一種基于干涉儀體制的機載測向技術研究

楊 忠

(中國電子科技集團公司第五十四所,河北石家莊050081)

0 引言

隨著航空電子偵察技術的發展,機載測向系統以其作用范圍大、偵測距離遠和可實現單機對地面目標定位等優點,正越來越受到關注。

對于機載測向系統,由于機載平臺可供布設天線陣列的有效空間、允許的天線陣元尺寸和數量都十分有限,不能使用大基礎天線陣,另外飛機機身的金屬蒙皮結構會引起測向天線幅相特性的變化,這些都增加了機載測向天線布陣的難度和復雜性。結合工程實際,給出一種9陣元機載干涉儀測向天線陣的設計并給出了計算機模擬仿真結果。

1 干涉儀測向原理

目前較為成熟的測向體制有比幅、瓦特森-瓦特、多普勒、干涉儀和空間譜等,其中干涉儀測向體制由于具有測向精度高、處理速度快、能對短持續信號測向、能夠使用任意陣型的天線陣等特點而倍受推崇,該體制特別適應于機載環境這種要根據具體情況對天線陣進行靈活配置的場合;同時可以利用相關數據匹配技術,采用較大孔徑的天線陣,使其對天線表面金屬蒙皮二次反射引起的電波波前扭曲起到較好的平滑作用[1],從而具有較高的測向精度和較強的抗多徑測向能力。

根據干涉儀測向原理可知,它是利用多個天線元測量來波在空間的相位關系,并同天線元本身的坐標位置一起確定來波方向的測向方法。一般測向天線陣的基線越大,測向結果越精確,但超過0.5倍信號波長時,又將產生測向模糊。為同時兼顧測向精度和測向結果的唯一性,需要采用基于長短基線匹配的干涉儀處理方法,即利用無模糊的較短基線上的測量數據進行匹配。計算機模擬表明,當多徑信號較強時,相鄰長短基線長度比不宜超過3,但可以通過相鄰基線內插算法提高長短基線匹配比來達到提高測向精度的目的。

外場實測結果表明,相比地面測向設備,機載測向天線方向圖特別是相位方向圖將會出現明顯的相位畸變,如果根據理論推導的公式由相位差數據直接求解方位角,可能會產生較大誤差。通常利用相位差-方位相關處理方法來消除方向性圖畸變帶來的影響,利用多條基線上的相位差進行擬合,估計出信號的入射方向,達到高精度測向的目的。

2 測向天線陣設計

2.1 單元天線

受機體安裝空間的限制,機載測向系統中一般使用小型寬帶單元天線,其中典型的天線單元有單極天線、對稱振子天線、Vivaldi定向天線和平面螺旋天線等。

對飛機天線來講,機體幾何形狀是不規則的,在求解天線場的問題時,只能按理想幾何形體進行數學分析與近似求解,要做到精確求解往往比較困難,所以對機載單元天線電參數測量就顯得十分必要。天線測量一般包括:天線出廠檢驗階段、地面安裝測試階段和飛行測試階段。電參數主要包括天線的幅度方向圖、相位方向圖、電壓駐波比、增益和陣元間互耦等。

2.2 組陣設計

根據干涉測向原理,為提高測向精度必須增大測向天線陣元之間的間距,但陣元間距過大又可能造成測向模糊。對于測向模糊問題,通常可采用長短基線匹配和多陣元組陣等措施來解決。考慮到飛機本身的結構特點-機身橫向寬度較窄而縱向長度很長,為有效利用飛機機腹的空間,提出一種適合機載安裝條件的干涉儀測向天線陣,該測向天線陣采用均勻橢圓布陣形式,長軸尺寸為5 m,短軸尺寸為1.9 m,如圖1所示。

圖1 橢圓形測向天線陣示意圖

在均勻圓陣干涉儀測向系統設計中,盡管已從理論上證明[2]5陣元以上的奇數個陣元以及8單元以上的偶數個陣元不存在測向模糊,但數學意義上的測向無模糊并不能保證有相位誤差時工程實現上的測向無模糊。在有一定相位誤差的情況下,如何確定橢圓陣測向天線陣元的個數、陣列孔徑和工作頻帶與無模糊測向的關系,目前還沒有成熟的結論。借用空間譜測向技術中常用的方向向量的概念來分析橢圓陣干涉儀的空間特性,定量地討論一下干涉儀測向系統中的測向模糊問題,為該干涉儀測向系統陣列孔徑的確定提供一些有益的參考。設M個天線陣元均勻分布在一個橢圓圓周上,以幾何中心為參考點,則陣列的方向向量a(θ)可表示為:

設a(θ1),a(θ2)是陣列流形上的2個方向向量,定義空間相關系數為:

對于均勻橢圓陣,利用上式可寫出空間相關系數的解析表達式,但由于陣列流形的復雜性,從解析表達式中并不太容易得到有關的結論,通過計算機仿真對測向模糊問題進行討論。若假定各個陣元的增益均為1,則利用預先得到的空間各個入射方向信號的相位數據,可以得到一組空間入射信號的方向向量a(θi)。對于空間一個實際入射信號,干涉儀測向系統測得的相位數據所對應的方向向量為a(θ),由ρi最大值對應的相位數據所代表的方位值即可作為空間實際入射信號的方位角估計值。9陣元均勻橢圓陣的相關系數圖如圖2所示。橢圓陣孔徑與波長之比分別為14和12,信號入射方向為180°。可見,相關系數的最大值在方位角180°左右兩邊各一個次最大值。由此可以得到如下結論:①孔徑波長比越大,主瓣越窄,方位測量精度越高;②去除測向模糊就是要求相關系數圖的主瓣與付瓣的高度易于分辨。

從仿真結果可以看到,對于9陣元均勻橢圓陣干涉儀測向系統,由于陣元個數的增加,可以有更多的基線參與運算,因此孔徑波長比相對5陣元測向系統(一般不超過4)來說要大得多,因此可以獲得更高的測向精度。但一味增加天線陣的孔徑的做法一是受限于載機平臺的尺寸,二是會帶來測向模糊的問題,仿真數據表明,該測向天線陣的孔徑波長比不宜超過15。

圖2 9陣元均勻橢圓陣相關系數圖

3 仿真結果

對相關干涉儀測向系統,測向精度主要由基線長度和系統相位誤差決定,而系統相位誤差主要由接收通道的相位失衡誤差、相位測量誤差和相位噪聲誤差等部分組成。對上述9陣元橢圓天線陣組成的機載測向系統的測向誤差進行了大量的計算機模擬,仿真結果表明,在這種陣列配置下,即使存在由于機體二次反射或較強的多徑干擾導致的相位畸變,系統仍然具有較好的測向性能。

在信號工作頻率取100～400 MHz,最大相位誤差設為20°,信噪比為12 dB的條件下,分別對給定頻率的測向誤差隨入射信號角度的變化情況以及在特定的工作頻段內測向誤差隨頻率的變化關系情況進行了仿真計算,從仿真結果可見全方位、全頻段測向誤差的典型值均小于2°,仿真結果如圖3和圖4所示。

值得指出的是,受限于飛機本身的結構尺寸提出的這種布陣方式并沒有達到無模糊測向所要求的最大孔徑波長比,因此對于空間更大的平臺,采用這種布陣方式既可以充分利用平臺的空間,又可以獲得更高的測向精度。

圖3 測向誤差-入射信號方位關系曲線

圖4 測向誤差-入射信號頻率關系曲線

4 結束語

通過分析機載測向系統的特點,從長短基線干涉儀測向原理出發,給出了一種均勻橢圓陣型的機載測向天線陣設計,它最大限度地利用了飛機載體的表面尺寸,較好地滿足了天線陣元數量適中、天線陣口徑盡量大、不同長度的基線種類盡量多等要求。計算機模擬仿真表明,使用該測向天線陣,系統具有較強的抑制機載天線受金屬蒙皮影響所形成的相位畸變能力,能較好地解決機載測向設備在實際環境中的高精度測向問題。

[1]劉建華,王慕璽.一種具有穩健匹配性能的九陣元干涉儀基線配置[J].無線電通信技術,1999,25(1):8-10.

[2]DING Qi,XIAO Xian-ci.DOA Ambiguity vs.Array Configuration for Subspace-based DF Methods[C].Beijing:Proceedings of the 1996 CIE International Conference of Radar Proceedings,ICR'96,1996:488-492.