摘? 要：多波束比幅測向技術是提高電子戰(zhàn)中雷達、通信等偵察裝備偵測靈敏度、輔助實現(xiàn)各類信號偵測的新型技術，文章闡釋了多波束比幅測向系統(tǒng)的基本構成與測向原理，圍繞測向精度的影響因素、提高測向精度的方法、測向算法優(yōu)化比較等層面，針對多波束比幅測向系統(tǒng)的精度分析與測向算法優(yōu)化策略進行了具體探討，為后續(xù)研究提供參考和借鑒。

關鍵詞：多波束比幅;測向精度;測向誤差

中圖分類號：TN971? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）02-0087-03

Abstract：Multi beam amplitude comparison DF technology is a new technology to improve the detection sensitivity of radar，communication and other reconnaissance equipment in electronic warfare，and to assist in the realization of all kinds of signal detection. This paper explains the basic structure and DF principle of multi beam amplitude comparison DF system，focusing on the influencing factors of DF accuracy，the methods to improve DF accuracy，and the optimization and comparison of DF algorithm. The accuracy analysis of amplitude comparison and direction finding system and the optimization strategy of direction finding algorithm are discussed in detail，which can provide reference for the follow-up research.

Keywords：multibeam amplitude comparison;direction finding accuracy;direction finding error

0? 引? 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對于超視距目標偵測提出了較高的要求，無源測向技術憑借其威脅告警、輔助識別輻射源信號、定位輻射源、引導干擾方向等功能滿足電子偵察需求，而測向精度則成為無源測向技術功能實現(xiàn)的關鍵所在。通常多波束比幅測向系統(tǒng)的波束寬度較小，可有效提高天線增益，為偵察系統(tǒng)的靈敏度提供保障。

1? 多波束比幅測向系統(tǒng)的構成與測向原理分析

1.1? 系統(tǒng)構成

偵察靈敏度是衡量偵察系統(tǒng)性能優(yōu)勢的關鍵指標，以天線增益作為評判偵察靈敏度的指標，通常波束寬度較小的多波束天線具有更高的偵察靈敏度，優(yōu)于波束寬度較大的天線。多波束偵察系統(tǒng)在結構上主要包含天線模塊、微波模塊、接收機與信號處理模塊，其中在天線模塊中，由N個單元在360°空間內(nèi)呈平均分布狀態(tài)，各單元間保持相互獨立，將其在空間內(nèi)接收到的電磁波信號傳遞至微波模塊;在微波模塊中，將從天線模塊接收到的電磁波信號進行限幅、放大與濾波處理，經(jīng)由視頻對數(shù)放大器將信號傳輸至接收機模塊;在接收機與信號處理模塊中，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器采集視頻對數(shù)放大器輸出幅度大小，在方位解算模塊內(nèi)判斷來波方向[1]。

1.2? 測向原理

在多波束比幅測向中常用三波束比幅測向方法，主要包含以下三項測向流程：其一是找到360°方位上信號幅度最大的波束n;其二是以波束n為基準，獲取該波束相鄰的兩個波束n-1和n+1，并讀取三個波束的信號幅度值;其三是觀察天線方向圖函數(shù)，計算出具體的信號方位[2]。假設某天線波束形狀為高斯型，信號到達的方向與天線最大值方向間的夾角為β，波束寬度為θ0.5，則有公式：

2? 多波束比幅測向系統(tǒng)的精度分析與測向算法優(yōu)化策略探討

2.1? 測向精度的影響因素

2.1.1? 天線因素

選取96波束比幅測向偵察系統(tǒng)作為研究對象，設相鄰兩天線軸線間的傾斜角為θs，當?shù)竭_波方向位于任意兩個天線之間時，將該信號的入射角方向與天線等信號強度方向間的夾角為θ，則該信號入射方向與兩個天線的波束中心指向間的夾角為和，將兩個夾角代入到信號幅度值計算公式中，計算出兩個天線輸出信號幅度值，將兩個天線輸出的幅度差設為γ、常數(shù)K取值為0.693、天線單元波束寬度的二分之一為θ0，則可以計算出θ為：

由于設該天線方向圖形狀為高斯型，則到達角θ與兩天線輸出幅度差γ成線性關系，因此可以證明方位變化并不會對因信號不平衡度所引發(fā)的測向誤差造成直接影響。通過針對測向誤差做出進一步分析，針對θ的計算公式進行全微分，得出dθ的計算公式為：

設θs的取值為3.750°、相鄰兩個波束的相交位置為

-3 dB，由此可以得出θ0的數(shù)值為1.875°，在高斯型天線方向圖中γ的典型值約為8 dB。針對dθ的計算公式進行拆解，影響其計算結果的因素主要包含波束寬度變化量、天線波束指向變化以及天線增益不一致性，設系統(tǒng)不平衡度的取值為±1 dB，γ的最大誤差為2 dB、誤差為隨機分布，將因天線與天線安裝引發(fā)的誤差期望數(shù)值相加，由此得出天線對測向精度的影響約為0.470°。

2.1.2? 微波因素

通常微波對于測向精度的影響主要表現(xiàn)在以下兩個角度：其一是微波鏈路的不一致性;其二是微波噪聲的影響。以當前最具代表性的DLVA為例，因其直流基線漂移所引發(fā)的誤差最高可達1 dBm，而因微波鏈路不一致性所引發(fā)的測向精度誤差通?？刂圃凇? dBm范圍內(nèi)。針對三波束比幅測向公式進行全微分可以得出：

其中PL為中心波束幅度與左波束幅度的差值;PR為中心波束幅度與右波束幅度的差值。

考慮到通道的不一致性，將△PR與△PL的數(shù)值控制在[-2，+2]區(qū)間范圍內(nèi)，則由此可以推斷出因微波導致的測向精度誤差最大值為：

假設△PR與△PL相加之和為典型值15，則求得△θ的數(shù)值為0.500°。如果將波束一致性誤差認定為隨機分布、系統(tǒng)誤差為線性，則因微波鏈路不一致性所引發(fā)的測量精度誤差約為0.250°，因直流基線漂移所引發(fā)的誤差約為0.060°，由此得出微波對測向精度的影響約為0.300°。

2.1.3? 量化誤差

假設選取10位ADC作為接收機，接收機的峰值為5000 mV，則其量化誤差的最大值約為5 mV。假設選用的DLVA輸出為60 mV/dBm，則接收機量化誤差對于測向精度的影響約為0.08 dBm，影響較小、可忽略不計。

2.1.4? 安裝結構

由于通常選取在暗室環(huán)境下開展測向精度測試，在此過程中由于距離不足，將對波束中心指向產(chǎn)生一定影響，進而造成測試過程中較大的測向誤差。假設在暗室環(huán)境下的測試距離為20.0 m，天線與轉(zhuǎn)臺中心X軸、Y軸的距離皆為0.5 m，經(jīng)由計算可得出最大偏心角約為40%，測向誤差約為0.500°;依照360°全方位粗略統(tǒng)計，其測向誤差約為0.250°。假設在暗室環(huán)境下的測試距離為40.0 m，則依照360°全方位粗略統(tǒng)計，可得出其測向誤差約為0.130°。

2.1.5? 系統(tǒng)誤差

以96波束比幅測向系統(tǒng)為例，其系統(tǒng)誤差對測向精度的影響可認定為1.000°左右。在多波束比幅測向系統(tǒng)實際運行過程中，還有可能受到不同器件的個體特性、器件間排布方式的影響，造成額外的預估誤差，對此還需結合實際情況進行綜合測算，判斷其誤差對測向精度造成的影響。

2.2? 提高測向精度的方法

2.2.1? 系統(tǒng)精細化設計

由于測向精度是影響多波束比幅測向系統(tǒng)性能的重要指標，能夠直接決定偵察信息獲取的準確度、發(fā)揮引導干擾作用，因此需針對系統(tǒng)進行精細化設計，以此提高測向精度。首先在天線設計方面，應注重盡可能確保各波束方向圖的一致性，最大限度削弱因頻率變化對方向圖產(chǎn)生的影響，降低天線副瓣或增加副瓣抑制天線;其次在通道噪聲控制方面，需在設計接收通道時注重提高各通道的信噪比，在器件選取上注重確保所選器件幅頻特性的一致，針對各通道進行校正處理、確保其幅度特性的一致性，并結合實際情況優(yōu)化幅度采樣器件精度、提高角度量化位數(shù);最后是其他細節(jié)的精細化設計，例如實行天線安裝工藝的優(yōu)化，提升天線罩、極化器性能等，以最大限度降低多波束比幅測向系統(tǒng)的誤差，提高測向精度[3]。

2.2.2? 誤差修正措施

基于工程化視角針對上述影響測向精度的因素進行整合分析，可以歸納出以下三項影響測向精度的因素，并針對其解決方法進行研究：其一是天線波束寬度與天線波束指向，該因素主要受制于天線的生產(chǎn)加工工藝與天線安裝結構工藝，對此需針對結構、工藝進行優(yōu)化，方可消除0.300°左右的硬性誤差;其二是天線與微波通路的一致性，對此可利用校表的方法進行改進，在工程調(diào)試下通?？墒拐`差同比減少50%，使測向精度誤差提升約0.200～0.300°;其三是近場測試誤差，對于測向精度的影響約為0.120～0.250°，對此需盡可能采用遠距離測試方法，可降低約0.100°的測試誤差?？傮w來看，在采用工程方法進行調(diào)試后，有望將96波束比幅測向偵察系統(tǒng)的測向誤差控制在0.700°以內(nèi)。

2.3? 測向算法優(yōu)化比較

2.3.1? 測向算法分析

以往采用高斯近似算法、三角近似算法作為兩波束算法，由于高斯近似算法受K的擬合精度影響較大，在將其運用于波束一致性不佳的方向圖時，有可能會引發(fā)方位數(shù)據(jù)跳變問題，由此研發(fā)出了三波束近似算法，通過消除高斯近似因子K實現(xiàn)算法優(yōu)化，其算法公式為：

其中DL、DR分別代指左、右兩個波束。

雖然該算法一定程度上使測向精度得到了改善，但在實際計算時需同時涉及到左、右兩個波束，不適用于邊緣波束的情況，因此需針對三波束近似算法進行改進優(yōu)化。

2.3.2? 測向算法優(yōu)化

其一是針對六波束方向圖進行幅度校正，尋找到六個波束中幅度最大波束，選取其頂點幅度與其余五個波束頂點幅度進行比較、計算出幅度差值，并進行幅度補償，實現(xiàn)方向圖的“拉平”。

其二是借鑒邊波束梯形近似原理，由于高斯近似、三角近似、三波束近似算法均無法得出在第M+5號波束中心點向外的測向結果，因此基于梯形近似原理針對三波束近似算法進行優(yōu)化，設θ方向入射信號與第M+5號波束、M+4號波束分別交于點Ac、Ad，在θ外側取θ1與第M+5號波束、M+4號波束分別交于點Ae、Af，過第M+5號波束的頂點Aa作一條垂線，與M+4號波束交于點Ab，Ae、Ag兩點與Ac、Ad兩點的連線交于點g，基于三角近似原理求得θ為：

2.3.3? 測向結果比較

在將優(yōu)化后的測向算法與高斯近似算法、三角近似算法的測向結果進行比較，可以得出三種算法的均方根誤差分別為4.45、2.67，優(yōu)化后的三波束近似算法的均方根誤差為2.63?？傮w來看，高斯近似算法對于方向圖的高斯近似因子依賴度較高，將其運用在波束一致性較差的方向圖中，將導致其測向精度較差;三角近似算法與三波束近似算法的測算精度較為相似，但三角近似算法不適用于計算邊波束的角度值;優(yōu)化后的三波束精度測向算法具有計算范圍較廣、測向精度較高等特點，在多波束比幅測向系統(tǒng)中具有較強的實用價值。

3? 結? 論

本文以96波束比幅測向偵察系統(tǒng)作為研究對象，基于公式推導因天線、微波、量化誤差、安裝結構與系統(tǒng)誤差對測向精度造成的影響，進行了詳細分析，并通過高斯近似、三角近似、三波束近似算法的實證尋求提升測向精度的具體優(yōu)化算法，以期為多波束比幅測向系統(tǒng)測向精度的提升提供借鑒。

參考文獻：

[1] 張玲，劉旭，姜義，等.一種陣列式高頻地波雷達比幅測向新方法 [J].中國海洋大學學報（自然科學版），2017，47（2）：8-13.

[2] 張學成，居易.基于比幅比相測向法的寬帶接收機的設計與實現(xiàn) [J].艦船電子對抗，2018，41（4）：86-89+97.

[3] 胡富增.多波束比幅和干涉儀測向的研究與仿真分析 [J].艦船電子工程，2018，38（9）：71-75.

作者簡介：王乾（1992.06-），男，漢族，河南內(nèi)黃人，助理工程師，工學學士，本科，研究方向：通信技術、電子對抗技術。