基于機(jī)載平臺的干涉儀測向技術(shù)研究

引言

隨著航空電子偵察技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載測向系統(tǒng)以其作用范圍大。偵測距離遠(yuǎn)。機(jī)動性強(qiáng)和可實現(xiàn)單機(jī)對地面目標(biāo)定位等優(yōu)點，能夠完成地面通信電子戰(zhàn)設(shè)備所不能完成的遠(yuǎn)距離。大區(qū)域作戰(zhàn)任務(wù)，正越來越受到國內(nèi)外關(guān)注。但是在實際工程應(yīng)用中，機(jī)載測向中面臨著以下幾個方面的問題。

(1)機(jī)載平臺可供布設(shè)天線陣列的有效空間。允許的天線陣元尺寸和數(shù)量十分有限，不能使用大基礎(chǔ)天線陣;同時飛機(jī)結(jié)構(gòu)面多為弧面，這也限制了均勻圓形陣向低頻段擴(kuò)展的可能。本文考慮到飛機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點是機(jī)身橫向窄縱向長，為有效利用飛機(jī)機(jī)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(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)，通常采用在目標(biāo)雷達(dá)周圍配備有源誘餌進(jìn)行保護(hù)，這就要機(jī)載測向系統(tǒng)有高的分辨力，但是基于相位干涉儀的測向方法只能實現(xiàn)對單個信號的測向，而空間譜估計測向法可以實現(xiàn)對一個波束寬度內(nèi)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(tǒng)中的分辨力至關(guān)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(dǎo)致測向性能的下降，所以亟需采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(jī)載平臺測向天線陣設(shè)計

1.1 相關(guān)干涉儀測向技術(shù)

測向原理如下：在測向天線陣工作頻率范圍內(nèi)和0~360°方向上，各按一定規(guī)律設(shè)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(shù)據(jù)和樣本群進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和差值處理，以獲得來波信號方向，可以實現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)無模糊測向，對陣列的擺放形式?jīng)]有特殊要求。

基于相位差擬合的相關(guān)干涉儀代價函數(shù)為：

式中：θ為觀測相位差向量;θj為對應(yīng)于(θ，φ)方向的相位差向量，使得ρj最大值所對應(yīng)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(shè)計及仿真

針對機(jī)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(shè)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(shè)a(θA)，a(θB )是均勻橢圓陣列上的2個方向向量，則相關(guān)系數(shù)為：

仿真分析1:

設(shè)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(guān)系數(shù)圖如圖2所示。

可見，相關(guān)系數(shù)的最大值在方位角50°處。從仿真圖2可得如下結(jié)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(guān)系數(shù)圖的主瓣與副瓣的高度易于分辨。MUSIC算法其分辨力與陣列孔徑成正比。也就是說當(dāng)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(tǒng)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(xiàn)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(shè)有P個不相關(guān)窄帶入射到M元遠(yuǎn)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(shù);S(t)為P × 1維的入射信號向量;N(t)為M × 1維的噪聲向量。由于信號與噪聲相互獨立，接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣為：

對R進(jìn)行特征分解，P個大特征值對應(yīng)的特征向量Us = [e1,e2 ,…，ep]張成信號子空間;M – P個小特征值對應(yīng)的特征向量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(yīng)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:

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

仿真分析2:

天線陣列采用均勻的5元橢圓陣，信噪比為20 dB,快拍數(shù)為1 000,取三個輻射信號(45°，75°)，(45°，78°)，(38°，30°)，仿真結(jié)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。天線陣列形式采用均勻的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(jù)式(7)對不同孔徑與波長比(d λ)條件下的分辨能力進(jìn)行仿真，如圖4所示。