焦玉龍，王玉林，焦小煒

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院，河北石家莊050043)

0 引言

Ku頻段覆蓋的頻率范圍是12.4～18 GHz，屬于微波頻段，多用于衛(wèi)星及雷達(dá)通信。目前Ku頻段較常用的測(cè)向方法為比幅測(cè)向法，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，但測(cè)向精度較低。隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們?cè)贙u頻段甚至更高頻段上的應(yīng)用日益廣泛，無(wú)論是民用的無(wú)線電管理還是軍用的通信對(duì)抗都對(duì)該頻段的測(cè)向精度提出了更高的要求[1]。下面在比幅測(cè)向法的基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)干涉儀測(cè)向的思路提出了一種新的測(cè)向模型，提高了Ku頻段測(cè)向水平。

1 測(cè)向天線陣列設(shè)計(jì)

干涉儀測(cè)向具有測(cè)向精度高、處理速度快和適用于多樣天線陣列形式等優(yōu)點(diǎn)，是無(wú)源測(cè)向技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的測(cè)向體制。由于Ku頻段的信號(hào)波長(zhǎng)為1.67～2.42 cm，而干涉儀測(cè)向?qū)€長(zhǎng)度的基本要求為d＜λ/2(λ為波長(zhǎng))，若采用全向天線布陣，無(wú)論對(duì)于單個(gè)天線的加工制作還是陣列的布陣設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度都很大[2，3]。綜合考慮以上因素設(shè)計(jì)的天線陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示。

天線陣列共有9個(gè)陣元，其中8個(gè)陣元采用均勻圓形陣列的布陣方式，圓的半徑為5.4 cm，天線形式為定向的喇叭天線，波束寬度設(shè)計(jì)為60°，保證了空域的全方位瞬時(shí)覆蓋。圓陣中心位置為一個(gè)全向天線，作為比幅測(cè)向時(shí)的基準(zhǔn)幅度，避免測(cè)向過(guò)程中信號(hào)幅度抖動(dòng)對(duì)測(cè)向結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖1 天線布局示意

2 測(cè)向算法

采用比幅測(cè)向法和干涉儀測(cè)向法相結(jié)合的測(cè)向方法，比幅測(cè)向法測(cè)向精度低，用來(lái)解模糊，而干涉儀測(cè)向法用來(lái)保證較高的測(cè)向精度。每一對(duì)相鄰天線負(fù)責(zé)60°的空域，天線覆蓋的空域范圍如表1所示。

表1 空域范圍

比幅測(cè)向和干涉儀測(cè)向都采用查表的方法，對(duì)于每一對(duì)相鄰天線都制作獨(dú)立的幅度差相關(guān)表和相位差相關(guān)表，表的角度范圍均為60°，幅度差相關(guān)表的精度應(yīng)達(dá)到0.1 dB。

2.1 數(shù)據(jù)采集

考慮到Ku頻段測(cè)向接收機(jī)的重量、尺寸以及成本等因素，接收機(jī)設(shè)計(jì)為3信道，1個(gè)信道接收?qǐng)A陣中心的全向天線的信號(hào)，另外2個(gè)信道通過(guò)天線開(kāi)關(guān)陣切換依次接收8個(gè)喇叭天線的信號(hào)，每次接收相鄰的一對(duì)喇叭天線，共切換8次才能完成整個(gè)測(cè)向過(guò)程的數(shù)據(jù)采集。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，得到一個(gè)8×3×N的三維矩陣T，其中N為FFT長(zhǎng)度，S為FFT結(jié)果。

在實(shí)際測(cè)向中，由于測(cè)向機(jī)各接收信道的元器件性能及分布參數(shù)存在差異，使得各通道高頻前端及中路電路對(duì)輸入信號(hào)的幅頻和相移特性不完全相同，造成各接收信道幅度和相位的不一致，稱(chēng)之為信道失配。這種誤差會(huì)對(duì)測(cè)向性能造成較大的影響，必須加以修正[4]。信道失配的校準(zhǔn)步驟如下:

①控制開(kāi)關(guān)陣，使得校準(zhǔn)信號(hào)fca經(jīng)分路器饋入測(cè)向接收機(jī)中用于接收喇叭天線的2個(gè)信道;

②記錄2個(gè)信道中對(duì)應(yīng)頻率fca的幅度差，記為ΔCa;

③記錄2個(gè)信道中對(duì)應(yīng)頻率fca的相位差，記為ΔCp;

⑤重復(fù)步驟①～③，記錄所有待測(cè)向的頻點(diǎn)的幅度差和相位差;

⑥對(duì)矩陣T的前2列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，消除2個(gè)信道的幅度和相位的不一致。

2.2 比幅測(cè)向法

該測(cè)向模型首先使用比幅測(cè)向法確定信號(hào)來(lái)波的空域范圍，其最大特點(diǎn)是參與比較的幅度值是一個(gè)相對(duì)值而非絕對(duì)幅度，是用喇叭天線的幅度與全向天線的幅度做差，將2個(gè)相對(duì)幅度相加得到累加和，經(jīng)過(guò)8次切換后得到如下8個(gè)累加值:

式中，Δa1=a1－a9;Δa2=a2－a9;……Δa8=a8－a9。

選取Sum1～Sum8中的最大值Summax，則認(rèn)為信號(hào)來(lái)自于最大值Summax所對(duì)應(yīng)的那對(duì)相鄰喇叭天線Am和An之間的區(qū)域。Am和An的幅度差記為Δa=am－an，根據(jù)Δa查對(duì)應(yīng)2個(gè)天線的幅度差相關(guān)表，從表中找到和實(shí)測(cè)幅度差Δa最接近的一個(gè)值，該值對(duì)應(yīng)的角度Azia即為比幅測(cè)向法的測(cè)向結(jié)果。

2.3 干涉儀測(cè)向

2.3.1 初測(cè)

比幅測(cè)向法的測(cè)向結(jié)果可以大致確定示向度范圍，接下來(lái)還需要使用相干干涉儀測(cè)向法進(jìn)行精確測(cè)量。這里取20°的裕量，那么相關(guān)干涉儀測(cè)向法查表范圍為Range= [Azia－10，Azia+10]，相鄰喇叭天線Am和An的相位差記為Δp=pm－pn，根據(jù)Δp查找對(duì)應(yīng)于2個(gè)天線的相位差相關(guān)表，在Range范圍內(nèi)通過(guò)余弦求和匹配法[5]找到與實(shí)測(cè)相位差Δp最接近的一個(gè)值，該值對(duì)應(yīng)的角度Azip即為干涉儀測(cè)向法的初測(cè)結(jié)果。

為了提高系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，可以采用文獻(xiàn)[6]中提出的相位差矢量累加的處理方法，保證了測(cè)向系統(tǒng)在低信噪比條件下仍能得到較高的測(cè)向準(zhǔn)確度。

2.3.2 二次曲線擬合

假定相位差相關(guān)表中的角度間隔為Δt，經(jīng)過(guò)初測(cè)可知在Azip處有最大匹配值，則Azip－Δt、Azip、Azip+Δt三個(gè)角度及相應(yīng)的匹配值是平面中的3個(gè)點(diǎn)，剛好能夠唯一確定一條拋物線，此拋物線對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的自變量即方位角的精確測(cè)量值。拋物線屬于二次曲線，因此又稱(chēng)為二次曲線擬合。

初測(cè)過(guò)程中通過(guò)余弦求和匹配法得到一組匹配值序列記為C(k)，假設(shè)C(k)在km處取最大值，經(jīng)二次曲線擬合后的峰值位置為:

則精確測(cè)向結(jié)果為Dr=×Δt。

2.4 測(cè)向結(jié)果

經(jīng)過(guò)干涉儀測(cè)向后得到的測(cè)向結(jié)果Dr是對(duì)應(yīng)于相鄰喇叭天線Am和An之間60°區(qū)域的一個(gè)相對(duì)值，假定從表1中查找到相鄰喇叭天線Am和An所對(duì)應(yīng)的中心角度為Antcenter，則最終的測(cè)向結(jié)果表示為DOA=Dr－30°+Antcenter。

2.5 效果驗(yàn)證

該測(cè)向模型已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程中，隨機(jī)挑選的若干頻率和方位的測(cè)向結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)際測(cè)向結(jié)果

對(duì)表中的數(shù)據(jù)做誤差均方根統(tǒng)計(jì)，得到測(cè)向結(jié)果誤差的RMS=1.414 2°，可以看出該測(cè)向模型的準(zhǔn)確度較高。

3 結(jié)束語(yǔ)

上述測(cè)向模型結(jié)合了比幅測(cè)向法和干涉儀測(cè)向法的特點(diǎn)，能夠?qū)u頻段的信號(hào)進(jìn)行快速測(cè)向，而且對(duì)測(cè)向過(guò)程中信號(hào)抖動(dòng)不敏感。經(jīng)實(shí)際工程驗(yàn)證，該模型對(duì)整個(gè)Ku頻段的測(cè)向精度能夠達(dá)到RMS≤2°，可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合。

[1]王銘三.通信對(duì)抗原理[M].北京:解放軍出版社，1999:178－179.

[2]楊 忠.一種基于干涉儀體制的機(jī)載測(cè)向技術(shù)研究[J].無(wú)線電工程，2010，40(12):58 －60.

[3]楊 超 ，邱文杰.自適應(yīng)天線陣元間互耦的校正[J].電子學(xué)報(bào)，1993，21(3):58 －62.

[4]張海燕.五通道相位干涉儀測(cè)向的研究和實(shí)現(xiàn)[D].成都:成都理工大學(xué)，2004:15－36.

[5]李 淳 ，廖桂生，李艷斌.改進(jìn)的相關(guān)干涉儀測(cè)向處理方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33(3):400－403.

[6]張智鋒，喬 強(qiáng).低信噪比下相關(guān)干涉儀測(cè)向處理方法[J].艦船電子對(duì)抗，2009，32(6):103－106.