1、第3章 通信信号的测向与定位第第3 3章章 通信信号的测向与定位通信信号的测向与定位3.1测向与定位概述测向与定位概述 3.2测向天线测向天线 3.3振幅法测向振幅法测向 3.4相位法测向相位法测向 3.5相关干涉仪测向相关干涉仪测向 3.6多普勒测向多普勒测向 3.7到达时差测向到达时差测向 3.8空间谱估计测向空间谱估计测向 3.9通信辐射源定位通信辐射源定位 习题习题 第3章 通信信号的测向与定位无线电测向和定位就是确定通信辐射源的来波方向和位置。对通信信号的测向和定位既是通信对抗系统领域的一个重要和相对独立的技术领域，也是通信侦察系统的重要组成部分。本章重点讨论通信信号测向定位的基本原
2、理和方法。 第3章 通信信号的测向与定位3.1 测向与定位概述测向与定位概述3.1.1通信辐射源测向系统组成通信辐射源测向系统组成通信测向系统包括测向天线、接收机、处理器、控制器和显示器等设备。其基本组成如图3.1-1所示。测向天线接收空间的电磁信号，在少数情况下，测向天线由单个天线构成。在大多数情况下，测向天线由在空间按照一定规律排列的多个天线阵元构成，根据不同的测向方法，这些天线阵元形成不同的结构，实现测向系统的要求。测向接收机的主要功能是对天线系统送来的信号进行选择和放大，为随后的测向处理提供幅度特性和相位特性合适的中频信号。根据测向方法的不同，测向接收机可以采用单信道和多信道的接收机。
3、第3章 通信信号的测向与定位图3.1-1通信测向设备的基本组成 第3章 通信信号的测向与定位测向处理、控制及显示单元的主要功能是对测向接收机送来的含有方位信息的测向信号进行模/数(ADC)变换、处理和运算，从信号中提取方位信息，并对测向结果进行存储、显示或打印输出。它的另一功能是控制测向设备各组成部分(测向天线、接收机、测向处理显示器、输出接口等)协调工作，例如测向天线的阵元转换、接收机本振及信道的控制、测向工作方式的选择、测向速度及其他工作参数的设置、测向设备的校准以及测向结果的输出等均由测向处理控制显示单元来控制。测向处理部分的具体工作原理和工作过程因测向设备的不同而不同，对此我们将在后面
4、的有关章节中作相应介绍。第3章 通信信号的测向与定位3.1.2通信测向和定位技术分类通信测向和定位技术分类通信测向和定位系统的分类比较复杂，它可以按照工作频段、运载平台和工作原理等进行分类。由于通信信号的来波方向可以从信号的幅度、相位、多普勒频移、到达时间等参数中获得，因此我们按照工作原理将测向方法分为振幅法、相位法、多普勒法、到达时差法等测向方法。(1)振幅法测向。根据测向天线阵列各阵元(单元天线)感应来波信号后输出信号的幅度大小，即利用天线各阵元的直接幅度响应或者比较幅度响应，测得来波到达方向的方法称为振幅法测向，也称幅度法测向。(2)相位法测向。根据测向天线阵列各阵元之间的相位差，测定来
5、波到达方向的方法称为相位法测向。如相位干涉仪测向、多普勒和准多普勒测向技术等。第3章 通信信号的测向与定位(3)多普勒法测向。利用测向天线自身以一定的速度旋转引起的接收信号附加多普勒调制进行测向的方法，称为多普勒法测向。多普勒法测向本质上属于相位法测向。(4)时差测向。根据测得的来波信号到达测向天线阵列中两个或两个以上不同位置的阵元的时间差来测定来波到达方向的方法称为到达时间差测向，简称时差测向。(5)空间谱估计测向技术。空间谱估计测向是将测向天线阵列接收的信号分解为信号与噪声两个子空间，利用来波方向构成的矢量与噪声子空间正交的特性测向。 无源定位是在通信测向的基础上发展起来的，因而利用测向的
6、结果进行定位计算或估计是最经典和最成熟的定位技术，称为测向定位法。后来，随着各种测向和定位技术的开发及利用，时差定位、多普勒频移定位、测向和频差以及时差和频差的联合定位也逐步发展并进入了实用阶段。第3章 通信信号的测向与定位3.1.3通信测向和定位设备的主要指标通信测向和定位设备的主要指标测向和定位设备在电性能、物理性能、环境和使用要求及接口功能等多方面都有严格的指标要求。本节主要讨论测向和定位设备在电性能方面的主要指标。(1)工作频率范围。工作频率范围是指通信测向和定位系统的工作频率范围。例如，短波测向设备的工作频率范围通常为1.530MHz；超短波测向设备的工作频率范围目前多数为20100
7、0MHz或301000MHz。(2)测向范围。测向范围是指通信测向和定位系统的可测向的空域范围。如方位全向工作、半向工作或者部分方向测向等。第3章 通信信号的测向与定位(3)瞬时处理带宽。当要求能对短持续时间信号(如短脉冲、跳频信号)进行测向或定位时，为了保证测向或定位反应时间能适应对短持续时间信号搜索截获和采样方面的要求，对测向或定位设备的瞬时射频带宽和处理带宽(例如常用的FFT处理带宽)提出了相应的要求。通常测向或定位处理器的瞬时处理带宽决定了测向或定位设备的瞬时射频带宽。(4)测向和定位误差。测向和定位误差包括测向和定位准确度、测向和定位精度等指标。测向误差。测向误差表示在一定的来波信号
8、强度下测向设备测得的目标方位角与其真实方位角之差的统计值，这是测向设备最重要的指标。通常，这一指标有两种表述方式。 第3章 通信信号的测向与定位(a)设备测向误差：表示不包含测向天线的基本测向设备的测向误差。由于不涉及测向天线，不存在场地和周围环境的影响，因此这一误差很小，一般测向设备的测向误差均(0.51)范围内。(b)系统测向误差：表示包含测向天线在内的整个测向系统的总的测向误差。检测时，应在外场环境中把整个测向系统安装在规定的平台上，并在一定距离上开设目标电台，进行现场测试。在检测这一指标过程中，场地和周围环境对指标的测试结果影响很大，故对这一指标一般都要注明场地要求和周围环境要求。例如
9、对场地的大小、平坦度、周围的障碍物(山林、高楼、铁塔、高压线网等)和无关辐射源等都会提出一定的要求。 第3章 通信信号的测向与定位由于测试场地和周围环境对测向误差的影响不可能完全消除掉，因此系统测向误差不是用某一点上的测试结果来表示，而是用若干测试值的均方根值来表示。定位误差。当采用测向法定位时，测向误差将直接影响定位误差；当采用时差定位和其他定位方法时，时间及其他参数测量的准确度等原因直接影响定位误差。定位误差一般采用所确定的目标定位模糊区域的圆概率误差(CEP)(即用圆的直径与定位距离的比值)表示。(5)测向反应时间。测向反应时间通常有两种不同的表述方式。第3章 通信信号的测向与定位测向和
10、定位速度：表示测向或定位设备对目标完成一次测向或定位所需要的时间，它包括接到命令把接收机置定到被测频率上截获目标信号、进行处理运算以及把结果送到显示器显示出来这一过程所需要的全部时间。容许的信号最短持续时间：表示测向或定位设备为保证测向或定位精度所需要的被测信号的最短持续时间。一般测向或定位设备的处理器对接收机输出的中频信号需要通过采样完成模/数变换，而后进行处理运算。只有信号持续时间足够长，才能采集到足够数量的样本以保证相应的精度。(6)测向灵敏度。测向和定位灵敏度是在保证容许的测向示向度偏差(测向误差)或定位误差条件下所需被测信号的最小场强，通常以V/m为单位。 第3章 通信信号的测向与定
11、位测向灵敏度与工作频率有关。对一部宽频段工作的测向或定位设备而言，测向或定位灵敏度不能用某一个数值来表示，至少在不同的子频段内，灵敏度是不同的。所以在测向或定位设备产品性能介绍中，测向或定位灵敏度通常用一个数值范围来表述。有不少测向设备同时附有E0-f变化曲线，这种表述方式更为确切。测向灵敏度直接影响测向和定位误差。测向或定位误差与灵敏度直接相关，在表示测向或定位灵敏度指标时，必须同时注明容许的测向或定位误差。(7)测向方式。测向和定位设备的测向方式属于功能性要求，通常有守候式测向、扫描式测向、搜索引导式测向、规定时限的测向、连续测向等。 第3章 通信信号的测向与定位3.2 测向天线测向天线3
12、.2.1概述概述天线是通信对抗系统的传感器，其作用是将电信号转换为电磁信号(干扰)，或者将电磁信号转换为电信号(侦察和测向)。由于通信对抗系统感兴趣信号的频率范围非常宽，占据了很宽的频段，因此要求其天线是宽频段天线。在一般情况下，天线工作在一个相对较窄的频带内，因此可采用多副天线。而系统的安装空间是有限的，要在有限的空间中安装多副天线是难以实现甚至是不可能的。从这种意义上看，通信对抗系统需要使用在很宽的频率范围内都有效的宽频带天线。第3章 通信信号的测向与定位测向系统一般采用由多个单元天线(或称“阵元”)组合形成的天线阵列，以便确定来波的方向。在某些情况下，也可以采用一个单元天线完成测向任务。
13、天线阵的结构通常与测向方法密切相关，不同的测向方法需要不同的天线阵列结构。通信对抗系统覆盖的频率范围很宽，它通常在不同的频段使用不同的天线。在低频范围内常用的天线类型包括偶极子天线、单极子天线和对数周期天线，三者结构都比较简单，并且前两者是全向的，而后者有较好方向性和较宽的频带。本节简要介绍在通信侦察系统中常用的一些天线单元及其基本特点。天线通常具有互易性，即普通的天线既可以作为发射天线，也可以作为接收天线，所表现的特性是相同的。但是当使用有源天线时，天线中包含的放大器等有源器件是单向的，有源天线不再满足互易性特性。第3章 通信信号的测向与定位天线的三个重要参数是频率响应、方向性和阻抗特性。天
14、线的频率响应决定了天线可以有效发射或者接收信号的带宽，天线的方向性描述天线辐射的电磁信号的能量在空间各个方向的能量分布情况。当天线的阻抗与其负载或者源的阻抗匹配时，其驻波比最小，得到的辐射效率最高并且实现最大功率传输。天线的阻抗通常是一个复阻抗，需要共扼匹配才能达到最佳。天线的主要参数包括主瓣、半功率波束宽度、平均功率宽度、辐射方向、副瓣、副瓣电平、增益等，定义如图3.2-1所示。天线的有效面积用符号Ae表示，它决定了天线从它所在的空间中获取的电磁信号的总能量。不计损耗，天线获取的能量第3章 通信信号的测向与定位为PR=PdAe(3.2-1) 其中,Pd是天线周围的电磁信号的功率密度。注意天线
15、的有效面积并不是它的物理面积，一般为(0.40.7)倍的物理面积。天线有效面积和天线增益之间的关系如下：天线增益表明了天线的方向性，它是将有向天线的增益与一个全向天线进行比较，用它相对于全向天线增益的分贝数(dBi)度量天线的增益。换句话说，全向天线没有增益，它在各个方向的辐射功率相同。通信对抗系统中经常使用全向天线，因为事先并不知道目标信号在哪个方向辐射，因此假定目标可能出现在任何方向。 24eAG (3.2-2) 第3章 通信信号的测向与定位图3.2-1 天线的参数 第3章 通信信号的测向与定位3.2.2线天线线天线线天线由安装在某种支撑结构上的一段导体组成。如果它的中点作为馈入点，就构成
16、了偶极子天线，如果它的一端作为馈入点，就构成了单极子天线。1.偶极子天线偶极子天线偶极子天线是最常用的也是最简单的无源单元天线。它由同方向上对齐的两个阵元构成，图3.2-2是它的结构和辐射方向图。 天线的方向图与其物理尺寸有关。偶极子天线的方向图形状主要取决于它的长度。图3.2-2给出了L=/2和L=两种不同长度的天线的方向图。当L=/2(半波长)时，俯仰方向的3dB第3章 通信信号的测向与定位波束宽度为78，水平方向的3dB波束宽度为360。半波长偶极子天线增益为2dBi，天线有效面积为Ae=1.642/4。天线的增益与频率有关，当偏离中心频率时，天线增益会下降。 注意，上述给出的天线方向图
17、形状是假设天线是垂直于地面放置。如果天线垂直于地面放置，则它的极化方向也是垂直于地面，即天线的极化与它的电轴一致。 第3章 通信信号的测向与定位图3.2-2偶极子天线的结构和辐射方向图 第3章 通信信号的测向与定位2.单极子天线单极子天线单极子天线是由安装在地平面上的单个阵元构成的，图3.2-3是它的结构和辐射方向图。 单极子天线也是非常简单的天线，它是VHF频段内战术电台的常用天线形式。由于受地平面的影响，俯仰方向只要0以上有效，俯仰方向的3dB波束宽度接近45，水平方向的3dB波束宽度为360。单极子天线的长度一般是/4，其最大增益为0dB，天线有效面积Ae2/4。需要说明的是，这里地平面
18、在很多情况下并非真实的地面，而是电器地，如机箱外壳等。如果单极子天线安装在地面，则需要保证良好的接地，否则会影响其辐射性能。手持电话和移动通信系统使用的天线都属于单极子天线，在这些情况下，天线的方向图特性会变差。第3章 通信信号的测向与定位图3.2-3单极子天线的结构和辐射方向图 第3章 通信信号的测向与定位3.环形天线环形天线环形天线有与偶极子天线类似的辐射特性，其形状可以是圆环，也可以是任意形状的环。图3.2-4是环形天线的结构和辐射方向图。 图3.2-4是环形天线垂直放置的情况。其俯仰方向为全向，即360，水平方向的3dB波束宽度为两个90。环形天线有效面积Ae0.632/4。一般情况下
19、，环的半径比波长小得多。第3章 通信信号的测向与定位图3.2-4 环形天线的结构和辐射方向图 第3章 通信信号的测向与定位4.交叉环天线交叉环天线环形天线的一个重要形式是交叉环天线。交叉环天线由两个互相垂直的圆环(或矩形环)、宽带移相器和功率相加器等部分组成。垂直环的二路输出信号经移相器时产生90相移，再送入相加器相加或相减，产生各向同性输出，其结构如图3.2-5所示。 以上几种单元天线均属无方向性天线，其中环形天线和水平偶极子天线是无线电测向设备早期经常使用的一种测向天线，多用于短波波段。交叉环天线也是短波测向天线中广泛使用的天线之一。第3章 通信信号的测向与定位图3.2-5 交叉环天线 第
20、3章 通信信号的测向与定位5.对数周期天线对数周期天线对数周期天线结构和辐射特性示意图如图3.2-6所示。 对数周期天线是一种宽带天线，是传统的电视机室外天线。对数周期天线由数个不同长度的偶极子天线组成，各阵子的间距与天线工作频率成对数关系，使得对数天线可以覆盖很快的频率范围，甚至可以得到10 1。它的俯仰方向的3dB波束宽度约为80，水平方向的3dB波束宽度约为60。其最大增益约为6dBi，天线有效面积Ae42/(4)。第3章 通信信号的测向与定位图3.2-6 对数周期天线结构和辐射特性示意图 第3章 通信信号的测向与定位6.螺旋天线螺旋天线螺旋天线由绕成多匝的线圈构成，其结构示意图如图3.
21、2-7所示。 螺旋天线有多种形式，如正向螺旋天线、轴向螺旋天线、锥形螺旋天线、平面螺旋天线等，每种形式的天线的特性不同。螺旋天线产生的电磁波是圆极化的或者椭圆极化的，螺旋的直径尽可能与信号波长一致，以满足辐射特性的要求。轴向螺旋天线的是一种宽带定向天线，其增益约为1220dBi，天线有效面积为Ae=42/82/。对数周期螺线天线的带宽很宽，可以覆盖34个倍频程，其增益约为06dBi。天线的辐射特性是定向的，波束宽度为80左右。 第3章 通信信号的测向与定位图3.2-7 螺旋天线结构示意图 第3章 通信信号的测向与定位3.2.3口径天线口径天线与线天线不同，对电磁波的传播而言，口径天线呈现的是一
22、种二维结构，而线天线呈现的是一维结构。此外，口径(面)天线主要应用在频率较高的场合。1.喇叭天线喇叭天线喇叭天线被广泛应用于高频段。它通常使用波导馈入激励信号，在波导的尾部，其开口逐步变宽，形成喇叭式口径天线。喇叭天线的结构和辐射特性示意图如图3.2-8所示。 喇叭天线是定向天线，其辐射方向指向喇叭口径面的法线方向，天线的最大有效面积Ae=0.81A，A是口径的物理面积。除了普通喇叭天线外，为了扩展频率范围，可以使用双脊喇叭天线，其工作频率范围可以达到几个倍频程。 第3章 通信信号的测向与定位图3.2-8 喇叭天线的结构和辐射特性示意图 第3章 通信信号的测向与定位2.抛物面天线抛物面天线抛物
23、面天线是一种反射天线，它的馈源放置在抛物反射面的焦点上，馈源辐射的电磁波经过抛物面反射后形成波束。这类天线具有极好的增益和方向性性能，在高频范围获得了广泛的应用。它的波束宽度的变化范围为0.530，增益变化范围为1055dBi。3.2.4有源天线有源天线天线通常是无源器件。如果使用有源器件(如放大器)来改善某些短小天线的某些特性，或者减小天线的尺寸，这类天线就称为有源天线。天线的增益与其长度有关，因此天线收集的电磁信号的能量随着天线长度的增加而增加。连接到短小尺寸天线输出端口第3章 通信信号的测向与定位的放大器可以对天线收集的微弱信号进行放大，使得信号功率增加，提高有源天线输出信号功率，获得一
24、定的增益。有源天线的带宽与天线元和有源放大器的频带两者有关，因此在宽带应用中，有源放大器通常使用宽带低噪声放大器。由于放大器不是在全部工作频率范围内都具有线性特性，因此放大器可能会出现强弱信号之间的交调干扰，这是有源天线设计中必须考虑的。有源天线的主要优点是尺寸小，与相同特性的无源天线相比，它的尺寸要小得多。这一点在较低频率范围(HF或者以下)是十分重要的，因为在这个频段天线尺寸是很大的。目前有源天线的噪声可以设计得很小，互调问题也得到很好的解决，所以在高频、甚高频和特高频频段各种测向天线中得到了广泛的应用。 第3章 通信信号的测向与定位3.2.5阵列天线阵列天线可以将前面讨论的偶极子天线、喇
25、叭天线、螺旋天线等单个天线元组合起来，形成各种天线阵列，实现相控阵天线和各种测向天线。这些阵列天线可以表现出单个天线难以实现的辐射特性。天线阵列的排列方式比较灵活，如可以排列成L形、T形、均匀圆阵、三角形、多边形等。图3.2-9给出了几种常用的阵列天线的阵元分布图。图3.2-9(a)、(b)、(c)所示三种阵列天线是相位干涉仪测向方法经常使用的阵列形式，圆阵在多普勒测向方法和相关干涉仪测向方法中经常使用，矩形阵列经常作为相控阵天线阵列使用。阵列天线的应用与测向方法有关，需要结合测向方法进行说明，相关的内容将结合后续各节的测向方法进一步讨论。第3章 通信信号的测向与定位图3.2-9 几种常用的阵
26、列天线的阵元分布图 第3章 通信信号的测向与定位3.3 振幅法测向振幅法测向振幅法测向是利用天线对不同方向来波的幅度响应测量通信信号的到达方向的。振幅法测向方法有最大幅度法、相邻比幅法等。3.3.1最大幅度法最大幅度法1.最大幅度法测向的基本原理最大幅度法测向的基本原理最大幅度法测向的基本原理是，利用波束宽度为r的窄波束侦察天线，以一定的速度在测角范围AOA内连续搜索，当收到的通信信号最强时，侦察天线波束指向就是通信辐射源信号的到达方向角。其基本原理如图3.3-1所示。第3章 通信信号的测向与定位图3.3-1 最大幅度法测向的原理 第3章 通信信号的测向与定位最大幅度法通常采用两次测量法，以提
27、高测角精度。在天线搜索过程中，当通信辐射源信号的幅度分别高于、低于检测门限时，分别记录波束指向角1和2，且将它们的平均值作为到达角的一次估值：2.测角精度和角度分辨率测角精度和角度分辨率最大幅度法的测角误差包括系统误差和随机误差，其中系统误差主要来源于测向天线的安装误差、波束畸变和非对称误差等，可以通过各种系统标校方法消除或者减小。这里主要讨论随机误差。 )(2121(3.3-1) 第3章 通信信号的测向与定位测角系统的随机误差主要来自系统噪声。由于噪声的影响，检测出的角度1和2出现偏差1和2，通常这两个偏差是均值为零的随机过程。由于两次测量的时间较长，可以认为1和2是统计独立的，并且具有相同
28、的分布，因此测角均值是无偏的，其中E是统计平均。角度测量方差为 )(21)(21212211E(3.3-2) DDDD21212121(3.3-3) 第3章 通信信号的测向与定位设检测门限对应的信号电平为A(最大增益电平的一半)，噪声电压均方根为n，天线波束的公称值为，将噪声电压换算成角度误差的均方根值，即 rANSADrrn/21 (3.3-4) 其中,，即测角方差为NSAn)/(2/2NSADrrn(3.3-5) 可见，最大幅度法的测角误差与波束宽度的平方成正比，与检测信噪比成反比。第3章 通信信号的测向与定位最大幅度法的角度分辨率主要取决于测向天线的波束宽度，而波束宽度与天线口径d有关。
29、根据瑞利光学分辨率准则，当信噪比大于10dB时，角度分辨率为最大幅度法主要应用在微波波段，微波波段容易得到具有强方向性的天线。它的优点是：(1)测向系统灵敏度高；(2)成本低，只需要单个通道；(3)具有一定的多信号测向能力；(4)测向天线可以与监测共用。最大幅度法测向的缺点是：(1)空域截获概率反比于天线的方向性；(2)难以对驻留时间短的信号测向；(3)测向误差较大。)(70dr(3.3-6) 第3章 通信信号的测向与定位3.3.2最小振幅法最小振幅法与最大幅度法测向类似，最小幅度法测向的基本原理是，利用波束宽度为r的窄波束侦察天线，以一定的速度在测角范围AOA内连续搜索，当收到的通信信号最小
30、时，侦察天线波束指向就是通信辐射源信号的到达方向角。最小幅度法实际上是将侦察天线的波束零点对准来波方向。当波束零点对准来波方向时，天线感应信号为零，测向接收机输出信号为零，此时天线零点方向就判断为来波方向。最小幅度法的测向精度和角度分辨率比最大幅度法高，测向方法简单，可以使用简单的偶极子天线测向。这种方法主要用于长波和短波波段。 第3章 通信信号的测向与定位3.3.3单脉冲比幅法单脉冲比幅法单脉冲相邻比幅法使用N个相同方向图函数的天线，均匀分布到360方向。通过比较相邻两个天线输出信号的幅度，获得信号的到达方向。相邻比幅测向法是单脉冲测向技术的一种，典型的四通道单脉冲测向系统组成原理如图3.3
31、-2所示。 每个天线分别对应一个接收通道，接收通道由射频放大、检波、放大等组成。将N个具有相同方向图的天线均匀分布在0，2方位内，相邻天线的张角为s=2/N，设各天线方向图函数为F(is),i=0, 1, , N1(3.3-7)第3章 通信信号的测向与定位图3.3-2 四通道单脉冲测向系统组成原理 第3章 通信信号的测向与定位各个天线接收的信号经过相应的幅度响应为Ki的接收通道，输出信号的包络为si(t)=lgKiF(is)A(t),i=0,1,N1(3.3-8)其中,A(t)是接收信号的包络。设天线方向图是对称的，即F()=F()，当通信信号到达方向位于任意两个天线之间，且偏离两天线等信号轴
32、的夹角为时，其关系如图3.3-3所示。对应通道输出的信号分别为)(2)()(2)(2211tAFKtstAFKtsss(3.3-9) 第3章 通信信号的测向与定位图3.3-3 相邻天线方向图 第3章 通信信号的测向与定位将两个通道的输出信号相除，得到其输出电压比为还可以用分贝表示其对数电压比 22)()(2121ssFKFKtstsR(dB) 22 lg1021dBssFKFKR(3.3-10) (3.3-11) 第3章 通信信号的测向与定位当各通道幅度响应为Ki完全相同时，上式可以简化为式(3.3-12)给出了两个通道输出电压与到达方向的关系，也是相邻比幅法测向的基础。在系统中，方向图函数F
33、()和天线张角是已知的，因此可以利用上式计算到达方向角。当采用高斯方向图函数时，方向图的表达式为 22ssFFR(3.3-12) (3.3-13) 2238631e)(r.F第3章 通信信号的测向与定位其中,r是半功率波束宽度。设K1=K2，将F()代入对数电压比表达式，得到或者可见，波束越窄，天线越多，误差越小。与最大/最小振幅测向法相比，相邻比幅测向法的优点是测向精度高，具有瞬时测向能力，但是其设备复杂，并且要求多通道的幅度响应具有一致性。 (dB) 122rsR (3.3-14) Rsr122(3.3-15) 第3章 通信信号的测向与定位3.3.4沃森沃森-瓦特比幅法瓦特比幅法沃森-瓦特
34、(Watsonwatt)测向属于比幅测向法。它利用正交的测向天线接收的信号，分别经过两个幅度和相位响应完全一致的接收通道进行变频放大，然后求解或者显示(利用阴极射线管显示)反正切值，解出或者显示来波方向。沃森-瓦特测向法具体实现时，可以采用多信道(三信道)，也可以采用单信道。现代沃森瓦特测向设备增加了自动数字测向、数字信号处理等微电子技术，使设备的功能更强，性能更高，得到广泛的应用，其构成框图如图3.3-4所示。第3章 通信信号的测向与定位图3.3-4 沃森-瓦特测向设备组成 第3章 通信信号的测向与定位下面以四天线阵(爱德柯克，Adcok)为例，说明沃森-瓦特测向的基本原理。如图3.3-5所
35、示，当一均匀平面波以方位角、仰角照射到正交的天线阵。设天线阵中心点接收电压为U0(t)=A(t)cos(t+0)(3.3-16)以正北方向为基准，在圆阵上均匀分布的四个天线单元获得的电压为cossin)cos()(cossin)cos()(coscos)cos()(coscos)cos()(0E0W0S0NdttAtUdttAtUdttAtUdttAtU(3.3-17) 第3章 通信信号的测向与定位图3.3-5 沃森-瓦特测向的天线位置关系 第3章 通信信号的测向与定位式中，为电波入射仰角；为电波入射方位角；d为天线阵直径；为信号波长；为信号角频率；A(t)为信号包络。天线阵的输出是两组天线的
36、电压差，即)sin(cossin)sin(2)()()()sin(coscos)sin(2)()()(0WEEW0NSSNtdtAtUtUtUtdtAtUtUtU(3.3-18) 当d时，上式可化简为)sin(cossin)(2)()sin(coscos)(2)(0EW0SNtdtAtUtdtAtU(3.3-19) 第3章 通信信号的测向与定位可见，天线阵列输出的差信号的幅度分别是方位角的余弦函数和正弦函数，是仰角的余弦函数。天线阵输出的和信号为)()cos(2 cossincoscoscoscos)cos(2 )()()()()(00EWNS,CttAddttAtUtUtUtUtU(3.3-
37、20) 注意到，当且仅当满足0cossincoscoscoscos)(dd,C(3.3-20) 第3章 通信信号的测向与定位或者0)4cos(cos22cos)4coscos22cos2d(d或者时，和信号的正交项U(t)=2A(t)sin(t+0)C(,)与两个差信号同相，它们的乘积分别为22dcossin)(2)(2cos1)(2)(coscos)(2)(2cos1)(2)(02EW02SNd,CttAtVd,CttAtV(3.3-21) 第3章 通信信号的测向与定位经过低通滤波后，输出信号为可以求得和分别为cossin)()(2)(coscos)()(2)(2EW2SNd,CtAtWd,
38、CtAtW(3.3-22) )()(arctanSNEWtWtW222SN2EW)()()()()(arccostUtUtAdtWtW(3.3-23) (3.3-24) 第3章 通信信号的测向与定位传统的沃森-瓦特测向采用CRT显示到达角。将两个差通道输出电压分别送到偏转灵敏度一致的阴极射线管的垂直和水平偏转板上，在理想情况下，在荧光屏上将出现一条直线，它与垂直方向的夹角就是方位角。一般情况下，电波存在干涉，显示的图形就不再是一条直线而是一个椭圆，它的长轴是指示来波方向。传统的沃森-瓦特测向采用数字信号处理技术，通过数字滤波器提取信号，计算来波方向。多信道沃森-瓦特测向的特点是测向时效高、速度
39、快、测向准确、可测跳频信号，并且CRT显示可以分辨同信道干扰。但是其系统复杂，并且要求接收机通道幅度和相位一致，实现的技术难度较高。单信道沃森-瓦特测向系统简单、体积小、重量轻、机动性能好，但是测向速度受到一定的限制。第3章 通信信号的测向与定位3.4 相位法测向相位法测向相位干涉仪测向是根据电波从不同的方向到达测向天线阵时，各天线阵元接收的信号的相位不同，通过测量来波的相位和相位差，可以确定来波方向。相位干涉仪的最简单结构是单基线干涉仪，此外还有多基线干涉仪等形式。3.4.1单基线干涉仪测向单基线干涉仪测向在原理上相位干涉仪可以实现快速测向。下面利用单基线的相位干涉仪说明其原理，单基线相位干
40、涉仪原理如图3.4-1所示。第3章 通信信号的测向与定位图3.4-1 单基线相位干涉仪原理 第3章 通信信号的测向与定位单基线相位干涉仪有两个完全相同的接收通道。设有一个平面电磁波从天线视轴夹角方向到达测向天线1和2，则天线阵输出信号相位差为其中,是信号波长；l是天线间距，也称为基线长度。如果两个接收通道的幅度和相位响应完全一致，那么正交相位检波输出为(3.4-1)sin2 lsincosKUKUSC(3.4-2) 第3章 通信信号的测向与定位K为系统增益。进行角度变换，得到测向输出为lUUCS2arcsin arctan (3.4-3) 由于鉴相器的无模糊相位检测范围为,，因此单基线干涉仪的
41、无模糊测角范围max，max为l 2arcsinmax(3.4-4) 对式(3.4-3)求微分，可以得到测角误差的关系如下：第3章 通信信号的测向与定位tancos2sin2cos22lll(3.4-5) 由上式可见：测角误差主要来源于相位误差和频率不稳定误差，误差大小与到达角有关。在天线视轴方向(0)误差最小，在基线方向(=/2)误差非常大，是测向的盲区。因此，一般将单基线干涉仪的测向范围限制在/3,/3内。相位误差包括相位测量误差、系统噪声引起的误差等。相位误差与l/成反比。l越长，测向精度越高，但无模糊测角范围越小。因此，单基线干涉仪测向难以解决高的测向精度与大的测角范围的矛盾。第3章
42、通信信号的测向与定位3.4.2一维多基线相位干涉仪测向一维多基线相位干涉仪测向在多基线相位干涉仪中，利用长基线保证精度，短基线保证测角范围。多基线相位干涉仪原理如图3.4-2所示。其中，0天线为基准天线，它与其他天线的基线长度分别为l1、l2、l3，且满足231244llll四个天线接收的信号经过混频、限幅放大，送给三路鉴相器，其中0通道为鉴相的基准。经过鉴相得到6个输出信号为sin1,cos1,sin2,cos2,sin3,cos3。其中第3章 通信信号的测向与定位图3.4-2 多基线相位干涉仪原理 第3章 通信信号的测向与定位4sin24sin2sin23312211lll(3.4-7)
43、这6路信号经过加减电路、极性量化器、编码器产生8bit方向码输出，其方法与比相法瞬时测频接收机类似。设一维多基线干涉仪的基线数为k，相邻基线长度比为n，最长基线编码器的量化位数为m，则其理论测向精度为11max2mkn(3.4-8) 一维多基线干涉仪的基线长度可以等间距，也可以不等间距安排。目前已经提出了分数比基线，可以很好地利用最小的基线数解决解模糊的问题。第3章 通信信号的测向与定位3.4.3二维圆阵相位干涉仪测向二维圆阵相位干涉仪测向上面介绍的是一维相位干涉仪的基本原理，它的原理可以很容易地推广到二维和多维相位干涉仪，这样就可以同时测量方位和俯仰角。二维相位干涉仪的天线的排列方式比较灵活
44、，如L形、T形、均匀圆阵、三角形、多边形等。下面简单介绍一种二维圆阵相位干涉仪测向原理。设构成基线组的三个阵元分布在半径为R的圆周上，以圆心为坐标原点建立坐标系如图3.4-3所示。将圆心与阵元1的连线称为基线组主轴方向，与其垂直的方向为主轴法线方向；主轴方向与x轴正方向的夹角为主轴指向；天线阵元2、3相对基线组主轴对称分布，与圆心的连线和主轴方向的夹角分别为；窄带信号s(t)的到达方向为(，)，其中是方位角，是仰角。第3章 通信信号的测向与定位图3.4-3 三元圆阵结构示意图 第3章 通信信号的测向与定位各天线阵元的接收信号可以表示为其中,ri为天线位置矢量;=2/;为波达方向的导向矢量，即
45、设i为天线阵元i接收的信号相对于到达坐标原点处信号的时延相位，则天线阵元1、2和天线1、3之间接收信号的真实相位差12和13分别为321 j)exp()exp()(,i,tsrjtstxiiTi(3.4-9) Tzyx,sinsincoscoscos(3.4-10) 2sin2sincos22sin2sincos231132112RR(3.4-11) 第3章 通信信号的测向与定位对12和13分别进行和差运算，得到2cossincos2sin42sincoscos2sin412131213RRDS(3.4-12) 其中,S和D是基线组的真实和相位、真实差相位。设是在阵列平面上的投影，即=x+jy
46、，根据式(3.4-10)有=cos(cos+jsin)=coscos()+jsin()(cos+jsin)(3.4-13)第3章 通信信号的测向与定位令=cos()+jsin()，由式(3.4-12)可得到的估计为2cos2sin4j2sin2sin4 RRjDSyx(3.4-14) 综合上面两式，可以得到并且真实到达角估计为(3.4-15)jexp ,yyarccos arctan(3.4-16) 第3章 通信信号的测向与定位注意到，在式(3.4-11)中，当天线间距与波长的比值能会大于，|S|和|D|也可能会大于。但是在实际应用中，根据接收信号和干涉仪鉴相原理计算出的相位差是小于，(,，其
47、和差,(2,2，实际计算所得到的相位差和真实相位差不一致，即出现相位模糊现象。因此，为了得到正确的到达角估计值，需要解相位模糊。假设无相位模糊，那么由式(3.4-16)，设方位角和仰角的估计误差分别为和，根据全微分公式有时，天线间真实相位差|12|和|13|可212sin2Rd1213SD第3章 通信信号的测向与定位sin2cos2sin2sin42sinsin2coscoscos2cos2sin2sin42cossin2sinRRcosDSSD(3.4-17) 其中,S和D分别为和相位与差相位的测量误差。因此可以得到如下结论：(1)方位角和仰角的估计误差与基线组和相位、差相位的测量误差s和D
48、成正比，与天线间距和信号波长的比R/成反比。 第3章 通信信号的测向与定位(2)测量准确度与入射波的方位角和仰角有关。当S和D固定时，估计误差随入射方位角的改变以正弦关系变化；和分别与cos和sin成反比关系，即入射波仰角越低，对方位角的估计精确度越高，对仰角的估计越差。相位干涉仪测向的特点是具有较高的测向精度，但测向范围有时不能覆盖全方位，其测向灵敏度高，速度快。干涉仪可以方便地与现代数字信号处理技术结合，是一种得到广泛应用的测向技术。其缺点是没有同时信号分辨能力，因此通常必须先对信号进行频率测量，才能进行方向测量；另外，其技术复杂、成本高。第3章 通信信号的测向与定位3.5 相关干涉仪测向
49、相关干涉仪测向相关干涉仪测向本质上属于矢量法测向，它是通过测量天线阵列的各阵元间复数电压分布来计算出电波方向的方法，相关干涉仪和空间谱估计都属这种方法。相关干涉仪采用多阵元天线，按照它的接收机通道数目，分为单通道、双通道和多通道相关干涉仪，其基本原理是相同的。下面以双通道为例，介绍相关干涉仪的基本组成和工作原理。3.5.1双通道相关干涉仪的组成双通道相关干涉仪的组成双通道相关干涉仪采用多阵元天线、双通道接收机，实现对信号的监测和测向，可以分时实现全方位的测向，得到较高第3章 通信信号的测向与定位测向精度。天线阵接收的无线电电波信号，经天线开关切换后进入两个射频通道，变频为中频信号，再由两路AD
50、C进行采样，采样数据做FFT处理。经过多次天线切换后，可以计算出不同天线接收的信号的相位和相位差，最后进行相关干涉测向处理得到信号的方位角。其基本原理如图3.5-1所示。双通道相关干涉仪采用分时工作方式，可以分时实现全方位测向。其测向时间比多通道长，但是设备量小、成本低。第3章 通信信号的测向与定位图3.5-1 双通道相关干涉仪的原理框图 第3章 通信信号的测向与定位3.5.2双通道相关干涉仪的测向过程双通道相关干涉仪的测向过程相关干涉仪实际上是将测量得到的信号电压样本与预先存储的模板数据进行相关运算，按照相关性判断来波方向。其测向过程如下所述：(1)设置一个天线阵列，天线阵列一般为圆形，阵元
