一种实时的圆阵干涉仪测向技术

韦贤岁，韦洪浪

(1.桂林长海发展有限责任公司，广西 桂林 541000；2.桂林理工大学南宁分校，广西 南宁 530001)

0 引 言

干涉仪测向的基本原理是通过测量入射信号的相位差来确定信号的来波方向。干涉仪测向结构简单、精度高，广泛应用于电子侦察、无线电管理等领域[1]。均匀圆阵干涉仪测向具有全空域侦察及测向、结构简单和可采用多种测向体制等优点。针对均匀圆阵的测向，文献[2]～[6]提出了相关干涉仪的方法，该方法需要对测量的相位差与样本库中的不同入射方向对应的相位差做相关处理，计算量很大，实时性差，在实时性较高的场景中，侦测效率差强人意；文献[7]提出来的聚类解模糊算法，同样计算量较大，并且在噪扰较大的场景中，解模糊的成功率较低；文献[7]提出了比幅比相的方法，通过比幅粗测引导解模糊，该方法易受天线阵大小的制约，同样在噪扰较大的场景中，解模糊的成功率较低。本文以七元圆阵为例，提出了一种基于平行基线的圆阵干涉仪测向算法，该方法算法简单，更易于工程实现，满足不同场景的侦测要求。

1 基于平行基线的圆阵干涉仪测向原理

N元圆阵的空间俯视图如图1所示，假设阵元都位于xoy平面，半径为R,则有k个阵元的平面坐标位置为：

图1 N元圆阵空间俯视图

(1)

假设目标的入射角为θ∈[-π,π]，目标信号的波长为λ，任意两天线i、j的相位差为：

(2)

信号频率已知的情况下，可以通过实测的相位差推导出入射角。在实际应用中,大多数情况下Φij是大于2π的，即kij≠0，由于通过鉴相器测量的φij∈[-π,π]，所以需要通过解模糊算法求解kij。

七元圆阵在工程应用中较为常见，所以重点介绍七元圆阵测向的实现方法。

七元圆阵的布置图，如图2所示，从图中可见阵列中有任意2个单元的基线，都存在2组其它单元基线跟其平行，如L12//L37//L46、L17//L26//L35、L23//L14//L57等等。

图2 七元圆阵布置图

假设L12的基线长度为d1，L37的基线长度为d2，L46的基线长度为d3，则有:

(3)

(4)

(5)

式中：θ为入射角；Φ12为1和2两天线的相位差；Φ37为3和7两天线的相位差；Φ46为4和6两天线的相位差；k1、k2、k3为整数；φ1∈[-π,π]、φ2∈[-π,π]、φ3∈[-π,π]。

式(1)、(2)、(3)中的φ1、φ2、φ3通过频域鉴相算法进行求解，k1、k2、k3通过参差解模糊算法进行求解。

(6)

(7)

搜索k1使得|k2-round(k2)|+|k3-round(k3)|最小值作为k1的估计值，进而求得k2、k3，然后求出真实的相位后，可通过下式求入射角:

(8)

系统的测向精度由下式决定:

(9)

式中：Φ为系统相位误差；λ为波长；d为基线的长度；θ为入射角。

2 本文算法流程

本文算法流程可归纳为：

(a) 根据鉴相器测量的相位信息，对入射方向进行扇区判断，不同的扇区采用不同的基线组进行相位差的测量，如表1所示。

表1 不同扇区对应的基线组

(b) 采用频域鉴相的方法对所选的基线组测量相位差。

(c) 采用参差解模糊方法测量基线组对应的模糊数。

(d) 根据模糊数求取信号的到达角。

3 算法仿真

仿真条件：针对北约敌我识别信号，信号的频率设为1 090 MHz，信噪比为-5～12 dB，测向范围为360°，七圆阵的半径为450 mm，通道之间相位差随机加入[-20 20]的相位抖动，进行1 000次蒙特卡罗试验，将本文算法与文献[2]的相关干涉仪算法及文献[7]的聚类分析算法在不同信噪比情况下，比较算法复杂度以及测向精度。不同信噪比不同算法下的测向精度，如图3所示。3种算法的运行时间如表1所示。

图3 测向精度示意图

由图3可知，在信噪比大于3 dB时，本文算法与相关干涉仪及聚类算法的测向精度一致，可满足工程使用要求。在算法复杂度方面，本文的算法运行时间是相关干涉仪算法的百分之一，是聚类算法的二十分之一，可见本文算法简单有效，易于工程实现。

表2 不同算法运行时间对比

4 结束语

针对目前七元均匀圆阵中存在算法复杂度大以及抗干扰性差的问题，本文根据七圆阵的布阵特点，对每个扇区都创造3组平行基线，等价于三基线线阵的干涉仪测向方法；然后进行了大量的仿真实验，验证了算法的可行性；并从算法复杂度分析，验证了算法的实时性。