張學(xué)成,居 易
(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州225101)
無源定位是電子偵察的關(guān)鍵技術(shù),目標(biāo)的方位信息是信號(hào)分選及引導(dǎo)干擾的重要參數(shù)。隨著電子戰(zhàn)技術(shù)的不斷發(fā)展及電磁環(huán)境的日益復(fù)雜,對(duì)測(cè)向系統(tǒng)的性能要求越來越高。目前常用的測(cè)向方式有比幅測(cè)向法和干涉儀測(cè)向法[1]。比幅測(cè)向以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)在偵察系統(tǒng)中得到廣泛運(yùn)用,但其測(cè)向精度的提升主要依賴于天線陣元數(shù)和測(cè)向通道的增加,這就使得其體積、重量及成本都大幅增加。干涉儀測(cè)向的特點(diǎn)是測(cè)向精度高,但單基線干涉儀存在相位模糊問題,需要多個(gè)基線組合解模糊[2];對(duì)各通道間的幅相一致性要求很高,為獲得高的幅相一致性,對(duì)器件性能指標(biāo)要求高,研制生產(chǎn)難度大,相應(yīng)地也影響了設(shè)備的性價(jià)比[3]。針對(duì)2種測(cè)向法的特點(diǎn),本文介紹一種復(fù)合測(cè)向體制——比幅比相測(cè)向體制,通過汲取比幅測(cè)向體制和干涉儀測(cè)向體制各自的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)全方位(0~360°)、寬頻帶(6~18 GHz)、高精度(<2°RMS)的寬帶接收機(jī),在體積、重量、成本、復(fù)雜度等方面都較單一測(cè)向體制有很大優(yōu)勢(shì)。
比幅測(cè)向用多個(gè)獨(dú)立的定向天線產(chǎn)生毗鄰波束,通過相鄰波束接收同一個(gè)信號(hào)的相對(duì)幅度來測(cè)量信號(hào)到達(dá)方位,比幅測(cè)向示意圖如圖1所示[4]。
圖1 比幅測(cè)向示意圖
設(shè)各天線增益相同,θs為波束夾角,其3 dB波束寬度均為θr。一般天線方向圖滿足對(duì)稱性,為簡(jiǎn)化定量分析,其方向性函數(shù)近似為高斯函數(shù),其中θ為相對(duì)波束中心指向的角度。則對(duì)應(yīng)天線的輸出信號(hào)為:
根據(jù)半功率波束寬度的定義可求得系數(shù)k:
帶入以上信號(hào)的表達(dá)式,同時(shí)取對(duì)數(shù),對(duì)應(yīng)在硬件上取得的信號(hào)功率對(duì)數(shù)幅度的原始采樣數(shù)據(jù),與輸出視頻電壓呈線性關(guān)系:
式中:系數(shù)B=20lgeln2≈6;P0=10lg A0。
考慮兩波束比幅測(cè)向,以兩波束等信號(hào)軸方向?yàn)榱愣确较?θ為偏離零度方向的角度,則左右2個(gè)波束的幅度為:
顯而易見,比幅測(cè)向法天線數(shù)目越多,測(cè)角精度和分辨力越高,目前高精度的多波束測(cè)向設(shè)備往往用幾十個(gè)天線瞬時(shí)覆蓋全方位。但是,由于每個(gè)天線都有獨(dú)立的接收通道,這樣一來,要求測(cè)向精度越高,系統(tǒng)就愈加復(fù)雜。
比相測(cè)向法也叫干涉儀測(cè)向,它具有精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備量少的優(yōu)點(diǎn),以單基線干涉儀為例,由2個(gè)接收天線、2個(gè)接收通道和比相接收機(jī)組成,圖2所示為一維雙陣元干涉儀,是一個(gè)最簡(jiǎn)單的干涉儀模型。
當(dāng)偵察距離遠(yuǎn)大于天線陣基線長(zhǎng)度時(shí),可把來自同一輻射源的入射波看成平行波,可以導(dǎo)出入射信號(hào)到達(dá)2個(gè)天線的相位差:
圖2 單基線干涉儀原理圖
接收機(jī)通過鑒相得到相位差,經(jīng)過換算就可以得到入射角。相位差?以2π為周期,如果超過2π,便出現(xiàn)模糊。由式(9)可知,在±90°視角范圍內(nèi),相位不模糊的要求是D<λ/2,實(shí)際上為了得到高的測(cè)向精度,一般選用的基線都比較長(zhǎng),這樣在大視角范圍內(nèi)必然存在相位模糊問題。圖3為在±30°范圍內(nèi)不同頻率入射信號(hào)的相位變化圖。
能源優(yōu)勢(shì):打造成為國(guó)家重要的能源化工基地,是推進(jìn)寧夏內(nèi)陸開放型經(jīng)濟(jì)試驗(yàn)區(qū)戰(zhàn)略定位之一,目前以煤化工為代表的寧東能源化工基地正在崛起,國(guó)家“西氣東輸”5條管線橫穿寧夏,在承接中東、中亞油氣加工轉(zhuǎn)化方面有一定的優(yōu)勢(shì)。
圖3 不同頻率相位變換圖
如1.1及1.2所述,單獨(dú)一種體制的測(cè)向方法均存在其優(yōu)缺點(diǎn),所以結(jié)合2種測(cè)向體制,提出了比幅比相測(cè)向的方法[5]。比幅比相測(cè)向原理上是采用單基線干涉儀測(cè)向與多波束比幅測(cè)向相結(jié)合,利用干涉儀測(cè)向來保證測(cè)向精度,同時(shí)通過比幅測(cè)向來解算單基線干涉儀測(cè)向中存在的相位模糊。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,首先用比幅測(cè)向測(cè)出的粗方位來選定用哪2個(gè)天線做單基線干涉儀測(cè)向,利用干涉儀測(cè)向公式將真實(shí)與模糊的方位全部解算出來后與比幅測(cè)向的角度進(jìn)行比較,確定哪個(gè)為真方位,解模糊處理將在第三部分做詳細(xì)說明。
系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。
圖4 原理框圖
為保證偵收信號(hào)幅相特性的一致性,天線陣由8個(gè)恒波束天線組成,任意2個(gè)相鄰天線波束中心指向夾角為45°,最短基線長(zhǎng)47 mm(對(duì)應(yīng)18 GHz)。全向天線覆蓋360°范圍,主要用于信號(hào)頻率的測(cè)量,為數(shù)據(jù)處理中相位和幅度的校正及方位解算提供頻率信息。
自檢信號(hào)提供8路等相位射頻信號(hào)用于對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)通道的幅度及相位一致性進(jìn)行校準(zhǔn),提高比幅及比相的測(cè)向精度[6]。天線引入的幅度及相位誤差在微波暗室中通過精細(xì)測(cè)量進(jìn)行校正[7]。
電路中限幅濾波用于抗燒毀和帶外信號(hào)抑制,保證設(shè)備微波前端輸入大功率信號(hào)時(shí),設(shè)備不會(huì)損壞。放大器選用低噪聲放大器,用以補(bǔ)償線路衰減和獲得較低的系統(tǒng)噪聲系數(shù)。釔鐵石榴石(YIG)及帶阻濾波用于精準(zhǔn)屏蔽一部分射頻信號(hào),增強(qiáng)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。檢波對(duì)數(shù)視頻放大器(DLVA)完成信號(hào)射頻到視頻的轉(zhuǎn)換,鑒相器將相鄰?fù)ǖ赖南辔恍畔⑥D(zhuǎn)換為幅度信息送處理板進(jìn)行量化處理。
數(shù)據(jù)處理模塊主要完成幅度采樣及相位編碼、對(duì)幅度采樣數(shù)據(jù)及相位編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,最終解算出信號(hào)的方位及其它參數(shù)信息。
在結(jié)構(gòu)安裝固定的條件下,天線的基線長(zhǎng)度隨著頻率的增加而變短。天線波束中心夾角為45°,相位中心到2邊的夾角為±22.5°,由于比幅測(cè)向存在誤差及相位中心零點(diǎn)存在偏差,故將干涉儀測(cè)向的方位擴(kuò)展到±30°。相位表達(dá)式為:
要得到最終的真實(shí)相位,必須進(jìn)行相位解模糊,即求出N值,然后才能得到要求的角度值。角度表達(dá)式為:
由圖3可知,不同頻率下的相位模糊周期數(shù)不同。由計(jì)算可知,當(dāng)頻率≤11 GHz時(shí),存在2個(gè)相位模糊周期;當(dāng)頻率>11 GHz時(shí),存在4個(gè)相位模糊周期,故將解模糊處理分兩部分。
(1)存在2個(gè)模糊周期,即N=-1,0,代入公式(10)解得2個(gè)入射角θ-1、θ0。假定真實(shí)入射方位為θ,比幅測(cè)向按角度計(jì)算公式(8)計(jì)算出為θa。比相測(cè)向解得的2個(gè)方位角θ-1、θ0與比幅測(cè)向解得的方位角θa差值的絕對(duì)值分別為Δθ-1、Δθ0。在比幅測(cè)向精度滿足要求的前提下,當(dāng)Δθ-1<Δθ0時(shí),測(cè)向方位為θ-1;當(dāng)Δθ-1≥Δθ0時(shí)測(cè)向方位為θ0。
θa與入射方位為θ差值的絕對(duì)值為Δθa。忽略比相測(cè)向誤差,當(dāng)θ=θ-1時(shí),應(yīng)滿足Δθ-1<Δθ0,此時(shí)Δθa為:
當(dāng)θ=θ0時(shí),應(yīng)滿足Δθ-1≥Δθ0,Δθa計(jì)算公式為:
(2)存在4個(gè)模糊周期,即N=-2,-1,0,1,代入公式(11)解得4個(gè)入射角θ-2、θ-1、θ0、θ1,計(jì)算出比相測(cè)向4個(gè)方位角與比幅測(cè)向角度θa差值的絕對(duì)值分別為,在比幅測(cè)向誤差滿足的基礎(chǔ)上判斷與比幅測(cè)向誤差絕對(duì)值最小的角度為真實(shí)方位。
圖5、圖6分別為頻率為6 GHz和18 GHz時(shí)不同入射角下幅度信息與相位信息關(guān)系圖。
圖5 6 GHz幅度相位關(guān)系圖
圖6 18 GHz幅度相位關(guān)系圖
比幅測(cè)向的精度影響解模糊的正確性,其精度的估算可以通過對(duì)式(8)求導(dǎo)得到:
按八波束比幅測(cè)向估計(jì)誤差,波束夾角θs=360°/8=45°。相鄰波束通常設(shè)計(jì)在-3 dB附近相交,因此θr=360°/8=45°。相鄰天線最大幅度差PL-R約10 d B,即在測(cè)向區(qū)間的最大幅度差約為10 d B。
誤差公式中第1項(xiàng)是由于波束寬度的變化量dθr引起的,根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn),波束寬度的相對(duì)變化量為20%,對(duì)于45°恒波束天線大約隨天線變化9°左右,實(shí)際上接收機(jī)一般都設(shè)計(jì)了頻率校碼功能,如果按倍頻程校碼,則最大變化3°,在波束頂端誤差最大,約為:
第2項(xiàng)是由于天線波束指向變化引起的,導(dǎo)致因素包括天線方向圖的不均勻性、天線加工誤差以及天線安裝誤差等。一般這種偏差在波束寬度的10%以內(nèi),若以4.5°估計(jì),可以計(jì)算:
第3項(xiàng)是由于幅度誤差引起的,包括測(cè)量量化誤差,接收機(jī)硬件不一致性等因素。根據(jù)目前硬件研制水平以及指標(biāo)要求,幅度測(cè)量相對(duì)誤差小于2 dB,這樣計(jì)算可得:
以上各項(xiàng)誤差基本是根據(jù)各影響因素可能導(dǎo)致的最大誤差估計(jì)的,超出最大誤差的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致比幅比相編碼的錯(cuò)誤,所以總的比幅測(cè)向誤差就按最大估計(jì)值計(jì)算:
這里誤差估計(jì)取值比較大,比如頻率校碼是按倍頻程校碼估計(jì)的,比較粗,實(shí)際上頻率校碼是比較細(xì)的。第2項(xiàng)的波束指向誤差,按目前天線加工工藝能力以及安裝精度,4.5°的偏差顯然過大,但總的測(cè)向誤差小于相位周期的一半,由解模糊方法可知當(dāng)比幅測(cè)向誤差小于相位半周期角度時(shí)可以實(shí)現(xiàn)正確解模糊。不同頻率下相位半周期對(duì)應(yīng)入射角度范圍如表1所示。
表1 不同頻率下的相位半周期對(duì)應(yīng)入射角度范圍
在6~18 GHz頻率范圍內(nèi)每200 MHz遞增,在360°方位每間隔5°做一次測(cè)試。經(jīng)過大量的測(cè)試及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)證明:無論在存在2個(gè)模糊周期的頻率范圍內(nèi),還是在存在4個(gè)模糊周期的頻率范圍內(nèi),都能實(shí)現(xiàn)正確的解模糊,對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行均方根統(tǒng)計(jì)后計(jì)算出測(cè)向誤差為1.55°(RMS),滿足測(cè)向精度<2°(RMS)的指標(biāo)要求。本測(cè)試主要集中在微波暗室環(huán)境下進(jìn)行,對(duì)外部環(huán)境的適應(yīng)性例如艦載、機(jī)載及其他安裝環(huán)境需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。
本文對(duì)比幅比相測(cè)向體制接收機(jī)的原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及解模糊處理做了詳細(xì)的論述,并最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)全方位(0~360°)、寬頻帶(6~18 GHz)、高精度(<2°rms)的寬帶接收機(jī)。基于比幅比相測(cè)向的寬帶接收機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn),在工作中穩(wěn)定可靠,其性能指標(biāo)能夠滿足多種平臺(tái)的使用要求,應(yīng)用前景廣闊。