極化誤差對(duì)干涉儀測(cè)角性能的影響

當(dāng)前，通信、雷達(dá)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等各種新型電子信息系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，使得電磁環(huán)境變得日益復(fù)雜，這對(duì)電子信號(hào)的情報(bào)偵察能力的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)接收機(jī)體制已不能滿足高密度復(fù)雜電磁環(huán)境的要求。自適應(yīng)信號(hào)處理由于能夠自適應(yīng)的調(diào)整和外界干擾環(huán)境的信號(hào)參數(shù)，可以在保持期望信號(hào)的前提下抑制干擾信號(hào)，從而在雷達(dá)、通信及聲納等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。然而，自適應(yīng)信號(hào)處理所要求的各個(gè)單元是理想的，并且各個(gè)接收機(jī)之間不存在誤差，這在實(shí)際的系統(tǒng)中是幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的，必然會(huì)存在著各種非理想特性。例如，實(shí)際陣列天線的各個(gè)單元往往存在非理想特性，在發(fā)射或接收電磁信號(hào)時(shí)，不僅能夠接收信號(hào)的共極化分量，也能夠接收信號(hào)的交叉極化分量，存在著一定的正交極化耦合度。在以往比相體制測(cè)角性能的研究中，往往側(cè)重分析各個(gè)接收通道之間幅度和相位的一致性問(wèn)題，而天線單元本身的交叉極化耦合問(wèn)題往往被忽略而未加考慮，這使得工業(yè)實(shí)際部門在對(duì)比相體制測(cè)角系統(tǒng)進(jìn)行鑒定和測(cè)試遇到問(wèn)題，有很多試驗(yàn)現(xiàn)象難以解釋。63892部隊(duì)的戴幻堯等從一個(gè)新的視角，即從干涉儀天線的極化誤差重新入手重新審視測(cè)角性能，首先給出了比相法測(cè)角的基本原理，然后對(duì)天線單元的接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，進(jìn)而研究和分析了天線單元的極化誤差對(duì)比相體制測(cè)角性能的影響，給出了解析的數(shù)學(xué)表達(dá)式，指出了在極化誤差的作用下，干涉儀的測(cè)角性能敏感于入射信號(hào)的極化狀態(tài)，最后通過(guò)仿真定性定量評(píng)估了測(cè)角性能，給出了部分實(shí)驗(yàn)結(jié)論。當(dāng)相位干涉儀的兩個(gè)天線單元( 或者多個(gè)天線單元) 的極化特性不一致時(shí)，會(huì)引起較大的角度測(cè)量誤差，并且該誤差和入射信號(hào)的極化狀態(tài)有關(guān)。因此，在實(shí)際系統(tǒng)鑒定中，不應(yīng)該只用一種極化的信號(hào)源對(duì)比相測(cè)角系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)該多改變信號(hào)的極化方式，進(jìn)而更加全面的干涉儀測(cè)角性能，該誤差難以有效校準(zhǔn)，下一步需要研究有效的誤差校準(zhǔn)方法。

在通信對(duì)抗測(cè)向試驗(yàn)中，根據(jù)配試裝備所發(fā)射的無(wú)線電波在被試裝備的接收天線端所感應(yīng)的無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)度分析而判定配試裝備的方位如果從配試裝備到被試裝備之間的無(wú)線電波的傳播沒(méi)有受到其他外來(lái)因素的影響，那么所測(cè)得的方位值應(yīng)該是比較準(zhǔn)確的但實(shí)際工作中的情況并非是理想的，無(wú)線電波在傳播過(guò)程中由于受到諸如電離層的分布狀況、地磁場(chǎng)、空間電磁波干擾等因素的影響，從而產(chǎn)生測(cè)向誤差。

通常的中波、短波測(cè)向中，到達(dá)測(cè)向天線體系處的電磁波，除了正常極化的地波外，還有來(lái)自電離層的反射波(天波)天波往往是非正常極化波他既有垂直極化分量，又有水平極化分量這種非正常極化波的電場(chǎng)(磁場(chǎng))的各個(gè)分量的振幅和相位關(guān)系也是隨時(shí)變化的。

在長(zhǎng)、中、短波測(cè)向中，大多數(shù)以接收垂直極化波的天線體系來(lái)測(cè)向這種測(cè)向機(jī)對(duì)于具有任意極化角和波前傾角的無(wú)線電波進(jìn)行測(cè)向時(shí)，會(huì)同時(shí)對(duì)垂直極化波和水平極化波產(chǎn)生接收由于所用的天線體系對(duì)垂直分量和水平分量接收的方向特性圖是不相同的，因此其合成方向特性圖會(huì)發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生測(cè)向誤差這種誤差稱為極化誤差。

極化誤差與測(cè)向機(jī)和被測(cè)目標(biāo)臺(tái)之間的距離有關(guān)。當(dāng)距離近時(shí)，地波占優(yōu)勢(shì)，極化誤差很小。隨著距離的增加，天波的比重增加，地波逐漸減小，極化誤差也隨之增加。待到地波已全部衰減，而僅靠天波來(lái)測(cè)向時(shí)，由于在這個(gè)區(qū)間反射波是很陡地入射，形成一個(gè)測(cè)向不穩(wěn)定的區(qū)域在該區(qū)域就不能滿意地進(jìn)行測(cè)向。當(dāng)距離繼續(xù)增大時(shí)，天波的波前傾角隨之下降，極化誤差亦開(kāi)始減小，測(cè)向準(zhǔn)確度也隨之提高。

在無(wú)線電測(cè)向中，減小極化誤差有多種措施，下而主要對(duì)常用的幾種加以討論

極化誤差多次測(cè)向取平均值法

間隔垂直天線的無(wú)線電測(cè)向機(jī)的極化誤差的特點(diǎn)是變化較快，對(duì)稱地出現(xiàn)于正確示向度的兩側(cè)，所以對(duì)多次連續(xù)取得的示向度數(shù)值來(lái)說(shuō)，也可以把極化誤差看作是隨機(jī)性的。

根據(jù)概率的計(jì)算，大量觀測(cè)中，絕對(duì)值相等、符號(hào)相反的隨機(jī)誤差出現(xiàn)的概率幾乎是相同的因而隨著測(cè)向次數(shù)的增加，其算術(shù)平均誤差逐漸趨近于零因此降低極化誤差的有效方法之一是長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量出多個(gè)示向度的數(shù)值，然后取其平均值如果把幾次測(cè)量的算術(shù)平均值看作是方位誤差，那么所得到的算術(shù)平均極化誤差要比根據(jù)單個(gè)方位得到的均方根極化誤差小

因此，長(zhǎng)時(shí)間多次測(cè)向，取平均值，可以大大地降低極化誤差。

極化誤差選擇抗極化誤差的無(wú)線電測(cè)向體制

為了較好地減小極化誤差，通常采用各種抗極化誤差的測(cè)向體制，主要有采用間隔雙環(huán)天線體系構(gòu)成的無(wú)線電測(cè)向機(jī)，采用H型天線體系構(gòu)成的測(cè)角系統(tǒng)，采用U型天線體系，采用變壓器禍合的阿德柯克天線體系以及各種方式的綜合應(yīng)用等。由于阿德柯克天線體系應(yīng)用比較廣泛，以此種測(cè)向體制為例做以技術(shù)分析。

阿德柯克天線體系是為了使兩根水平饋線容易實(shí)現(xiàn)其負(fù)載平衡、對(duì)稱而采用變壓器禍合的天線體系其典型電原理圖如圖1所示。

采用磁禍合的優(yōu)點(diǎn)是可以增大天線體系下半部閉合回路的阻抗，從而可以避免由于上、下兩部分回路不平衡而引起的極化誤差在這種情況下，變壓器的匝間電容愈小愈好因?yàn)樵撾娙萦?，饋線愈容易保持平衡，接收的水平極化分量愈易抵消因而引起的極化誤差也愈小。

圖1中變量器偏離垂直天線的中心，其目的是為了減少垂直、水平、導(dǎo)線間的靜電禍合在這種禍合方法中，對(duì)極化誤差影響最大的是通過(guò)變壓器初、次級(jí)線圈間的雜散電容C，而流入天線下半部閉合回路的電流因此，為了減小該雜散電容C的有害影響，可以把初、次級(jí)線圈屏蔽起來(lái)。

如果變壓器制造的的完全平衡，饋線也制作成完全平衡對(duì)稱，那么采用變壓器禍合的天線體系，理論上可以做到極化誤差為零但是實(shí)際上，由于制造工藝不可能達(dá)到這種要求，因此總有一些不平衡存在，因此這種電路只能起到降低極化誤差的作用.

這種型式的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是可以降低極化誤差，其缺點(diǎn)是制作困難，如:整個(gè)變壓器的設(shè)計(jì)制造均應(yīng)完全一致，禍合系數(shù)及其他一切參數(shù)均應(yīng)對(duì)應(yīng)相等，否則，將會(huì)產(chǎn)生阻抗不相等或電流相位不一致等誤差。在電氣上要求這個(gè)禍合系數(shù)愈大愈好，以便有較高的靈敏度，而且在各波段中不應(yīng)有諧振點(diǎn)，所以對(duì)其電感量的選擇應(yīng)特別注意。

由于性能良好的高頻磁芯以及傳輸線式變量器的出現(xiàn)，可以在很寬的頻帶范圍內(nèi)，以很低的損耗使天線至接收機(jī)間由不平衡傳輸為平衡傳輸，因此大大降低了極化誤差，所以這種變壓器禍合方式應(yīng)用比較廣泛。

不同電介質(zhì)的極化程度是不一樣的。為了分析電介質(zhì)極化的宏觀效應(yīng)，常引入極化強(qiáng)度P這一物理量來(lái)表征電介質(zhì)的極化特性。極化強(qiáng)度是一個(gè)矢量，定義單位體積內(nèi)電偶極子電矩的矢量和為極化強(qiáng)度。

線極化波又有水平極化波和垂直極化波之分。電場(chǎng)的兩個(gè)分量沒(méi)有相位差（同相）或相位差為180度（反相）時(shí)，合成電場(chǎng)矢量是直線極化。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于地面時(shí)，此電波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行于地面時(shí)，此電波就稱為水平極化波。

若電場(chǎng)矢量在空間描出的軌跡為一個(gè)圓，即電場(chǎng)矢量是圍繞傳播方向的軸線不斷地旋轉(zhuǎn)，則稱為圓極化波。

電磁波極化E極化波

平面電磁波入射波的E波沿Y方向極化，稱E極化波。也稱TE波 。

電磁波極化H極化波

平面電磁波入射波的H波沿X方向極化，稱H極化波。也稱TM波。

電磁波極化右旋極化波

一個(gè)橢圓的或圓的極化波，它的電場(chǎng)向量在任一正交于傳播方向的固定平面內(nèi)，沿著傳播方向觀察時(shí)，隨著時(shí)間沿右手或順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

電磁波極化左旋極化波

一個(gè)橢圓的或圓的極化波，它的電場(chǎng)向量在任一正交于傳播方向的固定平面內(nèi)，沿著傳播方向觀察時(shí)，隨著時(shí)間沿左手或逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

電磁波極化圓極化波

圓極化波可由兩正交且具有90度相位差的分量合成產(chǎn)生，根據(jù)矢量端點(diǎn)旋轉(zhuǎn)方向的不同，圓極化可以是右旋的，也可以是左旋的。

具體判斷可按如下方式進(jìn)行：將右手大拇指指向電磁波的傳播方向，其余四指指向電場(chǎng)強(qiáng)度E的矢端并旋轉(zhuǎn)，若與E的旋轉(zhuǎn)一致，則為右旋圓極化波；若與E的旋轉(zhuǎn)相反，則為左旋圓極化波。

當(dāng)有電流通過(guò)電極時(shí)，因離子擴(kuò)散的遲緩性而導(dǎo)致電極表面附近離子濃度與本體溶液中不同，從而使電極電勢(shì)與j_r 發(fā)生偏離的現(xiàn)象，稱為“濃差極化”。電極發(fā)生濃差極化時(shí)，陰極電勢(shì)總是變得比j_r低，而陽(yáng)極電勢(shì)總是變得比j_r高。因濃差極化而造成的電極電勢(shì) j_I與j_r之差的絕對(duì)值，稱為“濃差過(guò)電勢(shì)”。濃差過(guò)電勢(shì)的大小是電極濃差極化程度的量度。其值取決于電極表面離子濃度與本體溶液中離子濃度差值之大小。因此，凡能影響這一濃差大小的因素，皆能影響濃差過(guò)電勢(shì)的數(shù)值。例如，需要減小濃差過(guò)電勢(shì)時(shí)，可將溶液強(qiáng)烈攪拌或升高溫度，以加快離子的擴(kuò)散；而需要造成濃差過(guò)電勢(shì)時(shí)，則應(yīng)避免對(duì)于溶液的擾動(dòng)并保持不太高的溫度。

離子擴(kuò)散的速率與離子的種類以及離子的濃度密切相關(guān)。因此，在同等條件下，不同離子的濃差極化程度不同；同一種離子在不同濃度時(shí)的濃差極化程度亦不同。極譜分析就是基于這一原理而建立起來(lái)的一種電化學(xué)分析方法，可用于對(duì)溶液中的多種金屬離子進(jìn)行定性和定量分析 。