基于三基线干涉仪的二维瞬时测向系统

摘  要：针对电子战中敌方雷达的快速定位，设计了一种基于三基线干涉仪的二维瞬时测向系统，解决了在宽频带范围内保证测向视角和精度的难题。给出了系统的工作原理、电路结构以及软件算法，并重点介绍了信号处理组件的设计等关键技术。试验结果表明，该测向系统在X波段全频带内的测向视角达到了±60°，测角精度优于1°。
关键词：干涉仪；瞬时测向；电路结构；信号处理

    瞬时测向技术是电子战的关键技术之一，其作用是快速测定敌方雷达的方位，引导干扰天线波束随时对准敌方雷达，以达到高效压制干扰的目的。瞬时测向系统的难点在于对各种原因导致的相位误差、角度误差进行校正，保证在宽频带范围具有良好的测向视角和精度。本文介绍的二维瞬时测向系统由两个完全相同的三基线干涉仪测向通道组成,能快速测量X波段雷达的水平和垂直方位，在8 GHz~12 GHz范围内均能达到±60°的视角和±1°的精度。同时系统对天线尺寸、安装的要求比较低，能满足机载、弹载的要求。
1 系统设计
1.1 系统构成
    该瞬时测向系统采用三基线干涉仪测向原理[1]， 在水平、垂直方向各放置4个平面螺旋天线，通过比较水平、垂直方向测向通道输出的同一脉冲信号的相位差来计算目标雷达的二维方位。每个测向通道包括有天线阵列、X波段放大器、鉴相器、视频放大器、编码电路等单元。系统的电路框图如图1所示。

    由上式可知，测向误差由相位误差、频率测量误差、基线长度误差等部分组成，而后两项因素引起的测向误差与第一项相比要小得多，可忽略不计。
　
    因为可通过硬件、软件方法对相位误差进行校正，且测向误差的指标是工作空域和工作频率范围的均方统计值，所以测向精度可以满足指标要求。
1.3 接收灵敏度计算
   对宽带干涉仪测向而言，因前端有高增益限幅放大器，故灵敏度不受增益限制，而是受噪声限制。由测向精度分析可见，当输入雷达信号的信噪比不低于20 dB时，由噪声引起的干涉仪测向误差将大大降低，其受噪声限制的测向灵敏度为：
    P_rmin=KTF(2Br Bv)1/2D         (4)
式(4)中,Br为射频带宽，取为4 000 MHz；Bv为视频带宽，取为10 MHz； F为测向前端的噪声系数, 取为4 dB；D为信噪比, 取为20 dB。由此可计算出最高接收灵敏度为-65.5 dBm。
2 组件设计
2.1 天线阵列
    天线阵列选为线性阵，要求单元天线的相位一致性好，具有较宽的波束宽度，适合不同极化方式的目标侦收、体积小，重量轻等。平面螺旋天线是干涉仪测向天线阵列中最普遍使用的单元天线,具有较宽的射频带宽、恒定的波束宽度和圆极化性能等优点，而且其相位中心在螺旋面上，因而具有优良的相位特性,天线的相位一致性好。其缺点是天线增益较低，但因测向接收机中具有高增益低噪声限幅放大器,可以弥补天线增益的不足，满足灵敏度的要求,故平面螺旋天线仍为干涉仪测向天线阵中单元天线的最佳选择。平面螺旋天线的主要技术指标为：X波段，增益大于0 dB，波束宽度±60°，相位一致性优于±10°，天线口面Φ为13 mm。
     天线阵列由二维共8个平面螺旋天线组成，两组天线以相互垂直的方式安装，可以对前方±60°圆锥范围内的到达射频信号进行快速测向。每个方向的天线阵列采用二次谐波关系的间隔布置单元天线[3]，l1=1.443 cm，l2=2l1=2.886 cm，l3=4l1=5.772 cm，如图2所示。

2.2 测向前端

    测向前端有两套,分别用于水平方向和垂直方向。测向前端由一个四通道X波段放大器、一个四功分器和3个鉴相器组成。基准信号经基准天线和限幅放大后功分3路，分别与其他3路天线过来的放大信号进行鉴相，输出3路正交的相差信号。为保证各接收通道的延迟和相位严格一致，各功能组件之间采用尽量等长电缆连接，最后借助矢量网络分析仪通过调整连接到天线的4根电缆长度来精确修正各通道相位。测试结果表明各通道相位差小于10°，达到设计要求。
    四通道X波段放大器采用限幅放大器，对每个通道的幅相一致性要求很高。采用四个通道腔体一体化的设计，通道之间距离尽量减小，并采用凹槽以增加隔离距离。经测试，四通道的增益均大于53 dB，通道之间增益不一致性小于2 dB。
    鉴相器由相关器、4个平方律检波器以及2个差分输入、差分输出的视频放大器组成，采用多层结构电路设计，实现耦合器的宽边耦合。鉴相器的实物及视频输出如图3所示。

    差分放大器对测向前端输出的相差信号进行视频放大，增益约为40 dB，带宽为10 MHz。求反正切函数电阻网络的多个抽头信号送入比较器，产生格雷编码[2]并送入FPGA进行角度解算。MCU主要完成角度的校正，通过串口实现RS422通信，输入频率码或输出二维方位码。差分放大器输出的相差信号分别是相位差 渍的正、余弦函数，通过求反正切函数可计算出相位差 渍，进而计算出方位角θ。
    测向算法主要完成反正切函数电阻网络的格雷编码、各接收支路相位差的校正、角度编码和角度校正等功能，其流程图如图5所示。

    编码时，用长支路的32 bit比较器输出直接产生角度码的低6 bit，然后高位要依次进行校正编码。以长支路同步校正中支路，中支路同步校正短支路，最后产生8 bit的角度码输出。
   要在X波段全频带内保证测向的视角和精度，需对频率的变化、微波通道的相位不平衡等原因造成的各支路相位差进行校正，这也是瞬时测向系统研制的重点和难点。系统除采用电缆匹配等硬件校正方法外，还采用软件算法进行校正，大大减轻了硬件调试的工作量。各支路相位差校正的主要内容如下：
    (1)雷达信号频率的变化引起各支路相位差的变化；
    (2)各支路微波通道的相位不平衡导致的相位差；
    (3)天线阵列的互耦效应造成的各支路相位差，短支路尤为明显。
    另外还需根据测试结果对8 bit角度编码进行校正。角度校正的主要内容如下：
    (1)由于天线的尺寸误差、安装的位置误差等因素造成的角度编码的整体偏差；
    (2)由于器件的特性等因素造成的角度编码在特定方位区域的偏差；
    (3)各支路在编码翻转区域容易产生的奇异点。
3 实验结果
    将瞬时测向系统放置在转台上，转台可水平转动，以模拟目标雷达方位角的变化。信号源（模拟目标雷达）放置在3.5 m远处，通过X波段喇叭天线（增益20 dB）发射脉冲信号, 设置参数为: 频率8 GHz~12 GHz, 功率-16 dBm，重复频率10 kHz，占空比50%。测试的结果如表2所示。

    从试验结果可以看出，该系统在8 GHz~12 GHz频带内均满足±60°视角和±1°精度的技术要求。另外,实测接收灵敏度为-63.4 dBmW,满足-60 dBmW的设计指标要求。
    瞬时测向系统的各接收通道之间存在相位不平衡，且会随着温度等环境条件的改变而变化，如何进行校正是研制的重点和难点。除通过调节电缆长度、增加恒温装置等硬件措施外，采用软件算法也能达到比较好的效果。
    三基线干涉仪瞬时测向系统的结构较为简单，体积较小，成本也较低，适合小型机载、弹载平台的使用，主要缺点是不能对多个雷达目标进行识别。该瞬时测向系统已在大功率电子干扰机、反辐射导引头等多个项目中得到了应用，效果良好。
参考文献
[1] 冯小平，李鹏，杨绍全. 通信对抗原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.
[2] 胡来招. 瞬时测频[M].北京：国防工业出版社，2002.
[3] 魏星，万建伟，皇甫堪. 基于长短基线干涉仪的无源定位系统研究[J].现代雷达，2007，29（5）：22-35.
[4] 周亚强，皇甫堪.噪声条件下数字式多基线相位干涉仪解模糊问题[J].通信学报, 2005,26(8):16-21.
[5] 季晓光， 高晓光. 一种机载无源定位方法—干涉仪定位[J].火力与指挥控制，2008，33(11)：158-161.
[6] ERNEST J. Ambiguity resolution in interferometer[J]. IEEE Trans.AES,1981,l17(6):766-780.
[7] MALLOY N J. Analysis and synthesis of general planar interferometer arrays[A].IEEE ICASSP[C].1983:352-355.