基于機(jī)載平臺(tái)的干涉儀測(cè)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(cè)向系統(tǒng)以其作用范圍大。偵測(cè)距離遠(yuǎn)。機(jī)動(dòng)性強(qiáng)和可實(shí)現(xiàn)單機(jī)對(duì)地面目標(biāo)定位等優(yōu)點(diǎn)，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(lái)越受到國(guó)內(nèi)外關(guān)注。但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，機(jī)載測(cè)向中面臨著以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

(1)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)量十分有限，不能使用大基礎(chǔ)天線陣;同時(shí)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(diǎn)是機(jī)身橫向窄縱向長(zhǎng)，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(guò)仿真分析了橢圓陣列孔徑與波長(zhǎng)之比對(duì)入射角度的估計(jì)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?chē)鋫溆性凑T餌進(jìn)行保護(hù)，這就要機(jī)載測(cè)向系統(tǒng)有高的分辨力，但是基于相位干涉儀的測(cè)向方法只能實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)信號(hào)的測(cè)向，而空間譜估計(jì)測(cè)向法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)波束寬度內(nèi)多個(gè)入射信號(hào)的來(lái)波方向估計(jì)，所以有效地提高空間譜估計(jì)方法在實(shí)際測(cè)向系統(tǒng)中的分辨力至關(guān)重要。

(3)在實(shí)際測(cè)向中天線陣列通道幅相失衡。天線陣元的互耦等會(huì)導(dǎo)致測(cè)向性能的下降，所以亟需采用有效的校正方法來(lái)改善測(cè)向性能。

本文重點(diǎn)研究前兩個(gè)方面的問(wèn)題。

1 機(jī)載平臺(tái)測(cè)向天線陣設(shè)計(jì)

1.1 相關(guān)干涉儀測(cè)向技術(shù)

測(cè)向原理如下：在測(cè)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(diǎn)，同時(shí)在頻率間隔和方位間隔上建立樣本群，在測(cè)向時(shí)，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(lái)波信號(hào)方向，可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)無(wú)模糊測(cè)向，對(duì)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(jià)函數(shù)為：

式中：θ為觀測(cè)相位差向量;θj為對(duì)應(yīng)于(θ，φ)方向的相位差向量，使得ρj最大值所對(duì)應(yīng)的原始相位樣本值就是實(shí)際入射信號(hào)的方位。

1.2 測(cè)向天線陣設(shè)計(jì)及仿真

針對(duì)機(jī)載平臺(tái)的特點(diǎn)，給出了橢圓天線陣列擺放示意，如圖1所示。

設(shè)M個(gè)天線陣元均勻分布在一個(gè)橢圓圓周上，以幾何中心為參考點(diǎn)，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(gè)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(zhǎng)之比(d λ)分別為12和14,信號(hào)入射方向?yàn)?0°，5元均勻橢圓陣的相關(guān)系數(shù)圖如圖2所示。

可見(jiàn)，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(cè)量精度越高;去除測(cè)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(shuō)當(dāng)可利用的陣列孔徑受限時(shí)，會(huì)影響到分辨力，但為了提高系統(tǒng)的分辨力而增大天線盤(pán)的孔徑代價(jià)太大。所以要在不需要通過(guò)增大陣列的物理孔徑來(lái)實(shí)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(gè)不相關(guān)窄帶入射到M元遠(yuǎn)場(chǎng)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(hào)入射角α和β的函數(shù);S(t)為P × 1維的入射信號(hào)向量;N(t)為M × 1維的噪聲向量。由于信號(hào)與噪聲相互獨(dú)立，接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣為：

對(duì)R進(jìn)行特征分解，P個(gè)大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量Us = [e1,e2 ,…，ep]張成信號(hào)子空間;M – P個(gè)小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量UN = [ep + 1,ep + 2 ,…，eM ]張成噪聲子空間，兩個(gè)子空間正交。在噪聲子空間上投影為0的陣列流形所對(duì)應(yīng)的方向就是信號(hào)的DOA,MUSIC算法通過(guò)搜索式(6)的極大值點(diǎn)來(lái)獲得輻射信號(hào)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(gè)輻射信號(hào)(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(gè)輻射信號(hào)(45°，75°)，(45°，78°)，(38°，30°)，仿真結(jié)果如圖3所示。

仿真分析3:

天線盤(pán)孔徑對(duì)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(gè)輻射信號(hào)分別為(45°，75°)，(45°，78°)，即兩個(gè)入射角間距為3°，依據(jù)式(7)對(duì)不同孔徑與波長(zhǎng)比(d λ)條件下的分辨能力進(jìn)行仿真，如圖4所示。