一种多基线相位干涉仪设计方法

　　1　引言

　　相位干涉仪是一种具有较高测量精度的测向方法,在无源探测系统中得到广泛应用[1-2]。相位干涉仪通常采用多个天线构成天线阵来实现。按照天线阵布置形式的不同,有一维线阵、二维线阵、圆阵等多种形式。由于鉴相设备通常以2π为模,只能测量2π范围内的相位值,当天线之间的相对相位超过2π后,将会导致多值模糊。对于一维线阵相位干涉仪,单基线结构存在无模糊测量范围和测向精度的矛盾[3],因而通常采用多个天线构成多基线的配置形式。

　　在应用多基线相位干涉仪时,需要解决的主要问题包括天线选择与设计、天线阵设计、以及测向算法设计。其中,相位干涉仪天线阵的设计不仅与天线尺寸、安装条件限制、测向性能指标等因素有关,还与选择的测向算法有关。多基线一维相位干涉仪有两种主要的解模糊方法:余数定理方法和逐次解模糊方法。基于余数定理的方法需要天线间距满足一定的参差关系,使得天线阵的设计受到限制[4];且由于需要进行多维整数搜索,随着基线长度的增加,导致搜索空间增大,计算量也会急剧增加[5]。而逐次解模糊方法则通过长、短基线结合或构造虚拟基线的方式来解模糊,使得天线间距的设计较为灵活,且算法简单,容易实现[6]。

　　在根据逐次解模糊方法设计干涉仪天线阵时,一个重要问题是如何根据测向指标,如测向精度,相位误差等,确定天线数目,设计天线间距。现有的干涉仪设计方法没有公式给出天线阵参数与测向性能指标之间的解析关系,设计过程是采用“选择-验证”的迭代方式进行,而无法明确根据指标要求直接确定天线阵参数[7]。

　　本文根据逐次解模糊方法讨论了一维线阵相位干涉仪天线阵的设计方法。给出较为系统的设计过程,并对天线阵结构与测向性能指标之间的关系进行理论分析,为干涉仪设计提供依据。最后通过仿真实验验证提出的相位干涉仪设计方法的有效性。

　　2　多基线相位干涉仪原理

　　2.1　测向原理

　　图1为n基线一维相位干涉仪天线阵示意图。相邻天线之间的距离分别为:d1,d2,…,dn,

　由于相位测量设备通常以2π为模,只能测量到2π范围内的相位值i,而无法确定整数Ni。因此,由于Ni的不确定,由式(2),对于一个i将会存在多个方位角与之对应,从而造成测向结果模糊。

　　解模糊的一种方法是利用短基线,使得最短基线长度小于信号波长的一半[7]。随着信号频率的提高,要求的最短基线长度也越短。受到天线尺寸的限制,当无法满足需要的最短基线长度时,另一个方法是构造虚拟基线。由式(1),将任意两条基线的相位差值相减,有