基于混合波束合成網(wǎng)絡(luò)的短波測向方法

王艷溫

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

為了增強(qiáng)短波通信[1]抗偵察、抗截獲和抗干擾的能力，近年來不斷涌現(xiàn)出新技術(shù)和新體制[2]。這些新變化導(dǎo)致現(xiàn)有的短波偵測設(shè)備無論是在處理帶寬、處理速度、測量精度及功能設(shè)計(jì)上，都難以滿足不斷增長的短波新信號(hào)、新網(wǎng)臺(tái)的偵測需求，更無法有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)短波信號(hào)的全面?zhèn)煽睾蛯?duì)各類目標(biāo)的連續(xù)跟蹤[3-4]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)短波通信信號(hào)進(jìn)行全頻段、全時(shí)域及全方位的偵測獲取，本文提出了一種基于模擬波束合成與數(shù)字波束合成相結(jié)合的混合波束合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)并行實(shí)現(xiàn)多個(gè)寬帶和差波束，利用基于和差波束比相的寬帶測向方法對(duì)全頻段短波通信信號(hào)進(jìn)行測向處理[5]，利用較少的設(shè)備量實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、高精度快速測向，為實(shí)現(xiàn)全頻段組網(wǎng)定位奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 混合波束合成網(wǎng)絡(luò)的組成

采用10個(gè)并行的波束合成網(wǎng)絡(luò)[6-7]同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)短波通信信號(hào)全空域、全頻域的偵控[8-9]。每個(gè)波束合成網(wǎng)絡(luò)采用模擬波束合成和數(shù)字波束合成相結(jié)合的方式，如圖1所示。模擬波束合成完成24路的波束合成，數(shù)字波束合成完成2個(gè)24路模擬波束合成輸出的數(shù)字合成。考慮到設(shè)備量、成本和整體性能的問題，模擬波束合成采用2級(jí)波束合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，初級(jí)波束合成完成4組6路信號(hào)的移相合成，次級(jí)波束合成單元完成4路信號(hào)的時(shí)延移相合成。24路天線信號(hào)采用分步的合成方式，首先將6路移相進(jìn)行合成，然后再將4個(gè)這樣的6路合成進(jìn)行時(shí)延控制，隨后進(jìn)行4路合成，最終完成24路信號(hào)的統(tǒng)一控制合成。混合波束合成網(wǎng)絡(luò)組成如圖1所示。

圖1 混合波束合成網(wǎng)絡(luò)組成

2 模擬波束合成網(wǎng)絡(luò)的移相分配

每套模擬波束合成設(shè)備對(duì)24路天線接收信號(hào)進(jìn)行移相疊加，包括24個(gè)初級(jí)移相器和4個(gè)次級(jí)移相器，初次級(jí)配合使用實(shí)現(xiàn)指定頻段、指定方位上的移相合成。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

① 根據(jù)波束指向，計(jì)算以30 MHz為基準(zhǔn)的24個(gè)移相值。

② 初級(jí)移相器[10]為8位，最小移相步進(jìn)為5°，初級(jí)移相范圍為0°～1 275°；次級(jí)移相器為3位，最小移相步進(jìn)為944°，次級(jí)移相范圍為0°～7 600°。

③ 每6路共用一個(gè)次級(jí)移相器，根據(jù)6路初級(jí)移相值合理分配初次級(jí)移相值。若移相值在0°～1 275°內(nèi)的，只置初級(jí)移相器，次級(jí)置為0；若移相值超出1 275°，則配合使用初級(jí)移相器、次級(jí)移相器。

為了有效抑制旁瓣內(nèi)的干擾信號(hào)，采用了旁瓣抑制方法[11]，利用移相器的衰減器對(duì)各個(gè)天線單元進(jìn)行切比雪夫幅度加權(quán)，可以將主副瓣比由13 dB左右提高到20 dB左右。

3 基于數(shù)字和差波束比相的寬帶測向方法

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)短波目標(biāo)信號(hào)的快速偵察與跟蹤，采用傳統(tǒng)波束掃描的方式會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)不及時(shí)或跟蹤不上目標(biāo)的問題，采用一種基于多波束形成的和差比相方位估計(jì)(DOA)方法[12-14]，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的發(fā)現(xiàn)與測向，使得波束跟蹤系統(tǒng)快速跟蹤上目標(biāo)。

利用模擬多波束系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)方位進(jìn)行粗估[15-16]，然后在數(shù)字波束上用和差比相方法進(jìn)行細(xì)估。首先將接收數(shù)據(jù)變換到頻域，進(jìn)行頻譜分析，然后選擇較大信號(hào)頻率分量分別進(jìn)行和差比相方位估計(jì)，最后將各頻點(diǎn)估計(jì)結(jié)果融合得到最終的估計(jì)值。此方法不僅可以提高測向靈敏度和方位估計(jì)精度，而且其計(jì)算量很小，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)短波全頻段信號(hào)的快速測向處理。

和差比相測向方法[17-18]是將得到的和差波束值進(jìn)行比相實(shí)現(xiàn)角度估計(jì)，該方法是基于“半陣”實(shí)現(xiàn)，2M個(gè)陣元有且只有一個(gè)波束指向θ0，左半陣的波束輸出為PL(θ)，右半陣的波束輸出為PR(θ)，指向θ0的導(dǎo)向矢量記為a(θ0)。設(shè)和波束加權(quán)值WΣ=[W1,W2,…W2M]T，差波束權(quán)值為和波束對(duì)稱取反，即WΔ=[W1,W2,…,WM,-WM+1,…,-W2M]T，則其左半陣的波束輸出為：

令u0=sinθ-sinθ0，則

而右半陣的波束輸出為：

則和波束輸出為：

差波束輸出為：

差和波束比為：

將u0=sinθ-sinθ0進(jìn)行一階泰勒級(jí)數(shù)展開，其可近似表示為：

u0≈sin(θ0)+cos(θ0)θε-sin(θ0)=cos(θ0)θε，

則可得偏角θε：

由此可知，利用得到的和差波束值，即可求出波束的偏角，從而實(shí)現(xiàn)利用和差波束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測角。

4 基于譜和卡爾曼濾波的測向穩(wěn)健性改進(jìn)方法

在短波測向中，接收信號(hào)是由若干個(gè)具有不同方向的、振幅和相位都在不斷變化的、彼此相互干涉的波束所構(gòu)成，這種波束間的電波干涉會(huì)引起測向誤差和示向度的不穩(wěn)定，在很大范圍內(nèi)擺動(dòng)。為了獲得較穩(wěn)定的視覺測向效果，對(duì)波束圖進(jìn)行了累積處理。基于譜的改進(jìn)處理流程如圖2所示。

圖2 基于譜的改進(jìn)處理流程

為了獲得穩(wěn)定的測向結(jié)果，對(duì)測向數(shù)據(jù)進(jìn)行了卡爾曼濾波處理[19-20]，就是對(duì)連續(xù)多次的測向數(shù)據(jù)剔除野值，使得輸出的結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定、精確。卡爾曼濾波通過輸入觀測數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，具體處理過程如下：

① 根據(jù)當(dāng)前的測向數(shù)據(jù)是否相對(duì)于上次的測向結(jié)果有360°的跳周，若有則進(jìn)行去跳周處理；

② 緩存n個(gè)測向數(shù)據(jù)到data中；

③ 初始化系統(tǒng)狀態(tài)x0和誤差協(xié)方差P0；

④ 預(yù)測：根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的測向數(shù)據(jù)預(yù)測這一時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)和誤差協(xié)方差，得到x(k|k-1)和P(k|k-1)；

⑤ 修正：計(jì)算卡爾曼增益K(k)，與當(dāng)前的測向數(shù)據(jù)修正系統(tǒng)狀態(tài)x(k|k-1)和誤差協(xié)方差P(k|k-1)，得到最新的x(k|k)和P(k|k)；

⑥ 按照以上過程進(jìn)行迭代，直至測向結(jié)束。

5 測試分析

① 采用48陣元均勻線性陣列接收的短波天波信號(hào)，頻率為15.969 9 MHz，利用混合波束合成網(wǎng)絡(luò)形成的方向圖如圖3所示。

圖3 波束合成方向圖

利用實(shí)際短波接收信號(hào)進(jìn)行測試，合成波束的增益與理論值相差0.2～0.3 dB，主副瓣比達(dá)20 dB以上。

② 通過短波通信電臺(tái)開展了測向試驗(yàn)，對(duì)覆蓋空域范圍和全頻段下的測向精度進(jìn)行了測試。統(tǒng)計(jì)測向精度如表1所示，測向精度隨頻率變化曲線如圖4所示。

表1 全頻段統(tǒng)計(jì)測向精度

頻段/MHz測向精度/(°)1.5～100.910～200.720～300.5

圖4 測向精度隨頻率變化曲線

從對(duì)實(shí)際天波信號(hào)的測試結(jié)果可以看出，全頻段、全空域內(nèi)的測向精度在1°以內(nèi)。

6 結(jié)束語

本文提出的模擬波束合成與數(shù)字波束合成相結(jié)合的短波測向?qū)崿F(xiàn)架構(gòu)是切實(shí)可行的，利用較少的設(shè)備量實(shí)現(xiàn)了對(duì)短波信號(hào)全頻段、全時(shí)域及全方位的偵測獲取。模擬波束合成巧妙地利用兩級(jí)波束合成方案，分別實(shí)現(xiàn)大步進(jìn)移相及小步進(jìn)精確移相，大大降低了設(shè)計(jì)成本和設(shè)備規(guī)模。利用和差比相測向方法實(shí)現(xiàn)精確測向處理，無需進(jìn)行波束掃描，通過直接解算的方式直接獲得信號(hào)方向，利用后處理方法大大提高了測向穩(wěn)定性和測向精度。通過對(duì)實(shí)際天波信號(hào)的測試，達(dá)到了較高的合成增益和測向精度。本文的研究成果可應(yīng)用于現(xiàn)有或新建短波偵測系統(tǒng)，對(duì)于全面提升短波技偵信息的技術(shù)水平和情報(bào)質(zhì)量具有重要意義。