球王会官方干与仪测向原理（ＰＤＦ）

　　国家无线电监测中心肖秀美 干与仪测向的本质， 是运用无线电波在测向基线上形 成的相位差来确认来波方向。 ·般情况下， 测向机只需得 到来波的方位角就够 了。 特别情况下， 要求测向机具有对 来波的方位角和仰角一起进行测向的才能，如对空中 目 标 、对短波天波信号测向。 1． 1 一维相位干与仪测向原理 图l 是一维相位干与仪原理 图。 其间(a)为一维单基线 相位干与仪原理， (b)为一维多基线相位干与仪原理。“一 1． — — — — — — — — — — l I (a)单基线景象 (b)多篡线 一维相位干与仪测向原理 维” 是指测向天线为 “线 ” 仃阵，即一切...

　　国家无线电监测中心肖秀美 干与仪测向的本质， 是运用无线电波在测向基线上形 成的相位差来确认来波方向。 般情况下， 测向机只需得 到来波的方位角就够 了。 特别情况下， 要求测向机具有对 来波的方位角和仰角一起进行测向的才能，如对空中 目 标 、对短波天波信号测向。 1． 1 一维相位干与仪测向原理 图l 是一维相位干与仪原理 图。 其间(a)为一维单基线 相位干与仪原理， (b)为一维多基线相位干与仪原理。“一 1． l I (a)单基线景象 (b)多篡线 一维相位干与仪测向原理 维” 是指测向天线为 “线 ” 仃阵，即一切的测向天线阵 元都处于同一条直线上，与之相对应，“ _ 维” 是指测向 天线为 “面型” 布阵，即一切的测向天线阵元都处于同 一 个平面内。 一维相位干与仪测r口 】 公式为： =(2 丌Dsin 0 )／入 (1) 其间，中为 A B 基线相位 ； D 为基线长度； @为来 波方位角； 为米波波 长。 因为干与仪丈量的相位 (丈量值) l能在 l80。 规模内，由式 ( 1) 可知 ，当皋线 长D 入／ 2时 ，关于任 方向入射波基线实践相位差 (实践值) 在 l80。以内， 丈量值反映实践值 ； 当基线时，对某方向入射 波基线相位差实践值或许超越 l80。的规模， 但丈量值 只能在 4 - l80。规模内，此刻从丈量值核算实践值时就存 在若干个或许 ，这便是 “相位含糊”。所以基线长度D 必 须小十 入／ 2， 不然会引起示向多值， 即不能确保实践示向 与相位差的一对应， 即一个测定的 ，能够核算⋯ 两个 或两个以上的示向度， 这当然是不允许的。可是，对基线 长度的束缚却约束着测向准确度的进步。 为 了处理这个矛 中田无绒电 2 o liI iI 维普资讯 盾，一般选用长短基线结合的办法。关于某个作业频率， 多基线相位干与仪中既有 “长基线” 也有 “短基线”。尽 管 “长基线” 存在相位多值， 但运用相位单值的 “短基线” 相位，能够解算出 “长基线” 的实践相位的准确值 ， 这个 进程称为 “解相位含糊”。当最长基线长度越长时，解相 位含糊所需辅佐天线元的数量越多， 此刻 ， 体系的测向精 度越高。 对一维相位干与仪来说， 便是选用一维多基线相位干 涉仪。下面举一个最简略的比如，见图 2。 A o A l A 2 图2 一维多基线所示的天线阵，其间d 入／ 2，D= md (m 1) 。 因为 d 入／ 2，所以 = V I (2) 因为 D 入／ 2，所以 ， = +2k 丌； (3) ， =m 。 (4) 其间， 为 A。 一 A 。 基线相位差丈量值； 为 A。 一A 基线相位差丈量值 Ik 值为 0、 l 、 2⋯ ⋯ 。 解相位含糊进程如下 ： (1) 由式 (2) ，依据 直接得到 Ao- A 基线) ， 依据中 核算出A 0- A 2基线相位差的 一个粗值 ； (3) 由式 (3) ， 依据 2核算得到A 0 A 2基线相位差 的一组准确值 ， ； (4) 将⋯ 个粗值 与一组准确值 进行数据匹配， 寻找出最接近于粗值的仅有准确值 ； (5) 将 ， 代入式 ( 1) 即可得到准确的测向成果。 假定 A 。A 基线 (短基线 ， A。A 基线 (长基线。，长短基 i 2 o 线， 则长基线相位差的一组准确值为 11 2。 +2 k 丌 (其间k 取 0、 1、 2⋯ ) ， 依据基线相位差与 基线长度成正比，能够得到长基线。 ，明显只有当k= 1时， 一112。 +2 k 丌 -248。与 250。最接近 ，所以长基线 一维相位干与仪测向存在的缺陷 如图3所示，当同⋯频率电波别离从前方和后方以相 同的夹角入射到基线时， 能够得出电波抵达A 。 一 A 。 基线 丌Dsin @)／入，可是来波的方位角却别离为 0 和 180 一0 ，所以一维相位干与仪无法区别前方与后 方 。 图3 前后方来波示意图 一维相位干与仪测向存在以下缺陷： ( 1) 一维相位干与仪测向的测向方位角规模只能为 【 _ 90。，+90。]，存在无法区别前方 与后方的缺陷，即 前后方来波以相同夹角入射到基线构成的基线相位差无区 别 ( 由sin @的对称性也可看出) 。 (2) 一维相位干与仪测向仅合适干来波入射方向与基 线不存在仰角的测向场合。式 ( 1) 中仅针对俯仰角等于 零的景象，假设存在仰角，则等式 (1) 不成立 ，如仍沿 用此式核算方位角，会引起额定的测向差错。 因而， 一维相位干与仪不合适以下来波有仰角的测向 场合： 机载测向、地对空 方针测向、短波天波测向。 维普资讯 ． 1 二维单基线所示， 以直角三角形极点布阵等长基线的三元 阵为例， x 轴、y 轴、 z轴构成直角 标系X Y Z ， x 轴上的 A。 一A ， 基线、Y 轴上的 A 一A 基线 长度都为D。 Z L AI x轴 圈4 二维单基线相位干与仪测向原理图 测向公式如下： 中 = (2 丌Dsin @ ／入)CO S p (5) 巾， = (2 丌Dcos @ ／入)COS D (6) 其间，巾， 为A 。 一 A ， 基线相位差 ； 巾 为A。 一 A 基线相 位差； D为基线长度； @为来波方位角 D为来波仰角； 入为 来波波 。 关于相同长度的基线) ， 可知基线相位差还 与仰角有关。 因而， 对有仰角的来波进 行测向时， 一维相位干与仪的基线相位差还会因仰角不同 而呈现出多值性 ， 然后形成别的一种相位含糊， 而_二 维相 位干与仪则不存在这种相位含糊。 从式 (5) 和式 (6) 能够求出来波入射方位角@和来 波入射仰角 D ： @ =arctan( 巾． ／中， ) ， (7) D =arctan[Sqr( 巾 ， + 巾 ， )／ (2 丌D／入)】。 (8) 二维单基线相位干与仪与一维比较，具有以下长处： ( 1) 二维相位干与仪可360。 全方位测向， 而一维干 涉仪只能 l8O 。测向； (2) 与一维相位干与仪相同，当D 入／ 2时，基线 相位差不会超出[一丌， + 丌】 规模， 无相位多值， 可得到真 实来波方向； D 入／ 2时，存在相位多值， 形成测向多值 ； ( 3)一 维相位干与仪只能测方位，且存在因仰角引 起的相位含糊 ； 而二维相位干与仪可一起测方位与仰角， 不存在因仰角引起的相位含糊 ； (4) 在 D 入／ 2 条件下，基线长度越长 ，测向精度 越高。 2． 2 二维多基线景象 二维多基线相位干与仪的测向天线阵摆放比较灵敏， 常见摆放图如图5所示。 图5中，(a ) 是 FI元圆阵，相邻天线元之间的距离是 相同的， 且小于二分之一波长。 选用圆阵的优点是天线元 方位彼此对称，易干完成测向校对。(b) 是基线长度不等 的五元正交双基线直角三角形极点天线阵摆放。 ● - ● ● ， ； ● ● ● ● (a) (b) 图5 二维多基线相位干与仪常用天线节的论说可知，一对单元天线在 D 入／ 2时， 会发生相位含糊， 然后发生测向的多值现象。 在二维多基 线阵列中， 咱们能够选取多个天线对， 一个天线对能够通 过丈量相位差得到测向值 (多值) ，经过对每个天线对所 得到的测向值进行核算和处理， 能够确认仅有实在的测向 值， 消除测向的多值现象。 这个进程能够当作联合多个天 线对得到方程组 ， 尽管每个方程是多解的， 咱们仍是能够 经过求解方程组的办法求得仅有解。 因而， 二维多基线干 涉仪天线阵单元距离不受小于半个作业波长的束缚 ， 这样 中 审 无蟑电2a／ 5 liiil D／＼ ～ 、 ＼ 维普资讯 能够掩盖更宽的频段，一起进步测向的精度。 二维多基线相位干与仪的测向算法宽和含糊办法比较 杂乱，在此不再赘述。 如上所述， 传统相位干与仪是建立在天线阵元抉取入 射波电场相位分页基础上的， 当入射波是平面波时， 天线 阵元相对方位就决议了相位分页。 而实践上 ， 因为天线阵 元间互耦、 天线支架或天线阵载体等种种原网的影响使波 阵面发生了畸变， 入射波相位和起伏散布失真， 然后导致 测向差错。 此刻要下降测向差错， 就要消除或下降这些畸 变和失真， 这往往很难做到。如为了下降天线元瓦耦， 应 该使阵元距离规划大一些， 而阵元距离的增大， 必定会引 起测向含糊， 然后在必定程度上束缚了距离的扩展。 此外， 关于某些机动运用场合， 特别在跋涉中需求而束缚天线阵 升高的情况下，金属载体对天线阵影响更是难以避免。 4． 1 相关干与仪测向机的规划思维 相关干与仪，已然也称 “干与仪” ，当然也=E要是利 用天线阵元获取入射波相位散布米测向的。而所谓 “相 关” ， 其意义是 “ 比较” ，即经过比较获取的入射波相 分 布与事前已存的各方位、 各频率来波相位散布的相似性来 得到入射波方向。 相关干与仪测向机正是依据这个思维规划的， 因为采 用了相关处理技能， 弱化了传统干与仪中因为互耦、 载体 等对测向精度的晦气影响。 这些影响尽管还存在， 还影响 着波阵面畸变和相位散布的失真 ，但这些影响是安稳的， 因为这些失真 现已存入 “样本” 之中，经过相关处理，实 际上弱化了它们对测向精度的影响。 也便是说， 相关干与 仪并不重视消除或削减这些要素自身， 而是在 “供认” 这 些要素存在的前提下，设法弱化它们所形成的影响。 4． 2 相关干与仪测向原理 cpm~, 5 以多单元均匀圆阵为例。在多单元网阵中，选取若 干个天线对，关于一个确认入射角的空间来波 ，从这些 天线对能够得到相应的相位 ，这些相位差值 由天线阵 的结构决议。依据已知的天线阵结构能够核算 出相位差 值 ， 也能够经过实践的丈量得出。 在 360。全方位上， 等 距离地选取若干方 向 0 ， (i= 1， A ， n) ，每一个方向有若干 个天线对的相位差值 ， (j= 1， A ， m)相对应， 1 TI为选取的 天线对数量。这些天线对的相位差值称为干与仪体系的 原始相位样本 ，原始相位样本包括了体系的一切参数信 息。关于某一个实践方针信号 ， 体系丈量出 一组相位差， 将这一组值和体系原始相位样本进行相关处理，汁算出 它们的相关系数 ，相关系数的最大值对应的方位角便是 方针信号的方位值。 咱们把预先得到的空间方向和相应的体系原始相位样 本写成复矢量方式 0 i=( 2 i， A ， j) ， i= 1， 2， A ， n。 关于一个牢间实践信号得到的相位样本为复矢量 0 ， 将 0 别离和 0 (． _ 1， A ， n)进行相关运算，相关函数的表达式 为 ： @ ) = @ y (。 0 ， P 最大值相对应的原始相位样本值所代表的方位值， 便是空间实践入射信号的方位角。 图6是一个9单元等距离的圆阵相关图。圆阵直径和 mf i - ： 波长之比D／入=2，原始相位样本数为 l8。 相 镰 O 0 O O 图6 9 单元圆阵相关图 ( D／ - - 2) 维普资讯 图6描绘的是一个方位角为95。的信号相位样本和系 统原始相位样本相关处理的成果。 图中相关的最大值在方 位值 95。处， 而次最大值在206。邻近。咱们称相关主峰 为主瓣， 次主峰和其他相关峰为旁瓣 ， 从图中可得出如下 定论 ： ( 1) 大孔径的圃阵能够得到十分窄的主瓣，因而具 有很高的视点丈量精度； (2) 消除含糊便是下降相关图中的副瓣的高度，使 主瓣和副瓣易于分辩。 从另一方面来看，引进相关处理等效在360。方向内 构成了若干个空间滤波器， 对空间信号发生的相位样本复 矢量 0 ( ， ， ， ，⋯ ， )进行空间滤波 ， 最佳匹配是 0 的共轭匹配， 这与相关处理的定论是符合的， 相关处理的 进程便是空间滤波的进程。 事实上， 空间滤波器的个数是 有限的， 参数也是预先设定好的， 因而对空间任一入射方 向的信号进行空间滤波时， 必定存在必定程度的失配， 失 配丢失引起相关主瓣起伏的下降和旁瓣起伏的添加， 形成 测向精度的下降，乃至带来测向含糊。 相关干与仪相关于二维多基线相位干与仪的优势： ( 1) 相关处理特别合适现代的数字处理技能，将采 集的体系原始相位样本进行存储， 测向进程实践上便是 种典型数字相关匹配处理进程， 进程简略明了。 原始相位 样本包括体系的固有差错、 设备制作差错和一切的方位角 信息，所以设备自身能够抵达很高的精度。 (2) 相关干与仪测向算法运用相关匹配运算避开了 较为杂乱的解含糊问题 ， 直接解得来波的入射方位角和仰 角，而且运用一切独立基线上的相位差信息 、 来归纳求解， 在测验环境恶劣、 相位差动摇较大的情况下， 测向成果的 准确度高于相位干与仪的测向准确度。 4． 3 相关干与仪测向体系举例 4． 3． 1 THAL ES 公司HF 频段固定测向体系 ( 双估道相关 于涉仪测向体系) 如图7所示，该体系天线个穿插环天线组成等 边三角形 ， 其间Reference为参阅天线，也作为监听天线 运用。 、～ 图7 THALES 公司HF频段固定测向体系天线阵 表 l 为丈量出的 5个相关差与核算出的5个校准相位 差的比较。 表 1 不同频段的原始相位差与校准相位差 10 ． 9 MHz～ 始相f 若 R ～l R 一 2 R 一3 R 一 4 R 一5 3O MHz 校准相他莘 l一 3 3 5 5～ 4 4 2 2 1 3 MHz ～ 原始相他芹 K 一 1 R 4 R 5 R 6 R 7 10 ． 9 MHz 校准卡 H位差 1 5 5 7 7 6 6 4 4 1 假设电波抵达参阅天线的卡 日 位差 的丈量值别离为中 和中 H ， 理论值分圳为 和 ， 电缆与接收机两个信道 匹配引进的误莘为 6 。则有： 中 R_ l R_ l+6 中 R一 3 d) I}_1 +6 ； 电波抵达天线 - - - - 中R 3 - - 中R 1 ( d ) R 3 + 6 ) 一 ( R 1 + 6 ) ： 一 I。 4． 3． 2 THAL ES公司VHF／ UHF 频段车载测向体系 (双估 道相关 1 涉仪测向) 图 8 ANT- 184A 2 I ／ ／ ， ＼ 。 ， ＼ ＼4 ／5 (b) 中由 芜蠛电 2o呻 iijiI 维普资讯