提高相位干涉儀測(cè)角精度新方法

王克讓?zhuān)罹昊?，朱曉丹，張廣宇， 朱偉強(qiáng)

(中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所,江蘇 南京 210007)

·技術(shù)前沿·

提高相位干涉儀測(cè)角精度新方法

王克讓?zhuān)罹昊?，朱曉丹，張廣宇， 朱偉強(qiáng)

(中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所,江蘇 南京 210007)

為進(jìn)一步提高傳統(tǒng)相位干涉儀測(cè)角精度，提出一種利用所有基線信息的新測(cè)角方法。在給出該測(cè)角方法的基礎(chǔ)上，分析了該方法的測(cè)角精度。理論分析表明該方法測(cè)角精度優(yōu)于傳統(tǒng)方法，可適用于一維和二維線陣，且不改變現(xiàn)有陣列的布陣形式，算法計(jì)算量小。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性，且在低信噪比情況下，該方法測(cè)角性能提高更加明顯。

電子偵察；相位干涉儀；測(cè)角精度；線陣

0 引言

電子偵察是現(xiàn)代電子戰(zhàn)中必不可少的重要組成部分，其中目標(biāo)角度參數(shù)具有相對(duì)的穩(wěn)定性，是進(jìn)行信號(hào)分選和識(shí)別的重要參數(shù)。對(duì)目標(biāo)角度參數(shù)的測(cè)量主要有振幅法、比相法、空間譜估計(jì)等方法，相位干涉儀[1-4]測(cè)向作為比相法的一種，具有測(cè)向精度高、實(shí)時(shí)性好、技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單和工程上易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在電子偵察測(cè)向[1]中得到了廣泛的應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域，相位干涉儀可對(duì)雷達(dá)、通信、測(cè)控、敵我識(shí)別等輻射源進(jìn)行測(cè)向定位，能在實(shí)施針對(duì)性電子干擾和軍事打擊中發(fā)揮重要作用；在民用領(lǐng)域，它可用于交通管制、生命救援、無(wú)線電頻譜管理等諸多方面。

相位干涉儀測(cè)向體制利用不同通道的相位差估計(jì)輻射源方向，為了提高測(cè)角精度，干涉儀一般采用多基線的方式，即使用長(zhǎng)基線測(cè)向保證測(cè)角精度[5]，短基線解模糊，整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)角精度取決于最長(zhǎng)基線長(zhǎng)度。為了進(jìn)一步提高測(cè)角精度，理論上可繼續(xù)加大基線長(zhǎng)度，但是加大基線長(zhǎng)度必然造成通道數(shù)多,設(shè)備體積、質(zhì)量和功耗的進(jìn)一步加大，設(shè)備成本的升高。而且在一些應(yīng)用平臺(tái)中，如機(jī)載、星載[6]等對(duì)載荷設(shè)備的體積、質(zhì)量和功耗有著嚴(yán)格的限制，不可能無(wú)限制地加大基線長(zhǎng)度來(lái)提高測(cè)向精度。

本文提出一種充分利用干涉儀多基線信息的測(cè)向方法，該方法不影響原干涉儀的布陣方式和解模糊方法，也不增加基線長(zhǎng)度，可有效提高測(cè)向精度。

1 提高測(cè)角精度方法

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，λ為信號(hào)波長(zhǎng)。

因此，當(dāng)相位干涉儀布陣設(shè)計(jì)完成后，可選擇的基線個(gè)數(shù)M也就確定了，本文方法僅比傳統(tǒng)方法多了算式(5)，因此基本不增加算法的計(jì)算量。

2 理論分析

(7)

可寫(xiě)為：

φt

(8)

式中，φt可稱(chēng)之為歸一化相位差，其誤差直接傳遞到目標(biāo)角度的估計(jì)。為了比較本文和傳統(tǒng)方法角度估計(jì)精度，可以通過(guò)比較歸一化相位差得到，由式(6)可知本文的歸一化相位差φ為：

(9)

由于nm為相互獨(dú)立的零均值高斯噪聲，則式(9)方差為:

(10)

傳統(tǒng)方法的歸一化相位差方差為：

(11)

則：

(12)

下面采用歸納法證明式(12)不大于1，即證明式(13)成立。

(13)

當(dāng)M=1時(shí)，式(13)顯然成立；

(14)

即式(13)成立；

假設(shè)M=K-1時(shí)式(13)成立，下面證明M=K時(shí)式(13)也成立，K為變量，根據(jù)式(13)有：

(15)

3 仿真

仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)1：

為了說(shuō)明本文測(cè)角精度較傳統(tǒng)干涉儀算法的優(yōu)越性，做如下仿真實(shí)驗(yàn)。干涉儀由4個(gè)陣元組成3基線干涉儀，3基線長(zhǎng)度分別為0.1m、0.15m、0.225m，如圖1所示。假設(shè)輻射源頻率為8GHz，所在角度為69°。本文方法和傳統(tǒng)方法估計(jì)的角度均方根誤差與相位差誤差之間的關(guān)系如圖2所示。

圖1 一種3基線天線布陣方式

圖2 一維陣角度估計(jì)誤差與相位誤差關(guān)系曲線圖

從圖2可知，本文方法角度估計(jì)誤差要小于傳統(tǒng)方法，且隨著相位誤差的增大，本文方法提高性能越明顯；同時(shí)本文并沒(méi)有對(duì)陣列布陣方式有額外的要求，僅要求能夠正確解模糊，陣列適應(yīng)性較廣；此外，一旦陣列形式確定以后，在測(cè)角時(shí)本文測(cè)角方法僅比傳統(tǒng)方法多出一步計(jì)算，算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小。

仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)2：

本實(shí)驗(yàn)的相位干涉儀為L(zhǎng)形狀的二維干涉儀，每維3基線共7個(gè)陣元(其中1個(gè)陣元共用)，其中方位維的布陣方式與實(shí)驗(yàn)1相同，俯仰維布陣方式的基線比為2∶3∶10，其3個(gè)基線長(zhǎng)度分別為0.05m、0.075m、0.25m，如圖3所示。假設(shè)輻射源頻率為8GHz，輻射源方位角和俯仰角角度分別為69°和20°，那么把二維干涉儀分為2個(gè)一維干涉儀，方位維本文方法和傳統(tǒng)方法估計(jì)的角度均方根誤差與相位差誤差之間的關(guān)系如圖4(a)所示，俯仰維本文方法和傳統(tǒng)方法估計(jì)的角度均方根誤差與相位差誤差之間的關(guān)系如圖4(b)所示。

圖3 一種二維L形天線布陣方式

圖4 二維陣方位角度估計(jì)誤差與相位誤差關(guān)系曲線圖

對(duì)比圖4(a)和圖2可知，實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2結(jié)果一致，這是由于本次實(shí)驗(yàn)的方位維布陣方式、目標(biāo)角度與實(shí)驗(yàn)1相同。從圖4(b)可知，本文方法角度估計(jì)誤差小于傳統(tǒng)方法，且隨著相位誤差的增大，本文方法性能提高越明顯。這說(shuō)明本文方法不僅能夠提高定位精度，而且還適合二維陣列相位干涉儀。

4 結(jié)束語(yǔ)

在電子偵察中，相位干涉儀是一種重要的測(cè)向裝備。本文提出一種相位干涉儀測(cè)向方法，可以充分利用干涉儀的多條基線信息，從而提高測(cè)角精度。該方法僅比傳統(tǒng)方法增加一步求和計(jì)算，具有計(jì)算量少的優(yōu)點(diǎn)，且可適應(yīng)一維和二維線陣，可不改變現(xiàn)有布陣方法。因此，本文方法無(wú)論是對(duì)改造升級(jí)傳統(tǒng)相位干涉儀裝備還是對(duì)設(shè)計(jì)新裝備都具有重要參考價(jià)值。■

[1] 吳奉微, 程婷, 賈可新, 等. 基于虛擬陣列變換的干涉儀測(cè)向算法[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)， 2012，34(3)：42-49.

[2] Schmieder L，Mellon D，et al．Interference cancellation and signal direction finding with low complexity[J]．IEEE Trans. on AES，2010，46(3):1052-1063．

[3] Liu Tingting，Xiao Ling．About the ambiguities in DOA estimation[J]．Chinese Journal of Electronics，2010，19(4):747-751．

[4] 韓月濤, 潘偉萍, 吳嗣亮,等. 干涉儀解模糊異常值檢測(cè)及糾錯(cuò)方法[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 32(8):849-854.

[5] 石榮, 閻劍, 張聰. 干涉儀相位差測(cè)量精度及其影響因素分析[J]. 航天電子對(duì)抗, 2013, 29(2):35-38.

[6] 李騰, 郭福成, 姜文利. 星載干涉儀無(wú)源定位新方法及其誤差分析[J]. 國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 34(3):164-170.

A novel improving angle accuracy method for phase interferometer

Wang Kerang, Li Juanhui, Zhu Xiaodan, Zhang Guangyu,Zhu Weiqiang

(No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu,China)

In order to further improve the angle accuracy of the traditional phase interferometer, a novel measuring angle method using all baseline information is introduced. The angle accuracy of the method is analyzed theoretically. The analysis shows that the angle accuracy of the method without extra computational loads is superior to that of the traditional method. The proposed method is suitable for 1D and 2D linear array without changing the array form of the existing array. Simulation results verify the correctness of the propose method, and the accuracy of the method is more obvious in the case of low SNR.

electronic reconnaissance; phase interferometer; angle accuracy; linear array

2017-05-16；2017-06-26修回。

王克讓(1983-)，男，高工,博士，主要研究方向?yàn)殡娮觽刹炜傮w技術(shù)。

TN971

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