基于干涉儀的全向探測(cè)體制測(cè)角算法

趙懷坤，張容權(quán)，王盛鰲

(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川 綿陽(yáng) 621000)

?

·信號(hào)/數(shù)據(jù)處理·

基于干涉儀的全向探測(cè)體制測(cè)角算法

趙懷坤，張容權(quán)，王盛鰲

(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川 綿陽(yáng) 621000)

針對(duì)傳統(tǒng)米波天線尺寸龐大、機(jī)動(dòng)性差的問題，文中利用干涉儀測(cè)角原理，提出了一種可以應(yīng)用于可全方位同時(shí)探測(cè)的米波雷達(dá)天線及相應(yīng)的測(cè)角算法，該天線尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)角算法具有測(cè)角精度高、算法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于此算法的信號(hào)處理流程，給出了在不同信噪比時(shí)測(cè)角誤差的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明了該算法的有效性。

干涉儀；米波雷達(dá)；全向天線

0 引 言

米波雷達(dá)作用距離遠(yuǎn)、成本低，并且具有較好的反隱身和抗反輻射導(dǎo)彈的能力，目前世界各國(guó)均把米波雷達(dá)作為反隱身探測(cè)最重要的發(fā)展方向。但是傳統(tǒng)米波雷達(dá)天線陣面龐大，機(jī)動(dòng)性能、分辨率和精度較差，大部分用于相對(duì)固定區(qū)域的中高空警戒任務(wù)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的生存能力較差[1]。例如，大量在役的某大型米波警戒雷達(dá)，采用半波天線振子組陣，天線陣面面積將接近100 m2，只能用于執(zhí)行固定區(qū)域的警戒任務(wù)[2]。

但是由于米波雷達(dá)具有潛在的反隱身目標(biāo)和抗反輻射導(dǎo)彈的優(yōu)勢(shì)[3-4]，仍將是警戒雷達(dá)中的主要裝備之一。為滿足未來快速作戰(zhàn)的需要，需要采用新體制天線，降低天線尺寸，提高米波雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性。

本文給出了一種圖1所示的全向米波天線，該天線由兩對(duì)對(duì)稱放置的偶極子組成，單個(gè)偶極子天線方向圖覆蓋180°，僅需要兩對(duì)可實(shí)現(xiàn)方位全向探測(cè)，通過俯仰組陣可提高天線增益。

干涉儀測(cè)角[5-10]是典型的相位測(cè)角法，根據(jù)陣面上多個(gè)接收天線接收到回波信號(hào)之間的相位差進(jìn)行測(cè)角，測(cè)角范圍為-90°～90°，以往主要應(yīng)用于電子戰(zhàn)測(cè)向。當(dāng)應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中時(shí)，需要依靠陣面天線的機(jī)械旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)360°全向探測(cè)，本文針對(duì)全向米波天線結(jié)構(gòu)形式，對(duì)干涉儀測(cè)角技術(shù)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，提出了一種基于干涉儀測(cè)角技術(shù)進(jìn)行測(cè)角的算法。

1 測(cè)角算法原理

對(duì)如圖1所示的全向天線，為垂直放置的兩對(duì)天線振子(為使天線振子具有一定的方向性，本文采用對(duì)數(shù)周期振子天線)，振子1與振子3間距為λ(波長(zhǎng))，振子2與振子4間距為λ。

圖1 天線陣列與測(cè)角分區(qū)圖

當(dāng)目標(biāo)位于空間區(qū)域1時(shí)，入射角為θ(下文θ均為與振子1方向的夾角，取值為0°～360°)小于90°，主要有振子1和振子2接收到目標(biāo)的回波信號(hào)，雖然振子3和振子4的副瓣也可以接收到信號(hào)，但是其功率很低(在此忽略不計(jì))。在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，即目標(biāo)回波到振子1和振子2近似平行波，目標(biāo)到振子1與到振子2的距離差為L(zhǎng)

(1)

其中

則振子1與振子2的相位差為

(2)

當(dāng)θ取值為0°～90°時(shí)，φ取值為-180°～180°，且為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

假設(shè)振子1接收到得回波信號(hào)為s1=cos(2πf0n+α)，振子2接收到的回波信號(hào)為s2=cos(2πf0n+α+φ)(α為振子1和振子2固定的初始相位差)。

經(jīng)過數(shù)字下變頻和低通濾波后，振子1的信號(hào)為e-jα，振子2的信號(hào)為e-j(α+φ)，則通過比相可得到目標(biāo)在振子1和振子2回波的相位差φ。則可計(jì)算得到，角度θ與相位φ的關(guān)系為

(3)

同理可計(jì)算得到：

當(dāng)目標(biāo)位于空間區(qū)域2、3、4時(shí)，角度θ與相位φ的關(guān)系分別為

(4)

(5)

(6)

為避免出現(xiàn)測(cè)角模糊現(xiàn)象，對(duì)四個(gè)振子的回波信號(hào)在射頻上不能合成，需要在信號(hào)處理階段分別進(jìn)行處理，利用全向體制天線可采用長(zhǎng)時(shí)間相參積累多普勒分辨率比較高的特點(diǎn)，在每個(gè)振子分別完成點(diǎn)跡檢測(cè)后，通過相鄰兩通道間兩兩點(diǎn)跡匹配方法可以得到點(diǎn)跡的相對(duì)角度，并根據(jù)檢測(cè)到所在的區(qū)域通過角度轉(zhuǎn)換得到點(diǎn)跡的真實(shí)角度信息。設(shè)計(jì)的基于干涉儀原理的全向探測(cè)體制測(cè)角的信號(hào)處理流程圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)處理流程圖

2 仿真分析

下面對(duì)該全向探測(cè)體制天線的測(cè)角功能，不同信噪比條件下的測(cè)角精度和有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

圖3為目標(biāo)從0°～360°變化時(shí)，兩兩振子間的相位差。

圖3 兩通道間相位差圖

圖4a)為由圖3的相位差解算出的角度信息，可知角度范圍為0°～90°。當(dāng)根據(jù)探測(cè)到目標(biāo)的振子進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，得到的角度范圍為0°～360°，經(jīng)過分析可知，與輸入角度完全一樣，驗(yàn)證了在理想條件下基于干涉儀原理對(duì)全向探測(cè)體制天線進(jìn)行測(cè)角的有效性。

圖4 論測(cè)角效果圖

下面在不同信噪比條件下，采用該算法對(duì)測(cè)角精度進(jìn)行了仿真分析。

圖5為在檢測(cè)信噪比為20dB時(shí)的測(cè)角效果圖，圖5a)為測(cè)角結(jié)果與理論值對(duì)比效果圖，圖5b)為測(cè)角誤差效果圖。

圖5 在檢測(cè)信噪比為20 dB時(shí)，測(cè)角效果圖

圖6為檢測(cè)信噪比為10dB～36dB時(shí)，測(cè)角誤差的均方根誤差圖。

圖6 不同檢測(cè)信噪比時(shí)，測(cè)角誤差均方根

從圖6可知，檢測(cè)信噪比越高，測(cè)角精度越高，當(dāng)信噪比大于15dB時(shí)，測(cè)角誤差的均方根小于2°。

3 結(jié)束語

本文提出了一種可以應(yīng)用于可全向同時(shí)凝視探測(cè)的米波雷達(dá)天線及相應(yīng)的測(cè)角算法，該天線由交叉放置的四個(gè)對(duì)稱振子組成，測(cè)角算法根據(jù)不同振子接收到目標(biāo)的相位差進(jìn)行測(cè)角，實(shí)現(xiàn)米波雷達(dá)的全向測(cè)角，當(dāng)檢測(cè)信噪比大于15dB時(shí)，測(cè)角誤差的均方根小于2°，滿足米波雷達(dá)作為中遠(yuǎn)程預(yù)警探測(cè)的需求。

[1] 湯 輝，倪仁品. 某米波警戒雷達(dá)的全自動(dòng)架拆系統(tǒng)[J]. 武器裝備自動(dòng)化, 2008, 27(6)：17-19.TangHui,NiRenpin.Auto-erectintsystemforcertainmeterwaveearlywaringradar[J].ArmanmentAutomation, 2008,27(6): 17-19.

[2] 鄭雪飛. 米波警戒雷達(dá)天線小型化研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2002, 24(5): 64-66.ZhengXuefei.Studyonminiaturizationofthemeterwaveearlywaringradararray[J].ModernRadar, 2002, 24(5): 64-66.

[3] 陳長(zhǎng)興，鞏林玉，班 斐,等. 米波諧振雷達(dá)反隱身技術(shù)研究[J]. 艦船電子對(duì)抗, 2009，32(4)：34-37.ChenChangxing,GongLinyu,BanFei,etal.Researchintoanti-stealthtechnologyofmeter-waveresonanceradar[J].ShipboardElectronicCountermeasure, 2009, 32 (4): 34-37.

[4] 張 尉. 米波雷達(dá)陣地地面有效反射區(qū)的探討[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2003，25(4)：1-3.ZhangWei.Thediscussiononeffectivereflectionareaofmeterwaveradarposition[J].ModernRadar, 2003, 25(4): 1-3.

[5] 丁鷺飛，耿富錄. 雷達(dá)原理[M]. 3版. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2002: 202-205.DingLufei,GenFulu.Principlesofradar[M]. 3rded.Xi′an:XidianUniversityPress, 2002: 202-205.

[6] 魏 星，萬建偉，皇甫堪. 基于長(zhǎng)短基線干涉儀的無源定位系統(tǒng)研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2007，29(5)：22-25.WeiXing,WanJianwei,HuangfuKan.Studyofpassivelocationsystembasedonmultibaselineinterferometers[J].ModernRadar, 2007,29(5): 22-25.

[7] 李 淳，廖桂生, 李艷斌. 改進(jìn)的相關(guān)干涉儀測(cè)向處理方法[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2006，33(5)：400-403.LiChun,LiaoGuisheng,LiYanbin.ADFmethodfortheimprovedcorrelativeinterferometer[J].JournalofXidianUniversity:NaturalScienceEdition, 2006, 33(5): 400-403.

[8] 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. Wu Baodong, Chen Shu. Analysis of the phase error of direction finding system based on phase interferometer[J]. Shipboard Electronic Countermeasre, 2008, 31(3): 74-76.{JP

[9] 張智鋒, 喬 強(qiáng). 低信噪比下相關(guān)干涉儀測(cè)向處理方法[J]. 艦船電子對(duì)抗, 2009，32(6)：103-106. Zhang Zhifeng, Qiao Qiang. Direction-finding processing method of correlation interferometer under low SNR[J]. Shipboard Electronic Counter-measre, 2009, 32(6): 103-106.

[10] 司徒建，初 萍. 干涉儀測(cè)向解模糊方法[J]. 應(yīng)用科技，2007，34(9)：54-57. Si Weijian, Chu Ping. Research on the ways of solving direction finding ambiguity for interferometer[J]. Appdlied Science and Technology, 2007, 34(9): 54-57.

趙懷坤 男，1981年生，碩士研究生。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理等。

Angle Measurement Algorithm of Omnidirectional Detection System Based on Interferometer

ZHAO Huaikun，ZHANG Rongquan，WANG Shengao

(Jiuzhou Electronics Group Corporation. Ltd., Mianyang 621000, China)

Based on the principle of interferometer angle measurement, an omnidirectional meter-wave radar antenna and its related angle measurement algorithms are provided in this paper. Unlike traditional large and poor maneuverable antennas, the new antenna had small size and simple structure, and the algorithms were simple and high accurate. In addition, the paper designed the algorithms' signal processing flow, and presented the simulation results of angle error on different SNRs, which proved the algorithms' effectiveness.

interferometer; meter-wave radar; omnidirectional antenna

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.011

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012DFR10080)

趙懷坤 Email：16707093@qq.com

2015-05-26

2015-08-28

TN957

A

1004-7859(2015)10-0043-03