电扫描比幅的无线电测向技术

日期：2009年5月12日

社会的发展促使无线电事业迅速发展，无线电管理已成为国家非常重视的工作。无线电测向技术作为加强无线电管理的一种重要的技术手段，近年来已得到业界越来越多的关注。根据测向原理，其体制可分为比幅式测向、比相式测向、多普勒测向、时间差测向和空间谱估计测向等。比幅测向系统由于其结构简单、性能稳定、精度较高等优点而被广泛运用于无线电测向领域。多波束比幅测向系统广泛应用在现代雷达截获接收机中，其一般采用多波束天线阵，系统要求每个窄波束天线和其接收通路都有着严格一致的幅度特性。电扫描比幅无线电测向系统同样可应用于各种通信信号等不明信号的测向监测，基于单接收通道的比幅测向系统降低了各通道幅度特性不一致对系统测向性能的影响，其测向精度可得到大幅度提高。

1 系统组成

基于电扫描的多波束比幅无线电测向系统主要由多波束天线阵列、微波开关、射频通道、量化模块和主处理器等组成，如图1所示。常见的全向比幅测向系统为四天线、六天线或八天线系统等，本系统天线采用六单元圆形阵列，理想方向图如图2所示，由主处理器通过微波开关控制，依次使辐射源信号通过各个天线接收通道进入系统。信号被天线接收后，通过射频通道进行下变频放大处理，中频信号被ADC量化后送到数字主处理器进行处理，处理器主要完成信号检测、方向估算和微波开关控制等功能，通过比较相邻的2个或者3个天线波束内接收通道上信号幅度的大小，结合判断最大波束的波束号，就可以求得信号到达角的方向。

 

图2 多波束比幅测向天线模式

2 工作原理

单通道多波束比幅测向系统由于采用单通道接收辐射源信号，只要求每个窄波束天线具有严格一致的幅度特性，因此在分析比幅测向原理时需先假设各天线幅度特性完全一致，每个天线波束的轴线角为0、 、。由于多波束天线的方向图在一定范围内通常认为是高斯型的，且相对于天线轴对称，则第n个天线方向图可表示为：

（1）

根据半功率波束宽度的定义：

（2）

求得：

（3）

其中，为的半功率波束宽度。

 

图3 多波束比幅测向原理图

假设辐射源信号达到方向角为，位于（n-1）号和n号天线之间，可令。则（n-1）号天线和n号天线接收到的信号幅度分别为：

 

式中，u为接收信号幅度，为信号频率。

实际应用中，可使用信号功率累加代替信号幅度进行计算。

式(4)、(5)相除后以分贝(dB)为单位的对数电压比R为：

（6）

求得：

（7）

对于本系统，天线波束角。由于半功率波束宽度是已知的，可据此得到方向图系数 k 的大小，通过信号处理器计算相邻接收通道的对数幅度差值得到，然后根据最大波束的波束号n，可最终求得辐射源方位。

3 性能分析

多波束比幅测向系统的测向精度主要由信号到达各波束天线时的不同传播距离、天线差异性以及各通道不一致性确定，三个因素互相独立。通道不一致性引起的幅度误差呈高斯正态分布，在不考虑传播距离和天线差异性的前提下，我们可定量分析采用单通道的比幅测向系统和多通道系统的测向精度，并比较两者的测向精确性。

假设辐射源发射信号调制方式为BPSK，载频为300kHz，采样速率为1MHz，码速率为50KHz，每个波束天线顺序采样，采样点数均为4096。多通道由于通道不一致性，幅度误差大致服从均值为0、方差为的正态分布。采用蒙特卡罗仿真，对不同方差情况下各进行1000次试验，得到的测向误差结果如图4所示。

图4表示多通道测向系统在幅度误差服从高斯正态分布的不同方差情况下，经比幅测向算法得到的方位误差；图5表示在不同信噪比下，单通道测向系统的测向性能图；图6表示在不同信噪比下，多通道测向系统的测向性能图。

由图4可见，随着多通道幅度误差方差的增大，测向精确度也逐渐恶化，相比单通道系统，在方差时，平均误差达到2度；在方差时，平均误差达到5度左右。由图5可见，不同信噪比对单通道测向系统性能的影响不大于0.1度，在SNR=-8时，平均误差约为0.073度。由图6同样可以看出，相比多通道不一致对性能造成的影响，信噪比的大小影响几乎可以忽略不计。这是由于进入各个天线通道前的信号为同一个信号，且处理器又对各通道的信号进行了累加处理，基本消除了噪声的影响。

 

图4 不同方差下性能曲线图    图5 不同信噪比下性能曲线图

 

图6 不同信噪比和误差方差下性能曲线图

4 结束语

本文描述了一种电扫描比幅测向体制的测向原理，详细分析仿真了由于通道不一致性对测向精度的估算影响。其辐射源信号到达角的测量实际上是靠相邻天线接收通道对信号幅度的提取来完成的，各天线及其通道的不一致性对测向精度有很大影响，且不易消除，是实际工程设计中必须考虑的重要因素。

参考文献

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 (转自：中国无线电管理)