一種改進(jìn)的干涉儀測向基線設(shè)計(jì)方法

李 超，韋敏峰，李 迪，田德民

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

?

一種改進(jìn)的干涉儀測向基線設(shè)計(jì)方法

李 超，韋敏峰，李 迪，田德民

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

在原有干涉儀測向基線逐級解模糊規(guī)則的基礎(chǔ)上，在工作頻率、無模糊視角范圍及相位差誤差等條件下，為達(dá)到利用較少的天線陣元數(shù)解最長基線模糊的目的，提出了一種改進(jìn)的干涉儀測向基線配置方法，并結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例與已有基線配置方法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了本文的基線配置方法能達(dá)到更高的測向精度。

干涉儀；測向；虛擬基線；解模糊

0 引 言

由于精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)，干涉儀測向在電子戰(zhàn)中具有廣泛應(yīng)用。干涉儀測向原理：以不同到達(dá)角入射的無線電信號在測向基線上會(huì)形成不同的相位差，因此不同的相位差代表不同的到達(dá)角[1-2]。在實(shí)際測量中，由于鑒相器的測量范圍(-π,π ]限制，測量相位差跟實(shí)際相位差之間可能差了2π的整數(shù)倍，該現(xiàn)象稱為相位模糊。短基線可以解決相位模糊問題，但基線長度的縮短會(huì)導(dǎo)致測向精度的降低。結(jié)合干涉儀解模糊原理[3-5]，為解決最大無模糊視角范圍與測向精度對天線間距要求這對矛盾，人們提出了一些解模糊方法[6-8]：長短基線法、參差基線法、虛擬基線法及立體基線法等。其中，長短基線法利用長基線保證測向精度，利用短基線解決測向模糊。

對于探測信號頻率范圍[fmin，fmax]、最大無模糊視角范圍θm、θmax、相位差誤差±Δφ、測向精度Δθ、陣元間最小間距P的一維多基線干涉儀測向系統(tǒng)，根據(jù)fmin、fmax求得λmax、λmin，此時(shí)最長基線長度：

(1)

最短無模糊實(shí)基線長度：

(2)

最短無模糊虛擬基線長度：

(3)

短基線解長基線模糊的比例系數(shù)大小有限制[9]，具體情況如下：

實(shí)基線解實(shí)基線比例系數(shù)：

(4)

實(shí)基線解虛基線比例系數(shù)：

(5)

虛基線解實(shí)基線比例系數(shù)：

(6)

虛基線解虛基線比例系數(shù)：

(7)

在工程應(yīng)用中，由于指標(biāo)及器件尺寸等限制，需要改變天線陣元的排列，合理安排基線配置，獲得最優(yōu)的基線配置方法及更高的測向精度。實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常由于器件尺寸限制，無法直接構(gòu)造出最短無模糊實(shí)基線，此時(shí)需要構(gòu)造最短無模糊虛基線來完成短基線到長基線的解模糊。為此，本文提出了一種改進(jìn)的基線配置方法。

1 改進(jìn)的基線配置方法

圖1 基線逐級解模糊規(guī)則示意圖

結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用條件，構(gòu)造基于最短無模糊虛基線的基線配置步驟。為方便說明，步驟中的基線長度均用基線長與最短無模糊虛基線長度d1的比值表示。設(shè)陣元數(shù)為x，令M=dmin/d1max，p=P/d1max，基線配置流程圖如圖2所示。

圖2 基線配置流程圖

(1) 判斷3個(gè)陣元是否可行

x=3，從3個(gè)陣元開始。此時(shí)構(gòu)造出基線m與m+1。

判斷方法：

(8)

(2) 比較p與K3max的大小

若p>K3max，則轉(zhuǎn)(3)；否則轉(zhuǎn)(4)。

(3) p>K3max的基線配置方式

陣元數(shù)加1，x ← x+1，在p>K3max時(shí)，判斷當(dāng)前數(shù)量x個(gè)陣元能否構(gòu)造出滿足條件的基線配置。此時(shí)，不能直接由最短虛基線解實(shí)基線模糊，需要不斷構(gòu)造出更長的虛基線(如1,K4,K42,K43,…)，逐級解模糊，最終解實(shí)基線m的模糊。令p≤K4aK3，解得:

(9)

取滿足a要求的最小整數(shù)值為N，令p′=K4NK3。此時(shí)利用N+3個(gè)陣元即可解得實(shí)基線m的模糊。m的變化范圍為[ p , p′ ]。可以采用如圖3所示基線增長較慢的配置方式。

圖3 基線增長較慢的基線配置方式

為了使基線長度盡快增長，可選擇不同的虛擬基線構(gòu)造方式，更快達(dá)到最長基線長度M，此時(shí)可采用如圖4所示的基線配置方式。

圖4 基線增長較快的基線配置方式

圖4中，A段基線構(gòu)造的目的是以最少的陣元數(shù)盡快地由虛基線逐級解實(shí)基線m模糊；B段基線構(gòu)造的目的是以最快的速度增長總基線長度，以達(dá)到測向精度要求。

考慮當(dāng)前的陣元數(shù)x限制，調(diào)整變量，利用圖4所述基線配置方法將各段基線長度配置出來。

(a) 當(dāng)x≥N+3時(shí)，即利用不大于x個(gè)陣元數(shù)便可完成A段由虛基線逐級解實(shí)基線m模糊的過程，后續(xù)按照圖4中B段實(shí)基線解實(shí)基線模糊的構(gòu)造方法，即可構(gòu)造出符合要求的基線配置。

若M′≥M，則基線配置滿足要求。

若M′

(b) 當(dāng)x

此時(shí)x個(gè)陣元無法構(gòu)造出滿足要求的基線配置，轉(zhuǎn)(3)。

(4) p≤K3max的基線配置方式

陣元數(shù)加1，x ← x+1，在p≤K3max時(shí)，判斷當(dāng)前數(shù)量x個(gè)陣元能否構(gòu)造出滿足條件的基線配置。此時(shí)，可以直接構(gòu)造出實(shí)基線m，滿足由最短虛基線能直接解實(shí)基線m的模糊。m的變化范圍為[ p , K3max]。

為了使基線長度盡快增長，更快達(dá)到最長基線長度M，采用如圖5基線配置方式：

圖5 基線配置方式

圖5中A段基線構(gòu)造的目的是實(shí)現(xiàn)最短虛基線直接解實(shí)基線m模糊；B段基線構(gòu)造的目的是以最快的速度增長總基線長度，以達(dá)到測向精度要求。

按照圖5所述基線配置方式配置x個(gè)陣元，圖5中n=x-4，比較此時(shí)最長基線(2m+1)(K1+1)x-3的最大值M′與M的大小。

當(dāng)m=K3max，K1=K1max時(shí)，(2m+1)(K1+1)x-3取得其最大值M′=(2K3max+1)(K1max+1)x-3。

若M′≥M，則基線配置滿足要求。

此時(shí)基線比為K3max,K3max+1,(2K3max+1)K1max,(2K3max+1)(K1max+1)K1max,(2K3max+1)(K1max+1)2K1max,…,(2K3max+1)(K1max+1)x-4K1max，轉(zhuǎn)(5)。

若M′

(5) 調(diào)整基線長度

考慮到工程適裝性，可在滿足基線逐級解模糊規(guī)則的前提下，利用變量m,K1,K2,K3,K4以及虛擬基線的構(gòu)造方式(如圖3與圖4虛擬基線構(gòu)造方式有區(qū)別)調(diào)整基線長度，縮短最長基線長度，使最長基線長度盡量接近M。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

為了驗(yàn)證上述基線配置方法的工程有效性，按如下要求設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例。

工作頻率為2～6GHz，最大無模糊測向視角范圍為±45°，θmax為90°，相位差測量誤差為±30°，測向精度為1.5°，陣元間最小間距為61mm，可得信號波長范圍為50～150mm。

根據(jù)公式(1)～(7)：

d≥dmin=675.24mm，取d=688mm；

d1≤d1max=16.67mm，取d1=16mm；

K1≤K1max=5，K2≤K2max=4，K3≤K3max=2.5，K4≤K4max=2。

M=688/16=43；p≥61/16=3.812 5，取p=4。

(1) 判斷x=3個(gè)陣元能否滿足要求

(2) 判斷x=4個(gè)陣元能否滿足要求

因?yàn)?>2.5，即p>K3max，此時(shí)，由式(9)得：a≥0.68，因此，N=1，p′=2×2.5=5。

此時(shí)x=N+3,按照p′，p′+1，2p′+1+ K4max構(gòu)造基線，各基線比為5∶6∶13。

最長基線長度為M′=5+6+13=24<43，即M′

(3) 判斷x=5個(gè)陣元能否滿足要求

x>N+3,按照p′，p′+1，2p′+1+ K4max，(4p′+2+ K4max)K1max構(gòu)造基線，各基線比為5∶6∶13∶120。

最長基線長度為M′=5+6+13+120=144>43，滿足M′>M，即5個(gè)陣元可以滿足要求。

(4) 調(diào)整基線長度

以基線比為5∶6∶13∶120構(gòu)造，5+6+13+120=144，144已經(jīng)遠(yuǎn)大于最長基線長度要求(M=43)。為考慮工程適裝性，將最后一段基線長120縮短至20，可滿足測向精度要求，即將基線比調(diào)整為5：6∶13∶20，此時(shí)亦可滿足基線配置要求。

(5) 驗(yàn)證基線逐級解模糊規(guī)則

根據(jù)5∶6∶13∶20構(gòu)造基線，可以構(gòu)造出的實(shí)基線為{5,6,11,13,19,20,24,33,39,44}，可以構(gòu)造出的虛基線為{1,2,4,5,6,7,8,9,11,13,14,15,18,19,20,22,24,25,26,27,28,31,33,34,38,39}，如圖6所示。實(shí)基線與虛基線集合中若有相同長度的基線，選實(shí)基線誤差更小。

圖6 實(shí)基線與虛基線長

根據(jù)基線逐級解模糊規(guī)則，由短到長逐級解模糊，基線增長的系數(shù)均在K1、K2、K3、K4范圍內(nèi)，最后能夠完成最長基線的解模糊。

(6) 對比文獻(xiàn)[9]的基線配置方法

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，利用5個(gè)陣元配置基線。先配置虛擬基線(長度仍用與最短基線長度比值表示)：1,2,3,6,9。

第1級實(shí)基線為：9×2.5=22.5。

其他實(shí)基線為：22.5+1=23.5，22.5+3=25.5，22.5+9=31.5。

最長基線長度為：22.5+23.5+25.5+31.5=103。

因?yàn)?03<144,因此，在相同數(shù)量的陣元數(shù)條件下，本文的基線配置方法與文獻(xiàn)[9]比，具有更高的測向精度。

3 結(jié)束語

本文闡述了干涉儀測向中的基線逐級解模糊規(guī)則，為達(dá)到利用較少的天線陣元數(shù)解最長基線模糊的目的，提出了一種改進(jìn)的干涉儀測向基線配置方法。結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例，在工作頻率范圍、無模糊視角范圍及測向精度等條件下，驗(yàn)證了本基線配置方法的準(zhǔn)確性。與其他基線配置方法比較，本方法具有更高的測向精度。同時(shí)，本方法考慮了陣元間間距最小值、相位差誤差及工程適裝性，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] 肖秀麗.干涉儀測向原理[J].中國無線電，2006 (5)：43-49.

[2] 楊偉程.單站長基線干涉儀測向定位技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2009.

[3] 張文旭，司錫才，蔣伊琳.相位干涉儀測向系統(tǒng)相位誤差研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2006，28(11)：1631- 1632.

[4] 李興華，顧爾順.干涉儀解模糊技術(shù)研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2008,36(3):92-96.

[5] 蔣學(xué)金，高遐，沈揚(yáng).一種多基線相位干涉儀設(shè)計(jì)方法[J].電子信息對抗技術(shù)，2008，23(4)：39-45.

[6] 李勇，趙國偉，李滔.一種機(jī)載單站相位干涉儀解模糊算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19(6)：2600-2602.

[7] 司偉健，初萍.干涉儀測向解模糊方法[J].應(yīng)用科技，2007，34(9)：54-57.

[8] 羅賢欣，劉光斌，王忠.干涉儀測向技術(shù)研究[J].艦船電子工程，2012，32(8)：74-76.

[9] 李東虎.干涉儀測向系統(tǒng)中的基線配置技術(shù)[J].無線電工程，2014(4)：17-19.

An Improved Method of Interferometer DF Baseline Design

LI Chao，WEI Min-feng，LI Di,TIAN De-min

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001，China)

Based on the rule of gradually resolving ambiguity of original interferometer direction finding (DF) baseline,this paper puts forward an improved interferometer DF baseline deployment method for the aim of resolving the longest baseline ambiguity by using less antenna array elements under the conditions of operating frequency,range of no ambiguity view,phase difference error,etc.,and compares the method with existing baseline deployment method combining with design example,proves that the baseline deployment method provided in this paper can fetch better DF accuracy.

interferometer;direction finding;simulative baseline;resolving ambiguity

2016-08-28

TN971

A

CN32-1413(2016)05-0019-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.004