基于相鄰一維線陣干涉儀陣面的測(cè)向補(bǔ)償算法研究

王 開(kāi)，陳 強(qiáng)

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

對(duì)輻射源的精確測(cè)向是電子戰(zhàn)偵察系統(tǒng)的重要任務(wù)之一。在現(xiàn)有的測(cè)向體制中，干涉儀測(cè)向具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高的優(yōu)點(diǎn)。按照干涉儀天線陣型可以將干涉儀側(cè)向分為一維線陣干涉儀測(cè)向、二維線陣干涉儀測(cè)向[1]等，其中二維線陣干涉儀可以測(cè)量入射信號(hào)的方位角和俯仰角，適用于對(duì)信號(hào)測(cè)量要求高的頻段，但相應(yīng)的成本也較高；一維線陣干涉儀只能測(cè)量入射信號(hào)的方位角，適用于對(duì)信號(hào)測(cè)量要求不高的頻段，但由于一維干涉儀沒(méi)有俯仰角信息，對(duì)有俯仰的入射信號(hào)測(cè)量存在偏差，導(dǎo)致偵察系統(tǒng)測(cè)向精度變差。

本文提出一種基于相鄰陣面一維線陣干涉儀測(cè)向補(bǔ)償算法，具有原理簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、正確率高的特點(diǎn)，可以提高一維線陣干涉儀對(duì)高俯仰目標(biāo)的測(cè)向精度。

1 一維線陣干涉儀測(cè)向原理及缺點(diǎn)

一維線陣干涉儀測(cè)向原理可以用如圖1所示最簡(jiǎn)單的單基線干涉儀模型[2]來(lái)描述，假設(shè)圖1中2個(gè)天線單元間距為D，波長(zhǎng)為λ的入射信號(hào)方位角為θ，2個(gè)天線接收到信號(hào)的相位差為:

圖1 干涉儀測(cè)向基本原理

(1)

可以得到入射信號(hào)方位角的計(jì)算公式為:

(2)

公式(1)和(2)是在默認(rèn)入射信號(hào)與一維線陣干涉儀天線在同一平面上得到的，即入射信號(hào)無(wú)俯仰角，但在實(shí)際情況中入射信號(hào)往往是既有方位角也有俯仰角，此時(shí)通過(guò)公式(1)和(2)得到的入射信號(hào)方位角與實(shí)際信號(hào)的方位角存在誤差，下面分析此誤差。

如圖2所示，假設(shè)入射信號(hào)的俯仰角為β，則有：

(3)

(4)

圖2 干涉儀方位測(cè)量示意圖

sinθ′=sinθcosβ

(5)

由于一維線陣干涉儀無(wú)法測(cè)量入射信號(hào)的俯仰角，所以一維線陣干涉儀在測(cè)量不同俯仰的入射信號(hào)方位角時(shí)與實(shí)際方位角存在偏差，通過(guò)計(jì)算觀測(cè)角度θ′與實(shí)際角度θ′的誤差曲線如圖3所示。

圖3 不同俯仰下一維線陣干涉儀方位角測(cè)量誤差

從圖3可以看出：(1)對(duì)于俯仰角不為0的入射信號(hào)而言，方位角測(cè)量值向陣面法向偏移(即偏小)，入射信號(hào)偏離陣面法線越遠(yuǎn)則對(duì)應(yīng)方位角測(cè)量誤差越大；(2)對(duì)于不同俯仰角的入射信號(hào)而言，俯仰角越大則對(duì)應(yīng)方位角測(cè)量誤差越大。極端情況下，當(dāng)入射信號(hào)方位角為45°、俯仰角為30°時(shí)，對(duì)應(yīng)方位角的測(cè)量誤差可達(dá)-7.2°。

這種測(cè)量誤差是由于一維線陣干涉儀本身的特性決定的，最根本的解決方法是將一維干涉儀擴(kuò)展為二維干涉儀測(cè)出入射信號(hào)的俯仰角，從而精確計(jì)算出方位角，但二維線陣干涉儀也會(huì)增加多路天線、微波以及后端接收處理模塊，大大增加整個(gè)偵察系統(tǒng)的成本。

2 基于相鄰陣面的測(cè)向補(bǔ)償算法

單個(gè)陣面一維線陣干涉儀可以接收±60°甚至更寬角度范圍的信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中一般用4個(gè)相互垂直的一維干涉儀陣面覆蓋方位360°范圍。在一定角度范圍內(nèi)的入射信號(hào)相鄰2個(gè)陣面都能接收到，由前文分析結(jié)果可知，相鄰陣面對(duì)同一部信號(hào)的方位角測(cè)量值不同(超出了方位角測(cè)量容差)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)分選時(shí)出現(xiàn)2部信號(hào)，即出現(xiàn)“信號(hào)增批”現(xiàn)象，干擾操作員判斷，影響了測(cè)向系統(tǒng)的整體性能。

2.1 補(bǔ)償算法

(6)

對(duì)于陣面2,有:

(7)

聯(lián)立式(6)和式(7)得：

(8)

(9)

圖4 高俯仰兩陣面測(cè)向偏差示意圖

2.2 正確判斷高俯仰角信號(hào)的條件

假定單陣面可以正常測(cè)向的范圍為±60°，俯仰覆蓋±30°，每個(gè)陣面判斷范圍則為方位30°～60°和-30°～-60°，俯仰10°～30°。從分析結(jié)果看，高俯仰下單陣面測(cè)量方位角向陣面法向偏移，由此，相鄰陣面同時(shí)收到同一信號(hào)時(shí)，相鄰陣面的2個(gè)測(cè)量角度會(huì)形成1個(gè)夾角，高俯仰信號(hào)判斷可以根據(jù)相鄰兩陣面測(cè)量角的夾角進(jìn)行判斷。根據(jù)分析，相鄰兩陣面測(cè)量角的夾角與入射信號(hào)俯仰角的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 俯仰角與測(cè)量角夾角范圍對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 算法驗(yàn)證

3.1 仿真驗(yàn)證

相鄰2個(gè)陣面的交界處為45°，假設(shè)單個(gè)陣面可以覆蓋到60°，那么對(duì)于陣面1而言，在30°～45°范圍內(nèi)可以利用陣面2方位角測(cè)量值推算出入射信號(hào)的俯仰角，再結(jié)合陣面1方位角測(cè)量值推算出入射信號(hào)方位角。同理，對(duì)于陣面2而言，在45°～60°范圍內(nèi)可以利用陣面1方位角測(cè)量值推算出入射信號(hào)的俯仰角，再結(jié)合陣面2方位角測(cè)量值推算出入射信號(hào)方位角。從而減少方位測(cè)量誤差。

假設(shè)測(cè)向系統(tǒng)是理想的，入射信號(hào)俯仰角為20°，在方位30°～60°范圍內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)仿真可以看出補(bǔ)償前陣面1的方位角測(cè)量值小于真實(shí)值，陣面2的方位角測(cè)量值大于真實(shí)值，且在交界處陣面1與陣面2的方位角測(cè)量值會(huì)發(fā)生“跳躍”。補(bǔ)償后，在交界處陣面1與陣面2的方位角測(cè)量值是連續(xù)的。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2個(gè)一維線陣干涉儀陣面相互垂直地安裝在1個(gè)三維轉(zhuǎn)臺(tái)上，在距離轉(zhuǎn)臺(tái)中心500 m遠(yuǎn)處架設(shè)1個(gè)信號(hào)源，信號(hào)參數(shù)為：頻率5 000 MHz、重復(fù)周期1 000 μs、脈沖寬度5 μs，控制轉(zhuǎn)臺(tái)在俯仰-20°、方位0°～90°范圍內(nèi)以0.5°/s勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)錄取報(bào)文形式來(lái)記錄信號(hào)分選目標(biāo)，并統(tǒng)計(jì)方位角測(cè)量精度。

如圖5所示，采用補(bǔ)償算法前，方位角測(cè)量值會(huì)從陣面2的52°“跳躍”到陣面1的46°，由于方位角變化量超出了容差值，信號(hào)在從陣面1過(guò)渡到陣面2時(shí)信號(hào)分選結(jié)果會(huì)出現(xiàn)“換批”和“增批”的現(xiàn)象。采用補(bǔ)償算法后，在陣面1和陣面2交接范圍內(nèi)，方位角測(cè)量值在真實(shí)值附近上下波動(dòng)，其變化值在容差范圍內(nèi)，信號(hào)分選結(jié)果始終保持1部目標(biāo)方位角連續(xù)變化。經(jīng)統(tǒng)計(jì)補(bǔ)償前的測(cè)向誤差為1.79°，補(bǔ)償后的測(cè)向誤差為1.58°，也比補(bǔ)償前有所改善。說(shuō)明補(bǔ)償算法是有效的。

圖5 采用補(bǔ)償算法前后的方位角測(cè)量值

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)一維線陣干涉儀測(cè)向原理和缺點(diǎn)的分析，提出了一種利用2個(gè)相互垂直的一維線陣干涉儀測(cè)向補(bǔ)償方法，并且分析了正確判斷高俯仰角信號(hào)的條件。通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性，對(duì)一維線陣干涉儀測(cè)向系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。