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基于大潜深耐压天线罩模型的四面阵干涉仪测向算法.pdf
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1、第3卷第1期2 0 2 4年1月信 息 对 抗 技 术I n f o r m a t i o n C o u n t e r m e a s u r e T e c h n o l o g yV o l.3 N o.1J a n.2 0 2 4引用格式:卿浩博,吕小龙,黄珏,等.基于大潜深耐压天线罩模型的四面阵干涉仪测向算法J.信息对抗技术,2 0 2 4,3(1):8 1-8 6.Q I N G H a o b o,L YU X i a o l o n g,HUAN G J u e,e t a l.A n a l g o r i t h m o f f o u r-f a c e a r r
2、 a y i n t e r f e r o m e t e r d i r e c t i o n f i n d i n g b a s e d o n d e e p-s u b m e r-g e n c e r a d o m e m o d e lJ.I n f o r m a t i o n C o u n t e r m e a s u r e T e c h n o l o g y,2 0 2 4,3(1):8 1-8 6.(i n C h i n e s e)基于大潜深耐压天线罩模型的四面阵干涉仪测向算法卿浩博1*,吕小龙1,黄 珏2,向川云1,张慧君1(1.中国电子科技集
3、团公司第二十九研究所,四川成都 6 1 0 0 6 32.海军研究院,北京 1 0 0 0 3 6)摘 要 基于大潜深耐压实心厚壁柱状天线罩模型,提出一种四面阵干涉仪测向算法,推导了该模型下干涉仪相位差及信号入射角度的相关计算公式。该算法可以解决天线罩插入相位移不均匀性引入的相位误差问题。最后通过计算机仿真验证了所提算法的有效性,能够很好地解决经典干涉仪算法在实心壁天线罩模型下带来的阵元相位差严重失真以及测向误差大的问题。关键词 干涉仪;四面阵;大潜深耐压天线罩;相位差;测向误差中图分类号 TN 9 5 8.9 7 文章编号 2 0 9 7-1 6 3 X(2 0 2 4)0 1-0 0 8
4、1-0 6文献标志码 A D O I 1 0.1 2 3 9 9/j.i s s n.2 0 9 7-1 6 3 x.2 0 2 4.0 1.0 0 8A n a lgo r i t h m o f f o u r-f a c e a r r ay i n t e r f e r o m e t e r d i r e c t i o n f i n d i ng b a s e d o n d e ep-s u b m e rge n c e r a d o m e m o d e lQ I N G H a o b o1*,L YU X i a o l o n g1,HUAN G J u e
5、2,X I AN G C h u a n y u n1,Z HAN G H u i j u n1(1.N o.2 9 R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C E T C,C h e n g d u 6 1 0 0 6 3,C h i n a;2.N a v a l R e s e a r c h I n s t i t u t e,B e i j i n g 1 0 0 0 3 6,C h i n a)A b s t r a c t A n a l g o r i t h m o f f o u r-f a c e a r r a y i n t e r
6、 f e r o m e t e r d i r e c t i o n f i n d i n g b a s e d o n d e e p-s u b-m e r g e n c e r a d o m e m o d e l w a s p u t f o r w a r d i n t h i s p a p e r.T h e d e t a i l e d f o r m u l a s o f i n t e r f e r o m e-t e r p h a s e d i f f e r e n c e a n d i n c i d e n c e a n g l e w
7、 e r e d e r i v e d a s w e l l.T h e p r o p o s e d a l g o r i t h m i s a b l e t o c o r r e c t t h e p h a s e e r r o r l e a d i n g b y p h a s e i n c o n s i s t e n c y.S i m u l a t i o n s w e r e c a r r i e d o u t t o d e m o n s t r a t e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e p r
8、 o p o s e d s c h e m e u n d e r v a r i e d c i r c u m s t a n c e s.T h e c o n-c l u s i o n s a r e d r a w n t h a t t h e p r o p o s a l i s a b l e t o m o d i f y t h e p h a s e e r r o r a n d d i r e c t i o n f i n d i n g e r-r o r o f c l a s s i c i n t e r f e r o m e t e r u n d
9、 e r d e e p-s u b m e r g e n c e r a d o m e m o d e l.K e y w o r d s i n t e r f e r o m e t e r;f o u r-f a c e a r r a y;d e e p-s u b m e r g e n c e r a d o m e;p h a s e e r r o r;d i r e c-t i o n f i n d i n g e r r o r0 引言天线罩1-2是保护其内部天线正常工作的一种装置,例如地面天线罩主要用于防风沙、雨雪等自然环境对天线的侵袭;机载天线罩则除了兼顾自然环
10、境外,还需要考虑高温、气动载荷等因素;大潜深天线罩需要考虑承受下潜至极限深度时的水压,而无功能性变形、泄露和损坏。天线罩内部一般布置多个天线组成阵列,来实现测向、定位与跟踪等功能。大潜深天线罩需要承受深海中的静水压力,潜深越大、罩体直径越大,天线罩的耐压、密封设收稿日期:2 0 2 3-0 5-0 4 修回日期:2 0 2 3-0 7-1 4通信作者:卿浩博,E-m a i l:1 2 1 7 7 5 5 8 2q q.c o m 信 息 对 抗 技 术2 0 2 4年计难度就越大。大潜深天线罩一般选择力学性能、低介电损耗性能兼顾的石英及环氧树脂复合材料。考虑流体阻力,大潜深耐压天线罩外形一般
11、选择为柱状或水滴形,通过缠绕成型工艺,充分保证实心壁罩筒体特殊外形的可设计性。法兰密封采用金属嵌件与复合材料,满足连接强度和密封防漏要求。在解决耐压前提的同时,还需满足电性能要求,采用多阶半波壁设计能确保雷达收发频段的高透波性。受两端曲率半径、外形曲面差异以及罩体结构、制作工艺等影响,电磁波不同入射位置会产生不同的相位延迟,带来插入相位移的不均匀性。用作干涉仪时,会引入额外的相位误差,导致干涉仪测向误差增大3-5。天线罩插入相位移不均匀性是系统设计中必须面对的关键问题,其性能直接影响系统的测向指标。本文基于大潜深耐压实心厚壁柱状天线罩模型,提出并推导了一种四面阵干涉仪相位差计算方法,该方法能够
12、解决上述经典干涉仪测向误差问题,并通过计算机仿真实验验证了所提算法的有效性。1 大潜深耐压天线罩模型1.1 经典天线罩模型图1为经典天线罩模型。天线罩厚度很薄,对测向的影响可以忽略不计,天线罩半径为R,天线罩介电常数为。干涉仪长度为l,阵元A、B、C、D非均匀布置,形成干涉仪阵,并满足通过虚拟基线解模糊条件,即最短基线长度A B不能超过半波长。入射信号按传统电磁波传播路径直接入射进入天线罩,不会发生折射现象。图1 经典天线罩模型示意图F i g.1 P r i n c i p l e o f c l a s s i c r a d o m e m o d e l1.2 实心厚壁柱状罩模型图2所
13、示为实心厚壁柱状天线罩内干涉仪四面阵布局。天线罩外半径为R、内半径为r,即罩壁厚度为R-r,天线罩介电常数为。四面阵对角线长度为d,阵元A、B、C、D非均匀布置,形成干涉仪阵,并和经典天线罩模型一样,满足通过虚拟基线解模糊条件。每个单面阵覆盖-4 5 4 5,4个面阵共同实现3 6 0 覆盖。图2 四面阵干涉仪布局示意图F i g.2 S t r u c t u r e o f f o u r-f a c e a r r a y i n t e r f e r o m e t e r当同一辐射源信号沿空气入射到图2中的实心厚壁柱状天线罩表面时,由于天线罩厚度和介电常数的存在,天线罩的入射信号和
14、出射信号均会发生折射现象,如图3中的实线所示。而经典干涉仪测向算法依然按传统电磁波传播模型进行处理,如图3中的虚线所示。可以看出,大潜深耐压实心厚壁柱状天线罩中的折射现象会造成同一辐射源信号到达天线阵列的各天线之间的相位差发生变化,进而带来严重的测向误差,直接影响了系统的测向指标。图3 实心厚壁柱状罩干涉仪模型F i g.3 S o l i d t h i c k w a l l e d c y l i n d r i c a l r a d o m e i n t e r f e r o m e t e r m o d e l28第1期卿浩博,等:基于大潜深耐压天线罩模型的四面阵干涉仪测向算
15、法 2 大潜深耐压天线罩模型测向算法2.1 干涉仪测向经典模型干涉仪测向6-1 0是利用测量同一辐射源信号到达天线阵列的各天线之间的相位差来确定其方向的一种测向体制,测向原理如图4所示。图4 干涉仪测向原理图F i g.4 P r i n c i p l e o f i n t e r f e r o m e t e r d i r e c t i o n f i n d i n g空间放置的2个天线阵元A、D,其间距为l,当空间来波的方向为时,2个阵元天线收到的信号分别为:PA=Ue x pj t-2 R-2 ls i n (1)PD=Ue x pj t-2 R (2)式中,U代表接收信号幅
16、度,R为信号传播距离,与分别表示信号波长与频率。将式(1)(2)取对数处理,得:l n PD-l n PA=j2 ls i n(3)因此,到达天线A、天线D的相位差为:=2 ls i n(4)可通过鉴相器获得相位差,测量出信号载频以及天线间距,则辐射源信号的来波方向可表示为:=s i n-12 l (5)2.2 实心厚壁柱状罩模型测向算法本小节建立数学模型,分析当信号入射到图2中的天线罩时干涉仪相位误差情况。为了简化处理同时不失一般性,图5选取四面阵的一个阵面来进行分析,其余阵面的分析过程同理。由图5可见,当信号沿空气入射到天线罩上的G点时,其与G点法线夹角为。由于天线罩壁的介电常数大于空气中
17、的介电常数,信号传播至G点处将会发生折射进入天线罩中。G点与天线罩圆心O点的连线相交于天线罩内壁F点。同理,当信号从天线罩中的E点(其与E点法线夹角为)进入空气时也会发生折射,出射信号最终传播到阵面上的K点。K点即为干涉仪上的某阵元,其与四面阵边缘距离NK为常数。E点与圆心O点的连线相交于阵面上的J点。图5 实心厚壁柱状罩干涉仪算法原理F i g.5 P r i n c i p l e o f s o l i d t h i c k w a l l e d c y l i n d r i c a l r a d o m e i n t e r f e r o m e t e r d i r e
18、 c t i o n f i n d i n g a l g o r i t h m根据折射定理,有:E G F=s i n-1s i n (6)在O E G中,根据正弦定理有:O E G=s i n-1s i n E G FrR (7)E G=rs i n E G Fs i n1 8 0-E G F-O E G (8)且=1 8 0-O E G(9)EOG=1 8 0-O E G-E G F(1 0)同理,根据折射定理有:KE J=s i n-1s i n (1 1)在ONK中,根据几何关系和正弦定理、余弦定理,可知ON=d/2(1 2)ONK=4 5(1 3)OK=ON2+NK2-2ONN
19、Kc o s ONK(1 4)NOK=s i n-1s i n ONKOKNK (1 5)在O EK中,根据几何关系和正弦定理,38 信 息 对 抗 技 术2 0 2 4年可知:O E=r(1 6)EKO=s i n-1s i n KE JOKOE (1 7)KOE=1 8 0-EKO-KE J(1 8)图5中的单面阵覆盖区域为-4 5 4 5,其中-4 5 与4 5 这2个边界分别对应于天线罩上的L与M点。该2点对应的入射信号与法线夹角分别为和,且其法线与单面阵分别相交于N与P点。根据几何关系,可知:FOP=9 0-NOK-KOE-EOG(1 9)J OP=FOP+EOG(2 0)K J E
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