王 開(kāi)，邵文建，朱 峰

(1．中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001；2.解放軍92602部隊(duì)，寧波 315000)

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基于線陣的多波束比幅法圓錐誤差分析

王 開(kāi)1，邵文建1，朱 峰2

(1．中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001；2.解放軍92602部隊(duì)，寧波 315000)

在一維線陣條件下，利用多波束比幅法測(cè)量方位角時(shí)，隨著入射信號(hào)仰角變大，方位角測(cè)量誤差會(huì)變大。分析了不同仰角下的波束偏離，提出了利用“修正角度”減小圓錐誤差的方法，并比較修正前后測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì)值，說(shuō)明達(dá)到了提高方位角測(cè)量精度的效果。

多波束比幅；圓錐效應(yīng);天線

0 引 言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，電子對(duì)抗的作用變得越來(lái)越重要，而電子偵察是電子對(duì)抗的重要環(huán)節(jié)[1]。其中測(cè)向精度是電子偵察的關(guān)鍵指標(biāo)之一，直接關(guān)系到所測(cè)威脅目標(biāo)方位和引導(dǎo)干擾機(jī)干擾方向的精度。基于線陣的多波束比幅測(cè)向法因其結(jié)構(gòu)和處理都比較簡(jiǎn)單，在電子偵察設(shè)備中廣泛應(yīng)用，但其本身也存在固有缺陷，本文將對(duì)這方面進(jìn)行分析。

1 多波束比幅測(cè)向原理

假設(shè)陣列天線包含N個(gè)天線單元，則同時(shí)存在的N個(gè)波束覆蓋了需要偵察的空域Ω(°)，每個(gè)波束的軸線角度分別為θ0、2θ0、…，Nθ0，其中θ0=Ω(°)/N。三波束比幅測(cè)向法原理是通過(guò)比較相鄰的3個(gè)天線單元接收到的信號(hào)幅度來(lái)確定入射信號(hào)的到達(dá)角度。假設(shè)輻射源信號(hào)的到達(dá)角θ位于第n個(gè)波束的軸線附近，如圖1所示。

圖1 三波束比幅測(cè)向原理圖

多波束測(cè)向系統(tǒng)要求每個(gè)天線及其接收通道具有嚴(yán)格一致的幅度特性，因此在分析三波束比幅測(cè)向原理時(shí)先假設(shè)各通道幅度特性一致[2]。

通常認(rèn)為在一定范圍內(nèi)，多波束天線的方向圖是高斯型的，且相對(duì)于天線軸線對(duì)稱，因此第n個(gè)天線及其相鄰的第n-1，n+1個(gè)天線接收到的信號(hào)幅度可表示為：

An(θ)=Ane-k(θ-nθ0)2

(1)

An-1(θ)=An-1e-k[θ-(n-1)θ0]2

(2)

An+1(θ)=An+1e-k[θ-(n+1)θ0]2

(3)

式中:An-1,An,An+1為各天線及接收通道的增益;k為比例常數(shù)。

將式(1)和式(2)兩邊取對(duì)數(shù)后相減得：

ΔL=lgAn-lgAn+1-k[θ-nθ0]2+ k[θ-(n-1)θ0]2

(4)

由于假設(shè)各通道幅度特性一致，則式(4)可以化簡(jiǎn)為:

(5)

(6)

將式(1)和式(3)兩邊取對(duì)數(shù)后相減得：

ΔR=k[(2n+1)θ02-2θθ0]

(7)

(8)

將式(6)和式(8)相加得:

(9)

將式(6)代入式(8)得:

(10)

將式(10)代入式(9)得:

(11)

從式(11)可以看出,通過(guò)相鄰3個(gè)天線接收信號(hào)的比幅計(jì)算，結(jié)合判斷最大信號(hào)的波束號(hào)就可以確定輻射源信號(hào)的到達(dá)角。

2 線陣的缺陷

圖2 線陣組成示意圖

天線系統(tǒng)是一個(gè)由24個(gè)垂直放置的扇形喇叭在水平面上排列組成的線陣，如圖2所示。每個(gè)陣元通過(guò)同相電纜連接到固定的波束形成透鏡系統(tǒng)。

線陣天線的一個(gè)最重要的基本特性是天線方向圖關(guān)于垂直于線陣的軸對(duì)稱，而且越靠近線陣邊緣波束間的間隔越大，線陣方向圖如圖3所示。所以線陣有一個(gè)缺陷：當(dāng)輻射源從線陣的軸線向邊緣移動(dòng)時(shí)，測(cè)向誤差會(huì)變大。

圖3 線陣方向圖

在一維線陣條件下，只能測(cè)量輻射源信號(hào)的方位，而隨著入射信號(hào)仰角變大，其方位角會(huì)慢慢遠(yuǎn)離天線軸線，導(dǎo)致方位角測(cè)量誤差變大，這種方位角隨仰角變化的現(xiàn)象通常被稱為圓錐效應(yīng)。表1為入射信號(hào)為10 GHz時(shí)，測(cè)量的方位誤差與入射信號(hào)仰角之間的關(guān)系。

表1 不同仰角情況下方位角測(cè)量誤差

上述線陣的2個(gè)固有誤差在輻射源入射角為(42.7°，30°)的情況下可達(dá)到8.7°，實(shí)際應(yīng)用中顯然是不能接受的。

3 圓錐誤差分析與修正

通過(guò)天線測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量出在不同方位、仰角角度時(shí)線陣每個(gè)喇叭天線的幅度值，并采用三波束比幅法計(jì)算出方位值。由于三波束比幅法需要相鄰3個(gè)天線接收信號(hào)的幅度值，所以1號(hào)和24號(hào)波束的方位值無(wú)法算出。結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，在仰角為0°和5°的情況下，波束不發(fā)生偏離；在仰角大于等于10°的情況下，波束就會(huì)發(fā)生偏離。例如，3號(hào)波束在仰角為0°時(shí)上報(bào)的波束號(hào)為3，但在仰角為30°時(shí)上報(bào)的波束號(hào)為4或者5，這就是所謂的“圓錐效應(yīng)”，而且越靠近線陣邊緣的波束(2、23號(hào))圓錐效應(yīng)現(xiàn)象越明顯。

表2 不同仰角情況下的波束偏離

波束號(hào)仰角 131415161718192021222301314151617181920212223513141516171819202122231013141516171818～1919～2020～2121～2222～231513141515～1616～1717～1818～1919～2020～2121～2222～2320131414～1515～1616～1717～1818～1919～2020～2121～2222～23251313～1414～1515～1616～1717～1818～1919～2019～2020～2121～22301313～1414～1515～1616～1717～18181919～2020～2121～22

本文提供一種減小圓錐誤差的方法。假設(shè)在線陣波束覆蓋范圍內(nèi)，當(dāng)有仰角大于等于10°的信號(hào)存在時(shí)，一個(gè)“修正角度”將會(huì)被代入三波束比幅法中計(jì)算。例如，入射信號(hào)的真方位在(30°,30°)，利用“修正角度”計(jì)算，然后上報(bào)波束號(hào)為21。這個(gè)波束號(hào)與仰角為0°時(shí)的波束號(hào)一樣。這樣會(huì)從根本上減小圓錐誤差，提高仰角威脅目標(biāo)的方位測(cè)量精度。表3為利用“修正角度”計(jì)算得到的不同仰角情況下的方位角測(cè)量誤差。

表3 修正后不同仰角情況下方位角測(cè)量誤差

對(duì)比表3和表1可以看出，利用“修正角度”后高仰角入射信號(hào)的方位測(cè)量誤差有所減小，而且仰角越大效果越明顯。

上文中提到過(guò)線陣的1號(hào)和24號(hào)波束的方位值無(wú)法利用三波束比幅法算出，但當(dāng)線陣按照4個(gè)象限安裝時(shí)這個(gè)問(wèn)題可以得到解決。如圖4所示，第一象限線陣的23、24號(hào)天線和第二象限線陣的1、2號(hào)天線同時(shí)收到入射信號(hào)。

圖4 相鄰象限線陣示意圖

首先通過(guò)比較第24號(hào)和1號(hào)天線接收信號(hào)的幅度值確定信號(hào)在第一象限還是第二象限，若信號(hào)在第一象限則利用第一象限23、24和第二象限1號(hào)天線計(jì)算出入射信號(hào)方位角；反之，則利用第二象限1、2和第一象限24號(hào)天線計(jì)算出入射信號(hào)方位角。在進(jìn)行上述計(jì)算式時(shí)要加入“修正角度”。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種減小線陣條件下多波束比幅法測(cè)向圓錐誤差的方法，這種方法簡(jiǎn)單易行，可以在工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。電子偵察要獲得更高的測(cè)向精度還需對(duì)影響的其他因素進(jìn)行分析和工程實(shí)踐中的不斷調(diào)試。

[1] 趙國(guó)慶.電子對(duì)抗原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2003.

[2] 顧敏劍.多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)精度分析[J].艦船電子對(duì)抗.2007，30(3)：70-73.

Cone-error Analysis of Multi-beam Amplitude-comparison Method Based on Linear Array

WANG Kai1，SHAO Wen-jian1，ZHU Feng2

(1.The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China;2.Unit 92602 of PLA,Ningbo 315000,China)

Under the condition of one-dimensional linear array，when the azimuth is measured by using multi-beam amplitude-comparison method，the measurement error of azimuth will increase along with the elevation of incident signal.This paper analyzes the beam deviation under different elevations， puts forward a method to reduce the cone error by using the "correction angle",and compares the statistical value of measurement error after and before correction，shows that the method fetches the effect raising the azimuth measurement accuracy.

multi-beam amplitude-comparison；cone effect；antenna

2016-06-23

TN82

A

CN32-1413(2016)05-0031-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.007