摘? 要：多波束比幅測(cè)向技術(shù)是提高電子戰(zhàn)中雷達(dá)、通信等偵察裝備偵測(cè)靈敏度、輔助實(shí)現(xiàn)各類信號(hào)偵測(cè)的新型技術(shù)，文章闡釋了多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)的基本構(gòu)成與測(cè)向原理，圍繞測(cè)向精度的影響因素、提高測(cè)向精度的方法、測(cè)向算法優(yōu)化比較等層面，針對(duì)多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)的精度分析與測(cè)向算法優(yōu)化策略進(jìn)行了具體探討，為后續(xù)研究提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：多波束比幅;測(cè)向精度;測(cè)向誤差

中圖分類號(hào)：TN971? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）02-0087-03

Abstract：Multi beam amplitude comparison DF technology is a new technology to improve the detection sensitivity of radar，communication and other reconnaissance equipment in electronic warfare，and to assist in the realization of all kinds of signal detection. This paper explains the basic structure and DF principle of multi beam amplitude comparison DF system，focusing on the influencing factors of DF accuracy，the methods to improve DF accuracy，and the optimization and comparison of DF algorithm. The accuracy analysis of amplitude comparison and direction finding system and the optimization strategy of direction finding algorithm are discussed in detail，which can provide reference for the follow-up research.

Keywords：multibeam amplitude comparison;direction finding accuracy;direction finding error

0? 引? 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)于超視距目標(biāo)偵測(cè)提出了較高的要求，無源測(cè)向技術(shù)憑借其威脅告警、輔助識(shí)別輻射源信號(hào)、定位輻射源、引導(dǎo)干擾方向等功能滿足電子偵察需求，而測(cè)向精度則成為無源測(cè)向技術(shù)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。通常多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)的波束寬度較小，可有效提高天線增益，為偵察系統(tǒng)的靈敏度提供保障。

1? 多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)的構(gòu)成與測(cè)向原理分析

1.1? 系統(tǒng)構(gòu)成

偵察靈敏度是衡量偵察系統(tǒng)性能優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵指標(biāo)，以天線增益作為評(píng)判偵察靈敏度的指標(biāo)，通常波束寬度較小的多波束天線具有更高的偵察靈敏度，優(yōu)于波束寬度較大的天線。多波束偵察系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要包含天線模塊、微波模塊、接收機(jī)與信號(hào)處理模塊，其中在天線模塊中，由N個(gè)單元在360°空間內(nèi)呈平均分布狀態(tài)，各單元間保持相互獨(dú)立，將其在空間內(nèi)接收到的電磁波信號(hào)傳遞至微波模塊;在微波模塊中，將從天線模塊接收到的電磁波信號(hào)進(jìn)行限幅、放大與濾波處理，經(jīng)由視頻對(duì)數(shù)放大器將信號(hào)傳輸至接收機(jī)模塊;在接收機(jī)與信號(hào)處理模塊中，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器采集視頻對(duì)數(shù)放大器輸出幅度大小，在方位解算模塊內(nèi)判斷來波方向[1]。

1.2? 測(cè)向原理

在多波束比幅測(cè)向中常用三波束比幅測(cè)向方法，主要包含以下三項(xiàng)測(cè)向流程：其一是找到360°方位上信號(hào)幅度最大的波束n;其二是以波束n為基準(zhǔn)，獲取該波束相鄰的兩個(gè)波束n-1和n+1，并讀取三個(gè)波束的信號(hào)幅度值;其三是觀察天線方向圖函數(shù)，計(jì)算出具體的信號(hào)方位[2]。假設(shè)某天線波束形狀為高斯型，信號(hào)到達(dá)的方向與天線最大值方向間的夾角為β，波束寬度為θ0.5，則有公式：

2? 多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)的精度分析與測(cè)向算法優(yōu)化策略探討

2.1? 測(cè)向精度的影響因素

2.1.1? 天線因素

選取96波束比幅測(cè)向偵察系統(tǒng)作為研究對(duì)象，設(shè)相鄰兩天線軸線間的傾斜角為θs，當(dāng)?shù)竭_(dá)波方向位于任意兩個(gè)天線之間時(shí)，將該信號(hào)的入射角方向與天線等信號(hào)強(qiáng)度方向間的夾角為θ，則該信號(hào)入射方向與兩個(gè)天線的波束中心指向間的夾角為和，將兩個(gè)夾角代入到信號(hào)幅度值計(jì)算公式中，計(jì)算出兩個(gè)天線輸出信號(hào)幅度值，將兩個(gè)天線輸出的幅度差設(shè)為γ、常數(shù)K取值為0.693、天線單元波束寬度的二分之一為θ0，則可以計(jì)算出θ為：

由于設(shè)該天線方向圖形狀為高斯型，則到達(dá)角θ與兩天線輸出幅度差γ成線性關(guān)系，因此可以證明方位變化并不會(huì)對(duì)因信號(hào)不平衡度所引發(fā)的測(cè)向誤差造成直接影響。通過針對(duì)測(cè)向誤差做出進(jìn)一步分析，針對(duì)θ的計(jì)算公式進(jìn)行全微分，得出dθ的計(jì)算公式為：

設(shè)θs的取值為3.750°、相鄰兩個(gè)波束的相交位置為

-3 dB，由此可以得出θ0的數(shù)值為1.875°，在高斯型天線方向圖中γ的典型值約為8 dB。針對(duì)dθ的計(jì)算公式進(jìn)行拆解，影響其計(jì)算結(jié)果的因素主要包含波束寬度變化量、天線波束指向變化以及天線增益不一致性，設(shè)系統(tǒng)不平衡度的取值為±1 dB，γ的最大誤差為2 dB、誤差為隨機(jī)分布，將因天線與天線安裝引發(fā)的誤差期望數(shù)值相加，由此得出天線對(duì)測(cè)向精度的影響約為0.470°。

2.1.2? 微波因素

通常微波對(duì)于測(cè)向精度的影響主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)角度：其一是微波鏈路的不一致性;其二是微波噪聲的影響。以當(dāng)前最具代表性的DLVA為例，因其直流基線漂移所引發(fā)的誤差最高可達(dá)1 dBm，而因微波鏈路不一致性所引發(fā)的測(cè)向精度誤差通常控制在±2 dBm范圍內(nèi)。針對(duì)三波束比幅測(cè)向公式進(jìn)行全微分可以得出：

其中PL為中心波束幅度與左波束幅度的差值;PR為中心波束幅度與右波束幅度的差值。

考慮到通道的不一致性，將△PR與△PL的數(shù)值控制在[-2，+2]區(qū)間范圍內(nèi)，則由此可以推斷出因微波導(dǎo)致的測(cè)向精度誤差最大值為：

假設(shè)△PR與△PL相加之和為典型值15，則求得△θ的數(shù)值為0.500°。如果將波束一致性誤差認(rèn)定為隨機(jī)分布、系統(tǒng)誤差為線性，則因微波鏈路不一致性所引發(fā)的測(cè)量精度誤差約為0.250°，因直流基線漂移所引發(fā)的誤差約為0.060°，由此得出微波對(duì)測(cè)向精度的影響約為0.300°。

2.1.3? 量化誤差

假設(shè)選取10位ADC作為接收機(jī)，接收機(jī)的峰值為5000 mV，則其量化誤差的最大值約為5 mV。假設(shè)選用的DLVA輸出為60 mV/dBm，則接收機(jī)量化誤差對(duì)于測(cè)向精度的影響約為0.08 dBm，影響較小、可忽略不計(jì)。

2.1.4? 安裝結(jié)構(gòu)

由于通常選取在暗室環(huán)境下開展測(cè)向精度測(cè)試，在此過程中由于距離不足，將對(duì)波束中心指向產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而造成測(cè)試過程中較大的測(cè)向誤差。假設(shè)在暗室環(huán)境下的測(cè)試距離為20.0 m，天線與轉(zhuǎn)臺(tái)中心X軸、Y軸的距離皆為0.5 m，經(jīng)由計(jì)算可得出最大偏心角約為40%，測(cè)向誤差約為0.500°;依照360°全方位粗略統(tǒng)計(jì)，其測(cè)向誤差約為0.250°。假設(shè)在暗室環(huán)境下的測(cè)試距離為40.0 m，則依照360°全方位粗略統(tǒng)計(jì)，可得出其測(cè)向誤差約為0.130°。

2.1.5? 系統(tǒng)誤差

以96波束比幅測(cè)向系統(tǒng)為例，其系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)向精度的影響可認(rèn)定為1.000°左右。在多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，還有可能受到不同器件的個(gè)體特性、器件間排布方式的影響，造成額外的預(yù)估誤差，對(duì)此還需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行綜合測(cè)算，判斷其誤差對(duì)測(cè)向精度造成的影響。

2.2? 提高測(cè)向精度的方法

2.2.1? 系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計(jì)

由于測(cè)向精度是影響多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，能夠直接決定偵察信息獲取的準(zhǔn)確度、發(fā)揮引導(dǎo)干擾作用，因此需針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，以此提高測(cè)向精度。首先在天線設(shè)計(jì)方面，應(yīng)注重盡可能確保各波束方向圖的一致性，最大限度削弱因頻率變化對(duì)方向圖產(chǎn)生的影響，降低天線副瓣或增加副瓣抑制天線;其次在通道噪聲控制方面，需在設(shè)計(jì)接收通道時(shí)注重提高各通道的信噪比，在器件選取上注重確保所選器件幅頻特性的一致，針對(duì)各通道進(jìn)行校正處理、確保其幅度特性的一致性，并結(jié)合實(shí)際情況優(yōu)化幅度采樣器件精度、提高角度量化位數(shù);最后是其他細(xì)節(jié)的精細(xì)化設(shè)計(jì)，例如實(shí)行天線安裝工藝的優(yōu)化，提升天線罩、極化器性能等，以最大限度降低多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)的誤差，提高測(cè)向精度[3]。

2.2.2? 誤差修正措施

基于工程化視角針對(duì)上述影響測(cè)向精度的因素進(jìn)行整合分析，可以歸納出以下三項(xiàng)影響測(cè)向精度的因素，并針對(duì)其解決方法進(jìn)行研究：其一是天線波束寬度與天線波束指向，該因素主要受制于天線的生產(chǎn)加工工藝與天線安裝結(jié)構(gòu)工藝，對(duì)此需針對(duì)結(jié)構(gòu)、工藝進(jìn)行優(yōu)化，方可消除0.300°左右的硬性誤差;其二是天線與微波通路的一致性，對(duì)此可利用校表的方法進(jìn)行改進(jìn)，在工程調(diào)試下通常可使誤差同比減少50%，使測(cè)向精度誤差提升約0.200～0.300°;其三是近場(chǎng)測(cè)試誤差，對(duì)于測(cè)向精度的影響約為0.120～0.250°，對(duì)此需盡可能采用遠(yuǎn)距離測(cè)試方法，可降低約0.100°的測(cè)試誤差?？傮w來看，在采用工程方法進(jìn)行調(diào)試后，有望將96波束比幅測(cè)向偵察系統(tǒng)的測(cè)向誤差控制在0.700°以內(nèi)。

2.3? 測(cè)向算法優(yōu)化比較

2.3.1? 測(cè)向算法分析

以往采用高斯近似算法、三角近似算法作為兩波束算法，由于高斯近似算法受K的擬合精度影響較大，在將其運(yùn)用于波束一致性不佳的方向圖時(shí)，有可能會(huì)引發(fā)方位數(shù)據(jù)跳變問題，由此研發(fā)出了三波束近似算法，通過消除高斯近似因子K實(shí)現(xiàn)算法優(yōu)化，其算法公式為：

其中DL、DR分別代指左、右兩個(gè)波束。

雖然該算法一定程度上使測(cè)向精度得到了改善，但在實(shí)際計(jì)算時(shí)需同時(shí)涉及到左、右兩個(gè)波束，不適用于邊緣波束的情況，因此需針對(duì)三波束近似算法進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

2.3.2? 測(cè)向算法優(yōu)化

其一是針對(duì)六波束方向圖進(jìn)行幅度校正，尋找到六個(gè)波束中幅度最大波束，選取其頂點(diǎn)幅度與其余五個(gè)波束頂點(diǎn)幅度進(jìn)行比較、計(jì)算出幅度差值，并進(jìn)行幅度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)方向圖的“拉平”。

其二是借鑒邊波束梯形近似原理，由于高斯近似、三角近似、三波束近似算法均無法得出在第M+5號(hào)波束中心點(diǎn)向外的測(cè)向結(jié)果，因此基于梯形近似原理針對(duì)三波束近似算法進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)θ方向入射信號(hào)與第M+5號(hào)波束、M+4號(hào)波束分別交于點(diǎn)Ac、Ad，在θ外側(cè)取θ1與第M+5號(hào)波束、M+4號(hào)波束分別交于點(diǎn)Ae、Af，過第M+5號(hào)波束的頂點(diǎn)Aa作一條垂線，與M+4號(hào)波束交于點(diǎn)Ab，Ae、Ag兩點(diǎn)與Ac、Ad兩點(diǎn)的連線交于點(diǎn)g，基于三角近似原理求得θ為：

2.3.3? 測(cè)向結(jié)果比較

在將優(yōu)化后的測(cè)向算法與高斯近似算法、三角近似算法的測(cè)向結(jié)果進(jìn)行比較，可以得出三種算法的均方根誤差分別為4.45、2.67，優(yōu)化后的三波束近似算法的均方根誤差為2.63?？傮w來看，高斯近似算法對(duì)于方向圖的高斯近似因子依賴度較高，將其運(yùn)用在波束一致性較差的方向圖中，將導(dǎo)致其測(cè)向精度較差;三角近似算法與三波束近似算法的測(cè)算精度較為相似，但三角近似算法不適用于計(jì)算邊波束的角度值;優(yōu)化后的三波束精度測(cè)向算法具有計(jì)算范圍較廣、測(cè)向精度較高等特點(diǎn)，在多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)中具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

3? 結(jié)? 論

本文以96波束比幅測(cè)向偵察系統(tǒng)作為研究對(duì)象，基于公式推導(dǎo)因天線、微波、量化誤差、安裝結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)向精度造成的影響，進(jìn)行了詳細(xì)分析，并通過高斯近似、三角近似、三波束近似算法的實(shí)證尋求提升測(cè)向精度的具體優(yōu)化算法，以期為多波束比幅測(cè)向系統(tǒng)測(cè)向精度的提升提供借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：王乾（1992.06-），男，漢族，河南內(nèi)黃人，助理工程師，工學(xué)學(xué)士，本科，研究方向：通信技術(shù)、電子對(duì)抗技術(shù)。