劉 飛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第29 研究所,四川 成都 610036)

0 引言

隨著電子對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展,對(duì)無(wú)線(xiàn)電目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)向成了關(guān)鍵手段,其中被動(dòng)測(cè)向技術(shù)中的干涉儀測(cè)向因其能實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)向精度而被研究人員高度重視。由采取其測(cè)量多個(gè)天線(xiàn)之間信號(hào)到達(dá)天線(xiàn)的相位差來(lái)計(jì)算信號(hào)入射方向。這個(gè)過(guò)程影響因素多、過(guò)程復(fù)雜,本文就從理論入手分析影響干涉儀測(cè)向的幾個(gè)因素。

1 基本原理

根據(jù)肖秀麗[1]干涉儀測(cè)向的基本原理如圖1 所示。

圖1 干涉儀測(cè)向基本原理

雷達(dá)信號(hào)的到達(dá)角θ,到達(dá)兩個(gè)天線(xiàn)之間的相位差:

上式中,λ為電磁信號(hào)波長(zhǎng),L為兩天線(xiàn)之間的距離,Φ為信號(hào)到達(dá)兩天線(xiàn)的相位差,θ為信號(hào)的入射角度。由式(1)可以得出,可以把入射角度表達(dá)成φ的反正弦函數(shù):

對(duì)式(1)進(jìn)行全微分可以得到:

從式(3)可以測(cè)向誤差來(lái)至波長(zhǎng)誤差(測(cè)頻),基線(xiàn)誤差。如果波長(zhǎng)誤差和基線(xiàn)誤差忽略,那么公式(3)可以簡(jiǎn)單記如下:

從式(4)可以得到如下結(jié)論:

(1)測(cè)量角度誤差和相位誤差成正比,而其中的相位誤差,由直接測(cè)量信號(hào)的相位差得到,要測(cè)量信號(hào)的相位差不可避免地受到通道一致性和信號(hào)強(qiáng)度(信噪比)的影響。

(2)測(cè)量角度誤差和基線(xiàn)長(zhǎng)度L成反比,基線(xiàn)越長(zhǎng)測(cè)量角度的誤差越小,但由于實(shí)工程上受到基線(xiàn)布置條件的限制,基線(xiàn)不可無(wú)限增加,其次由于受到信號(hào)周期性影響,測(cè)量相位存在2Kπ 的模糊,為了解算模糊,基線(xiàn)越長(zhǎng),需要的基線(xiàn)數(shù)量越多,受到限制的條件越多,因此實(shí)際基線(xiàn)長(zhǎng)度有限。各個(gè)文獻(xiàn)中討論關(guān)于基線(xiàn)的布置非常多,大多是采用長(zhǎng)短基線(xiàn)結(jié)合的解模糊方式來(lái)完成角度解模糊[2-3]。本文不參與討論關(guān)于基線(xiàn)選取的問(wèn)題。

(3)測(cè)量角度誤差和cosθ值成反比,cosθ值越大測(cè)量精度越高,當(dāng)cosθ=1,(θ=0°)時(shí)測(cè)量精度最高,當(dāng)cosθ=0(θ=90°)時(shí),誤差無(wú)窮大,無(wú)法測(cè)向。實(shí)際上信號(hào)不像理想情況一樣和天線(xiàn)在水平方向上入射,實(shí)際入射是在俯仰方向還有一個(gè)夾角α需要考慮。

本文從上文相位誤差和入射角度來(lái)簡(jiǎn)要分析干涉儀測(cè)向和各個(gè)因素對(duì)測(cè)量的影響。

2 相位誤差的影響

干涉儀測(cè)向中相位差Φ是以2π 為周期循環(huán)的,從式(4)可以得出,要測(cè)向角度誤差小,就必須要有足夠的基線(xiàn)長(zhǎng)度L,基線(xiàn)L越長(zhǎng)得到的測(cè)角精度越高,但基線(xiàn)變長(zhǎng),則會(huì)導(dǎo)致相位測(cè)量模糊,為了不產(chǎn)生相位模糊,基線(xiàn)要足夠短。這兩者之間是矛盾的,實(shí)際工程中研究人員采用多基線(xiàn)組陣的形式來(lái)化解這個(gè)矛盾。以數(shù)字信道化分機(jī)技術(shù)鑒相為背景,在多基線(xiàn)中必然出現(xiàn)多個(gè)天線(xiàn),多個(gè)變頻通道,多個(gè)AD 變換器。

從圖2 看出組成各個(gè)通道的包括天線(xiàn)、前端放大、變頻、AD 采樣,還有連接電纜。從這個(gè)主場(chǎng)框圖可以看出,各個(gè)支路受到存在通道一致性影響,要做到一致是很困難的;每個(gè)支路存在天線(xiàn)、放大器、下變頻、AD采樣處理的情況。這是一個(gè)典型的信號(hào)處理通道,放大器和變頻器都存在自身的熱噪聲,和其他信號(hào)處理一樣,存在一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度(信噪比)的問(wèn)題。

圖2 干涉儀通道組成

2.1 通道不一致的影響

在實(shí)際工程中要做到各個(gè)通道相位完全一致,概率是極小的。電纜加工最多做大5°的相位一致性,放大器,變頻器等15°～20°的相位不一致,這個(gè)不一致性和頻率、溫度濕度、連接器特性相關(guān)。整個(gè)通道上(到達(dá)AD 采樣之前)相位偏差大約會(huì)到10°～30°典型通道上的相位偏差如圖3 所示。

圖3 典型通道上的相位偏差

本文假設(shè)采用10 倍波長(zhǎng)的基線(xiàn)測(cè)量角度,那么30°左右的相位偏差會(huì)帶來(lái)多大的測(cè)向誤差,此問(wèn)題值得研究。

根據(jù)公式(4),將基線(xiàn)10λ、入射角度45°、相位偏差30°各條件帶入,可以得到θ 偏差在4.2°左右。此條件在對(duì)測(cè)向要求很高的應(yīng)用場(chǎng)景是不能滿(mǎn)足要求的。

但此偏差通常在不同通道上表現(xiàn)相對(duì)一致,和頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系比較穩(wěn)定,例如A 通道固定向某個(gè)方向偏移固定值,可通過(guò)校準(zhǔn)源校準(zhǔn)其偏差。從而在計(jì)算時(shí)將校準(zhǔn)信息納入其中減少相位固定誤差。僅留下隨機(jī)偏差。從圖4 可以看出,校準(zhǔn)后的相位隨機(jī)誤差,校準(zhǔn)的效果十分可觀(guān)。

圖4 校準(zhǔn)后的通道相位情況

從校準(zhǔn)后的相位誤差看,大致控制在4°左右,通過(guò)公式(4)的計(jì)算,這一偏差帶來(lái)的測(cè)向誤差不超過(guò)0.5°,因此能夠滿(mǎn)足一些測(cè)向精度要求較高的場(chǎng)景。

2.2 信號(hào)強(qiáng)度(信噪比)的影響

從圖2 示意圖看出,在天線(xiàn)接收后,信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、變頻處理才會(huì)進(jìn)入數(shù)字化通道,在AD 之前,都為典型的模擬通道,與其他的信號(hào)處理一樣面臨著信噪比的問(wèn)題。

在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中,FFT(Fast Fourier Transform)的積累長(zhǎng)度和基線(xiàn)長(zhǎng)度都是關(guān)鍵因素,選取64 點(diǎn)FFT(Fast Fourier Transform)積累,10 倍波長(zhǎng)的基線(xiàn)長(zhǎng)度。用高斯白噪聲加正弦信號(hào)進(jìn)行仿真計(jì)算得到如下曲線(xiàn)圖(見(jiàn)圖5)。

圖5 信噪比和測(cè)向精度之間關(guān)聯(lián)

從圖5 中看出,當(dāng)信噪比到14 dB 以上時(shí),測(cè)向精度達(dá)到比較理想的狀態(tài)。這個(gè)精度和FFT(Fast Fourier Transform)積累長(zhǎng)度、基線(xiàn)選取高度關(guān)聯(lián)。其中天線(xiàn)陣的布置和基線(xiàn)長(zhǎng)度選取在業(yè)內(nèi)討論較多。

3 入射角度的影響

在式(1)中,僅僅考慮了目標(biāo)和測(cè)試天線(xiàn)在同一水平面的情況,實(shí)際工程應(yīng)用中,天線(xiàn)位置和目標(biāo)位置時(shí)刻都在一個(gè)水平面上的概率極小,這樣實(shí)際工程中研究人員不單需要時(shí)刻測(cè)量水平角度,還需同時(shí)測(cè)量俯仰角。假設(shè)俯仰度為α,水平角度為θ,水平基線(xiàn)L1,俯仰基線(xiàn)L2,可以得到式(5)、(6):

上式中ΦA(chǔ)為水平向(入射波投影和天線(xiàn)法線(xiàn)方向夾角)相位差,ΦB為俯仰向(入射波和水平面夾角)相位差?？梢?jiàn)在實(shí)際工程上水平方向測(cè)向會(huì)包含一個(gè)α 的傾角因子。此傾角可能來(lái)自目標(biāo)不在水平面上,也可能因?yàn)樘炀€(xiàn)安裝而不在水平面上(和水平面有夾角)。

從公式看這個(gè)傾角最佳是0°。意味著:(1)天線(xiàn)法線(xiàn)最佳是在水平方向;(2)目標(biāo)最佳是在天線(xiàn)一個(gè)水平面上。條件(1)可以通過(guò)天線(xiàn)的安裝較容易實(shí)現(xiàn),條件(2)要求能夠在大部分工程中忽略,例如天線(xiàn)安裝在飛機(jī)上,目標(biāo)和飛機(jī)在近似高度2 km 左右,目標(biāo)距離飛機(jī)30 km 甚至更遠(yuǎn),其這個(gè)夾角很小接近0°可忽略,研究人員認(rèn)為無(wú)較大影響。但在飛機(jī)做機(jī)動(dòng)的時(shí)候,其角度就不能被忽略,這是飛機(jī)大機(jī)動(dòng)條件下,測(cè)向跳躍的原因之一。

4 結(jié)語(yǔ)

干涉儀測(cè)向的影響因素很多,天線(xiàn)布置、基線(xiàn)長(zhǎng)度、信噪比、入射角度、通道一致性及其選取的信號(hào)積累方式都高度關(guān)聯(lián)。實(shí)際工程上由于多種因素的交叉影響,測(cè)向精度大多保持在0.5°～1.5°。這篇文章從通道一致性和信噪比、入射角等角度討論,希望能夠給工程技術(shù)人員提供一個(gè)新的思路。