一種干涉儀測向系統(tǒng)實時相位校正方法

中國電子科技集團公司第二十九研究所 鄧興智 田肇鵬 黃 昀

在電子戰(zhàn)系統(tǒng)中，電子偵察設(shè)備主要完成目標(biāo)信號的測向、定位、識別，同時引導(dǎo)電子干擾設(shè)備對目標(biāo)進行干擾。電子偵察采用的測向體制通常有比幅測向、時差測向、干涉儀測向，其中多基線干涉儀測向體制實現(xiàn)相對簡單，技術(shù)成熟，同時具有高靈敏度、高精度、速度快等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。

在多基線干涉儀測向系統(tǒng)中，前端的天線基線設(shè)計以及后端的算法設(shè)計決定了系統(tǒng)性能，而系統(tǒng)本身以及外部環(huán)境造成的鑒相誤差的消除，對系統(tǒng)效能也起到了至關(guān)重要的作用，因此，系統(tǒng)相位校正方案也是設(shè)計時需要重點考慮的環(huán)節(jié)。本文介紹了干涉儀測向的基本原理，并分析了鑒相誤差的來源以及傳統(tǒng)干涉儀測向系統(tǒng)相位校正方法的局限，提出了一種實時相位校正方法，該方法可根據(jù)系統(tǒng)需要對相位進行實時校正，以有效提高系統(tǒng)的測向精度。

1 干涉儀測向原理

單基線干涉儀測向原理如圖1所示。兩個天線之間的距離（基線長度）為D，波長為λ的信號入射角為θ。單基線干涉儀測向是通過求得兩路信號的相位差Φ，進而得到入射角θ的值。

圖1 單基線干涉儀測向原理

由式(1)可知，若已知基線長度D，只要測得相位差Φ和信號波長λ即可得到入射角θ：

2 干涉儀測向誤差來源分析

對式(1)求微分得到：

從式(5)不難看出：

（1）測向誤差隨信號波長λ增大而增大，隨基線長度D增大而減小，因此，設(shè)計中低頻段干涉儀測向系統(tǒng)的基線長度通常比高頻段的基線長，工程中為了提高測向精度，增加基線長度是比較有效的辦法。

（2）測向誤差與偵收的目標(biāo)信號入射角θ有關(guān)，隨入射角的增大而增大。一般工程中，干涉儀測向系統(tǒng)的偵察范圍為±60°以內(nèi)，如果需覆蓋更寬的空域范圍，物理上可采用增加天線陣與接收處理通道實現(xiàn)。

（3）測向誤差與鑒相誤差ΔΦ有關(guān)，隨鑒相誤差的增大而增大。當(dāng)干涉儀測向系統(tǒng)的工作頻率范圍、空域覆蓋范圍、基線設(shè)計確定后，如何減小鑒相誤差以提高測向精度成為系統(tǒng)設(shè)計的重點。

典型的多基線干涉儀測向系統(tǒng)鑒相鏈路如圖2所示，主要由天線、射頻鏈路、相位測量電路三部分組成，這三部分均會產(chǎn)生鑒相誤差。

圖2 多基線干涉儀測向系統(tǒng)鑒相鏈路

（1）由于不同天線難免存在個體差異以及天線間互耦效應(yīng)的存在，同時受安裝空間限制，天線間的相位一致性很難控制得很好，將導(dǎo)致后端產(chǎn)生鑒相誤差。

（2）射頻鏈路中存在較多有源器件，器件的相位一致性、器件間互聯(lián)走線或電纜的一致性也很難精確控制，同時有源器件在不同環(huán)境下性能會發(fā)生變化，尤其是隨溫度變化相位會漂移，這些因素都將導(dǎo)致最終的鑒相誤差。

（3）相位測量電路中，AD的有效量化位數(shù)以及鏈路的信噪比高低，都將影響鑒相精度，盡可能選擇有效量化位數(shù)高的AD，同時保證系統(tǒng)鏈路的信噪比。

以上所述的鑒相誤差，工程中通常采用系統(tǒng)外校正、內(nèi)校正相結(jié)合的方式來消除。

3 傳統(tǒng)相位校正方法

傳統(tǒng)的干涉儀測向系統(tǒng)相位校正方法如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)相位校正方法

（1）外校正：經(jīng)計算機控制信號源產(chǎn)生外校正信號，外校正信號經(jīng)功放、發(fā)射天線向測向系統(tǒng)輻射，此時射頻前端的工作校正開關(guān)打到工作狀態(tài)，根據(jù)干涉儀數(shù)字接收機對各通道的相位測量結(jié)果來實現(xiàn)各通道全鏈路的相位校正。

（2）內(nèi)校正：將射頻前端的工作校正開關(guān)打到校正狀態(tài)，系統(tǒng)不接收來自天線的外部信號，由干涉儀數(shù)字接收機內(nèi)部的校正源產(chǎn)生內(nèi)校正信號，根據(jù)干涉儀數(shù)字接收機對各通道的相位測量結(jié)果來實現(xiàn)各通道除天線到射頻前端開關(guān)之前部分的相位校正。

傳統(tǒng)相位校正方法一般是采用外校正、內(nèi)校正相結(jié)合的方式來使用。由于測向系統(tǒng)裝機后，通常外校正工作不便于開展，同時天線到射頻前端開關(guān)之前部分為無源電路無需頻繁校正，因此，外校正只在測向系統(tǒng)裝機前或定期開展，而內(nèi)校正在每次系統(tǒng)加電都會進行一次。內(nèi)校正頻度較高，具有一定的實時性，但是內(nèi)校正無法實現(xiàn)天線到射頻前端開關(guān)之前部分的相位校正。工程上是將前面同期獲得的內(nèi)外校數(shù)據(jù)相減得到天線到射頻前端開關(guān)之前部分的校正數(shù)據(jù)ΔΦ天線，系統(tǒng)每次上電完成內(nèi)校正得到的相位校正數(shù)據(jù)加上ΔΦ天線，便得到系統(tǒng)所需相位校正數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)相位校正方法是目前大多數(shù)干涉儀測向系統(tǒng)采用的校正方法，該方法可以較好的保證系統(tǒng)的測向精度，但是由于其實時性不高，導(dǎo)致某些情況下系統(tǒng)測向精度較差：

（1）對于機載干涉儀測向系統(tǒng)，當(dāng)載機飛行于不同高度，由于溫度變化的原因，導(dǎo)致通道間相位一致性惡化，從而導(dǎo)致鑒相誤差大，測向精度降低。雖然可通過在溫箱提前測試系統(tǒng)在不同溫度下的校正數(shù)據(jù)后存儲于系統(tǒng)內(nèi)來改善，但是由于資源有限，無法得到連續(xù)溫度、所有頻點的校正數(shù)據(jù)。

（2）系統(tǒng)使用過程中，由于偶發(fā)或環(huán)境原因，部分電路硬件發(fā)生輕微變化導(dǎo)致部分通道相位畸變，直接導(dǎo)致測向誤差較大或測向失敗。

4 實時相位校正方法

為了解決傳統(tǒng)相位校正方法的實時性問題，改進系統(tǒng)內(nèi)校正硬件方案，如圖4所示。

圖4 實時相位校正硬件方案

系統(tǒng)主要通過對開關(guān)1和開關(guān)2進行控制，實現(xiàn)不同的工作模式切換：

（1）開關(guān)1導(dǎo)通，開關(guān)2關(guān)斷：正常工作模式（非實時校正）、外校正模式。

（2）開關(guān)1關(guān)斷，開關(guān)2導(dǎo)通：僅內(nèi)校正模式。

（3）（1）開關(guān)1導(dǎo)通，開關(guān)2導(dǎo)通：正常工作模式（實時校正）。

（4）開關(guān)1關(guān)斷，開關(guān)2關(guān)斷：噪底采集模式、匿影模式。

系統(tǒng)上電后，首先對開關(guān)1和開關(guān)2進行控制，完成內(nèi)校正、采噪底，然后導(dǎo)通開關(guān)1進入正常工作模式，正常工作模式下根據(jù)測向效果評估是否導(dǎo)通開關(guān)2啟動實時校正。實時校正會占用系統(tǒng)資源，因此該模式不是內(nèi)校正的重復(fù)，而是根據(jù)偵收目標(biāo)對象選擇部分頻點進行實時校正，以合理利用系統(tǒng)資源。實時相位校正流程如圖5所示。

圖5 實時相位校正流程設(shè)計

采用實時相位校正方法可以有效改善測向精度，仿真結(jié)果如圖6所示，該方法能有效避免由于環(huán)境因素導(dǎo)致的測向精度跳變。

圖6 測向誤差仿真結(jié)果

結(jié)束語：理論和仿真結(jié)果表明，本文提出的干涉儀測向系統(tǒng)實時相位校正方法可以有效解決實際工程中系統(tǒng)測向精度由于實時性不高、受環(huán)境影響出現(xiàn)測向精度跳變的問題。該方法實現(xiàn)難度低，具有較高的工程應(yīng)用價值。