多波束比幅测向波束交叠与测向精度的研究

李 磊，宁 勇，李麒鹏，靳 东，孙海浪

（中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京210007）

0 引言

随着现代战场电磁环境的日益复杂，电子对抗的作用和地位越来越重要，对测向系统的性能要求也越来越高。单脉冲无源测向精度是电子侦察技术中置信度最高的关键指标之一，直接影响对目标方位信息的判断，目标的方位信息是信号分选、引导干扰和辐射源定位等功能的重要参数。当前常用的单脉冲测向方法有比幅测向法、干涉仪测向法和比幅比相测向法[1]。

干涉仪测向法具有测向精度高、体积质量小与成本低的优点，但是单基线干涉仪存在相位模糊问题，需要多个基线组合解模糊，对各通道间的相位一致性要求较高[2]，同时要求布阵的天线之间空域共视。比幅比相测向法具有测向精度较高、体积小与成本低等优点，但是与干涉仪测向类似,该方法要求布阵天线之间空域共视，这样就会凸显天线增益与覆盖空域的矛盾。相较于干涉仪测向与比幅比相测向，在相同覆盖空域条件下，比幅测向法具有结构简单、性能稳定、复杂环境适应性强等特点，同时比幅测向法能够大幅提高天线增益，从而提高探测距离，具备超视距侦察能力，同时具有较强的抗干扰（多径效应）能力和多波束同时处理能力。通过分析干涉仪测向与比幅测向方法的最优测向精度，推导出2种测向精度的对比结果，当无合成损耗、天线数目大于等于8时，单脉冲比幅最高测向精度优于干涉仪最高测向精度[3]。因此对多波束比幅测向的波束交叠与测向精度的技术研究有着重要意义。

常规比幅测向法需要对天线加工畸变、机械安装误差、波束增益不一致性、波束法向偏差以及波束宽度变化等进行校正[4]，大幅增加系统校正工作量，同时不利于后期维护与升级。所以本文提出天线单元组阵后，单独对天线阵所有通道进行天线方向图测量，单独对所有微波前端与变频通道完成幅度校正。利用通道与相邻通道实测方向图差值生成比幅测向表并加载到数字信号处理中，数字信号处理根据侦测数据中通道间幅度差值进行比幅测向查表，进而得到单脉冲比幅测向信息。

1 系统组成分析

比幅测向体制适应于抛物面、罗特曼透镜、喇叭、平螺与DBF阵列等天线类型，天线单元组阵后，利用自动测试设备控制转台对天线阵所有通道进行天线方向图测量。由于各个微波通道相对独立，利用微波前端中设计的自检源同时对微波前端与变频通道完成幅度校正。利用当前通道与左右相邻通道测量的方向图差值，生成比幅测向表并加载到数字信号处理中，数字信号处理根据侦测数据中通道间幅度差值进行比幅测向查表，进而得到单脉冲比幅测向信息。从而避免天线加工畸变、机械安装误差、天线通道之间不一致性、波束法向偏差以及波束宽度变化、波束左右对称性差等对测向精度的影响。

所以本方案影响测向精度的因素主要有系统噪声、天线第一交叉点位置、幅度测量精度、微波前端与变频通道校正后一致性精度、天线方向图测量精度、波束宽度等。多波束比幅测向系统组成框图如图1所示。

图1 多波束比幅测向系统组成

2 多波束比幅测向原理

假设各天线按照3 dB波束宽度交叠（即波束交叠系数D=3），天线3 d B波束宽度均为θ3dB，第N个天线法线指向θM，信号入射的方位角θ处于第N个天线3 d B波束宽度内。同时假设天线的方向图在偏离轴线±θ3dB的角度范围内为是高斯型分布，天线阵方向图如图2所示。第N个天线顶点增益为Gmax，入射信号幅度为Ar,则第N个天线接收信号为：

图2 多波束比幅测向系统方向图

当信号入射的方位角θ偏移第N个天线法线指向θ3dB/2，即信号入射角在波束3 dB交叠处时，

根据波束交叠系数D=3的波束方向图，提取第N个天线方向图数据，分别于N-1和N+1天线方向图数据相减，得到波束N的比幅测向表数据如图3所示，信号入射的方位角θ取值范围为θM±2θ3dB。比幅测向表斜率计算公式为：

图3 多波束比幅测向系统测向表

第N个天线与第N-1个天线方向图相减：

第N个天线与第N-1个天线方向图相减，比幅测向表左的斜率公式描述为：

同理，第N个天线与第N+1个天线方向图相减，比幅测向表右的斜率公式描述为：

根据多波束数字信道化检测结果，形成波束N脉冲信号的全脉冲信息，同时单脉冲引导N-1与N+1波束进行幅度测量，计算出单脉冲信号在波束N与波束N-1或者波束N+1的幅度差，利用幅度差查找对应的比幅测向表，得到单脉冲入射信号测向结果。

3 多波束比幅测向精度的影响因素

本文提出测量组阵后天线阵单元的各个波束方向图，独立对微波前端与变频通道进行幅度校正，从而解决常规比幅测向方法带来的问题。所以在本文所述多波束比幅测向系统中，影响多波束比幅测向精度的因素主要有波束第一交叉点位置、天线通道之间不一致性、数字测幅精度、微波通道校正后通道一致性精度、天线方向图测量精度、波束宽度一致性精度、波束法向偏差等，同时系统噪声也会不可避免地影响测幅精度。

波束第一交叉点位置、天线通道之间不一致性、波束宽度一致性精度、波束法向偏差会影响比幅测向系统的波束交叠位置（即波束交叠系数）。波束交叠系数直接决定比幅测向系统的比幅测向表斜率，进而影响多波束测向精度。系统噪声、数字测幅精度、微波通道校正后通道一致性精度、天线方向图测量精度会影响多波束数字信道化检测结果中幅度参数的测量精度，比幅测向表斜率（即波束交叠系数）一定的前提下，系统幅度测量精度直接影响多波束比幅测向精度。因此，下文着重研究比幅测向表斜率（即波束交叠系数）与系统幅度参数测量精度对测向精度的影响。

4 比幅测向表斜率提取

波束宽度、波束增益与波束法向的不一致都会导致按照3 dB交叠设计的天线阵，实际未按照3 dB交叠。同时不同频段的波束宽度也有差别，因此不能确保所有频段的波束第一交叉点都按3 dB交叠。上述因素直接影响比幅测向表的斜率，进而影响比幅测向精度。着重研究波束交叉点位置与比幅测向表斜率的关系，进一步仿真相同测幅精度时，不同比幅测向表斜率与比幅测向精度之间的关系。

当相邻波束在波束宽度为θDdB处交叠时（波束宽度在D dB处交叠，D为波束交叠系数），信号入射交叠点的方位角θ偏移第N个天线法线指向θDdB/2。

第N个天线与第N－1个天线方向图相减，比幅测向表左的斜率公式描述如下：

当D=3与D=2时，天线方向图与比幅测向表对比如图4、图5所示。

图4 D=3与D=2多波束天线方向图

图5 D=3与D=2多波束比幅测向系统测向表

5 系统幅度参数测量精度分析与波束交叠系数的选择范围

本节着重研究影响多波束检测结果中幅度测量精度的因素，以及按照工程实测经验数据确定系统幅度测量误差。按照工程实测经验数字测幅测量最大误差ΔMDA=2 dB、微波通道校正后通道一致性最大误差ΔMCC=2 d B、天线方向图测量最大误差ΔMAP=3 d B。根据最大误差产生按照高斯分布的随机误差值ΔDA、ΔCC、ΔAP，计算上述3个影响因素叠加后的幅度测量误差为：

结果表明，系统幅度测量误差σSA=1.210 7 d B（rms）。

波束交叠系数与测角精度仿真结果如图6所示。假设比幅测向精度需要达到波束宽度的1/12（0.083 3），波束交叠系数D取值应该不小于1.1。假设比幅测向精度需要达到波束宽度的1/15（0.066 7），波束交叠系数D取值应该不小于1.75。

图6 波束交叠系数与测角精度仿真结果

波束交叠系数越大测角精度越高，但是随着波束交叠系数的增大，造成比幅测向表斜率增大，天线左右比幅测向表交差点位置的幅度差值增大（不能大于数字测幅增益）。按照工程经验，瞬时带宽1 GHz时，数字测幅增益按照10 dB计算，中频输入信噪比1 dB考核测角精度指标。所以，天线左右比幅测向表交差点位置幅度差值不能大于16 dB，进而推断出波束交叠系数D≤4。D=1.1与D=4时，比幅测向表曲线对比如图7-8所示。

图7 D=1.1与D=4多波束天线方向图

6 结束语

采用测量天线阵各个通道方向图，利用自检源对微波前端与变频通道进行幅度校正，计算当前通道与左右相邻通道方向图差值提取比幅测向表，对数字测幅结果计算通道间幅度差值进行查表测向，可以避免天线加工畸变、机械安装误差、天线通道之间不一致性、波束法向偏差以及波束宽度变化、波束左右对称性差等对比幅测向精度的影响，进而确定系统的比幅测向精度只与输入信号信噪比、系统幅度测量误差与波束交叠系数相关。约束系统幅度测量误差不大于1.210 7 d B（rms）、瞬时带宽为1 GHz、数字测幅增益为10 dB、中频输入信噪比为1 dB时，波束交叠系数1.1≤D≤4，比幅测向精度优于3 d B波束宽度的1/12；波束交叠系数1.75≤D≤4，比幅测向精度优于3 dB波束宽度的1/15。

图8 D=1.1与D=4多波束比幅测向系统测向表