一種干涉儀測量系統(tǒng)校準對零偏差修正方法

鐘鵬 蔡義紅

摘要 本文首先簡單介紹了干涉儀在工程中應用的基本方法，并對干涉儀對零偏差導致的誤差進行了分析仿真，最后給出了一種對零誤差的修正方法并仿真，對無法通過物理方式確定零位并進行校準的干涉儀系統(tǒng)使用具有一定參考意義。

【關鍵詞】干涉儀 對零誤差 修正

1 引言

干涉儀測向是一種成熟的測向體制，其最大的優(yōu)勢是能夠兼顧天線陣的尺寸和測向精度，在中小型平臺上可以實現(xiàn)高精度測向。

干涉儀測向的基本原理是根據(jù)入射信號的相位解算入射角度，在工程應用中，由于天線和接收通道本身存在固有相位差，因此干涉儀的工程應用必須進行校準，校掉固有相差。

固有相差的測量，在工程中稱為校準表獲取，一般采用從干涉儀法線方位入射信號并采集的方式進行。若校準表誤差過大，會導致干涉儀測向誤差增大，因此在使用中需要盡量獲取精確的校準表。

校準表的誤差主要由以下幾方面產(chǎn)生：

（1）系統(tǒng)對零位置偏差引起的校準表誤差;

（2）通道固有誤差;

（3）系統(tǒng)量化誤差。

以上三種誤差，后兩種為系統(tǒng)固有存在誤差，在干涉儀系統(tǒng)中不可避免，需要通過系統(tǒng)設計魯棒性容忍第一種誤差為可避免誤差，同時對校準表誤差影響最大，需要避免。

本文主要給出一種干涉儀系統(tǒng)在校準表獲取時，由于對零位置偏差導致的校準表誤差的修正方法。

2 干涉儀校正基本原理

2.1 干涉儀原理簡介

干涉儀測向基本原理如圖1所示。

假設輻射源滿足遠場條件，則干涉儀中相鄰兩天線收到入射信號為平行關系;當被測電磁波的入射方向與天線視軸偏離角為θ時，波平面到達兩天線的相位差表達為式（1）：

如測得入射波波長（頻率）和相位差，則可由（1）式推導出電波的入射角θ。

2.2 干涉儀校正原理

由于干涉儀測向是通過測量電波到達不同天線的相位差實現(xiàn)的，而在實際工程應用中，測量通道本身即存在一相位差，因此在實際應用時，用于計算方位的相位差必須減去該固偏。假設目標從θ方位處入射，則有測量出的兩天線相差為：

為了消除該固偏，在工程中采用測量值減去0°入射時測量值ψ測量（0）的辦法。

式中ψ固偏偏認為是固定的;ψ誤差是通道自身存在的相位波動及測量誤差，無法通過運算消除。則有：

（5）式得到的相位差結(jié)果才可用于計算目標入射角。

3 干涉儀校準對零誤差分析及仿真

3.1 對零誤差推導

從上一節(jié)可知干涉儀校準表即ψ測量（0），該值是否精確成為干涉儀系統(tǒng)是否準確的重要因素。

工程中校零時，一般采用測繪的方式獲取天線陣的0°物理方位（簡稱對零）。但不管采用哪種方式，在確定0°物理方位時都不可避免的存在偏差，導致校準表不準從而影響干涉儀測向結(jié)果。

以下對校準時對零不準產(chǎn)生的相位誤差影響進行分析。

設對零時，偏差α度（如圖2），則有：

3.2 對零誤差仿真

由（11）式可知，當對零誤差α為O時，測向誤差僅由相位測量誤差決定，理想情況下誤差為零。

圖3為典型干涉儀系統(tǒng)，測向誤差△θ隨θ分布，圖中紅色曲線為測向誤差理論值。

4 一種對零偏差修正方法

4.1 修正方法推導

一般原始測向誤差分布都如上節(jié)圖3所示，設此時存在固偏β，則有在θ入射的信號其實際相對干涉儀入射角應為θ+β，根據(jù)（10）式，有：

由于存在固偏，因此不能直接將θ=0時的△θ統(tǒng)計均值作為α。此時有：

（17）式只與β、θ有關，因此根據(jù)每一個θ，都可計算出一相應β。

注意：但由于系統(tǒng)誤差的存在，同時（17）只是近似公式，因此不一定每個θ都能解出有效β，但β應近似為一正態(tài)分布，其數(shù)學期望可作為最終β（或通過最小二乘計算出β）。

得到β后，代入（16）式即可得到值。

解出α及β后，根據(jù)（12）式可得到最后的修正結(jié)果：

4.2 誤差修正方法仿真

采用上一節(jié)所述方法，對解算α及β仿真如下：

（1）假設某干涉儀系統(tǒng)對零偏α=1°，存在天線陣固偏β=-1°。，則進行100次蒙特卡洛計算，其測向誤差△θ分布如圖4，圖中曲線表示無系統(tǒng)誤差時△θ理論值。

（2）針對每一個入射角θ，求100次θ”的E（θ"）。得到E（△θ）=E（θ"）-θ。

從圖5可知，E（θ"）與理論0基本一致，相差不大。

（1）根據(jù)第2步的結(jié)果，查找θ=0時的E（θ"），得到E（Δθ|θ=0）。

（2）根據(jù)（16）式，計算出β分布如圖6。

可以看到，β（θ）的分布規(guī)律，當θ越大時，解算出的β越穩(wěn)定，趨近于真實值。

（3）在此可求θ絕對值大于30°時β（θ）的數(shù)學期望，作為最終解出的β。

按照以上原則，解出β=-1.1°、α=0.91°，這與仿真設定的β=-1°、α=1°已經(jīng)相差較小，可認為成功解算出α、β。

（4）根據(jù)求出的β、α，代入公式（18）可得到修正后的測向值。由修正后的測向值計算出修正后的測向誤差，并對比修正前后的測向誤差分布如圖7。

從圖7可知，修正后測向誤差中固偏及對零偏差帶來的影響被修正掉。

5 結(jié)語

干涉儀對零誤差的修正方法有多種，本文所介紹的為其中一種修正方法，在實際計算時也可采用最小二乘法替代數(shù)學期望的方式計算對零偏差。本方法經(jīng)仿真證明可行，在實際應用中，對難以通過物理方式確定零位校準的系統(tǒng)誤差修正具有一定指導參考意義。

參考文獻

[1]張娟，劉恒，干涉儀測向系統(tǒng)相位誤差校準方法[J].雷達與對坑，2014.