干涉仪基线组合对测向精度的影响

吴一帆

【摘要】 针对干涉仪测向算法，以三种不同基线组合为例，通过理论和仿真分析，说明信号频率、来波方位、相位模糊对测向精度的具体情况。得出长基线数量越多测向模糊越严重，但测向精度越高的结论。为干涉仪测向系统的工程应用提供理论依据。

【关键词】 干涉仪 基线组合 测向精度 相位模糊

常用的测向体制包括比幅法、瓦特森-瓦特测向法、多普勒法测向法、干涉仪法测向法和空间谱估计法等[1]。干涉仪法测向具有测向精度高、测向速度快等优点，是目前无线电测向领域的主要测向体制。

在基于干涉仪测向体制的系统中，测向天线阵是影响系统测向精度的重要因素。测向天线阵一般采用均匀圆形阵列，具有以下优点：（1）天线元之间的互耦情况相同；（2）与支撑天线阵的桅杆互耦最小；（3）测向精度与来波方向无关；（4）具有圆对称性，其方向图在阵列盘面上电磁旋转扫描时波束的形状不会有太大改变。可见，均匀圆形阵列干涉仪测向系统兼有优越的结构特点和良好的测向性能，这使其在军用和民用领域均有广泛的应用[2]。

一、干涉仪测向算法

以图1所示的四元天线为例，假设天线对NS、EW的间距均为d，来波的方位角为θ，则电波到达NS天线对时所形成的的相位差分别为：

二、三种基线组合对测向精度影响的分析

以5单元均匀圆阵列为例，其中A1、A2、A3、A4、A5分别表示1号、2号、3号、4号、5号天线单元。5个天线单元两两组合共有10条基线。此处主要分析三种基线组合方式：最短基线法、最长基线法、长短基线法。最短基线法选取A2A1、A3A2、A4A3、A5A4为基线组合；最长基线法选取A3A1、A4A2、A5A3、A1A4为基线组合；长短基线法选取A2A1、A3A1、A4A1、A3A2为基线组合。

2.1 信号频率对测向精度的影响

以孔径1.5m的5单元均匀圆阵为例，假设频率范围是30～500MHz，来波方位为60°，相位不一致性取10°，通过式（2）可以推算出三种基线组合的测向精度随信号频率的变化曲线，结果如图2所示。

从图2可得，不论在何种基线组合下，测向精度都随信号频率的增加而提高。最长基线法和长短基线法的測向精度始终高于最短基线法，这说明基线越长测向精度越高。

2.2 来波方位对测向精度的影响

设信号频率为500MHz，相位不一致性取10°，通过式（2）可以推算出三种基线组合下测向精度随来波方位的变化曲线，结果如图3所示。

由上图可得，不论在何种基线组合下，测向精度都随着来波方位的变化呈周期性变化。最长基线法波动范围最小，测向精度最高，长短基线法次之，最短基线法最差。

2.3 不同基线组合对相位模糊的影响

根据式（3）可得，基线越短则N就越小，越不易出现相位模糊。下表是频率为500MHz时N的数值统计。

三、模型仿真分析

根据上述理论分析数据，建立一个直径为1.5米的5单元均匀圆阵天线的仿真模型。得出三种基线组合下测向精度仿真结果，见图4所示。

对比仿真结果，可以得出以下结论：①最短基线法具有最强的抗相位模糊性，但是测向精度最低；②最长基线法具有最高的测向精度，而且测向精度随来波方位的变化起伏最小，但抗相位模糊性最差；③长短基线法具有与最长基线法同样的测向精度，测向精度随来波方位变化起伏次于最长基线法优于最短基线法，同时抗相位模糊性介于最短基线法和最长基线法之间。

四、结束语

天线阵列的基线组合对测向系统的性能有不容忽视的影响。本文从频率变化、来波方位变化，相位模糊3个方面，对干涉仪测向中最典型的3种基线组合：最短基线法，最长基线法和长短基线法的测向精度进行了理论分析和模型仿真。通过对比分析，总结出3种基线组合在干涉仪体质测向系统中的优劣，对于测向系统的工程实现具有一定的指导意义。