一种三基线相位干涉仪测向天线阵设计与测向算法的工程实现

马 华 山
摘 要 ：本 文针 对 脉 冲 类 信 号相 位 干 涉 仪 测 向 中的 宽 频 段 天 线 组 阵技 术 和 解 模 糊 测 向 算 法 的 工 程 实现 问题 ，提 出 了一 种 实用 的 三 基 线 相 位 干 涉仪 测 向 天 线 阵设 计 方 法 和 解模 糊 测 向 算 法 ， 并通 过 实际 场 地 测试 ，验 证 了方 法 的有 效 性 。
１ ２
仪测 向中的宽频段 天线组 阵技术和 解模糊测 向
算 法 的 工 程 实 现 ， 提 出一 种 三 基 线 相 位 干 涉 仪 测 向天 线 阵设 计 方 法 和 解 模 糊 测 向 算 法 。
’ ［＂ 万 而 鉴 相 器 实 际 得 到 的结 果 为 ｌ ， ∈７一 ）， ／ ， ２ ’
・２８ －
带 信 号 最 高 频 率 的 半 波 长， 可 以得 到 无 模 糊 的
科技论文： 种三基线相 位干涉仪测向天线 阵设计与测向算法 的工程实现
测 向结 果 ，然 后利 用 此 基 线 所 得 的 无 模 糊 测 向 结 果 ， 依 次 解 较 长基 线 的模 糊 来 保 证 测 向精 度
对 于任 一 基 线 来 说 ，如 ｄ ，在 感 兴 趣 的 测 ｌ 角 范 围 内 ， 了 提 高 测 向 精 度 ， 要 足 够 大 ， 为 需 但 当 增 大 到 一 定 程 度 时 ， 位 差 值 可 能超 过 相 ２ 万，此 时 、１ ＝２ Ⅳ＋ ２，其 中 Ｎ 为 整 数 ， 壬 ２ 万 】 ， ’
关键词 ：相位 干 涉仪 ；解模 糊测向算法 ；最短虚 拟基线 法
ｌ 引言
相 位 干 涉 仪 测 向 体 制 由于 具 有 测 向精度 高 、
因 此 ，在 本 文 的 三 基 线 相 位 干 涉 仪 测 向天 线 阵 设 计 中 ，我 们 优 先 选 用 平 面 螺 旋 天 线 。
ａｎ ５ｒ ｒｉ ＝１ ０ ｍ ） ａ
ｎ
３ １天 线 阵 设 计 过 程 ．
（ ）条 件 假 设 １ 假 设 ：通 道 相 位 误 差 服 从 正 态 分 布 ， △
＝
（
㈩
可 见 在 ＋ ０ 覆 盖 域 内 基 线 Ｄ 最 多 有 ３。 ６ ／ ５１ ＝ ．７个 模 糊 区 ，显 然 需 要 较 短 基 线 来 ０ １ ． ３９ ２ 解除模糊 。 基 线 Ｄ 下 的 最 大 测 向误 差
△ ・ 』． ０１ ５ △ ４２ ４ ．８ ・ ・ ＝— — 、 ２Ｄ ｆ —— Ｉ 一 一 ≈—— — — — — —Ｄ — —— —— 可得
Ｄ ： — ８ ． ． ￣ ｏ １ ５ ｚ６
—
２ 万，此 时 １ ＝２ Ⅳ＋ ，， 其 中 Ｎ 为 整 数 ， ， 万 １ ’
的要 求 。
△ ０６ （． ｓ ；在 ６ ＝ ．。 ｒ ） ｍ． ＧＨｚ １ ＧＨｚ频 段 内 ， ２ 测 向 精 度 △ Ｏ５ ｒ ｓ ， 天 线 阵 的 有 效 作 ＝ ．。（ ． ） ｍ．
用 范 围 设 定 为￣ ０ 。 ３ 。 （ ）１ ２ ＧＨｚ ＧＨ ￣２ ｚ天 线 组 阵 的 基线 设 计
就 不能确定 ，
２ 天 线 选 型 与 频 段 划 分
干 涉 仪 测 向天 线 阵 要 求 天 线 单 元 的 相 位 一
由 于 Ｎ 值 未 知 ， 因 而 真 实 的
这 就 出现 了模 糊 （ 值 性 ） 问题 。对 于 高 频 段 多 的 高 端 ，波 长 对 短 基 线物 理 实 现 的 限制 更 加 突
＝
１ 。（ ． ｓ ，最 大 相 位 误 差 按 两 倍 均 方 误 差 ０ ｒ ｍ．）
计 算 ， △ ＝ （． ．）＝２ 。 ２△ ｒ１Ｓ １ ３ ０ ，而对 于 虚 拟 基 线 ， 则 应 再 加 倍 考 虑 这 个 相 位 误 差 。 在 Ｏ４ Ｈｚ～ ２ ．Ｇ ＧＨｚ 频 段 内 ， 测 向 精 度 Ａ ０＝１ 。 （． ｓ ｒｍ．）；在 ２ ＧＨｚ ６ ＧＨｚ频 段 内 ，测 向精 度
的 相 位 差 ，这 个 短 基 线 的等 效 尺 寸 可 以小 于 宽
平 面 螺 旋 天 线 的特 点 是 体 积 小 、重 量 轻 ， 有 非 常好 的 相 位 一 性 ， 宽 带 宽 波 束 ， 圆 极 化 ，在 致
组 阵 时 阵元 之 问互 耦 小 ， 设计 和 加 工 工 艺 成 熟 ， 是 相 位 干涉 仪 测 向体 制 中 最 常 用 的天 线 形 式 ，
精 度 的 限制 ， 需要 把 ０４ ｚ １Ｇ ．ＧＨ ２ Ｈｚ接 收 频 段
分 成 ４个 子频 段 ， ０４ １ 即 ．～ ＧＨｚ １ Ｇ ， ～ ， ￣２ wk.baidu.comｚ ２
６ Ｈ ｚ， ６～ １ Ｇ Ｈ ｚ。 Ｇ ２
３ 三 基 线 干 涉仪 测 向天 线 布 阵 设计
这 里 ，选 择 三 基 线 干 涉 仪 测 向体 制 进 行 天
第 一 步 ：首 先 确 定 最 长 基 线 Ｄ （ 线 总 长 基 度） 如 图 １所示 ， 以 １ 号灭 线 为参 考 ，
ｄ２ ＜ｄｌ ３， ＜ｄ Ｄ＝ｄｌ ２ ３ ＋ｄ ＋ｄ
由Ｔ 涉 仪 测 向 误 差 公 式
△ ： 垒： 墨
图 １ 三 基 线 干 涉 仪 测 向 天 线 布 阵 示 意 图
２ △ 万・ ．０ｓ ｃ
￣ ． Ｉ （ ） ０ ７ ｎ ７ ５
…
第 四 步 ：确 定 最 短 基 线 ｄ ２ 在 ｄ＝ ． １ Ｏ８
一 ｉ ｎ
ｉ时 该 基 线 的 无 模 糊 区
在 ｄ 下 的 不 模 糊 区应 小 于 ２９ ３ ．７个 ，才 能
少 解 除基 线 Ｄ 下 的 １个 模 糊 区 ， 即 ｏ ２ 不 应
是 相 当 困难 的 。受 干 涉 仪 瞬 时 测 向视 角 和 测 向
干 涉 仪 测 向系 统 存 在 的 最 大 问题 是 无模 糊 视 角
范 围 与 测 向精 度 对 天 线 间 距 的要 求 之 间 相 互 矛 盾 ， 所 以解 决 这 对 矛 盾 就 成 为 利 用 干涉 仪 测 向 需 要 考 虑 的 一 个 关 键 问题 。要 增 大 数 字 干 涉 仪 的 不 模 糊 视 角 ，必 须 减 小 天 线 间距 ， 这 是 和 测 角 精 度 相 矛 盾 的 ， 单 基 线 干 涉 仪 无 法解 决 此 矛
构造虚拟 短基线 。
（） ３
则 町计 算 出 Ｄ 应 大 丁 １８ ．５
，１ ＧＨｚ时
波长 为 ３０ ０ ｍｍ， 因 此 Ｄ 应 大 于 ５ ５ ５ ｍｍ，为 留
虚 拟 基 线法 是 利 用 ２个 或 多 个 不 同基 线 的 相 位 差 ，通 过 相 减 的方 式 得 到 对 应 短 基 线 长 度 的相 位 差 ，这 个 短 基 线 的等 效 尺 寸 可 以小 于 宽 带 信 号 最 高 频 率 的 半 波 长 ， 可 以 得 到 无 模 糊 的 测 向结 果 ，然 后 利 用 此 基 线 所 得 的 无 模 糊 测 向 结 果 ，依 次 解 较 长 基 线 的 模 糊 来 保 证 测 向精 度
１ ２
∈ 万 一 ） 而 鉴 相 器 实 际得 到 的 结 果 为 ｌ ， ［ ，万 ， ２ ’ 就不能确 定，
由于 Ｎ 值 未 知 ， 因 而 真 实 的
这 就 出 现 了模 糊 （ 值 性 ） 问题 。对 于 高 频 段 多 的 高 端 ，波 长 对 短 基 线 物 理 实 现 的 限 制 更 加 突 出 。 南 丁基 线 太 短 ＿ 法 物 理 实 现 ， 凶此 又 必 须 二 尢
盾 ， 而 多 基 线 干 涉 仪 和 最 短 虚 拟 基 线 法 通 过 测
量 多 组 基 线 的相 位 差 并 进 行 逐 步 解 模 糊 ，可 较 好 解 决 此 矛 盾 。本 文 针 对 脉 冲 类 信 号 相 位 干 涉
线 布 阵 设计 ， 天 线 布 局 图 如 图 １ 示 。 所
出 。 由 于基 线 太 短 无 法 物 理 实 现 ， 因此 又 必须
致 性 好 ，具 有 较 宽 的 波 束 宽 度 ，适 合 不 同极 化
方 式 的 目标 监 测 ， 同 时 要 求 体 积 小 、 重 量 轻 。
构造虚拟 短基线 。 虚 拟 基 线 法 是 利 用 ２个 或 多 个 不 同基 线 的 相 位 差 ，通 过 相 减 的 方式 得 到 对 应 短基 线 长度
为 ３ 。 ， 以 ｄ 为 基 线 时 ，２ ０时 ２ ＧＨｚ频 点 达 到 的
第 三 步 ：确 定 第 三 长 基 线 ｄ ｌ 在 ｄ＝１ ３ ． ８ ｉ时 该 基 线 的无 模 糊 区 ：
ｎ
（
２㈩ ６ 。
￣． ２ 吁 ）
相 位 差 ２ ＝１ ４ ，没 有 超 过 １ ０ ，因 而 不 会 ３ ４。 ８。 产生模糊 。 （ ）作 用 范 围 确 定 ３ 当来 波 ６ 。 ， 以 ｄ 为 基 线 ，２ Ｈｚ达 到 ０时 ２ Ｇ 的相 位 差 为 ２ ９４ 则 会 产 生 模 糊 ，但 可 以通 过 ４ ．。 虚 拟 短 基 线 实 现 ， 如 采 用 ｄ－２ ６ ｍｍ 的 虚 拟 ｌ ＝０ ｄ
对 于 ０４ ｚ ～ １ Ｇ ，如 果 仅 用 一组 天 ．ＧＨ ２ Ｈｚ
灵 敏 度 高 、实 时性 好 、天 线 布 阵较 为 灵 活 等 特
点 ， 在 无 线 电监 测 领 域 得 到 广 泛 应 用 。然 而 ，
线 阵覆 盖 ， 大 动 态 范 围对 系 统 的 物 理 实现 来 说
取 １８ ｉ 即 ｄ＝ ７ ｍｍ。 ． ， ３２ ０
满足 测 向精 度 对 最 长 基 线 的 要 求 。为 了与 假 设
的 条 件 一 致 ， 可 以将 ｄ 与 ｄ 尺 寸 互 换 ， 即 ｄ ｌ ２ ｌ ＝１０ ８ ｍｍ， ｄ ＝ １ ０ ２ ２ ｍｍ， 而 且 这 时 在 来 波 方 向
一
一。
㈩
设 基 线 ｄ 下 的 最 大 测 向误 筹 为 △ 一 ，则 ３
电 信 技 术 研 究
总第 ３ ５ ６ 期
ＲＥＳ ＥＡＲＣＨ ＯＮ ＴＥＬＥＣＯＭ Ｍ ＵＮＩ ＣＡＴ ＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｉ
为 １ 『能 筒 牟Ｄ 模 糊 ， 需 满 足
卜瓦
则 有
（ ６） 。 —
电信 技 术 研 究
总 第 ３ ５期 ６ Ｒ Ｓ Ａ Ｈ ＯＮ Ｔ Ｌ Ｃ Ｅ Ｅ ＲＣ Ｅ Ｅ ＯＭ ＭＵＮ Ｃ Ｉ Ｔ ＣＨＮ ＯＧＹ Ｉ ＡＴ ＯＮ Ｅ ＯＬ ２１年 １ ０ １ 期
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种 三 基 线 相 位 干 涉 仪 测 向天 线 阵 设 计 与测 向算 法 的工 程 实 现
（） １
对 于 任 基 线 来 说 ，如 ｄ ，在 感 兴 趣 的测
在 覆 盖 张 角 ＋ ０ 内其 均 方 测 向误 差 为 ３。
角 范 围 内， 了提 高测 向精 度 ， 要 足 够 大 ， 为 需
但 当 增 大 到 一 定 程 度 时 ， 位 差 值 可 能超 过 相
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取 ｄ＝ ． ｌ Ｏ８ ｉ即 ｄ ＝ ｌ ０ ｎ ， ｌ ２ ｍｍ。
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少 于 ２ ．。 则有 ０２ ，
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即在＋ ０覆盖 窄域 内基 线 ｄ ３。 。已 不 存 在 模
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（） ８
糊 。
ｄ＝ ｄ— ３ ８ ｍｍ，这 时 ＋ ＋ ａ Ｄ， ２ Ｄ－ ｌ ＝１ ０ ｄ ３
的要 求 。
有 一 定 的余 量 ，取 Ｄ 为 ５ ０ ７ ｍｍ。 第 二 步 ： 确 定 第 二 长 基 线 ｄ ３ 计 算 最 长 基 线 Ｄ 时 的 无 模 糊 区 （ 天 线 基 在 线 的 法 线 方 向不 产 生 相 位 差 超 １ ０ 度 的 区域 ， ８ 这 时 应 取 频 段 最 高 频 率 的 波 长 ， 即