干涉仪测向技术研究.pdf

四川大学 硕士学位论文 干涉仪测向技术研究 姓名 谢东 申请学位级别 硕士 专业 电子与通信工程 指导教师 龙建忠 李家庆 20030416 鹅川大学硕士学位论文 干涉仪测向技术的研究 干涉仪测向技术的研究 工程领域电子奄透信工程 懿黼鬟i 潲滋溪 i 凝麟黼 瀑潍麓藜灞淫壤 攘要 论文首先简簧概述了测向技术的研究现状 简单分析了利用天线阵方向 图测向存在的局限性 提出了干涉仪测向涧题 干涉仪测向在准确度 灵敏度 测翔慰效蠢麴蕉测量等方嚣均始手剩媛天线辫方彝霆测翔豹薛翻 予涉仪测翔 的许多优点健其程军事情报技术偾察领域褥捌了广泛瘟瘸 尽管鲡诧 但仍有 许多问题需要深入研究和进一步解决 这就是进行该课蹶研究的初衷 论文介绍了多波道干涉仪测向的系统构成及其原理 干涉仪测向不必进 行涮越癌号预处联恧是直接或间接求取在察阕上分开的传感器上感瘦媳势之间 豹耱霞关系 鞠辛涉稳整差 方位蕉或 蘩蕉爱塞接垂予涉稳整差谤冀缮鬓 或 将两基线正交的必线阵的干涉相位差转化为驱动电压 电流 分别加列C R T 阴 檄照示器的垂直偏转线圈和水平偏转线圈 模拟显示出来渡方位 干涉仪测向 为热型的相位测向方法 论文较为谨缯逮分辑鞠磺究了多波瀵予涉莰测囱凝貔误差性戆 莠接导 了谈差估计的一般公式 论文作者提出和分析了提高测陶准确度的两个途径 一般减小测量相位误差 二是增大测量基础 提出了减小测量相位误熬的措施 最质比较详细地分析和研究了我们研制的多波道干涉仪测向机的同波干扰性能 彝爨好豹抗调制予扰性能 提瞧了抗羁波予挽鹃若于措藏 剥用天线瓣方囱图 撺捌千撬傣号 敬变接渡穰弩瓣门限毫平 浚交测自豢窝 翻蔫霹慕纛示戆暂 存功能 倒谱同态滤波方法等 对三波道干涉仪测向结果不受幅度调制和频率 调制 相位调制 的影响进行了数学分析 除此之外 还对 多径 干扰 相 予或非相干的空阅波干扰和电离层游动干扰等进行了一般分析 关键词 干涉仪测向 测向准确度 大基础 孔径 抗干扰 强搦失学硬圭学位论文干涉坟测斑技术懿研究 I n t e r f e r o m e t e rD i r e c t i o nF i n d i n gT e c h n o l o g y A b s t r a c t F i e l d E l e c t r o n i c C o r 攫n u n i c a t i o nE n g i n e e r i n g G r a d u a t es t u d e n t X i eD o n gS u p e r v i s o r L o n gJ i a n Z h o n gL iJ i a Q i n g F i r s to nt h eb a s i So fg e n e r a lk n o w l e d g eo fD Ft e c h n o l o g ya n d t h e1 i m i t a t i o no fD Fb yt h ef o r mo fa n t e n n aa r r a y t h es u b j e c to f I n t e r f e r o m e t e rD i r e c t i o nF i n d i n gi Sb r i n gf o r w a r d I n t e r f e r o m e t e r t e c h n o l o g y h a s a d v a n t a g e s o v e rt r a d i t i o nm e t h o di n a s p e c t o f a c c u r a c y r a p i d i t y e l e v a t i o nm e a s u r e e t c a n dh a sf o u n dw i d e a p p l i c a t i o ni nm i l l i t a r yi n t e l l i g e n c e B u tt h e r ea r ea l s om a n y p r o b l e mt ob er e s e a r c ha n ds o l v ea n d i ti st h ea i mo ft h i sp a p e r T h i sa r t i c l ed i s c o u r s e u p o n t h e p r i n c i p l ea n ds y s t e m c o n s t r u c t i o n o fI n t e r f e r o m e t e rD i r e c t i o nF i n d e r H o w e v e r D F p r e p r o c e s s i n gi sn o tr e q u i r e di naI n t e r f e r o m e t e rD i r e c t i o n F i n d e r I to n l ym a k e su s eo ft h ep h a s er e l a t i o n so rd i f f e r e n c e so fs e n s o r s d i s p o s e da td i f f e r e n tp o s i t i o n A z i m u t ha n de l e v a t i o na r ec a c u l a t e d f r 僦t h ep h a s ed i f f e r e n c e so rd i s p l a y e dd i r e c t l yo naC R Td r i v e db y t h ev o l t a g eo rc u r r e n tf r o mt h ep h a s ed i f f e r e n c e s I n t e r f e r o m e t e ri s at y p i c a lp h a s ed i r e c t i o nf i n d i n gs y s t e m E r r o rp e r f o r m a n c eo fI n t e r f e r O m e t e rD i r e c t i o nF i n d e rw i t h m u l t ic h a n n e lr e c e i v e ri sa n a l y z e da n ds t u d i e dd e t a i l ya n da n da g e n e r a lf o r m u l ai sd e d u c e d T h i sp a p e rp r o v i d e st w ow a yo f 蹬a c c u r a c y i m p r o v e m e n t O n ei sr e d u c i n gp h a s ee r r o ro ft h es y s t e ma n dt h eo t h e r w i l lb et h eb r o a d e n i n go fs y s t e mb a s e A n t i j a m m i n gc a p a b i l i t yo f I n t e r f e r o m e t e rD i r e c t i o nF i n d e rw i t hm u l t ic h a n n e lr e c e i v e r i s a n a l y z e da n ds t u d i e d M e a s u r e sf o rc o n t r o lC O c h a n n e lj a m m i n ga r e g i v e n R e d u c ei n t e r e r e n c es t r e n g t hb ya n t e n n ac h a r a c t e r c h a n g eg a t e l e v e lo fr e c e i v e r a l t e rD Fb a n d w i d t h m a k eu s eo ft h ep a u s ef u n c t i o n o fd i s p l a ya n dat y p eo ff i l t e r 鹣a l s oa n a l y s e dt h ei n f l u e n c eo f a m p l i t u d e m o d u l a t i o na n d f r e q u e n c y o rp h a s e m o d u l a t i o n o n I n t e r f e r o m e t e rD i r e c t i o nF i n d e r G e n e r a la n a l y s i sa r ea l s og i v e no n c o h e r e n tj a m m i n ge t c K e yW o r d s I n t e r f e r o m e t e rd i r e c t i o nf i n d i n g D i r e c t i o nf i n d i n ga c c u r a c y 霉i d e a p e r t u r e A n t i i n t e r f e r e n c e p q 川1 人学坝I 学位论文 1 概述 1 1 测向 电磁波入射方向的信息通常包含在电磁场的极化向量的状态和相位波f U 等相位面 的状态c f l 电磁场的幅度 峰值一般表示本地场强 是 f i 包含方 向特性的 从1 8 9 9 年布朗发明的第一个测向机即垂直旋转环 框 测向机直到 现在 绝大多数测向机都是用这两个物理特性之一来确定方向的 这罩的极化 向量是指电场强度 E 线 和磁场强度 H 线 相对于传播方向的取向 相位波 前是指电磁场在空问传播过程中的等相位面 传播方向就是等相位面的法线方 向 所谓的测向就是求解等相位面的法线方向 测向的主要任务是通过多站组 网测向定位或单站测向定位来确定无线电辐射源的位置 通常由测向准确度 测向灵敏度 测向时效和抗干扰等主要性能指标来评估测向机的性能优劣 无 线电测向是一项较为传统的涉及多学科的综合技术 现代计算机技术和信息技 术为无线电测向技术的进步和发展注入了新的活力 无线电测向已广泛的应用 在国防 科研 航空 航海 频谱监测和目标探测等领域 这里仅对应用在无 线电通信信号侦察 无源目标探测 电子对抗支援和无线电频谱监测等军事侦 察中的测向技术进行研究 1 2 测向方法 无线电测向按其测向原理的不同 可分为幅度测向 相位测向 幅度相位 测向 时差测向 向量测向等方法 例如 利用天线阵的方向图确定来波方向 是最典型的幅度测向方法 干涉仪测向通过直接或间接测量分布在空问不同位 置的天线感应信号之间的相位差并求解来波的入射方位角和仰角 是典型的相 位测向方法 阿德考克 多普勒 乌兰韦伯等相位敏感型测向机通常被认为是 属于幅度相位测向方法 时差测向是在时间测量精度问题解决后逐渐受到重视 的一种测向方法 波前分析和空间谱估计测向是属于向量测向方法 现代空间 谱估计测向又称为超精度 超分辨率测向 1 3 测向机的构成 l I 测向天线阵 I l 测 上 向 遥 测向接收机 控 装 士 胃 测向处理器 测向机通常包括测向天线阵 接收机 处理器和测向遥摔装置等设备 随 采用的体制和方法的不同 其构成可能会有些不I 司 其巾 人线阵除 I 多个阵 元按 定规则组阵外 还包括天线馈线 波束形成器 切换川 火等 如果天线 阵需要旋转 则还应有天线阵旋转装置和伺服系统 用于测向的接收机可能是 单波道或双波道或多波道 接收机除对接收信号选择 变频 放大和监听所需 要的解调外 还可能包括通道 F 交变换 Q 样本采集或信道化处理等 测 向处理器主要是完成模拟或数字信号处理 测向算法 系统模型误差或测向误 差的校正 方向信息的存储和回放 示向度显示输出和测向控制等 遥控器主 要是对天线阵的选择切换 包括天线阵测向基础的选择切换和天线阵元类型的 选择切换 和天线阵波束的旋转控制等 1 4 干涉仪测向机研究 绝大多数测向机都是利用电磁场的极化向量的状态和相位波前状态这两个 物理特性之一来确定方向的 利用天线阵的方向图确定来波方向是传统测向采 用的最基本的方法 在利用天线方向图测向方法中 除少数情况采用具有方向 性单元天线外 如单元环天线和对数周期天线等 大部分都采用由分柿在空间 不同位置的单元天线所组成的天线阵 天线阵的方向图可旋转 阿德考克 多 普勒或乌兰韦伯等测向机 或不旋转 如沃森瓦特 时间分割等测向机 天 线阵方向图的旋转除极个别情况是旋转天线阵外 绝大多数都是利用称之为测 向机心脏的手动或自动旋转角度计 波束形成器 来模拟天线阵的旋转 以达 到天线阵方向图旋转的目的 为了得到较高的测向准确度 希望天线阵的方向 图波束越窄越尖锐越好 方向图旋转后可能出现尖锐方向图 在实际应用中几 乎都是由天线阵的 差 方向图确定来波方位角 这是因为 差 方向图的边 沿的变化斜率比较陡峭 由 小音点 容易辨别和确定来波示向 不难看出 测向准确度与天线阵方向图边沿的变化斜率和波束的宽窄有关 而方向图波束 的宽窄又取决于天线阵的孔径和采用的天线阵元的数目 但最终还要受到瑞利 限的约束 差 方向图边沿的变化斜率虽然比较陡峭 但 差 方向图的最小 点处的信噪比都比较低 出于噪声的存在 也很难准确的确定 小音点 的位 置 如果要使 差 方向图的边沿的变化非常陡峭 势必会大大增加设备的复 杂程度 同时也难以取得更好的效果 利用天线方向图的测向方法 通常只能 测来波方化角 利用天线阵方向图波束测向的时效性都比较差 相比之卜 r 涉仪测向有许多优点 特别是多波道干涉仪测向的准确度 灵敏度都比较高 测向的速度快 在测量方位角的同时 还可比较容易的获得来波仰角 干涉仪测向的思路虽然出现也比较早 但在浚思路 f 现的早期阶段 盯j 棚位测量精度难以达到要求 使得实际应用难有作为 随着计算机技术的进步 和发展 随到可以达到所需要千H 位测量精度后 卜涉仪测向 j 进入到实际应川 阶段 卜涉仪测向有多种不同的形式 如单波道相关干涉仪 双波道I i 涉仪或 双波道 和差 干涉仪 和著 干涉仪多为模拟测向方式 多波道t 涉仪等 它们 V J 1 i 4 同的场合 同频多波道接收机的关键技术被突破和成本1 i 断p 降 以及在准确度 灵敏度 测向速度等方向的优势 多波道卜涉仪测向的应 用越来越广泛 并将成为测向领域中的重要技术体制和廊刚的首选技术 由于 在获得来波力 位的同时 还能比较容易的获得来波仰角 存短波频段可对辐射 源进行单站测向定位 所以多波道干涉仪测向在军事通信侦察 电子对抗支援 无源口标探测 无线电频谱监测 航空航海和固防科研等领域将发挥越来越重 要的作用 尽管如此 多波道干涉仪测向机的性能还有待进一 步改善和提高 需要进行更加深入的研究 这就是我们进行该课题研究的初衷 2 干涉仪测向的一般原理 2 1 相位测向和相位敏感型测向 干涉仪 阿德考克 多普勒或乌兰韦伯等测向机都属相位敏感型的 从原 理L 看都是基于电磁波的相位波前 有些文献把它们都归入到相位测向方法范 畴 是否恰当有待商榷 但干涉仪测向与其它相位敏感型测向方法不同 干涉 仪测向不必进行测向信号预处理而是直接或间接求取在空间上分丌的传感器上 感应电势之间的相位关系 即干涉相位差 方位角或仰角是直接由干涉相位差 计算得到 或将两基线 F 交的天线阵的干涉相位差转化为驱动电压 电流 分 别加到C R T 阴极显示器的垂直偏转线圈和水平偏转线圈 模拟显示出来波方位 干涉仪测向为典型的相位测向方法 相位敏感型测向则要先变换成一种可用模 拟方法容易处理的形式 通常中间要通过幅度关系 例如阿德考克测向机 或 相位调制 例如多普勒测向机 来确定来波方向 而不是直接由相位或相位差 确定束波方向 因此 相位敏感型测向方法并不是干涉仪测向 2 2 数学模型 下面以三波道干涉仪为例 来说明其多波道测向干涉仪原理 图2 中为L 形正交阵 或称等腰直角三角形天线阵 其中爿 A 和4 为 干涉仪装置的天线元 b 为天线元州距 b o 5 五 o 为来波入射方位角 B 为仰角 则各天线电压分别表示为 U o U o p e 7 e U l U 1 移 声 e 归 P 朋 岔历 d 让 2 一0 1 2 0 2 20 3 止 丁 L y 图2 干涉仪测向原理示意图 式中8 o 表述任意不同天线的特征 当天线的方向特性相同时 v o U U U o 臼 相对于A 而言 天线A 和A 的相位角 相位差值 为 妒1 0 k b c o s 0 c o s 8 2 0 4 妒2 0 k b s i n 0c o s f l 20 5 其中 女 兰三 妒 妒 一 妒 妒 一妒 纪 妒 分别为天线阵元 A A 感应电压的相位 通常以天线A 的相位为参考 所以称A 天线为参考天线 只要所有天线元的力 向特性和极化都相同 则天线元的方向性和极化并不进入测向结果 因为方位 角和仰角只足由天线阵元的相位关系导出的 来波的方位角和仰角可盯卜式得 出 0 d r c 辔 里鱼 2 0 6 妒l 厂 f l a r c c o s 20 7 通过对两个相位差 c p 的符号关系 就可确定测向结果的单值示向 方 位角和仰角 2 3 干涉仪测向系统 1 天线阵 天线阵通常由多个天线阵元组成 阵元可以是无源天线或有源天线 阵元 可以是全向天线 即在H 面上的方向图为一个圆 也可以是非全向天线 即在 面L 的方向图不是一个圆而具有某种形状的方向图 但要求在同一个测向天线 阵中的各阵元特性参数应相同 常用的阵形有圆阵 正交直线阵列或正交L 形阵 等腰直角三角形 等 正交南线阵列或正交I 形阵的阵元间距可相等或不等 在圆阵上求解仰角较为 麻烦 在正交直线阵列或正交L 形阵上求解来波入射方位角的同时也能比较容 易的求解来波入射仰角 干涉仪测向天线阵与利用方向图测向的天线阵不同 它不需要严格规定的阵形和孔径 但需要按一定的规律方式布阵 如果要对高 角波测向 则应采用具有高角波性能的天线阵元 图2 中L 形阵只画出了三个阵元 在实际应用中通常有五个或超过五个阵 元 分别排列在X Y 两个方向的延长线上 构成不同的测向基础 孔径 如0 基础A A l 基础A 1 A I A 2 基础A A A 等 对于工作频段内的每一个频率 通常都希望至少有一个小基础相对应 干涉仪测向天线阵的小测向基础是指两 个阵元的阳J 距 或基线 b 0 5 的基础 孔径 采用丌关按顺序切换接通0 基础A A A 1 基础A O A A 2 基础A o A j A 等的天线阵元到同频三波道测向接 收机的三个输入端 以获取入射电波在每个天线上产生的感应电压 入射波的 方向信息 方位角信息和仰角信息 就包含在这些感应电压之中 天线阵元 般采用垂直杆天线或垂直环天线或由垂直杆天线和垂直环天线构成的组合天 线 我们采用9 个阵员的L 阵 2 多波道接收机 根据不同类型的干涉仪采用相应波道数目的测向接收机 如单波道相关干 涉仪只用一个波道 模拟方式的 和差 干涉仪或双波道干涉仪需要两个波道 如果是多波道干涉仪 通常需采用同频三波道接收机 通过 门 关按顺序将不同 孔径毖础的二 个阵元 每个基础包括三个阵7 L 分别接到三波道接收机的 i 个 输入端 接收机对火线接收到的信号进行变换和放大 n 变换和放大过程巾 应保持天线信弓的相位和幅度的相对关系 因此要求三波道接收机除具有一般 单波道测向接收机性能外 还要求二波道接收机的二个波道的增益 桐移分圳 十 同即幅相 致性 i 个波道的一敛性一般通过校 F 来达到 我们采川n 勺足 个波道 这样 j 以保 较高的测向精度 一涉仪测向技术 I 勺研究 测向处理嚣 信号经通道 i 交交换 正交移招 采棒 数字缝化 处理后 得到撑本数据 熬实灏每寝部 再送到测自处理器 测囱处理嚣藏先分鄹求出该信号在三波道接 浚魂徐爨翡戆赣时毒萎位 然蜃隘其中一个波遴 与天线跨岛舞元连接蕊波遴 为 参考 求出勇拜两个渡道与参考波遂的籀位麓 遴过辫个捂对褶位差紊诗冀岛该 信号的示国度 这一过程的前提是天线输出端到接收枫输出端的三个道道不改 变每个基础中三个天线信号的增益 相位的伯对关系 测向处理过程的原理图 如图3 所示 a o 十j b o 求 q O 求 r 解 r 解 a I j b I 各 干 信 p 1L 号 涉 口2 歹6 2L相 P 2 相 位 位 蒸 求 方 位 角 仰 角 生旦 匿3 测彝照璎器框罄 其中 b a b a b 为通道币交变抉詹输出的实部与虚部 纯 纯 妒 分别为各天线阵元信号相位 妒 妒 疑以 为参考的干涉相位差 这甩需要说明是正交变换也可以采用数据币交变换即希尔伯特变换 在测 向处理器中完成 4 测向遥控装置 测向天线阵都是由多个天线阵元组成 不同的测向体制或不同的测向方法 郝有天线终元如何利用的闷题 即测向波滚的形成 测向波束是否旋转 每次 溅 匆剃蠲郑努痒元还是全部终元等 这辘骞 个天线薅元选择辖换控潮 方囱 强数旋转经裁 瓣彝基萋塞夔转换接裁翻天线类鬃戆逸狰控割 蠢款凌较复杂 蠢虢琵鞍篱挚 考虑至l 灏囊天线阵场鳃及矮蠲黼逛好的电磁环境 短波多波遂 予涉仪测向的天线阵遗离开测囱接收褫和溯两鲶壤器的距离约1 0 0 0 m 左右 需 要考虑射频信号传输损耗及补偿平衡 多港勰和多天线类型的选择转换及多种 控制信号的传输问题 在各种测向系统巾 多波道二F 涉仪测向的测向遥控装嚣 是比较复杂的 我们致计了 个电报发q 器将控制数槲串行的发到犬线阵 再通过4 接收解 码器将数掘解码历产 L 桐应的动作 3 十涉仪测 句机的洪惹性能 3 1 溺溺溪茇 根攒中华人民共和国国家军增标准 军用无线电测向装备通用技术条件 的规定 测向机的测向准确度由测向瀑差值的均方根来表示 影响测向准确度 的因素有很多 这罩主要对 l 于测向原理 测向算法 制造1 芑 安装架设等 引起的测囱误差及如傍减小其对测囱壤确度款影蛹进行磺究 溅囱准确度豹测 量需要在标准的测试场娩上进行 谟差是由溅量结果通过诗算得到的 妇菜系 统具有误麓校正功能 则应在校正完成以后 其剩余误差即为系统的测向误磬 3 2 误差模型 误差模型是在一定的天线系统祭髂下建立懿 对不丽的测囱天线阵 误差 模型熬形式可能寿些不宠金一徉 餐其基本特荭蹩耀藤豹 在图2 中 设A A A A b 若电波的入射方位角为0 入射仰角为B 则 天线名 A E 的感应电势的相位差秘天线A o A 上的感应电势的相位差 干涉楣 位差 分涮为 鳃o K b c o s 0 c o s f l 3 一叭 仍 K b s i n 0 c o s p 3 0 2 入射方位角和仰角分别为 口 d 地辔堕 3 一0 3 妒 8 a r c c o s 型堕 堕 3 0 4 K b 其中 女 孥 镪 秘妒 可透过溅鏊褥到 利用数学关系式 z G 缸 Y 缈 一S x y 可求得方位角误麓和仰角误差表 达式分别为 疗 志曲s 龇 一s i n 叭 娟 够2 F 高 i n O A 经 c o s O A r p o 3 蕊 I q 川人学蛳l 学位论殳 涉仅删向技术的研究 其中 仍 A q 7 分别为A A 和A A 的千涉相位差的测量相位误筹 如果令 A p 2 0 妒 式 30 5 和 3 0 6 简化为 A O b c o s 0 一s i n O A p 3 07 kb C O S 口 筇 七 s i n 0 c o s O A o 30 8 k b s i n 口 从上面方位角和仰角的误差公式可以看出 干涉仪测向的入射方位角和入射仰角的测量误差与两个对应阵元上所测得的 感应电势的相位差 干涉相位差 的误差A o 成正比 与天线间距对波长的 比 b 成反比 干涉仪测向的入射方位角和入射仰角的测量准确度与来波入射方位角和仰角 有关 干涉仪测向当天线间距对波长的比b 九 l 2 时 因相位测量中的鉴相只能 在 1 8 0 的范围之内 所以会出现相位多值模糊 从而造成入射方位角和 入射仰角测量的多值性 3 3 提高测向准确度的方法 3 3 1 减小测量相位误差 从前面的分析可以看出 为了减小测向误差应尽量减小测量相位误差 妒 减小 妒有如下途径 1 提高硬件设备的一致性和数字量化精度 多波道干涉仪测向采用多阵元测向天线阵和同频多波道接收机 各天线阵 元和接收机各波道的增益 相位的不一致性将插入附加相位差而直接导致测量 相位误差 所以采用各种有效措施保证各天线阵元和接收机各波道的增益 桐 位的一致性是该测向系统最重要的关键技术 在模拟干涉仪测向中 一般采用 硬件鉴相方法 对各天线阵元和接收机各波道的增益的 致性要求不如对年H 位 敛性的要求那样严格 但要求也不能过于宽松 在数字多波道卜涉仪测向中 增益的致性和相位的 致性也应给以足够重视 各天线阵 和接收机备波道 的增益 相位的一致性保证措施有很多种 目前大多数还是采用校f I i 的方法将 各波道的模型误差 增益 相位不 致误差 校J 到规定的范罔之内 我们首先 天线的 f I f l 工中就j m 格要求了其 致性 然后将器天线放火器等 射频部件都调成相互一致 为了保证信号传输中的一致 我们将 个信道的传 输电缆都分别调成一致 这样就保证了整个系统硬件的一致性要求 提高数字量化精度对降低测量相位误筹的重要性是显而易见的 这单不f 赘述 2 选择电磁环境良好的测向天线阵场地 表1 短波无线电测向台 站 电磁环境要求 无线电干扰源或障碍物名称保护距离 m 电压等级 k V 高压架空送电线5 0 02 0 0 0 单回路 2 2 0 3 3 01 6 0 0 1 1 01 0 0 0 3 56 0 0 2 2 0 3 8 0 V 架空配电线 5 0 0 架空通信 广播线路4 0 0 6 0 0 非电气化铁路 5 0 0 电气化铁路 1 2 0 0 工业 科学 医疗设备一一般 3 0 0 0 多台 大功率 5 0 0 0 发射功率 k w 12 0 0 0 中 短波大功率发射机 53 0 0 0 1 05 0 0 0 1 0 01 0 0 0 0 向速午口一缴 1 0 0 0 公路二 级8 0 0 三级5 0 0 小型农用电力机械设备 5 0 0 不高于2 m 金属导线栅栏 4 0 0 1 i 高于3 m 的孤立小棚屋 非金属屋顶或困墙 3 0 0 小平房等金属屋顶或围墙5 0 0 不高于l O m 的孤立楼房 怍金属屋顶 6 0 0 金属屋顶 9 0 0 煤气或油料贮存槽等高大金属建筑物 1 8 0 宽度大丁 5 m 的水渠 5 0 小片 附林5 0 0 小十 j 丰 1 0 0 0 l城市 5 0 0 0 I池塘 O O l 0 0 l河流 包括河床 1 0 0 0 l湖泊 2 0 0 0 海簿 5 0 0 0 山脉 合聂羧 仰角 1 2 时 又会出现多值模糊 b 1 2 的倍数越多 相位模糊值的个数也越多 下 晰将详细讨论在较大测量基础上的多值相位模糊的求解方法 X 图4 九阵元L 形天线阵 线l 线2 分别与Y x 方向一致 y 轴为系统的参考方向 线l 上放置 阵元A 昧屯 A i 线2 上放置阵元A A A 乜 线1 与线2 的交点处放置 阵元 分鄹构成0 基础 A A A l 基础 A f J A l A 2 基础 A A 二 和3 基础 A A i 凡 阵7 i 之间的距离按如下方法设置 生 生 蔓 一1 30 9 b 16 2b 3 r 式中 b b b b 分别为0 基础 1 基础 2 基础和3 基础的孔径尺寸 r 为基础孔径比率 按此方法设置主要是为了处理计算的方便 需要注意两点 一是应满足b n 0 5 其中 是一r 作频段的最高频率波长 是合理选泽基础孔径比率 ro 对于 定数n 阵元的天线阵 如果r 选择得过小 则相邻的中问过渡肇甜 或测量基础的孔径小 从下面的表达式就可看出 吼 车6 毋 5 了6 0 8 秽 0 5 丌 兰兰6 s j n O c o s 以 最终J 1 计算入射来波的方位l i l N f r n D G 的相位差值的绝对值也小 测向准确度 不l T 能得到火的改善 同时天线资源的利用率也很低 如果r 选泽得过入 l l j 邻基础尺寸的差距很人 作为调整基础所对应的分波段的波段覆盖系数就较人 往分波段f 门低端 测址棚位他i l J i I 就很 i 测毓棚位误荠的影l i l t 4 1 1 枷 变人刈 人学坝I 学位论文卜涉仪测F U 技术f J J O I 究 噼 换t t t 的单值引导可能会产生一些影响 另一方面 如果r 选择得过大 V J 量棚位误差的容许范围小 当从不同方I 向入射的同波丁扰信号较大以致一畸 度与所需信号幅度接近时 测量相位误差增大 容易超出误差的容限范幽而产 生判断错误 出现测量相位符号的错误变化 从而导致绝对相位值的错误 表2 列出了r 在不同值时所能容许的相位测量相位误差范罔 从表中可看H r 越大 测量相位误差的容限范围愈小 在实际中 既要求有较大的测量相位误差容限 范围 又要保证规定的测向准确度的前捉l j 尽可能节约资源和成本 实践经 验表明 在短波应用中 r 选泽在2 3 的范围比较合适 表2 基础孔径比率与测量相位误差容限范围 基础孑L 径比率 1 F 测量相位误差容限 1 1 5 7 2 1 2 6 0 1 2 5 5 1 4 l 3 4 5 l 3 5 4 0 l 4 3 6 1 4 5 3 2 7 1 5 3 0 1 5 5 2 7 7 1 6 2 5 7 1 7 2 2 5 l 8 2 0 3 3 3 解相位模糊 3 3 3 1 由小孔径基础引导单值相位测量 1 确定天线阵基础参数 根据工作频段确定天线阵基础数目和确定各基础的尺寸 例如设短波工作 频段1 5 1 5 M I t z 取r 2 5 按b 0 5 2 要求 并留有适当的余地 取 b o 0 4 A 旯 2 0 m 则 b 0 4 A 8 m b 25 b o 兄 2 2 0 m b 2 2 5 b l 2 5 旯 2 5 0 m b 3 2 5 b 2 2 52 丑 二二l2 5 m 即各天线阵儿i L 径距离 A o A I A o A 8 m A o A 3 A o A 4 b 1 2 0 m A o A 5 A o A 6 b 2 5 0 m A o A 7 A o A 8 b 3 1 2 5 m 根据基础孔径尺寸和b O 4 2 可将1 5 1 5 M H z 工作频段划分为3 个分频段 1 5 2 4 M H z 2 4 6 M H z 6 15 M H z 表3 分频段与对应的天线孔径基础 分频段 M H z b o 8 mb l 2 0 mb 2 5 0 mb F l 2 5 m 1 5 2 4调整基础测量基础 2 4 6 0 调整基础过渡基础测量基础 6 O 1 5 O调整基础过渡基础过渡基础测量基础 注 调整基础 b O 5 的基础中较大的一个小基础 测量基础 获取用于计算方位角和仰角最大干涉相位差 绝对相位差值 的基础 过渡基础 从调整基础过渡到测量基础的中问基础 b 是该干涉仪测向系统中的最小基础 也是分频段6 0 1 5 0 的调整基础 b 虽然是1 5 2 4 和2 4 6 0 分频段的小基础 但不是较大的小基础 所以 般不作为1 5 2 4 和2 4 6 0 分频段的调整基础 同理 b 是2 4 6 0 分 频段的调整基础 b 是1 5 2 4 分频段的调整基础 这样规定的主要目的是为 了得到较大的单值起始相位 以减小测量相位误差 妒 加一o 1 A 的 影响 这罩的小基础与利用圆天线阵方向图测向的系统中的小基础含义H 同 后 者的圆直径D 时 称小基础 如绝大多数阿德考克测向机 沃森瓦特测向 机等 2 I J 涉相位差的计算 妒 2 妒 N 3 6 0 0 1 2 3 妒 妒 N 3 6 0 0 1 2 3 i 1 31 0 3 1 1 p UJ 1 1 人学f 哦J 学位论文 涉仪测向技术的 i J f 究 妒 妒 分别为线1 线2 上各基础干涉相位差 妒 妒 分别为线1 线2 上各基础测量相位 v v 分别为线1 线2 上各基础相位补偿系数 妒 如 1 8 0 n 一1 8 0 H 0 1 2 3 妒 如 1 8 0 d 3 6 0 1 8 0 n 0 1 2 3 相位补偿系数N 帆 分别由下面两式确定 N x3 6 0 一吼 l 1 8 0 0 1 2 3 3 6 0 一妒 I 1 8 0 月 0 1 2 3 3 一1 2 3 1 3 3 1 4 3 一1 5 仗 敛 称为期望值 分别由相邻的较小基础干涉相位差值 妒 妒 与基础比率F 的乘积决定 3 方位角0 和仰角 的计算 0 a F c 辔堕 3 1 6 纪3 口 a r c c o s 丝 堕 3 一1 7 k b p 妒 分别为基础3 即最大测量基础 在线1 和线2 的干涉相位差值 b 即 j 基础 孔径 参数 示例l 频率fl O M H x 的一个来波信号 各基础的测量棚位值分别为 妒 0 5 0 妒 1 2 5 妒 2 一4 8 p 3 6 1 t p 3 0 P 7 5 妒 M 一1 7 2 垆 m 1 0 9 计算方位角和仰角 解 1 0 M l l z 频率的调整基础应该是0 基础 调整基础的测量相位值就是该基 础的单值干涉相位差值 因此 四川大学硕士学位论文干涉仪测向技术的研究 吼o 纺o 5 0 依0 2 敛o 3 0 1 基础干涉相位差期望值 I 5 0 x 2 5 1 2 5 m 3 0 x 2 5 7 5 1 基础相位补偿系数 根据 3 1 4 3 1 5 式 I N y lX 3 6 0 一 Hl 一 1 8 0 I M 1 X 3 6 0 一 I lI 一 1 8 0 可求得N y 0 以l 0 1 基础干涉相位差值 哆I 够1 N y l x 3 6 0 1 2 5 吼l 吼I lx 3 6 0 7 5 2 基础干涉相位差期望值 帕 l x 2 5 1 2 5 x 2 5 3 1 2 5 2 败l 2 5 7 5 x 2 5 1 8 7 5 2 基础相位补偿系数 由 3 1 4 3 1 5 式得到 IN y t X 3 6 0 9 nI 一 1 8 0 IN x 2X 3 6 0 一 2I 一 1 8 0 求得以 1 M 2 1 2 基础干涉相位差值 9 y 2 吼2 7 0 x 3 6 0 4 8 3 6 0 3 1 2 吼2 认2 2 3 6 0 一1 7 2 3 6 0 1 8 8 3 基础干涉相位差期望值 3 2 x 2 5 3 1 2 x 2 5 7 8 0 四川大学硕士学位论文干涉仪铡向技术的研究 仍2 2 5 1 8 8 x 2 5 4 7 0 3 基础相位补偿系数 由 3 1 4 3 1 5 式 I N 一 3 6 0 一 3I 一1 8 0 I M 3 3 6 0 nl 一 0 5 引导单值测量相位 在实际中 如果都由b 0 5 的小孔径基础引导单值测量相位 按工作 频段的上限设置的b 可能就很小 天线间距小 互耦影响会很严重 测量相位 误差可能很大 这时可采用较大的两个或三个相邻的基础孔径引导单值测量相 位 即当0 5 b x l 时 采用两个相邻的基础孔径联合求解模糊 当l b 入 2 时 采用三个相邻的基础孔径联合求解模糊 以此类推 例如利用前面的 九阵元L 形天线阵设置的参数 由0 基础和1 基础联解引导单值测量相位 就 可对频率f 1 5 3 7 5 M H z 的信号进行测向 1 6 将 3 0 9 式7 j 成堕 堕 蔓 b ob 1b 并令相对j L 径百b o m 百b I 万b 2 m 百b n m L L L 则在基础b 0 基础 A A A A 的干涉相位差 妒 和妒 在 m 2 厅 m 2 r 之间的某一个值 即 m o 2 r 妒加 m o 2 丌 m o x 2 x 妒T o m o 2 r 在基础b 1 基础 A A j A A 的干涉相位差 妒 和吼 在卜m 2 万 m 2 厅 之间的某一个值 即 妒 和妒 的额定值 m lx2 r 妒 1 于l l 2 万 m l 2 r 吼1 肌l 2 r 3 1 8 3 1 9 3 2 0 3 2 1 9 s g n 邶 l s g l l b 册 N x 2 x m N 3 2 2 妒 s g n o p i s g n 0 N 2 万 卜I l N m 3 2 3 上面两式中纯 致 为b o 基础的测量千H 位值 妒 和妒 的期望值 妒 和 的额定值 妒e x p l1 2 r 妒 妒e x Dv I 妒v 妒 妒 l N 1 2 r 32 4 3 2 5 一2 6 J 1 1 人学坝l 学位论史 妒 妒 l N 1 2 丌 上面两式中妒 吼 为b 基础的测量相位值 相位补偿系数N 和N 应满足 N J l 2 厅I 丌 J 妒 一 l 2 玎J 丌 32 7 3 2 8 32 9 令额定值与期望值相等 即吼 眈 r 妒 吼 纯 r 妒 鸭 N 2 万 r s g n h 吼 f s 盟h N 妒 2 r 3 3 0 堡鱼坐8 垒竺i 三 望鱼坐 竺竺 三j 二垒 3 3 1 2 丌 将N m 州 蔓N s 整数或o 代入j 二式 确定出能使N 取最小整数 或 接近最小整数或O 的N 妒 再将得到的N 加 N 代入妒 妒 的表达式 1 j 求出纸 的值 利用相同的方法 可求出N N 和妒r 0 吼 的值 根掘 以上的值 就可求出b 2 基础 b 3 基础 的单值干涉相位差值 如果有更多的基础b n 0 1 2 N 则b 基础的干涉相位差期望值 眈x P I 2 I J 欢 2r 妒 b 基础的干涉相位差额定值 妒 品 2 r 妒 洲 妒 N 2 石 妒 妒 一1 N 1 J 2 丌 妒 h1 妒 lJ N f 2 疗十妒 f l 33 2 3 3 3 3 3 哇 j 3 5 33 6 3 3 7 涉仪 铂拽长的州九 相位补偿系数 和N 的确定 r 妒 H 一纸 2 n r 缈 f 1 l 妒啪 3 3 8 3 3 9 2 a t 上面各式中妒 J 卅一 h 妒 吼 分别为b 一 b 基础的测量相位值 示例2 九阵元L 形天线阵 b S m b 2 0 m b 5 0 m b 1 2 5 m 一入射波 f 3 0 M H z 各基础测量相位为 妒 一8 0 0 妒 一2 0 0 p J2 5 0 0 妒J3 5 5 0 伊 o 4 9 0 妒 I 1 2 3 0 妒 2 一5 2 0 妒n 5 0 0 求各基础干涉相位差和入射波方位角及仰角 解 i 2 r 2 z s 每 o 8 符合o 5 b 1 可采用b 和b 联合求解引导单值拥 位测量 求补偿系数N N N N 将r 妒 一8 0 妒 一2 0 N 取整数或0 代入 3 3 1 式 能使N 为整数 或O 的N 中最小的整数 包括0 即为所要求的N 即 竺虹虹鼍黔丝竺血 2 5 一1 淞o 一1 3 6 0 2 0 5 一O 5 2 5 N r 0 3 6 0 步仪测向披术的删究 j N 1 时 N 2 按同样的方法 可得到N 3 0 N 2 0 求妒 山 33 4 妒 1 得到 妒 o N o 3 6 0 2 2 8 0 妒 1 N l 3 6 0 2 7 0 0 妒 N o 3 6 0 2 4 9 妒 l N 1 3 6 0 2 1 2 3 求b 基础干涉相位差 干涉相位差期望值 妒 2 2 5 吼l 2 1 7 5 0 妒 2 2 5 吼l 2 3 0 7 5 由 妒 一N 3 6 0 I 1 8 0 k 叫一 3 6 0 l 0 5 x 妒l 馈e N I 3 6 0 妒z 尹三 N 2 3 6 0 b O 5 干涉相位差呈多值性模糊 需要解模糊 方位角和仰角 0 t a n f a r o 捩 妒1 0 C O S 1 篁煎k b 堕 露 P 1 慨 玩 此时存在嚣波于羧 有爱落号与予亨茏售号振幅稳等 二 二涉掇位差 一和佃s 崩 t 铷哆c o s 段 泖蝴 t 势晦 s 段 当墨 l 时 符合实际情况 伊 一鲁 c s 铐c s 届 c s 0 2 c s 反 热 一娄 s i n 最c o s 届 s i n 0 2c s 段 口 t a n t 墅垡 垒塑 鱼竺垒 C O S 0 lC O S 屈 s i n 0 2c o s f l 2 YI 蔬磊t F m 一 1 仨压雨i 万瓦丽厕 弛栗黩 热 P o 磊 O 辩必遮波 口 t a l l q s i n o i s i n 0 2 鳢 一1 蝴o o s 删 实鬻方键建j 帮秘角 岛 2 t a n 塑一吼 2 0 一皖 芦0 C O S I 预c o s p 万 e O S k 三 方位角翱仰角偏差 A 口 I 岛一6 1 I o 岛l 叶 尊叫c o S 胁矧 2 卜尊 s 反 删 卜删 l 以上省关方位角和怖角的袭这式均为复杂溢数 磐有用信号 q 予扰饼弩的入射 仰角相同 振幅相等时 计算的方位角和仰角与有用信号的真实方饿角和仰角 扰信号的入射方位角的差值肖关 P A I 繇 磊 存焱司渡干撬 干撬譬裔霜信号貔振旗誉穗镣 潮诗算鹣入射穷酝篾嚣接近 四川大学硕士学位论文干涉仪测向技术的研究 振幅较大的一个信号的入射方位角 其仰角与两个方位角 有用信号与干扰信号入射方位角 之差有关系 作为一种特殊情况 4 厂 0 这时为同频干扰 相干的或非相干的 例如 多径 干扰 若这两个波 有用信号与干扰信号 的调制不同或振幅不同或 变化的规律不同步时 在某些情况下 利用显示器 C R T 的暂存功能监听与人 工干予 可辨别有用信号和干扰以及它们迭加合成后计算的示向结果 通常在 测向直方图或极座标图上可同时显示三个示向结果 从以上的数学表达式和分析可以看出 同波干扰对干涉仪测向的影响都是 存在的 除单波道相关干涉仪测向机外 通过某些补救措施 可把其影响减小 到最低限度 C 2 的影响 4 厂为干扰信号偏离有用信号的频率间隔 通常接收机调谐在有用信号的中 心频率 f 干扰信号频率 f 偏谐于f 但仍在接收机的通带之内 对干涉相位差的影响主要表现在 产生附加的相位变化 同时进入中频通带 在对其中频输出的采样间隔时间内 产生附加的相位 变化 引起波行程的相位的变化 观察表达式 硫 三 v 6 C O S 岛c o s 展 尹二 兰三 鲈 6 s i n 岛c o s p 2 通常I 酬 1 所以附加相位差 d 盛与等 6 C O S 岛c o s 厦 兰 6 s i n 8 2C O s 芦2 比较可以忽略 产