多波束比幅和干涉仪测向的研究与仿真分析∗

胡富增

（解放军91404部队 秦皇岛 066001）

1 引言

无源测向技术是电子对抗的关键技术，现代雷达为了反侦察和抗干扰，其信号的调制样式和调制参数具有时变性，快速性和大范围的特点，这就为电子对抗的侦察识别带来了较大的困难，并且随着电磁环境的日益复杂和实际作战环境的多样化，对不同作战条件下测向方法的适应性以及测向精度的要求也越来越高。多波束比幅测向和干涉仪测向是目前应用最为广泛的两种测向技术，但在不同的作战条件下，两种测向方法各有优劣，本文通过对两种测向方法的原理和误差进行比较研究，并通过仿真分析其在不同作战环境下的特点和适用性，对未来舰艇电子对抗的发展及实际作战应用有着重要意义。

2 干涉仪测向和多波束比幅测向原理

2.1 单基线干涉仪测向原理

由图1可知：

ϕ为两天线接收同一信号的相位差；λ为辐射源的信号波长；θ为信号的到达角（相对于基线的法线夹角）；l为两天线之间的基线长度。由式（1）可知，只要测出信号的相位差ϕ即可得出信号的到达角：

图1 干涉仪测向原理示意图

2.2 多波束比幅测向原理

多波束比幅测向原理：通过对多个独立的、波束主瓣比邻的天线覆盖360°方位的n个同时存在的窄波束中相邻的2个以上（包括2个）窄波束所接收到的信号包络幅度进行比较来确定信号的到达角度。假设各通道幅度特性一致，第n个波束的轴线角为nθ0，信号入射角为θ在第n个天线轴线附近，如图2所示。

图2 多波束比幅测向原理示意图

相邻两个波束n、n-1接收到的信号幅度可表示为

式中Ai代表各接收通道的幅度增益，k为常数，对式（3）和式（4）两边取对数然后相减即可求得信号到达角为0

3 干涉仪测向和多波束比幅测向误差分析

3.1 干涉仪测向误差分析

干涉仪测向误差来源主要是测向模糊性、信道失衡及系统噪声等。其中模糊性问题直接影响到了干涉仪测向方法对作战环境的适应性。由于干涉仪测向的相位差是以2π为周期的函数，当相位差超过该周期时，就导致了干涉仪测向角度的不唯一性，即模糊性问题，主要包括镜像模糊和相位模糊。

镜像模糊是由于两个单基线两侧对称方向的来波会产生相同的相位差，两条不平行的基线就可以消除镜像模糊。

相位模糊［8］又被称为长基线模糊，相位差ϕ是以2π为周期的。由式（1）可知，干涉仪测量的相位差只能在±π范围内，当基线长l＜λ/2时，任何方向的相位差都会在±π范围内；当基线长l＞λ/2时，某一方向的相位差实际值可能超过±π范围，此时根据测量值来推算实际值会有若干可能。

通常利用长短基线的方法来解决相位模糊问题 ，如 图 3所 示 ，其 中 d＜λ/2 ，D=md＞λ/2（m=0，±1，±2…），解相位模糊时首先根据式（1）分别求出 k0k1，k0k2基线的相位差 ϕ1，ϕ2，又相位差精确值 ϕ2′=ϕ2+2kπ ，再根据 k0k1基线的相位差求出k0k2基线相位差的近似值ϕ2′=mϕ1，改变 k值，找出最接近近似值ϕ2′的唯一精确值 ϕ2

′。对于干涉仪测向系统来说在接近视轴的角度处精度最高，接近基线两端处精度最低，基线（相对于辐射源信号半波长）越长，精度越高。在实际工程应用中，高频的信号波长通常较短，小于其半波长间距的基线难以物理实现，一般不用于宽带高频测向。

图3 一维多基线相位干涉仪

在测向过程中，进入接收机的信号会通过射频放大器，滤波器等各类元器件，由于每个阵元都是相互独立的，其频幅特性一致性有限，当通道间出现失衡时就会导致附加的相位，引起测向误差。

接收机内部噪声（宽带白高斯噪声）实际是一种幅度起伏、相位随机的同时到达的干扰信号，会引起被测信号的矢量相位起伏，引起测向误差为

又当信噪比较大时，sinΔϕ≈Δϕ，所以

对式（7）两边对时间取平均得：

3.2 多波束比幅测向误差分析

多波束比幅测向误差的来源主要有系统内部噪声、通道幅度特性不一致、波束宽度变化、波束轴线角偏差等。

1）系统内部噪声主要是由于各接收通道的内部噪声是不相干的，在进行幅度比值计算时，无法相互抵消，导致通道失衡，引起测向误差为

式中，SNR为信噪比。

2）通道幅度特性不一致是由于各通道之间中的相关微波器件如限幅放大器、滤波器、DLVA组件等不可能做到性能上完全一致，从而导致测向误差。

3）波束宽度变化带来的影响是指当信噪比确定时，波束宽度越窄，对系统测向误差影响越小；当波束宽度确定时，信噪比越高，对系统测向误差影响越小。

4）波束轴线角偏差是由于当信号频率变化时，天线波束的轴线角也会发生变化，导致最大波束值所对应的角度发生变化，波束轴线角一旦发生偏差就会引起测向误差。

4 现代舰艇电子对抗作战环境特点分析

电子对抗的作战环境是在复杂电磁环境下进行的，复杂电磁环境是指电磁信号在一定的空域、时域、频域以及能量上的分布成交叉、连续、密集、大数量、多体制、多变化等特点，并且对电磁活动有较大影响的电磁环境。而以特定海域及其周围空域为主要作战区域的战场电磁形式就是海战场复杂电磁环境。

对于海战场来说，战场复杂电磁环境可以分为两大类，即近海环境和远海环境。在近海环境下，战场电磁环境复杂多变，空间反射信号多，外部环境噪声大，其信号环境主要由各种民用电磁信号，己方舰船及周边的辐射源以及陆地、海洋和海上平台对这些辐射源的反射信号组成；在远海环境下，背景信号相对简单，可能会有少量的民用（远海货轮）电磁信号，敌我双方信号较为明朗，作战时最大的威胁还是来自敌方舰船的干扰信号，这就要求电子侦察系统要有很强的抗干扰以及信号分选能力。

实际上海战场复杂电磁作战环境的本质主要还是电磁信号本身的特性，现如今雷达辐射源信号体制多样，种类繁多，实际作战时在识别信号上主要还是依靠三参数（载频、重周、脉宽）来判别，除了常规雷达信号外，在载频类型上有捷变，分集，脉内变频，脉组捷变等几种方式；在重周类型上有抖动，参差，周期性调制，脉组变化等方式；在脉宽类型上有脉组捷变，抖动等方式。复杂电磁环境正是由这些不同样式的电磁信号及其他环境噪声所构成的，这对电子侦察系统的性能提出了更大的挑战，由于大量电磁环境噪声的存在，不管是干涉仪测向还是多波束比幅测向，都难以全方面地满足实际作战的需求，在实际作战中应发挥每种测向方法的优势，以适应日益复杂的战场电磁环境。

5 不同作战环境下两种测向方法的比较和仿真分析

5.1 干涉仪测向的局限性

雷达辐射源信号频率范围广、作用域大并且针对性强，但由于用干涉仪进行测向时，其无模糊基线长度要满足小于半波长的条件，所以在实际测向中，对18GHz以上高频信号的测向一般采用多波束比幅，因为其波长较短，半波长以下的无模糊基线长度难以物理实现，这也就限制了干涉仪作用频域的范围。

对于多波束比幅来说主要就是提高测向精度，在频域上并没有什么限制，所以对于18GHz以上的高频信号一般采用此方法，理论上测向精度可以通过增加比幅的波束数来提高，但实际运用时还需要考虑增加波束数后所带来的设备成本的提高以及对体积大小的要求等问题，一般在48波束比幅以上就可以获得很高的精度，这些需要根据实际作战的使命和性质来设计。

5.2 仿真分析信噪比对两种测向方法的影响

多波束比幅测向方法主要是根据信号强度来判别信号方向，但在实际作战环境中，接收机实际接收到的信号强度是由目标信号和空间中其他的噪声共同构成的，噪声会给信号强度的判别带来干扰。该方法对目标信号的信噪比要求较高，信号来袭方向不同信噪比对测向的影响也不同，如果信噪比较低，就会带来较大的测量误差，如图4所示。

图4 信噪比对多波束比幅测向误差的影响

干涉仪测向方法主要是根据信号的相位差来判别信号方向，信噪比越小，噪声引起的相位抖动就会越大，测向误差就会越大，如图5所示。

图5 信噪比对干涉仪测向误差的影响

两种测向方法都会受到信噪比的影响，整体来看，噪声对相位的影响比对强度的影响程度要小很多，在大信噪比的情况下，干涉仪测向具有一定的优势。信噪比一定的情况下，信号不同来袭方向对多波束比幅测向误差有很大的影响，但在优势方向上有着较高的测向精度，而干涉仪存在的测向模糊性问题会受到信号不同来袭方向的影响，进而影响测向精度，不同的信噪比情况下，两种测向方法各有各的优势，考虑到电磁环境的不确定性，提出了一种融合测向的方法。

5.3 两种测向方法的协同使用

在远海作战环境下，背景环境相对简单，主要威胁来自于敌方舰船的干扰信号，与近海环境下的空间噪声干扰有着很大的区别，其干扰样式复杂多变，包括压制干扰、欺骗干扰和复合干扰等多种形式，在作战时无法预测敌方会使用哪种干扰样式，两种测向方法在这样的作战环境下受到的干扰概率是相同的。表1和表2给出了两种测向方法在不同信噪比下得出的测向误差（量化后）。如果能够融合使用两种测向方法，在干涉仪能够作用的频域内，不仅可以提高测向精度，还可以提高抗干扰能力。

表1 不同信噪比引起的比幅测向误差

表2 不同信噪比引起的干涉仪测向误差

融合测向就是干涉仪测向和多波束比幅测向结合使用的方法，相对于多波束比幅测向法来说，干涉仪测向更容易达到较高的测向精度，但最主要的问题是干涉仪是利用信号到达天线的波程差来进行测向，但辐射源信号来袭时覆盖的面阵不止一个，仅通过相位无法精确到某一个面阵，同时还存在相位模糊以及在实际的工艺设计当中难以实现最短基线无模糊的基线长度等问题，因此需要采用多重测量或其他处理方法才能实现更加精确地测向。

如图6所示是一种融合测向天线阵布置图。采用6面阵3基线干涉仪，12波束比幅的测向方法。由干涉仪测向天线阵的每条线阵中抽出1个天线，另外再增加6个天线共同构成8～18GHz频段的比幅测向天线阵，每个天线覆盖30°，共同覆盖水平 360°。比幅天线阵由 26、8、27、12、28、16、29、20、30、24、25、4号12个天线构成。

在复杂电磁环境下，反射信号严重，尤其是一些大反射信号对测向的影响非常大，单纯地依靠干涉仪从相位上难以进行区分，虚拟短基线法解模糊可以提高测向精度但依然无法消除反射信号的影响，之前通过调研了解过一种4波束比幅进行粗引导，然后由干涉仪进行精测向（利用虚拟短基线的相关算法进行解模糊）的方法，测向精度非常高，但这种方法只适合于空间电磁环境较为简单的情况，一旦有大的反射信号存在，4波束比幅就无法满足测向粗引导的要求，海战场环境复杂，反射信号多，对融合测向的粗引导要求较高，波束越多比幅的精度就会越高，但考虑到成本以及布放的空间限制，理论上来讲，一个4面阵的干涉仪配合使用8波束比幅就可以达到基本的测向要求，综合考虑各方面因素后，本文提出了6面阵12波束比幅的测向方法，不仅可以适应复杂的电磁环境而且能够达到非常高的测向精度。具体测向时首先是通过12波束比幅进行粗测向（具体测向方法同2.2）来确定来袭目标信号方位所对应的面阵，并将波束比幅的测向结果作为干涉仪最短基线的测向结果，以此来消除最短基线带来的模糊问题，再由该面阵上的干涉仪对目标信号进行精确测向（具体测向方法同2.1）。

图6 融合测向天线阵布置示意图

6 结语

随着电磁环境的日益复杂，单一的测向方法已经很难满足实际作战的需求，本文介绍了干涉仪和多波束比幅两种测向方法及其在不同作战环境下的特点，并通过仿真信噪比对测向精度的影响程度来分析两种测向方法的适用性，进而提出一种融合测向的方法以适应海战场的复杂电磁环境，大幅提高了测向的精度和稳定性，然而影响测向精度的因素还有很多，建立一个系统的分析模型将是今后研究的重点。