Ku頻段的一種高精度測向模型

焦玉龍，王玉林，焦小煒

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院，河北石家莊050043)

0 引言

Ku頻段覆蓋的頻率范圍是12.4～18 GHz，屬于微波頻段，多用于衛(wèi)星及雷達(dá)通信。目前Ku頻段較常用的測向方法為比幅測向法，該方法結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，但測向精度較低。隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們在Ku頻段甚至更高頻段上的應(yīng)用日益廣泛，無論是民用的無線電管理還是軍用的通信對抗都對該頻段的測向精度提出了更高的要求[1]。下面在比幅測向法的基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)干涉儀測向的思路提出了一種新的測向模型，提高了Ku頻段測向水平。

1 測向天線陣列設(shè)計(jì)

干涉儀測向具有測向精度高、處理速度快和適用于多樣天線陣列形式等優(yōu)點(diǎn)，是無源測向技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的測向體制。由于Ku頻段的信號波長為1.67～2.42 cm，而干涉儀測向?qū)€長度的基本要求為d＜λ/2(λ為波長)，若采用全向天線布陣，無論對于單個(gè)天線的加工制作還是陣列的布陣設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)起來難度都很大[2，3]。綜合考慮以上因素設(shè)計(jì)的天線陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示。

天線陣列共有9個(gè)陣元，其中8個(gè)陣元采用均勻圓形陣列的布陣方式，圓的半徑為5.4 cm，天線形式為定向的喇叭天線，波束寬度設(shè)計(jì)為60°，保證了空域的全方位瞬時(shí)覆蓋。圓陣中心位置為一個(gè)全向天線，作為比幅測向時(shí)的基準(zhǔn)幅度，避免測向過程中信號幅度抖動對測向結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖1 天線布局示意

2 測向算法

采用比幅測向法和干涉儀測向法相結(jié)合的測向方法，比幅測向法測向精度低，用來解模糊，而干涉儀測向法用來保證較高的測向精度。每一對相鄰天線負(fù)責(zé)60°的空域，天線覆蓋的空域范圍如表1所示。

表1 空域范圍

比幅測向和干涉儀測向都采用查表的方法，對于每一對相鄰天線都制作獨(dú)立的幅度差相關(guān)表和相位差相關(guān)表，表的角度范圍均為60°，幅度差相關(guān)表的精度應(yīng)達(dá)到0.1 dB。

2.1 數(shù)據(jù)采集

考慮到Ku頻段測向接收機(jī)的重量、尺寸以及成本等因素，接收機(jī)設(shè)計(jì)為3信道，1個(gè)信道接收圓陣中心的全向天線的信號，另外2個(gè)信道通過天線開關(guān)陣切換依次接收8個(gè)喇叭天線的信號，每次接收相鄰的一對喇叭天線，共切換8次才能完成整個(gè)測向過程的數(shù)據(jù)采集。對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，得到一個(gè)8×3×N的三維矩陣T，其中N為FFT長度，S為FFT結(jié)果。

在實(shí)際測向中，由于測向機(jī)各接收信道的元器件性能及分布參數(shù)存在差異，使得各通道高頻前端及中路電路對輸入信號的幅頻和相移特性不完全相同，造成各接收信道幅度和相位的不一致，稱之為信道失配。這種誤差會對測向性能造成較大的影響，必須加以修正[4]。信道失配的校準(zhǔn)步驟如下:

①控制開關(guān)陣，使得校準(zhǔn)信號fca經(jīng)分路器饋入測向接收機(jī)中用于接收喇叭天線的2個(gè)信道;

②記錄2個(gè)信道中對應(yīng)頻率fca的幅度差，記為ΔCa;

③記錄2個(gè)信道中對應(yīng)頻率fca的相位差，記為ΔCp;

⑤重復(fù)步驟①～③，記錄所有待測向的頻點(diǎn)的幅度差和相位差;

⑥對矩陣T的前2列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，消除2個(gè)信道的幅度和相位的不一致。

2.2 比幅測向法

該測向模型首先使用比幅測向法確定信號來波的空域范圍，其最大特點(diǎn)是參與比較的幅度值是一個(gè)相對值而非絕對幅度，是用喇叭天線的幅度與全向天線的幅度做差，將2個(gè)相對幅度相加得到累加和，經(jīng)過8次切換后得到如下8個(gè)累加值:

式中，Δa1=a1－a9;Δa2=a2－a9;……Δa8=a8－a9。

選取Sum1～Sum8中的最大值Summax，則認(rèn)為信號來自于最大值Summax所對應(yīng)的那對相鄰喇叭天線Am和An之間的區(qū)域。Am和An的幅度差記為Δa=am－an，根據(jù)Δa查對應(yīng)2個(gè)天線的幅度差相關(guān)表，從表中找到和實(shí)測幅度差Δa最接近的一個(gè)值，該值對應(yīng)的角度Azia即為比幅測向法的測向結(jié)果。

2.3 干涉儀測向

2.3.1 初測

比幅測向法的測向結(jié)果可以大致確定示向度范圍，接下來還需要使用相干干涉儀測向法進(jìn)行精確測量。這里取20°的裕量，那么相關(guān)干涉儀測向法查表范圍為Range= [Azia－10，Azia+10]，相鄰喇叭天線Am和An的相位差記為Δp=pm－pn，根據(jù)Δp查找對應(yīng)于2個(gè)天線的相位差相關(guān)表，在Range范圍內(nèi)通過余弦求和匹配法[5]找到與實(shí)測相位差Δp最接近的一個(gè)值，該值對應(yīng)的角度Azip即為干涉儀測向法的初測結(jié)果。

為了提高系統(tǒng)對于復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，可以采用文獻(xiàn)[6]中提出的相位差矢量累加的處理方法，保證了測向系統(tǒng)在低信噪比條件下仍能得到較高的測向準(zhǔn)確度。

2.3.2 二次曲線擬合

假定相位差相關(guān)表中的角度間隔為Δt，經(jīng)過初測可知在Azip處有最大匹配值，則Azip－Δt、Azip、Azip+Δt三個(gè)角度及相應(yīng)的匹配值是平面中的3個(gè)點(diǎn)，剛好能夠唯一確定一條拋物線，此拋物線對應(yīng)頂點(diǎn)對應(yīng)的自變量即方位角的精確測量值。拋物線屬于二次曲線，因此又稱為二次曲線擬合。

初測過程中通過余弦求和匹配法得到一組匹配值序列記為C(k)，假設(shè)C(k)在km處取最大值，經(jīng)二次曲線擬合后的峰值位置為:

則精確測向結(jié)果為Dr=×Δt。

2.4 測向結(jié)果

經(jīng)過干涉儀測向后得到的測向結(jié)果Dr是對應(yīng)于相鄰喇叭天線Am和An之間60°區(qū)域的一個(gè)相對值，假定從表1中查找到相鄰喇叭天線Am和An所對應(yīng)的中心角度為Antcenter，則最終的測向結(jié)果表示為DOA=Dr－30°+Antcenter。

2.5 效果驗(yàn)證

該測向模型已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程中，隨機(jī)挑選的若干頻率和方位的測向結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)際測向結(jié)果

對表中的數(shù)據(jù)做誤差均方根統(tǒng)計(jì)，得到測向結(jié)果誤差的RMS=1.414 2°，可以看出該測向模型的準(zhǔn)確度較高。

3 結(jié)束語

上述測向模型結(jié)合了比幅測向法和干涉儀測向法的特點(diǎn)，能夠?qū)u頻段的信號進(jìn)行快速測向，而且對測向過程中信號抖動不敏感。經(jīng)實(shí)際工程驗(yàn)證，該模型對整個(gè)Ku頻段的測向精度能夠達(dá)到RMS≤2°，可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用場合。

[1]王銘三.通信對抗原理[M].北京:解放軍出版社，1999:178－179.

[2]楊 忠.一種基于干涉儀體制的機(jī)載測向技術(shù)研究[J].無線電工程，2010，40(12):58 －60.

[3]楊 超 ，邱文杰.自適應(yīng)天線陣元間互耦的校正[J].電子學(xué)報(bào)，1993，21(3):58 －62.

[4]張海燕.五通道相位干涉儀測向的研究和實(shí)現(xiàn)[D].成都:成都理工大學(xué)，2004:15－36.

[5]李 淳 ，廖桂生，李艷斌.改進(jìn)的相關(guān)干涉儀測向處理方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33(3):400－403.

[6]張智鋒，喬 強(qiáng).低信噪比下相關(guān)干涉儀測向處理方法[J].艦船電子對抗，2009，32(6):103－106.