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浅论无线电测向技术及其应用
2009/10/31 15:33:15
 

随着科学技术的发展,无线电测向技术被越来越广泛地应用在民用和军用设施中,那么什么是无线电测向技术?它的应用又是如何呢?

无线电测向就是依据电磁波传播特性,使用无线电测向设备测定电波来波方向的过程。无线电波在空气中具有沿直线传播的特点。如果能确定出电波传播方向,就可确定出发射台所在方向。当测向的地点确定之后,该点的北方向与所测电台方向之间顺时针方向的夹角(也称示向度)也就确定了。如果只获得电台的一个示向度值,仅可以确定电台在某一直线上,但无法判断其具体位置。若设定两个或两个以上的测向点,就可获得不同的示向度,将其标绘在地图上,其交点即为发射电台的位置。在测定过程中,根据天线系统从到达来波信号中获得信息以及对信息处理的方法,可以将测向系统分为两大类:标量测向系统和矢量测向系统。标量测向系统仅能获得和使用到达来波信号有关的标量信息数据,矢量测向系统可以获得和使用到达来波信号的矢量信息数据;标量测向系统仅能单独获得和使用电磁波的幅度或者相位信息,而矢量测向系统可以同时获得和使用磁波的幅度和相位信息。

标量测向系统历史悠久,应用最为广泛。最简单的幅度比较式标量测向系统,是旋转环型测向机,该系统对垂直极化波的方向图成8字形。大多数幅度比较式的标量测向系统,其测向天线和方向图,都是采用了某种对称的形式,例如:阿德考克测向机和沃特森—瓦特测向机,以及各种使用旋转角度计的圆形天线阵测向机;属于相位比较的标量测向系统,有干涉仪测向机和多普勒测向机等。矢量测向系统,具有从来波信号中获得和使用矢量信息数据的能力。例如:空间谱估计测向机。矢量系统的数据采集,前端需要使用多端口天线阵列和至少同时利用两部以上幅度、相位相同的接收机,后端根据相应的数学模型和算法,由计算机进行解算。矢量系统依据天线单元和接收机数量以及后续的处理能力,可以分辨两元以至多元波场和来波方向。无线电测向系统,通常包括测向天线、输入匹配单元、接收机和方位信息处理显示四个部分。测向天线是电磁场能量的探测器、传感器,又是能量转换器,它把空中传播的电磁波能量感应接收下来,连同幅度、相位、到达时间等信息转换为交流电信号,馈送给接收机;输入匹配单元实现天线至接收机的匹配传输和必要的变换;接收机的作用是选频、下变频、无失真放大和信号解调;检测、比较、计算、处理、显示(指示)方位信息,是处理显示部分的任务。

测向机在测向过程中显示(指示)的测向读数称为示向度。测向设备、通信系统和附属设备,可以组成测向站(台)。测向站是专门执行测向任务的机构,它有固定站和移动站之分。无线电测向测定电波来波方向,通常是为了确定辐射源的位置,这时往往需要以几个位置不同的测向站(台)组网测向,用各测向站的示向度(线)进行交汇。短波的单台定位,是在测向的同时测定来波的仰角,以仰角、电离层高度计算距离,用示向度和距离粗判台位。实际操作上要确定未知辐射源的具体位置,往往需要完成由远而近分步交测,以逐步实现接近和确定辐射源的具体位置。依据不同的测向原理,可分为如下几种不同的测向体制:

一、幅度比较式测向体制

幅度比较式测向体制的工作原理是:依据电波在行进中,利用测向天线阵或测向天线的方向特性,对不同方向来波接收信号幅度的不同,测定来波方向。

二、沃特森—瓦特测向体制

沃特森—瓦特测向机实际上也是属于幅度比较式的测向体制,但是它在测向时不是采用直接或间接旋转天线方向图,而是采用计算求解或显示反正切值。正交的测向天线信号,分别经过两部幅度、相位特性相同的接收机进行变频、放大,最后求解或显示反正切值,解出或显示来波方向。单信道沃特森—瓦特测向机是将正交的测向天线信号,分别经过两个低频信号进行调制,而后通过单信道接收机变频、放大,解调出方向信息信号,然后求解或显示反正切值,给出来波方向。

三、干涉仪测向体制

干涉仪测向体制的测向原理是:依据电波在行进中,从不同方向来的电波到达测向天线阵时,在空间上各测向天线单元接收的相位不同,因而相互间的相位差也不同,通过测定来波相位和相位差,即可确定来波方向。

四、多普勒测向体制

多普勒测向体制是依据电波在传播中,遇到与它相对运动的测向天线时,被接收的电波信号产生多普勒效应,测定多普勒效应产生的频移,可以确定来波的方向。为了得到多普勒效应产生的频移,必须使测向天线与被测电波之间做相对运动,通常是以测向天线在接收场中,以足够高的速度运动来实现的,当测向天线完全朝着来波方向运动时,多普勒效应频移量(升高)最大。当测向天线做圆周运动时,会使来波信号的相位受到正弦调制。多普勒频移f,可以从旋转的测向天线接收到的信号,经过接收机变频、放大、鉴频以后得到。多普勒频移f与0点参考频率相比较,即可得到来波方向角。

五、乌兰韦伯尔测向体制

乌兰韦伯尔测向体制的测向原理是采用大基础测向天线阵,在圆周上架设多副测向天线,来波信号经过可旋转的角度计、移相电路、合差电路,形成合差方向图,而后将信号馈送给接收机。通过旋转角度计,旋转合差方向图,测找来波方向。由于乌兰韦伯尔测向是进行相位比较,人们常把它归类在比相式测向机。但是从使用者看,最终使用的是信号幅度比较,因此说它是幅度比较式测向机,也有道理。短波乌兰韦伯尔测向体制,是典型的大基础,测向天线阵直径是最低工作波长的1~5倍。天线阵直径尺寸,根据低端工作频率的不同,达到数百甚至上千米。测向天线单元,可以是宽频带直立天线,也可以是对数周期天线。为了提高天线接收效能,通常在天线阵内侧使用反射网。一副天线阵难于覆盖全部短波频段时,一般是采用内高频,外低频的双层阵。

六、到达时间差测向体制

到达时间差测向体制的测向原理:依据电波在行进中,通过测量电波到达测向天线阵各个测向天线单元时间上的差别,确定电波到来的方向。它类似于比相式测向,但是这里测量的参数是时间差,而不是相位差。该测向体制要求被测信号具有确定的调制方式。在实际使用中,为了覆盖360度方向,至少需要架设三副分立的测向天线。测向天线的间距有长、短基线之分,长基线的测向精度明显好于短基线。到达时间差测向体制基于时间标准和对时间的精确测量,以现在的技术水平而言,时间间隔的测量可达到lns的精确度,当间距为10米时,测向的准确度可以达到1度。

七、空间谱估计测向体制

空间谱估计测向体制的测向原理:在已知坐标的多元天线阵中,测量单元或多元电波场的来波参数,经过多信道接收机变频、放大,得到矢量信号,将其采样量化为数字信号阵列,送给空间谱估计器,运用确定的算法求出各个电波的来波方向、仰角、极化等参数。空间谱估计测向,充分利用了测向天线阵各个阵元从空间电磁场接收到的全部信息,而传统的测向方式仅仅利用了其中的一少部分信息(相位或者幅度),因此传统的测向方式不能在多波环境下发挥作用。空间谱估计测向,基于最新的阵列处理理论、算法与技术,具有超分辨测向能力。所谓超分辨测向,是指对同信道中,同时到达的、处于天线阵固有波束宽度以内的、两个以上的电波,能够同时测向。这在传统的测向方法中是无法实现的。构成协方差矩阵是空间谱估计测向的基本出发点,但是对协方差矩阵的处理,在不同的算法中是不相同的,其中典型的是多信号分类算法。空间谱估计测向体制的特点是空间谱估计测向技术可以实现对几个相干波同时测向;可以实现对同信道中、同时存在的多个信号,同时测向;可以实现超分辨测向;空间谱估计测向,仅需要很少的信号采样,就能精确测向,因而适用于对跳频信号测向;空间谱估计测向,可以实现高测向灵敏度和高测向准确度,其测向准确度要比传统测向体制高得多,即使信噪比下降至0db,仍然能够出色地工作(而传统测向体制,信噪比通常需要20db);测向场地环境要求不高,可以实现天线阵元方向特性选择及阵元位置选择的灵活性。

随着无线电事业的飞速发展,无线电测向技术在民用和军用得到了极大的应用,但依靠传统仪器设备组成的无线电监测测向系统已不能满足当前各种新型、密集的无线电信号的监测和测向的要求,尤其是在电子作战中,无线电测向技术更是大显身手,要将干扰功率最大化加载在敌方的通信设备上,首先要求我们的是,测出敌方的通信所在地。从军用微波通信的特点看,其天线波速窄,电波方向性强,与军用战术电台广播发射的电波截然不同。所以高度数字化、集成化和数字处理技术应用,自动化、智能化、网络化和小型化,多信道的信号监测和测向就成为发展的潮流。因此,国内外的许多公司都研发或集成了较为先进的固定、车载、移动及手持式测向设备。有的公司可根据用户对设备性能及经济能力的要求进行相应设计,可组成单信道、双信道及多信道的相关干涉仪或其他体制的监测测向系统,并具备宽带扫描、本振共享、同步采样、信号识别、信号分析功能,系统测向功能极其强大,且测向速度快、灵敏度高、动态范围大、可靠性强,计算机自动控制,界面友好、直观,操作使用极为方便,大大提高了无线电技术人员测定无线电辐射源或无线电干扰的能力。

来源:通信世界报 第705期 第19版


(DVOL本文转自:中国DV传媒 http://www.dvol.cn)

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 作者:刘利军   

 

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