-71.

MAO Hu，YANG Jianbo，QIU Hongkun.Error analysis of direction finding for airborne two-dimension phase inter?ferometer［J］.Fire Control&Command Control，2011，36（12）：67-71.

［3］李婷，蘇新彥.基于相位干涉儀測(cè)向算法的仿真研究及誤差分析［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2014，43（3）：71-74.

LI Ting，SU Xinyan.Simulation research on direction find?ing algorithm based on phase interferometer and measure?ment errors analysis［J］.Fire Control Radar Technology，2014，43（3）：71-74.

［4］羅賢欣，劉光斌，王忠.干涉儀測(cè)向技術(shù)研究［J］.艦船電子工程，2012，32（8）：74-76.

LUO Xianxin，LIU Guangbin，WANG Zhong.Research on direction finding technology of phase interferometer［J］.Ship Electronic Engineering，2012，32（8）：74-76.

［5］毛虎，楊建波，劉鵬.干涉儀測(cè)向技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展研究［J］.電子信息對(duì)抗技術(shù)，2010，25（6）：1-6.

MAO Hu，YANG Jianbo，LIU Peng.The actuality and de?velopment of phase interferometer technology［J］.Electron?ic Information Warfare Technology，2010，25（6）：1-6.

［6］李川.干涉儀測(cè)向體制誤差性能分析［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2011，34（6）：114-117.

LI Chuan.Error performance analysis of interferometer di?rection finding system［J］.Electronic Measurement Tech?nology，2011，34（6）：114-117.

［7］吳寶東，陳舒.基于相位干涉儀測(cè)向系統(tǒng)的相位誤差分析［J］.艦船電子對(duì)抗，2008，31（3）：74-76.

WUBaodong，CHENShu.Analysis of the phase error of di?rection finding system based on phase interferometer［J］.Shipboard Electronic Countermeasure，2008，31（3）：74-76.

［8］鄭攀，程婷，何子述.二維干涉儀測(cè)向算法研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（1）：1-4.

ZHENGPan，CHENG Ting，HE Zishu.Research on 2D in?terferometer direction finding algorithm［J］.Modern Elec?tronics Technique，2013，36（1）：1-4.

［9］李東海，柯凱.基于多基線干涉儀和多波束比幅聯(lián)合測(cè)向天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.艦船電子對(duì)抗，2014，37（2）：97-99，110.

LI Donghai，KE Kai.Design and realization of joint direc?tion finding antenna system based on multi-baseline inter?ferometer and multi-beam amplitude comparison［J］.Shipboard Electronic Countermeasure，2014，37（2）：97-99，100.

［10］Schmieder L，Mellon D，Saquib M.Signal direction find?ing for low complexity radar ［J］. IEEE 9781-4244-2971-4，2009：8-12.

Interferom eter Direction Finding and Influence Factors on the Test

KE Kai XIU Jixin
（No.91404 Troops of PLA，Qinhuangdao 066001）

TN971

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.010

2017年4月11日，

2017年5月21日

柯凱，男，碩士研究生，工程師，研究方向：雷達(dá)對(duì)抗。修繼信，男，高級(jí)工程師，研究方向：雷達(dá)對(duì)抗。