羅賢欣 劉光斌 王 忠

（第二炮兵工程大學(xué) 西安 710025）

1 引言

干涉儀測(cè)向的實(shí)質(zhì)是利用無(wú)線電波在測(cè)向基線上形成的相位差來(lái)確定來(lái)波方向。干涉儀測(cè)向技術(shù)自出現(xiàn)以來(lái)，因其測(cè)向精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理清晰、觀測(cè)頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)在電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)、電子對(duì)抗、雷達(dá)、聲納、導(dǎo)航等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。干涉儀測(cè)向性能主要是通過(guò)解相位差模糊和天線配置形式、鑒相準(zhǔn)確度、通道幅相校正技術(shù)、數(shù)據(jù)處理方法四個(gè)方面來(lái)進(jìn)行改進(jìn)和提升的［1］。本文著重對(duì)相位差模糊和天線配置形式進(jìn)行考慮，優(yōu)化選擇實(shí)現(xiàn)方法來(lái)滿足測(cè)向性能要求。

2 一維相位干涉儀

2.1 一維單基線干涉儀測(cè)向原理

“一維”是指測(cè)向天線為“線型”布陣，即所有的測(cè)向天線陣元都處于同一條直線上，與之相對(duì)應(yīng)，“二維”是指測(cè)向天線為“面型”布陣，即所有的測(cè)向天線陣元都處于同一個(gè)平面［2］。

如圖1，單基線干涉儀由兩個(gè)信道組成，兩個(gè)接收天線之間的距離d，輻射源與天線軸線夾角為θ，則電磁波到達(dá)兩天線的行程差ΔR＝dsinθ，雷達(dá)信號(hào)的波長(zhǎng)為λ，相應(yīng)兩天線輸出信號(hào)之間的相位差φAB：

圖1 一維單基線干涉儀測(cè)向原理圖

理論上講，如果兩天線后的接收通道完全一致，則加到鑒相器時(shí)兩信號(hào)的相位差還是φAB。在已知雷達(dá)信號(hào)頻率f時(shí)，利用鑒相器測(cè)出相位差φAB后就可測(cè)出信號(hào)方位角θ：

從公式可以看出要想提高測(cè)向精度：

1）入射角越小越好；

2）相位誤差越小越好；

3）頻率越高越好；

4）基線長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好。

入射角和頻率是相對(duì)固定的，鑒相器鑒相誤差不能任意減小，最為容易控制的是基線長(zhǎng)度，所以要提高測(cè)角精度就要盡可能的增加基線的長(zhǎng)度。

另一方面，由于兩天線之間的相位差φ是入射角θ的周期函數(shù)，即：φ＝（2πd／λ）·sinθ，如果d、λ兩參數(shù)已定時(shí)，若θ的變化范圍過(guò)大超過(guò)2π，使得鑒相器輸出的相位差φ′不等于φ，即：φ′＝φ±2kπ（k為某一正整數(shù)），從而出現(xiàn)“相位模糊”，不能分辨雷達(dá)信號(hào)的真正方向。不模糊視角θm：

可見(jiàn)，要擴(kuò)大干涉儀的視角，必須減小兩天線之間的距離d。由于測(cè)向精度和測(cè)向范圍兩個(gè)指標(biāo)對(duì)基線長(zhǎng)度d的要求正好相反，因此單基線相位干涉儀不能解決測(cè)角精度和測(cè)向范圍之間的矛盾。

2.2 一維多基線干涉儀測(cè)向原理

為了解相位模糊，一般采用長(zhǎng)短基線結(jié)合的辦法：利用多天線組陣構(gòu)建的多基線干涉儀系統(tǒng)，由較短間距的干涉儀來(lái)確定覆蓋寬視角，較長(zhǎng)間距的干涉儀決定測(cè)角精度［3～6］。

一維多基線干涉儀，就是長(zhǎng)短基線法在一維干涉儀中的應(yīng)用。如圖2，假設(shè)入射波方向與天線軸線夾角為θ，波長(zhǎng)為λ；A0、A1、A2是天線陣元，A0與A1的基線長(zhǎng)度為d1（d1＜λ／2），A0與A2的基線長(zhǎng)度為d2（d2＞λ／2且d2＝nd1，其中n＞1）；A0與A1的基線相位差測(cè)量值是Ψ1，A0與A2基線相位差測(cè)量值是Ψ2；入射波實(shí)際到達(dá)陣元A0與A1的相位差是φ01，入射波實(shí)際到達(dá)陣元A0與A2的相位差是φ02，A0與A2基線相位差的粗值是φ02′，理想情況下有：

圖2 一維多基線干涉儀示意圖

聯(lián)立以上三個(gè)方程便可求出較為精確的測(cè)向結(jié)果。

該方法是以長(zhǎng)基線測(cè)量值為基礎(chǔ)，推算出長(zhǎng)基線實(shí)際相位差值的粗值，然后用短基線測(cè)量值和長(zhǎng)短基線幾何長(zhǎng)度的比值確定長(zhǎng)基線相位差實(shí)際值的范圍，進(jìn)一步從若干個(gè)可能中確定精確值。長(zhǎng)短基線組合的干涉儀，用短基線 “解模糊”，長(zhǎng)基線保證精度，可以巧妙地把短基線的唯一性和長(zhǎng)基線的測(cè)量精確性結(jié)合起來(lái)。

3 二維干涉儀測(cè)向原理

3.1 二維單基線干涉儀測(cè)向原理

圖3 二維單基線干涉儀測(cè)向原理圖

為了便于理解二維干涉儀測(cè)向原理，先從二維單基線干涉儀測(cè)向原理進(jìn)行分析。如圖3所示，在直角坐標(biāo)系XYZ中，以直角三角形頂點(diǎn)布陣等長(zhǎng)基線的三元陣為例，陣元A0與A1，A0與A2的基線長(zhǎng)度都為d。假設(shè)α為入射信號(hào)方位角，β為入射信號(hào)仰角，λ為來(lái)波波長(zhǎng)，Ψ1為陣元A0與A1基線相位差，Ψ2為陣元A0與A2基線相位差，則有：

由公式（7）和（8）可以解出入射方位角α和入射仰角β：

3.2 五單元圓陣干涉儀測(cè)向原理

二維多基線相位干涉儀測(cè)向原理以五單元圓陣干涉儀［7］為例進(jìn)行分析。如圖4，在直角坐標(biāo)系XYZ中，圓陣位于XY平面內(nèi)，五個(gè)天線陣元均勻分布于1－5點(diǎn)。入射方向二維角度為（α，β），α為入射方向與X軸夾角，β為入射方向與Z軸夾角。為提高測(cè)向精度，采用長(zhǎng)基線形成的相位差進(jìn)行測(cè)向。

假設(shè)相鄰兩陣元的夾角ω＝2π／5，陣元1與X軸的夾角γ＝π／2－2π／5，陣元1－3，2－4，3－5，4－1，5－2的基線相位差分別是Ψ13、Ψ24、Ψ35、Ψ41、Ψ52，則可利用陣元長(zhǎng)基線相位差信號(hào)模型如下：

利用其中兩條基線的相位差組合即可進(jìn)行二維測(cè)向，以Ψ13、Ψ24為例進(jìn)行測(cè)向原理說(shuō)明：對(duì)Ψ13、Ψ24分別求和差：

對(duì)式（16）除以 －8π／λγsinωcos（w／2），得到剩余項(xiàng)：sinβsin（α－γ－3ω／2）；

對(duì)式（17）除以－8π／λγsinωsin（w／2），剩余項(xiàng)為sinβcos（α－γ－3ω／2）。

由上面兩個(gè)剩余項(xiàng)構(gòu)造復(fù)數(shù)：

對(duì)式（18）乘以exp［－j（γ＋3w／2）］，可以得到新的復(fù)數(shù)：f＝sinβsinα＋isinβ，結(jié)合式（16）、（17）可得出二維入射角估計(jì)：

圖4 五元圓陣干涉儀原理圖

3.3 二維陣相位干涉儀與一維相位干涉儀之比較

一維相位干涉儀結(jié)構(gòu)緊湊，原理簡(jiǎn)單，長(zhǎng)短基線干涉儀只要求短基線長(zhǎng)度小于半波長(zhǎng)，但使用的場(chǎng)合也相應(yīng)受到限制：一維相位干涉儀無(wú)法區(qū)分前方與后方，測(cè)向的測(cè)向方位角范圍只能為±90°；不適合以下來(lái)波有仰角的測(cè)向場(chǎng)合（機(jī)載測(cè)向、地對(duì)空目標(biāo)測(cè)向、短波天波測(cè)向），否則會(huì)引起額外的測(cè)向誤差。

二維相位干涉儀同一維相位干涉儀相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）二維相位干涉儀可360°全方位測(cè)向；

2）二維相位干涉儀布陣形式靈活，常用的布陣形式是采用圓陣布置，采用圓陣的好處是天線陣元位置相互對(duì)稱，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)向校正；

3）二維多基線干涉儀天線陣單元間距不受小于半個(gè)工作波長(zhǎng)的約束：利用多個(gè)天線對(duì)的測(cè)向值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得較精確的測(cè)向值；

（4）二維相位干涉儀可以同時(shí)測(cè)方位角與仰角，不存在因仰角引起的相位模糊。

4 基于長(zhǎng)短基線圓陣布置干涉儀

高頻信號(hào)的波長(zhǎng)很短，利用長(zhǎng)、短基線相結(jié)合的方法解相位模糊，此時(shí)天線陣元必須做得非常小，這將降低天線增益并造成天線互耦，同時(shí)過(guò)小的短基線長(zhǎng)度會(huì)增加系統(tǒng)的設(shè)備量和成本，加重系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)，并對(duì)天線布局安裝提出了很高的要求［8］，而且對(duì)短基線干涉儀測(cè)量精度的要求也非常高。

圖5 基于長(zhǎng)短基線十陣元天線陣列設(shè)計(jì)圖

在均勻圓陣干涉儀測(cè)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，已從理論上證明了5陣元以上的奇數(shù)個(gè)陣元以及8單元以上的偶數(shù)個(gè)陣元不存在測(cè)向模糊［9］。但是對(duì)于機(jī)載測(cè)向系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于機(jī)載平臺(tái)可供布設(shè)天線陣列的有效空間、允許的天線陣元尺寸和數(shù)量都十分有限，不能使用大基礎(chǔ)天線陣；另外飛機(jī)機(jī)身的金屬蒙皮結(jié)構(gòu)會(huì)引起測(cè)向天線幅相特性的變化，這些都增加了機(jī)載測(cè)向天線布陣的難度和復(fù)雜性［10］。

從測(cè)向精度方面來(lái)考慮，十陣元比五陣元精度更高，但考慮到工程實(shí)際：體積重量的限制、空間陣元的布置、經(jīng)濟(jì)成本以及計(jì)算量等方面的要求；同時(shí)為更好地發(fā)揮一維和二維相位干涉儀的各自優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)提出基于長(zhǎng)短基線的十陣元圓陣干涉儀布置方案。如圖5，干涉儀總共有十個(gè)陣元，由五條短基線，五條長(zhǎng)基線組成天線陣列，大大減小天線布陣空間。利用五組短基線可以快速唯一地確定相位差粗值，進(jìn)而利用多組長(zhǎng)基線可以提高精度。通過(guò)理論分析計(jì)算，該十陣元干涉儀能較好地滿足測(cè)向精度要求，尤其是實(shí)際工程的要求；同時(shí)不存在相位模糊，計(jì)算速度也比均勻十陣元圓陣干涉儀要快。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析一維、二維相位干涉儀測(cè)向系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)，從工程實(shí)際出發(fā)，提出了一種基于長(zhǎng)短基線十陣元測(cè)向天線陣設(shè)計(jì)，它最大限度地利用了載體的有效空間，較好地滿足了天線陣元數(shù)量適中、天線陣基線長(zhǎng)度盡量大、不同長(zhǎng)度的基線盡量多等要求。理論分析表明，使用該測(cè)向天線陣，能較好地解決機(jī)載測(cè)向設(shè)備在實(shí)際環(huán)境中的高精度測(cè)向問(wèn)題，在工程實(shí)踐上具有廣闊的運(yùn)用前景。

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