比幅測向與比相測向偵察技術比較研究

馬 珂，徐聲海

(1.海軍裝備部駐上海地區軍事代表局，上海200083；2.海軍裝備部駐揚州地區軍代室，江蘇 揚州225001)

0 引 言

比幅測向和比相測向是電子偵察裝備最常用的2種測向體制。本文從基本工作原理、關鍵技術指標、經濟性、試裝性等方面對2種技術體制進行對比分析研究，為電子偵察裝備的前期方案選擇提供參考。

1 比幅測向技術

1.1 多波束比幅測向基本原理

比幅測向是利用多個接收波束進行比幅測向，即通常所說的多波束比幅測向，它是根據測向天線偵收信號的相對幅度大小來確定信號的到達角[1]，廣泛應用到世界范圍內的主要電子偵察裝備上，其典型代表為美國的AL/SLQ-32。

多波束比幅測向的原理是先找出收到信號最大的波束號及與之相鄰的次最大波束號，然后在這2個波束之間進行幅度比較。其基本原理框圖如圖1所示。

圖1中的天線數量N根據系統的測向精度指標要求進行確定，其常用的形式有恒波束喇叭天線、R-KR 透鏡天線、柱透鏡天線、羅特曼透鏡天線等。

1.2 多波束實現方式

采用多波束測向，其多波束的實現主要通過前端天線系統進行。常用的前端天線系統的型式主要有雙脊喇叭天線直線陣、羅特曼透鏡[2]、恒波束喇叭陣及柱透鏡等。具體的天線結構型式示意圖如圖2所示。

圖1 多波束比幅測向基本原理框圖

圖2 多波束測向常用天線陣示意圖

1.3 多波束比幅測向精度分析

多波束比幅測向采用的天線，其方向圖可用高斯型近似表示，檢波 對數放大器輸出電壓與接收信號功率的對數成線性關系，根據多波束比幅測向方程可得到方位角θ與兩相鄰波束接收功率的比值γ之間的關系：

式中：θ為入射波方向與兩波束中心線的夾角；θ0為天線單元-3 d B波束寬度的一半；θS為兩相鄰天線軸線之間的夾角；γ為相鄰天線通道接收信號的幅度之比(dB)。

由于天線方向圖近似為高斯型，因此，到達角θ與比值γ成線性關系，這意味著信道不平衡度引起的測向誤差不隨方位而變化。

為了分析測向誤差，對式(1)進行全微分：

架設一測向系統，其測向精度指標要求為3°(均方根值)，現通過分析來確定其波束數N。由于相鄰波束通常設計在-3 d B 附近相交，因此θ0=θS/2=11.25°，在高斯型方向圖情形下，γ的最大值在10 d B左右。

式(2)中第1項是由于波束寬度的變化量dθ0引起的，根據一般經驗，波束寬度的相對變化量為20%，則：

式(2)中的第2項是由于天線波束指向變化引起的，則：

天線方向圖可能會隨著頻率的變化而“歪頭”，此外，天線罩的不均勻性也可能引起波束指向偏差。一般這種偏差在波束寬度的10%以內，則：

式(2)中第3項是由于系統不平衡引起的：

系統的不平衡度主要由以下幾個因素引起：

(1)天線方向圖與標準的高斯分布有差異；

(2)濾波器、限幅器、RF 放大器、檢波器、對數視頻放大器對數特性的差異，其數值隨所用的器件水平而變；

(3)天線罩對方向圖的影響。

通常，系統的不平衡度在±3 dB～±5 d B 之間，取±3 d B計算，即γ最大誤差6 dB，則有：

此外，還有量化誤差dθ4及噪聲引起的誤差Δθ5。通常采用10 位量化，其量化誤差dθ4=0.7°(最大)，噪聲引起的均方根誤差Δθ5約為0.3°(均方根值)。

dθ1～dθ4均為誤差的最大值，假設誤差按高斯分布，則單項誤差的均方根值約等于其最大值的1/3，這樣，總的均方根誤差為：

以上計算尚未考慮到實際安裝條件引起的測向誤差。艦載偵察系統裝艦后會受到安裝條件、艦面反射及艦船搖擺的影響，以及受到信號分選、數據傳輸與更新顯示的影響，會導致統計測向誤差加大。由于該項誤差無法定量計算，和艦艇的上層建筑及安裝高度有關，根據經驗一般需按照0.5°進行考慮，即Δθ需小于2.5°，由式(8)可以得出N=14即可滿足指標要求。實際裝備研制過程，可根據安裝條件等因素，適當增加天線單元數。

2 比相測向

2.1 比相測向基本原理

比相測向的實質是通過測量空間來波信號在接收天線上形成的相位差來確定來波信號的到達角[2]。最簡單的單基線相位干涉儀的組成原理圖如圖3所示。

圖3 干涉儀測向原理圖

圖3中d為兩天線之間的基線長，θ為入射波到達角，則兩天線接收到的信號相位差為：

式中：λ為入射波波長。

所以知道相位差后可求出到達角為：在式(10)中，當d≥λ/2時，φ的取值可能超過[-π，+π)的范圍。相位差φ是由鑒相器測得的，而鑒相器的輸出范圍只能在[-π，+π)之內，對應的無模糊測角范圍為[-arcsinλ/2d，+arcsinλ/2d)，所以當d≥λ/2時可能出現相位差模糊。然而d/λ卻決定測向的精度，這可由下式看出：

由式(11)可見，相位誤差Δφ對測向誤差的影響與d/λ成反比，要獲得高的測向精度，必須盡可能提高d/λ。但是，d/λ越大，無模糊測角的范圍就越小。因此，同時滿足大的測角范圍和高的測角精度要求是單基線相位干涉儀測向難以實現的。

2.2 多基線干涉儀測向

由于單基線無法同時實現大的測角范圍和高的測角精度要求，在干涉儀測向應用中基本都采用多基線測向，用短基線保證大的測角范圍，長基線保證高的測角精度[3]。圖4給出了四基線多比特相位干涉儀測向的原理方框圖。

圖4 一維四基線相位干涉儀測向原理

圖3 中所示的基線長度 滿 足：d4=nd3，d3=nd2，d2=nd1，其中d＜λ。

假設一維多基線相位干涉儀測向的基線數為k，相鄰基線的長度比為n，最長基線編碼器的角度量化位數為m，則理論上的測向精度為[2，4]：

2.3 比相測向實現方式

比相測向的工程實現主要采用干涉儀方式，其天線多以平面螺旋天線為主，因為平面螺旋天線具有極寬的射頻帶寬和相當恒定的波束寬度，且其具有圓極化性能，其測向實現方式主要有一維線陣、二維L 陣、二維圓陣和二維十字陣等形式。采用一維線陣不具備俯仰角測向能力，在需要俯仰信息的電子偵察系統中需采用二維陣列方式，具體采用哪種陣列形式，主要取決于安裝平臺的結構空間。干涉儀測向常用天線陣如圖5所示。

圖5 干涉儀測向常用天線陣示意圖

3 指標對比分析

一套電子偵察系統的關鍵技術指標主要有測向精度、靈敏度、測頻精度、動態范圍、脈寬測量精度等指標，其中測向精度、靈敏度和動態范圍指標與采用的測向體制精密相關。下面就這幾個關鍵指標對比分析多波束比幅測向與干涉儀比相測向的差異。

3.1 測向精度指標分析

對于電子偵察系統重點偵收的7.5～18 GHz頻段，由于該頻段通常有引導有源干擾的功能需求，因此其測向精度指標一般要求優于1.5°(均方根值)。根據式(8)，其需要的理論波束數為22個，實際工程上，由于諸多不確定因素，所需要的波束數要遠多于理論值。美國的AL/SLQ-32，在8～18 GHz頻段采用了64波束，用以實現1.5°(均方根值)的測向精度指標。由式(8)可知，采用多波束體制，測向精度的提升所需要增加的波束數越來越多，從而導致設備量過于龐大，成本過高，且安裝要求也高。

由前文分析可得，干涉儀比相測向的測向精度指標主要取決于最長基線的長度，其短基線用于解模糊，因此實現較高的測向精度比較容易，通常采用四單元三基線就可以實現1°(均方根值)的測向精度指標。歐洲多功能護衛艦DDG1000上采用了四單元三基線，可以實現1°(均方根值)的測向精度指標[5]。由于天線單元數量少，其具有成本低、安裝容易的優點。

3.2 靈敏度指標分析

多波束比幅測向與干涉儀比相測向的最大區別在于前端接收天線的形式不同，后端接收機的實現方式略有差異。圖6和圖7給出了平面螺旋天線和多波束天線增益仿真效果圖。由圖可見，相同覆蓋角范圍內多波束天線增益比平面螺旋天線的增益高約10 d B。采用干涉儀體制，由于通道較少，便于數字化，數字化后干涉儀測向系統可以消除前端天線系統與多波束前端天線系統的增益差，其靈敏度與采用模擬體制的多波束測向系統基本相當。當多波束測向系統的測頻支路也采用數字化之后，多波束測向體制相對于數字干涉儀測向體制在靈敏度上約優5 d B。

圖6 平面螺旋天線增益仿真效果圖

3.3 動態范圍指標分析

一套電子偵察系統的動態范圍指標主要取決于接收機，多波束比幅測向與干涉儀比相測向均可以采用模擬體制接收機和數字體制接收機，通常模擬體制接收機的動態范圍優于數字體制，2種測向體制在動態范圍指標上沒有明顯的優劣區別。

3.4 其它指標分析

除了上述指標之外，一套電子偵察系統由于安裝平臺的不同，其重量、結構尺寸、供水和供電需求、成本也是重要指標。在相同的靈敏度、測向精度條件下，相比多波束測向技術，干涉儀測向技術在重量、結構尺寸、供水和供電需求方面具有較大的優勢，易于小型化，其系統靈敏度提升能力差于多波束測向技術。干涉儀測向技術較適于機載、彈載、星載電子偵察平臺，而多波束測向技術則適于靈敏度要求較高的陸基、艦載平臺。

4 結束語

本文闡述了多波束測向技術和干涉儀測向技術的基本原理及系統實現方式，對比分析了2種測向技術的測向精度、靈敏度、動態范圍等指標。通過對比分析可以看出，2種測向技術各有優缺點，在電子偵察系統方案選擇時，需根據指標、安裝平臺、成本等多個因素，進行測向技術選擇。