基于辐射式与注入式的内场时差测向精度测试方法对比分析

王郑力，伍鹏宇

(1.海军装备部，四川 成都 610036；2.电子科技大学，四川 成都 611731)

1 概 述

时差测向具有成熟且广泛的应用[1-3]，关于测向精度指标的测试方法，相关论文也进行了研究[4-5]。本文基于时差测向精度指标内场测试的辐射式和注入式两种方法，进行对比分析。在产品内场性能测试中，生产和维修阶段常沿用研制阶段的辐射测试方法，对暗室等测试资源配置要求较高，测试效率不高。比较于辐射法，注入法在测试效率上具备优势，通过理论分析，设计测试流程及模拟器，开展实测验证，与理论分析相结合，为注入法提供产品测试应用支撑，在保证测试有效性的基础上，提高测试应用效率。

2 短基线时差测向原理

如图1所示，设2副天线分别安装在间隔为d的基线的两端A和B，信号入射角与基线法线的夹角为θ，则由天线A和天线B所接收到的远场辐射信号之的时间差为:

(1)

式中:c为辐射电磁波传播速度，即光速；θ为信号入射角与基线法线的夹角[6]。

图1 时差测向原理

由式(1)可见，只要测量出Δτ，就可以得出辐射源的到达方向角θ:

(2)

对式(2)求微分，可以得出时差测向误差主要由时差测量误差引起，在不考虑基线长度测量误差时，时差测向均方根误差σθ为：

(3)

式中：στ为时差测量的均方根误差。

可见，时差测向精度与基线长度d、信号入射角θ、时差测量误差στ有关。在入射角θ一定的条件下，基线越长，时差测量误差越小，测向精度越高。测向误差当基线配置与实际基线存在缩放倍数时，根据式(3)，测向误差应放缩相应倍数[7]。

时差测量误差στ主要来源于通道之间的相位延迟不一致性、通道热噪声和时间测量误差：

(4)

式中：στφ为通道间相位延迟不一致性造成的时延不一致性；στn为通道热噪声误差；στd为时间测量误差。

(1) 通道间相位延迟不一致性στφ

由通道之间相位延迟不一致性造成的时延不一致性στφ为：

(5)

式中：σφ为两通道的相位延迟不一致性；f0为信号频率。

(2) 通道热噪声误差στn

对单个脉冲测量，通道热噪声造成的测时误差στn为：

(6)

式中：Bv为接收机视频带宽；σS/N为信号信噪比。

(3) 时间测量误差στd

当采用高速数字电路进行时间测量时，测量误差为：

(7)

式中：fs为数字电路采样时钟频率。

(4) 工程估算与仿真分析

设置仿真参数，中频频率f0=400 MHz；通道间相位延迟不一致性控制在25°以内，即σφ=25°；视频带宽Bv=30 MHz；时差提取所需的信噪比σS/N=13 dB；时间测量电路的时钟频率fs=1.2 GHz。将这些参数代入式(5)、(6)、(7)，可以得到各部分误差分别为στφ=0.17 ns,στn=2.29 ns,στd=0.48 ns，代入式(4)，可以得出总的时差测量均方根误差στ为：

(8)

设置测向基线分别为40 m、35 m、30 m、25 m，利用式(8)估计的时差测量误差στ，按照时差测向误差的表达式(3)，对不同测向基线的测向误差进行仿真。图2为不同信号入射角下时差测向误差的仿真结果曲线。

图2 不同入射角下的测向误差仿真结果

3 内场测试的2种方法

针对时差测向精度指标的内场测试，工程上选用的测试方法主要有2种，即辐射法和注入法。重点分析两者之间的区别。

3.1 辐射法测向

在微波暗室中采用辐射法测试。直接照射，用被测辐射源目标相对于侦收系统的物理空间方位为目标真方位。

3.2 注入法测向

3.2.1 测试说明

在普通实验室联试环境中采用注入法测试。直接注入，依据时差测向原理，通过不同的时延装置模拟不同方位的目标信号。

3.2.2 信号方位模拟单元

在短基线时差测向系统中，辐射源目标信号入射方位与辐射源目标信号到达构成测向基线的2信号接收通道之间的信号延迟时间一一对应，也就是说当向构成测向基线的两信号接收通道注入信号，信号之间的延迟值与注入信号所携带的方位信息也是一一对应的，据此原理可设计出图3所示原理的信号方位模拟单元。

图3 信号方位模拟单元基础原理

信号方位模拟单元的电路设计如图4所示。

图4 信号方位模拟单元电路设计

3.2.3 测试框图

信号方位模拟单元的时延测试框图如图5所示。

图5 信号方位模拟单元的时延测试框图

4 2种测试方法比较研究

4.1 相同点

(1) 除天线外，被测产品的组成相同；

(2) 被测产品配置及运行状态相同；

(3) 测试选取的频率测试频点、方位测试点的覆盖范围相同；

(4) 数据记录与处理方法、合格判据保持不变。

4.2 不同点

(1) 辐射法测试中包含天线，而注入法测试中不包含；

(2) 辐射法测试需要在暗室进行，注入法不需要在暗室进行；

(3) 辐射法选取的方位测试点真值是通过发射天线与电子支援措施(ESM)天线阵在物理空间的相对位置来设定的，注入法选取的方位测试点真值(标定)是依据短基线时差测向原理用信号方位模拟单元产生的。

在短基线时差测向体制工程应用的技术实现中，对辐射源目标信号进行方位测量的本质是测量进入测向基线的两接收通道信号之间的时延，通过该时延与辐射源目标方位之间的一一对应关系再演算出辐射源目标信号的方位。

从原理上看，如果待验收测试产品的状态一样，被待验收测试产品截获侦收辐射源目标信号的本质相同(都是与信号入射方位一一对应的时延信号)，从这个角度可以认为其验收测试的作用是等效的。

4.3 实际应用分析

(1) 关于天线阵对测向精度测试结果有无影响的问题

根据短基线时差测向原理，测向精度仅与时差测量误差有关，而时差测量误差主要来自于通道之间的相位延迟不一致性、通道热噪声和时间测量误差等。而天线阵的天线单元可以做到工程实践上的一致，由天线阵相位延迟不一致性而引入的时延不一致性影响几乎可以忽略不计，再加上天线为无源器件，不存在通道热噪声，因此在测向精度指标测试中，天线阵的引入与否几乎可以不对测向精度结果产生影响。

(2) 关于信号方位模拟单元是否可以用于验证外场应用条件下的测向功能问题

在内场验证外场装机条件下的测向功能时，只需在原信号方位模拟单元中增加1路注入信号，用比测向电缆更短的电缆来模拟提前到达，测量方位仍由测向基线两接收通道信号之间的时延确定，方位具体数据与外场装机基线配置相关，方位覆盖范围为0°～360°测向范围内的一个子集，即当基线长度配置为40 m时，目前信号方位模拟单元可提供的方位测试点测向范围将被限制在测向基线法线方向周围±10°以内。所以，信号方位模拟单元可用于验证外场应用条件下的测向功能，具体外场实际应用环境更为复杂，仍需根据实际情况调整应用。

4.4 测试结果验证

分别采用辐射法和注入法，在实验室环境进行测向精度测试，按均方根方式做数据处理，测试结果如图6所示。

图6 测试验证结果图

通过对内场测试可采取的2种方法的分析比较和实测结果验证，可以看出无论是辐射法还是注入法，待验收测试产品中涉及测向精度指标实现的设备组成及运行状态相同，两种方法的测试结果均在理论估算值容差范围内，测向精度指标均得到有效测试与检验，因此可认为两种测试方法在测向精度指标内场测试的实践应用是完全可行的。

从测向精度指标质量一致性检验的角度分析，原则上可以采用注入法，也可以采用辐射法。考虑到注入法不再需要暗室资源条件且配套仪器设备状态固定，对批生产、大修等任务而言，符合产品质量一致性检验的要求，结合批生产、大修等工作实际，采用注入法可有效提高工作效率。

5 结束语

在短基线时差测向内场测试中，通过对辐射法和注入法进行理论分析，设计了注入法所需的信号方位模拟单元，搭建了测试环境，对2种方法进行了理论和实际应用对比，最后通过2种测试方法的实际测试结果与理论估算相比较，从测向精度指标质量一致性检验的角度来看，2种测试方法的作用与效果均是满足要求的，同时，相较于辐射法，注入法对暗室和测试环境的依赖程度更低，应用效率上具有优势，为注入式方法在产品时差测向精度指标内场测试应用提供了理论支撑和验证参考。