干涉仪测向系统误差分析

干涉仪测向系统误差分析
作者：李华龙
来源：《数字技术与应用》2011年第07期
摘要：本文根据干涉仪测向系统的测向原理，对基线的选择进行了分析，列出了影响测向结果的各项因素。

分析了在试验条件允许的情况下，增加目标和测向系统间距离，将有助于从多个方面减小测向误差，提出了减小测向误差、提高测向精度的方法，取得了良好的试验结果。

关键词：干涉仪测向误差基线
中图分类号：TN98 文献标识码： A 文章编号：1007-9416(2011)07-0021-02
1、引言
无线电测向技术从二十世纪初开始出现，到现在已发展了上百年的时间，出现了各种各样的测向定位系统。

目前根据测向体制划分主要有以下方法:比幅度法、相位法、多普勒法、时差测向法、空间谱估计测向法等方法。

每一种测向方法都有其优点和缺点，测向体制的选择应根据不同的需要而确定，不存在最好的测向方法，而是在某种应用情况下必须考虑给定的环境条件下哪种方法能最好地满足要求。

在车载平台中经常使用的是干涉仪测向系统。

根据干涉仪测向基本原理可以得出单基线干涉仪测向系统的测向误差为:
即以下三大因素:波长测量精度（即频率测量精度）、选择的基线长度与信号波长的比值和测向设备的相位测量精度。

还可以看出,在视场角范围内测向精度与信号的入射角有关,越靠近基线的垂直方向（小）测向精度越高。

另外相关干涉仪测向有外场测试过程，因此在试验中测向天线阵场地和天线架设对最终的测向结果有很大的影响。

2、误差分析和改良
2.1波长测量精度
一般无线电侦察测向系统中，对频率测量误差要求在通信信号带宽的一半以内。

在超短波频段，一般在系统中采用了运算速度较高的芯片组，通过FFT运算最后达到的测频精度为
5MHz/800=6.25kHz。

而系统工作频段为30～500MHz，因此将测频精度代入式（1）/中，其最大影响为0.2%。

由此可见测频误差即使在单基线测量中对测向精度的影响也是很小的，因此在实际应用中一般可以忽略不计。

以下为波长测量误差对不同频率影响情况:
2.2基线长度的选择
选择合适的基线长度在干涉仪测向中非常重要:一方面基线太长，测向误差很小，但会引起多方位、多频率的测向模糊;另一方面基线太短，相位误差增大，而且互耦影响加大。

我们既不能因其小巧轻便就一味追捧窄孔径的测向天线，也不能错误地认为测向天线的孔径越宽越好。

对于工作频段较窄的测向天线，实现宽孔径的要求容易满足。

而对于工作频段较宽的测向天线，却难以满足整个频段都是宽孔径的要求。

即使称之为宽孔径的测向天线，仅在工作频率的高端是宽孔径的，而在工作频率的低端是窄孔径的。

2.2.1基线选择过短的直接影响
因为受到两方面的制约，只单纯讨论基线长度和波长比值（/）影响，以下为/从0.2到2变化时测量误差仿真分析。

上图中的仿真结果远远不能满足系统要求，所以我们必须选择带内/最小0.3或更长的基线才能达到设计需求。

2.2.2基线选择过短引起的互耦影响
除了基线长度直接影响测向误差外，当基线较短时天线阵元将产生互耦作用，使得不同天线接收同一辐射源间的相位差，不完全由几何尺寸决定。

为了减小相位失配，可以采用增加衰减的方法来达到目的。

这时灵敏度可能降低。

为了提高灵敏度，有时还利用回路的谐振特性。

这时就很难保证两路的相位匹配。

谐振点的引入，会引入大的差程扩展．从而使测向精度大大降低，并使本来不产生模糊的基线长度产生模糊。

为了解决模糊问题又必须减小基线，从而使互耦作用增加，示向度变差。

同时互耦也使天线阵中各天线元接收的信号幅度有所不同，通常是面向来波方向的单元，接收信号的幅度大，会在一定程度上影响示向精度。

为了减小互耦的影响，我们可以通过以下几种方法:
(1)增加天线振子间的距离。

(2)减小每组振子的长度。

(3)使天线振子在不工作时与高阻网络连接。

因此一方面为了减小基线过短引起的直接影响和间接影响，同时又要消除基线过长引起的测向模糊，在实际工程应用中往往采用长短基线组合的方法解决以上矛盾。

如经常采用的均匀
5阵元圆阵、非均匀L型9阵元阵以及非均匀十字型阵列等等，都是利用阵中不同阵元来形成长短不一的基线，分别满足宽带测向的需要。

2.3相位测量精度
对相关干涉仪测向系统而言，相位误差主要由接收通道的相位测量误差，相位噪声误差和相位失衡误差三种误差造成的。

由于现在的A/D器件的位数可以做的很高，很容易选到满足使用要求的A/D器件，因此由量化误差引起的相位测量误差的影响通常可忽略不计。

相位干涉仪测向系统的测向精度与接收信号的信噪比有很大关系，因为任何相位噪声都将产生一个正比于它所引起的相移量的模糊度。

根据相位误差的公式
现在系统中采样点数最小为1024，相位噪声误差也可不做考虑。

因此相位失衡误差是系统中相位误差的主要原因。

接收通道的相位失衡误差由接收通道中各个元器件的相位特性所确定，如天线、测向开关阵、电缆、模拟信道等相位漂移的作用总和造成接收机各个信道间的相位失配。

下面分析一下系统各部分相位失衡误差及减小误差的方法。

2.3.1天线阵
在天线阵中往往使用宽带放大器，这给我们带来了两个方面的影响：
(1)降低系统动态，容易造成相位测量失真。

宽带放大器的使用提高了系统的接收灵敏度，但容易引起互调干扰，导致信号失真。

当某一频段内出现一个强信号，由于超出天线的动态范围，引起单信号所在整个频段内相位测量失真，无法得到有用信号的方位。

(2)增大阵元间相位失衡误差。

我们都希望来波到各天线阵元的相位差能够准确的测量出来，真实的反映不同方位信号的相差。

尽管各天线偶极子部份在加工的尺寸精度上能够很好的保证无源部分的相差一致性，但由于宽带放大器的使用，会带来不同频率上阵元间的相差变化。

为了解决以上问题，减小放大器相位失衡对测向误差的影响影响，我们一般采用以下措施：
(1)采用噪声更低的放大器。

(2)放大器的相位进行测试配对。

在装配调试天线阵前，对放大器的相位进行测试配对。

在同一个简易测试平台上对多个放大器的相位进行测量，测试出使用频段上的频率相位图，通过比较，选择相位曲线更一致的多个放大器，安装在同一个天线上。

2.3.2天线阵元到开关阵联接电缆
在各个天线阵元到开关阵之间连接用的射频电缆如果长度不一致或改变放置状态，都将影响各路间的相位差。

所以通过设计和调试时，采用以下方法减小其影响电缆尽量采用低损耗、高屏蔽的同轴电缆，长度严格一致;尽量缩短电缆长度，连接后采取绑扎固定措施。

2.3.3信道和采样处理部分
在有自校源的测向系统中，接收机信道及数字处理部份各路之间的相位差在短时间内相位漂移很小，在系统误差中可不作考虑，即使在不同环境下（温度、湿度的变化）有较大的相位漂移，也可以通过校准源电路校准。

2.4试验场地和天线架设
测向天线阵场地和天线架设对最终的测向结果都存在一定的影响。

下面分别分析:天线场地环境。

测向场地周围的二次辐射体产生的二次电磁场强度与电流大小有关，还与二次辐射体本身的体积大小有关。

体积越大，则二次场的作用距离越远。

一般情况下，二次辐射电磁场可分解为相对主场的同相分量和异相分量两部分。

同相分量会引起示向度误差，异相分量会引起示向度模糊。

从而降低了测向机的准确度。

因此在测向试验中我们要求测试场周围没有大的反射体，且还要尽量消除地面反射。

所以还将采用以下方法减小场地环境的影响:
2.4.1适当增加信标天线高度
从理论上讲，为了减小测向误差，试验过程中可以按照使误差最小天线高度来架设天线，但是这种方法的可操作性不强，实际效果也不是很好。

因为我们不可能通过反复试验来测试天线高度对多径效应的影响，实际使用中也不可能决定目标信号的发射天线的高度，只能尽量让信标天线和接收天线不要处于强反射体周围。

2.4.2增大试验距离
当发射天线在各个方向上变化高度时，随着测向距离的增加测向误差极大值的幅度是逐步衰减的，如果测向距离足够大，我们总能将多径效应所带来的测向误差减小到期望的范围以内。

所以试验中不应该以大于10的试验距离为目标，而是尽可能增大试验距离，减小多径效应的影响，同时更远测向距离的试验也比较符合测向系统实际使用条件（一般为几公里到几十公里）。

2.4.3天线架设
测向试验时，测向天线的不合理或不精确架设也会影响测向结果。

为了更接近实际使用环境，测向系统在进行样本采集和测向试验时，一般直接将天线杆放到试验转台或场地中间，对准圆心位置。

但是很多时候存在偏心而导致测向误差。

如下图示，图中点S为发射点，点O为转台圆心，点O1、O2为架设时天线实际所在位置，大圆为转台周边，小圆为因偏心使测向天线在转台转动时实际运行轨迹。

由图可知，在样本采集或测向试验时，当测向天线偏心运动到O1或O2点时，引起的测向误差最大，误差值为Δθ，则
010实际架设中不超过10cm，而OS超过200m，因此Δθ小于1/2000=0.0005（弧度）,相对测向精度1度的要求，造成的误差影响不超过3%。

所以试验时，尽量拉远目标和测向站间的距离，可以减小架设偏心造成的误差。

当测向试验距离在1km以上时，因偏心造成的误差影响不超过0.01度，基本可以忽略不计。

3、结语
下表为系统试验结果:
试验验证结果表明系统测向精度大大提高，能达到到1.8°（原来4°）左右。

采用不同的测向方法获得的测向精度有很大的差别，但相同的测向方法经过分析其工作原理和流程，进行一定的改良设计，将大大提高设备指标。

参考文献
[1]Richard A.Poisel著.通信电子战系统导论.电子工业出版社,2003.
[2]鲁道夫·格拉鲍著.无线电监视与电子战.1994.
[3]姚富强.通信抗干扰工程与实践.电子工业出版社,2008.
[4]冯小平,李鹏,杨绍全.通信对抗原理.西安电子科技大学出版社,2009.71-72.
[5]陈建平等.超短基线、高精度时差测向接收机.电子对抗分会第十三届学术年会论文集.
[6]刘建华.一种高性能的九阵元V/UHF长短基线干涉仪测向系统.情报/电子战技术文选,1994.
个人简介
李华龙，1976.10，工程硕士，中国电子科技集团第五十四研究所工作。