幅相聯(lián)合技術(shù)下導(dǎo)引裝置測向性能仿真分析

趙風(fēng)東，朱元清，潘英鋒

（1.中國人民解放軍93498部隊(duì)，河北 石家莊050073；2.空軍雷達(dá)學(xué)院信息對抗系，湖北 武漢430019）

0 引言

隨著雷達(dá)裝備探測技術(shù)的不斷發(fā)展，防空武器系統(tǒng)日益完善，這對空中突防構(gòu)成越來越嚴(yán)重的威脅。為應(yīng)對威脅，各種反輻射武器裝備應(yīng)運(yùn)而生。反輻射無人機(jī)（ARUAV）既具有反輻射導(dǎo)彈的攻擊能力，又具有無人機(jī)機(jī)動、自主、靈活的作戰(zhàn)能力，備受各國青睞，成為反輻射攻擊家族的主力軍。導(dǎo)引裝置作為反輻射無人機(jī)的核心部件，其測向準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到反輻射無人機(jī)能否準(zhǔn)確命中目標(biāo)，甚至關(guān)系作戰(zhàn)成敗。因此，對國外反輻射無人機(jī)導(dǎo)引裝置測向性能進(jìn)行仿真分析具有重要意義。

1 反輻射無人機(jī)導(dǎo)引裝置［1］

國外某型反輻射無人機(jī)導(dǎo)引裝置天線陣由六個天線單元組成，每個單元的結(jié)構(gòu)均為平面螺旋天線。輻射源信號頻率不同，導(dǎo)引頭選用的測向天線也不同。當(dāng)輻射源信號頻率處于fmin～7.8GHz頻段時，導(dǎo)引裝置分別選用水平、垂直平面內(nèi)兩個間距較長的大天線工作，同平面內(nèi)兩個大天線的基線長度為l1，天線張角為60°，此時導(dǎo)引裝置共有4個大天線工作；當(dāng)輻射源信號頻率處于7.8GHz～fmax頻段時，導(dǎo)引裝置分別選用水平、垂直平面內(nèi)間距較小的一大一小兩個天線工作，同平面內(nèi)兩個天線的基線長度為l2，天線張角為60°，此時導(dǎo)引裝置共有2大2小共4個大天線工作。無論輻射源信號頻率如何，導(dǎo)引裝置始終分別選用水平、垂直平面內(nèi)兩個天線，共4個天線實(shí)現(xiàn)測向。

導(dǎo)引裝置采用幅相聯(lián)合測向技術(shù)，粗測向采用單脈沖比幅法測向，精測向采用干涉儀測向。測向天線由4個平面螺旋天線構(gòu)成，相對位置關(guān)系如圖1所示。天線1、2水平排列，視軸指向張角為θs，基線長度為l12，實(shí)現(xiàn)對輻射源方位角的測量；天線3、4垂直排列，視軸指向張角為αs，基線長度為l34，實(shí)現(xiàn)對輻射源俯仰角的測量。下面以水平面內(nèi)到達(dá)的天線1、2信號為例，對其聯(lián)合測向技術(shù)進(jìn)行仿真分析。

圖1 4個天線的相對位置

2 干涉儀條件下測向性能仿真分析

2.1 干涉儀測向性能分析［2-4］

相位干涉儀截獲單個脈沖就能夠?qū)崿F(xiàn)對輻射源方向的測向，故又稱為相位單脈沖測向。單基線相位干涉儀由兩個信道組成，如圖2所示。

圖2 干涉儀測向原理

若輻射源信號從與天線視軸夾角為θ方向到達(dá)測向天線1、2，則由于波程差使兩天線接收到的信號產(chǎn)生的相位差為：

式中，λ為信號波長，l為天線間距。

假設(shè)兩個信道的相位響應(yīng)完全一致，則由接收機(jī)輸出的兩路信號相位差仍然為φ，經(jīng)過鑒相器取出由相位差信息決定的正交鑒相視頻信號：

式中，K 為接收機(jī)系統(tǒng)增益。

因此，求得信號的到達(dá)方向角為：

2.2 干涉儀測向范圍仿真分析

因?yàn)殍b相器無模糊的相位檢測范圍僅為［-π，π），所以單基線相位干涉儀測向最大的無模糊測角范圍［-θmax，θmax）為：

式中，天線間距l(xiāng)為常量，其值為0.13m，c為光速。天線1、2為固定天線。

由式（4）可得最大無模糊測角范圍與工作頻率的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)引裝置干涉儀測向最大無模糊測角范圍隨頻率變化關(guān)系

由圖3可以看出，導(dǎo)引裝置進(jìn)行干涉儀測向時，其最大無模糊測角范圍與信號頻率成反比，即導(dǎo)引裝置工作頻率越高，無模糊測角范圍越小。如導(dǎo)引裝置工作頻率為fmin時，無模糊測角范圍為［-35.2°，35.2°）。而當(dāng)導(dǎo)引裝置工作頻率為7.8GHz時，計(jì)算出的無模糊測角范圍為［-8.5°，8.5°），測角范圍內(nèi)有3個模糊區(qū)。當(dāng)導(dǎo)引裝置工作頻率為fmax時，無模糊測角范圍為［-3.72°，3.72°），測角范圍有9個模糊區(qū)。戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求導(dǎo)引裝置的測角范圍為［-30°，30°］，當(dāng)最大無模糊測角范圍小于［-30°，30°］時，會產(chǎn)生測向模糊。必須對干涉儀測向的結(jié)果進(jìn)行解模糊處理，由比幅測向?qū)崿F(xiàn)解模糊。

3 比幅法條件下測向性能仿真分析

3.1 比幅法測向性能分析［3-5］

設(shè)天線1、2性能相同，方向圖函數(shù)以F（θ）表示，若F（θ）在水平面內(nèi)滿足對稱性，即F（θ）＝F（-θ），兩天線張角為θs，則天線1、2振幅方向圖如圖4所示。

圖4 天線1、2的振幅方向圖

當(dāng)輻射源方向處于兩天線波束最大值方向之間的任意位置，且偏離兩天線等信號強(qiáng)度方向的夾角為θ時，由于兩天線波束的最大值方向與雷達(dá)信號方向的夾角分別為θs／2-θ和θs／2＋θ，則對應(yīng)天線1、2的輸出對數(shù)視頻信號分別為：

式中，A（t）為信號的幅度調(diào)制。

比幅測向時將兩信號進(jìn)行幅度比較，即進(jìn)行對數(shù)視頻幅度相減運(yùn)算，則對數(shù)電壓比為：

導(dǎo)引裝置天線為平面螺旋天線，其天線方向圖函數(shù)F（θ）可用高斯函數(shù)近似表示為：

式中，常數(shù)k 為-1.3836，半功率波瓣寬度θr為72°。當(dāng)頻率在fmin～fmax之間變化時，導(dǎo)引裝置天線半功率波瓣寬度在90°～70°之間變化。假設(shè)天線波束寬度隨頻率線性變化，則天線半功率波瓣寬度與頻率的關(guān)系可表示為：

所以導(dǎo)引裝置天線方向圖函數(shù)為：

可見，由于導(dǎo)引裝置天線尺寸不變，信號頻率越高，天線半功率波瓣寬度越窄?？傻茫?/p>

因此，由R 可以唯一地確定出θ，實(shí)現(xiàn)對信號到達(dá)方向的測量。

3.2 比幅法測向范圍仿真分析

由式（9）可知，一旦輻射源到達(dá)方向、信號頻率確定，導(dǎo)引裝置天線方向圖函數(shù)就唯一確定了，其對數(shù)電壓比R 是確定的。由式（10）可知，天線1、2信號幅度的對數(shù)電壓比R 可以唯一地確定信號到達(dá)角θ。

由于天線方向圖函數(shù)F（θ）在區(qū)間［-60°，60°］內(nèi)具有單調(diào)性，所以θ在區(qū)間［-30°，30°］內(nèi)是單調(diào)變化的，即導(dǎo)引裝置比幅測向無模糊測角的范圍為［-30°，30°］。

3.3 比幅法測向精度分析

對式（10）中的θr、θs和R 分別求全微分，得到比幅測角的誤差為：

導(dǎo)引裝置天線半功率波瓣寬度θr＝72°、測角范圍θs＝60°是確定的，對于某一方向到達(dá)的輻射源信號Δθr、Δθs、R 是確定的，假設(shè)Δθs與Δθr近似相等，則此時測角誤差Δθ為：

查閱技術(shù)說明書，得知Δθr＝0.5°，此時測角誤差為：

當(dāng)輻射源信號到達(dá)角在30°方向時，對應(yīng)的測角誤差大于3°，可見比幅測向的精度比干涉儀小，需要干涉儀測向來提高測向精度。

4 幅相聯(lián)合條件下測向性能仿真分析

由上面的分析可以看出，干涉儀測向的測向精度較比幅法測向的精度高，但存在測向模糊，特別是輻射源信號頻率越高，產(chǎn)生的測向模糊越嚴(yán)重。比幅法測向的測向精度不高，但可以用來確定干涉儀測向的相位周期，以解除干涉儀測向產(chǎn)生的模糊。導(dǎo)引裝置正是綜合了兩種測向的優(yōu)勢來進(jìn)行幅相聯(lián)合測向的。當(dāng)輻射源信號頻率f0為7.8GHz，同一平面兩天線基線長度l為0.13m 時，振幅單脈沖與干涉儀測向結(jié)果如圖5所示。

圖5 振幅單脈沖與干涉儀測向結(jié)果

由圖5可以看出，單脈沖比幅法測向在測角范圍［-30°，30°）內(nèi)單調(diào)變化，但是隨著信號到達(dá)角偏離天線視軸方向的增大，其測向誤差逐漸增大，在±30°時，測角誤差＞3°。干涉儀測向的無模糊測角范圍為［-8.5°，8.5°），測角范圍內(nèi)有3個模糊區(qū)，與計(jì)算分析結(jié)果是一致的。

因此，導(dǎo)引裝置測向時，采用單脈沖比幅法測向進(jìn)行粗測向，對安裝在同一平面內(nèi)的兩個天線所接收的信號進(jìn)行幅度比較，確定干涉儀測向的測向周期；利用干涉儀進(jìn)行精測向，對安裝在同一平面內(nèi)的兩個天線所接收到的信號相位進(jìn)行比較，輸出精度較高的測向結(jié)果。當(dāng)鎖定目標(biāo)時，單脈沖比幅法測向與干涉儀測向二者都有零視軸誤差。

5 結(jié)束語

本文首先介紹了國外某型反輻射無人機(jī)導(dǎo)引裝置幅相聯(lián)合測向技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，分別就干涉儀、比幅法測向技術(shù)條件下導(dǎo)引裝置測向性能進(jìn)行了仿真，分析了兩種測向技術(shù)的優(yōu)劣。結(jié)果表明，干涉儀測向的測向精度較比幅法測向的精度高，但存在測向模糊，比幅法測向的測向精度不高，但可以用來確定干涉儀測向的相位周期，以解除干涉儀測向產(chǎn)生的模糊。最后得出導(dǎo)引裝置正是綜合了兩種測向的優(yōu)勢來進(jìn)行幅相聯(lián)合測向的。最后，分析給出了測角范圍與目標(biāo)雷達(dá)頻率、測角誤差與測量到達(dá)角的關(guān)系?！?/p>

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