一种基于干涉仪体制的机载测向技术研究

杨 忠

(中国电子科技集团公司第五十四所,河北石家庄050081)

0 引言

随着航空电子侦察技术的发展,机载测向系统以其作用范围大、侦测距离远和可实现单机对地面目标定位等优点,正越来越受到关注。

对于机载测向系统,由于机载平台可供布设天线阵列的有效空间、允许的天线阵元尺寸和数量都十分有限,不能使用大基础天线阵,另外飞机机身的金属蒙皮结构会引起测向天线幅相特性的变化,这些都增加了机载测向天线布阵的难度和复杂性。结合工程实际,给出一种9阵元机载干涉仪测向天线阵的设计并给出了计算机模拟仿真结果。

1 干涉仪测向原理

目前较为成熟的测向体制有比幅、瓦特森-瓦特、多普勒、干涉仪和空间谱等,其中干涉仪测向体制由于具有测向精度高、处理速度快、能对短持续信号测向、能够使用任意阵型的天线阵等特点而倍受推崇,该体制特别适应于机载环境这种要根据具体情况对天线阵进行灵活配置的场合;同时可以利用相关数据匹配技术,采用较大孔径的天线阵,使其对天线表面金属蒙皮二次反射引起的电波波前扭曲起到较好的平滑作用[1],从而具有较高的测向精度和较强的抗多径测向能力。

根据干涉仪测向原理可知,它是利用多个天线元测量来波在空间的相位关系,并同天线元本身的坐标位置一起确定来波方向的测向方法。一般测向天线阵的基线越大,测向结果越精确,但超过0.5倍信号波长时,又将产生测向模糊。为同时兼顾测向精度和测向结果的唯一性,需要采用基于长短基线匹配的干涉仪处理方法,即利用无模糊的较短基线上的测量数据进行匹配。计算机模拟表明,当多径信号较强时,相邻长短基线长度比不宜超过3,但可以通过相邻基线内插算法提高长短基线匹配比来达到提高测向精度的目的。

外场实测结果表明,相比地面测向设备,机载测向天线方向图特别是相位方向图将会出现明显的相位畸变,如果根据理论推导的公式由相位差数据直接求解方位角,可能会产生较大误差。通常利用相位差-方位相关处理方法来消除方向性图畸变带来的影响,利用多条基线上的相位差进行拟合,估计出信号的入射方向,达到高精度测向的目的。

2 测向天线阵设计

2.1 单元天线

受机体安装空间的限制,机载测向系统中一般使用小型宽带单元天线,其中典型的天线单元有单极天线、对称振子天线、Vivaldi定向天线和平面螺旋天线等。

对飞机天线来讲,机体几何形状是不规则的,在求解天线场的问题时,只能按理想几何形体进行数学分析与近似求解,要做到精确求解往往比较困难,所以对机载单元天线电参数测量就显得十分必要。天线测量一般包括:天线出厂检验阶段、地面安装测试阶段和飞行测试阶段。电参数主要包括天线的幅度方向图、相位方向图、电压驻波比、增益和阵元间互耦等。

2.2 组阵设计

根据干涉测向原理,为提高测向精度必须增大测向天线阵元之间的间距,但阵元间距过大又可能造成测向模糊。对于测向模糊问题,通常可采用长短基线匹配和多阵元组阵等措施来解决。考虑到飞机本身的结构特点-机身横向宽度较窄而纵向长度很长,为有效利用飞机机腹的空间,提出一种适合机载安装条件的干涉仪测向天线阵,该测向天线阵采用均匀椭圆布阵形式,长轴尺寸为5 m,短轴尺寸为1.9 m,如图1所示。

图1 椭圆形测向天线阵示意图

在均匀圆阵干涉仪测向系统设计中,尽管已从理论上证明[2]5阵元以上的奇数个阵元以及8单元以上的偶数个阵元不存在测向模糊,但数学意义上的测向无模糊并不能保证有相位误差时工程实现上的测向无模糊。在有一定相位误差的情况下,如何确定椭圆阵测向天线阵元的个数、阵列孔径和工作频带与无模糊测向的关系,目前还没有成熟的结论。借用空间谱测向技术中常用的方向向量的概念来分析椭圆阵干涉仪的空间特性,定量地讨论一下干涉仪测向系统中的测向模糊问题,为该干涉仪测向系统阵列孔径的确定提供一些有益的参考。设M个天线阵元均匀分布在一个椭圆圆周上,以几何中心为参考点,则阵列的方向向量a(θ)可表示为:

设a(θ1),a(θ2)是阵列流形上的2个方向向量,定义空间相关系数为:

对于均匀椭圆阵,利用上式可写出空间相关系数的解析表达式,但由于阵列流形的复杂性,从解析表达式中并不太容易得到有关的结论,通过计算机仿真对测向模糊问题进行讨论。若假定各个阵元的增益均为1,则利用预先得到的空间各个入射方向信号的相位数据,可以得到一组空间入射信号的方向向量a(θi)。对于空间一个实际入射信号,干涉仪测向系统测得的相位数据所对应的方向向量为a(θ),由ρi最大值对应的相位数据所代表的方位值即可作为空间实际入射信号的方位角估计值。9阵元均匀椭圆阵的相关系数图如图2所示。椭圆阵孔径与波长之比分别为14和12,信号入射方向为180°。可见,相关系数的最大值在方位角180°左右两边各一个次最大值。由此可以得到如下结论:①孔径波长比越大,主瓣越窄,方位测量精度越高;②去除测向模糊就是要求相关系数图的主瓣与付瓣的高度易于分辨。

从仿真结果可以看到,对于9阵元均匀椭圆阵干涉仪测向系统,由于阵元个数的增加,可以有更多的基线参与运算,因此孔径波长比相对5阵元测向系统(一般不超过4)来说要大得多,因此可以获得更高的测向精度。但一味增加天线阵的孔径的做法一是受限于载机平台的尺寸,二是会带来测向模糊的问题,仿真数据表明,该测向天线阵的孔径波长比不宜超过15。

图2 9阵元均匀椭圆阵相关系数图

3 仿真结果

对相关干涉仪测向系统,测向精度主要由基线长度和系统相位误差决定,而系统相位误差主要由接收通道的相位失衡误差、相位测量误差和相位噪声误差等部分组成。对上述9阵元椭圆天线阵组成的机载测向系统的测向误差进行了大量的计算机模拟,仿真结果表明,在这种阵列配置下,即使存在由于机体二次反射或较强的多径干扰导致的相位畸变,系统仍然具有较好的测向性能。

在信号工作频率取100～400 MHz,最大相位误差设为20°,信噪比为12 dB的条件下,分别对给定频率的测向误差随入射信号角度的变化情况以及在特定的工作频段内测向误差随频率的变化关系情况进行了仿真计算,从仿真结果可见全方位、全频段测向误差的典型值均小于2°,仿真结果如图3和图4所示。

值得指出的是,受限于飞机本身的结构尺寸提出的这种布阵方式并没有达到无模糊测向所要求的最大孔径波长比,因此对于空间更大的平台,采用这种布阵方式既可以充分利用平台的空间,又可以获得更高的测向精度。

图3 测向误差-入射信号方位关系曲线

图4 测向误差-入射信号频率关系曲线

4 结束语

通过分析机载测向系统的特点,从长短基线干涉仪测向原理出发,给出了一种均匀椭圆阵型的机载测向天线阵设计,它最大限度地利用了飞机载体的表面尺寸,较好地满足了天线阵元数量适中、天线阵口径尽量大、不同长度的基线种类尽量多等要求。计算机模拟仿真表明,使用该测向天线阵,系统具有较强的抑制机载天线受金属蒙皮影响所形成的相位畸变能力,能较好地解决机载测向设备在实际环境中的高精度测向问题。

[1]刘建华,王慕玺.一种具有稳健匹配性能的九阵元干涉仪基线配置[J].无线电通信技术,1999,25(1):8-10.

[2]DING Qi,XIAO Xian-ci.DOA Ambiguity vs.Array Configuration for Subspace-based DF Methods[C].Beijing:Proceedings of the 1996 CIE International Conference of Radar Proceedings,ICR'96,1996:488-492.