基本介紹
- 中文名：近場效應誤差
- 外文名：Near field effect error
- 套用：射頻仿真
- 來源：波音公司早期的技術資料
- 物理本質：導引頭的電磁波不能等效為平面波
- 成因：畸變的相位波前影響導引頭定位
簡介,三元組近場效應介紹,成因,性質,研究現狀,
簡介
將三元組合成信號的準確值與近似值之間存在的誤差稱為“近場效應誤差”是源於波音公司早期的技術資料。研究表明，當三元組陣元之間的距離很小，且陣元天線口徑面以及導引頭接收天線口徑面的大小可以忽略時，“幅度重心公式”的計算結果與真實值之間的偏差就會越小。其實，也可以等效的認為當被測導引頭到三元組天線的距離越遠時，“幅度重心公式”的計算值就越準確。這就可以將“幅度重心公式”計算不精確的原因歸為導引頭到陣面的距離太近，於是將這種誤差就稱為了“近場效應誤差”。需要指出這種“近場效應誤差”產生的物理本質是，陣面球心處的被測導引頭接收到的來自不同天線陣元輻射的電磁波，是不可能等效為一個平面波來計算的。因此在有些資料中這種誤差也被稱為“平面波誤差”，這更能反映這種誤差產生的根本原因。
三元組近場效應介紹
射頻仿真的近場誤差主要包括兩種誤差來源:“單元近場”誤差與“三元組近場”誤差，這兩種誤差是不同的且值得探討的。對於“單元近場”誤差來說，射頻仿真中微波暗室的尺寸是固定的，此外，暗室的有效長度是由天線的遠場條件制定的。但是，如對於大口徑接收天線(如雷達)來說，如果仍然按照遠場條件來設計暗室尺寸，那在工程與經濟性上都難以實現。且如果天線口徑過大，會影響仿真精度。這就是“單元近場”誤差的來源。而對於三元組來說，由於在三元組中，來波方向是三個不同的方向，此外三個不同方向上的幅值可能完全不同，那么三軸轉台上的相位波前不是球面，相應的三元組實際的相位中心無法被確定，因此在實際相位中心和幅度重心公式求得的相位中心之間必定存在了一些偏差。如果三元組與轉台之間的距離可以無限大，三元組近場誤差就不會存在，因為隨著距離的增大，三元組可以視為一體，將其等效成一個天線，這樣誤差就是消失。但實際的測量或者是工程上，都無法實現無限大的微波暗室，因而無法按照理想情況中將三元組等效為一個輻射單元，所以“三元組近場”誤差(即輻射近場誤差)，也是一定會存在並且值得研究和修正的。
成因
雷達認為目標所在的位置就是它接收到的目標回波信號等相位面的法線方向。如果陣元天線口徑面的大小遠小於它到導引頭的距離，就可以將陣元看作是點輻射源，這樣它輻射的電磁波就是球面波，球心處的導引頭天線接收到的單個陣元的輻射信號就可以看成平面波，這時導引頭天線的指向就是點輻射源的位置。但是如果空間有多個輻射源，且它們都處在導引頭的同一個角分辨單元內，導引頭就會認為信號是從一個輻射源發出的，這時導引頭的指向就是球心處的各個陣元輻射信號合成後的等相位波前的法線方向。由於是多個輻射信號的合成，導引頭接收到的電磁波將是產生畸變的平面波，而且這種畸變是沒有對稱性的。當接收天線的口徑面大小不可忽略的時候，畸變的相位波前就會對導引頭的定位產生影響，這就是仿真系統中“近場效應誤差”產生的主要原因。
性質
下面就介紹“近場效應誤差”的一些性質：
(1)由於這種誤差和導引頭的口徑面的大小有關，所以當導引頭口徑面越小時“近場效應”造成的誤差就越小。
(2)當三元組陣元之間的間距越小時，導引頭位置處三組電磁波合成信號的相位波前的畸變就越弱。當陣元之間的距離足夠小時，三元組就可以看作一個點輻射源，它輻射的信號在導引頭處可以看做平面波，這也就沒有了“近場效應誤差”。
(3)當導引頭處合成信號相位波前的畸變有對稱性時，球心處的導引頭也不會有定位誤差。
可以做出總結，射頻制導仿真系統中“近場效應誤差”的產生和導引頭接收口徑面的大小、導引頭的工作波長、三元組陣元之間的間距、天線本身的結構以及其方向圖等許多因素有關。
研究現狀
近場效應誤差修正是保證射頻制導系統半實物仿真精度和置信度的前提，目前國內外己有一些學者針對此類問題進行了研究。
McPhersnn D A和Bishop C B分別寫的文章是最早有關半實物仿真中對射頻近場效應修正研究的文章，兩篇文章比較系統地介紹了近場問題對仿真試驗誤差的影響。Xiao S闡述了發射天線尺寸大小對電磁波影響，從而對射頻近場效應的影響。Qi Z重點關注對近場的建模問題。蔣慶平建立了模擬目標位置誤差補償的數學模型及高精度處理算法，並進行了仿真。但該文獻重點針對中國空空飛彈研究院現有的半實物仿真系統，一些參數設定不具有普遍性。近年來，隨著射頻仿真技術的不斷發展，射頻尋的式制導飛彈技術快速提高，使得雷達射頻制導飛彈的半實物仿真技術與設備正處於更新換代階段。王建針對天線球面的近場校準問題進行研究。隨著第四代飛彈的研製需求，《近場效應修正算法有效性驗證方法》主要針對高精度毫米波系統的研究。《一種基於單脈衝測角體制的陣列式目標模擬器校驗方法》是結合制導體制半實物仿真對近場效應影響的分析。
北京仿真中心航天系統仿真重點實驗室的馬靜等根據當前射頻制導仿真系統所面臨的新發展，結合射頻制導仿真系統的具體套用，介紹了採用單脈衝比幅測角方式的近場效應修正方法。該方法利用單脈衝比幅測角計算導引頭的到達角誤差。利用由調整三元天線組的輻射信號振幅可控制合成目標位置的方法，在三元天線組的輻射信號振幅的梯度方向上調整振幅，使得到達角誤差趨於零，得到目標在近場效應中的位置，從而反推出由近場效應帶來的目標位置誤差，生成方位角和俯仰角的近場效應誤差表格。他們針對實際套用，推導出適合於裂縫陣天線導引頭的單脈衝比幅測角模型，並針對均勻圓陣的波導裂縫陣天線特點，簡化了單脈衝比幅測角時所需要的和、差信號的計算方法。由該方法所產生的修正效應表格滿足實際套用的精度誤差要求，簡化後的單脈衝比幅測角在滿足精度要求的同時，大幅度地降低了算法的複雜度。
