基於機載平臺的幹涉儀測向技術研究

引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201809/388480.htm

隨著航空電子偵察技術的發展，機載測向系統以其作用範圍大。偵測距離遠。機動性強和可實現單機對地面目標定位等優點，能夠完成地面通信電子戰設備所不能完成的遠距離。大區域作戰任務，正越來越受到國內外關注。但是在實際工程應用中，機載測向中面臨著以下幾個方面的問題。

(1)機載平臺可供布設天線陣列的有效空間。允許的天線陣元尺寸和數量十分有限，不能使用大基礎天線陣;同時飛機結構面多為弧面，這也限制了均勻圓形陣向低頻段擴展的可能。本文考慮到飛機本身的結構特點是機身橫向窄縱向長，為有效利用飛機機腹的空間，提出了均勻橢圓布陣的形式，通過仿真分析了橢圓陣列孔徑與波長之比對入射角度的估計性能影響。

(2)現代雷達系統，通常採用在目標雷達周圍配備有源誘餌進行保護，這就要機載測向系統有高的分辨力，但是基於相位幹涉儀的測向方法只能實現對單個信號的測向，而空間譜估計測向法可以實現對一個波束寬度內多個入射信號的來波方向估計，所以有效地提高空間譜估計方法在實際測向系統中的分辨力至關重要。

(3)在實際測向中天線陣列通道幅相失衡。天線陣元的互耦等會導致測向性能的下降，所以亟需採用有效的校正方法來改善測向性能。

本文重點研究前兩個方面的問題。

1 機載平臺測向天線陣設計

1.1 相關幹涉儀測向技術

測向原理如下：在測向天線陣工作頻率範圍內和0~360°方向上，各按一定規律設點，同時在頻率間隔和方位間隔上建立樣本群，在測向時，將所得的數據和樣本群進行相關運算和差值處理，以獲得來波信號方向，可以實現寬頻帶範圍內無模糊測向，對陣列的擺放形式沒有特殊要求。

基於相位差擬合的相關幹涉儀代價函數為：

式中：θ為觀測相位差向量;θj為對應於(θ，φ)方向的相位差向量，使得ρj最大值所對應的原始相位樣本值就是實際入射信號的方位。

1.2 測向天線陣設計及仿真

針對機載平臺的特點，給出了橢圓天線陣列擺放示意，如圖1所示。

設M個天線陣元均勻分布在一個橢圓圓周上，以幾何中心為參考點，則陣列的方向向量a(θ)可表示為：

設a(θA)，a(θB )是均勻橢圓陣列上的2個方向向量，則相關係數為：

仿真分析1:

設橢圓陣孔徑與波長之比(d λ)分別為12和14,信號入射方向為50°，5元均勻橢圓陣的相關係數圖如圖2所示。

可見，相關係數的最大值在方位角50°處。從仿真圖2可得如下結論：d λ越大，主瓣越窄，方位測量精度越高;去除測向模糊就是要求相關係數圖的主瓣與副瓣的高度易於分辨。MUSIC算法其分辨力與陣列孔徑成正比。也就是說當可利用的陣列孔徑受限時，會影響到分辨力，但為了提高系統的分辨力而增大天線盤的孔徑代價太大。所以要在不需要通過增大陣列的物理孔徑來實現MUSIC算法的分辨力上下功夫。

2 MUSIC算法分辨能力

2.1 MUSIC算法原理及分辨性能

設有P個不相關窄帶入射到M元遠場線陣上，則陣列輸出向量為：

式中：X(t)為M × 1維的陣列輸出向量;A為M × P維的陣列流型，它是輻射信號入射角α和β的函數;S(t)為P × 1維的入射信號向量;N(t)為M × 1維的噪聲向量。由於信號與噪聲相互獨立，接收數據的協方差矩陣為：

對R進行特徵分解，P個大特徵值對應的特徵向量Us = [e1,e2 ,…，ep]張成信號子空間;M – P個小特徵值對應的特徵向量UN = [ep + 1,ep + 2 ,…，eM ]張成噪聲子空間，兩個子空間正交。在噪聲子空間上投影為0的陣列流形所對應的方向就是信號的DOA,MUSIC算法通過搜索式(6)的極大值點來獲得輻射信號的DOA:

仿真分析2:

天線陣列採用均勻的5元橢圓陣，信噪比為20 dB,快拍數為1 000,取三個輻射信號(45°，75°)，(45°，78°)，(38°，30°)，仿真結果如圖3所示。

仿真分析2:

天線陣列採用均勻的5元橢圓陣，信噪比為20 dB,快拍數為1 000,取三個輻射信號(45°，75°)，(45°，78°)，(38°，30°)，仿真結果如圖3所示。

仿真分析3:

天線盤孔徑對MUSIC算法分辨力的影響。天線陣列形式採用均勻的5 元橢圓陣，取兩個輻射信號分別為(45°，75°)，(45°，78°)，即兩個入射角間距為3°，依據式(7)對不同孔徑與波長比(d λ)條件下的分辨能力進行仿真，如圖4所示。