空間譜估計測向及其應用的初探

肖長寧

（湖南省益陽市無線電監測站，湖南 益陽 413000）

1 空間譜估計測向技術的特點和理論基礎

與傳統測向方法相比，現代的空間譜估計測向具有以下突出特點：（1）多個同頻信號的測向能力。（2）相對于傳統測向，其分辨力較高；（3）與相關干測向法比較其測向精度高；（4）與多普勒測向體制比較，空間譜估計測向的測向靈敏度也較好。

1979年美國人R.O.Schmidt提出著名的MUSIC（Multiple Signal Classification多信號分類）算法，是空間譜估計方法和理論的重要基石。MUSIAC算法是基于以下的假設，建立陣列信號的數學模型。（1）輻射源位于遠場，即接收機的接收天線陣列的尺寸遠小于距離，感應的為平面波，且輻射源各向同性的點源，是窄帶信號，相對于信號的載頻而言，信號包絡的帶寬很窄（包絡慢變），這樣信號對接收陣元的影響，僅有由其到達各陣元之間的波程差而引起的相位差異。（2）接收天線陣列按特定的形式排列，信號接收的特性僅與其位置有關，而與其尺寸無關，各陣元的空間位置是已知的，切各陣元的增益均相等，相互之間的無互耦。（3）接收機接收的外界噪聲，假設為加性高斯白噪聲，接收機內部在各陣元上的噪聲相互統計獨立，且噪聲與信號是統計獨立的，也就是不相關的。

窄帶遠場信號的DOA數學模型為

陣列矩陣的協方差矩陣為

由于信號和噪聲是統計獨立，不具有相關性，因此，數據協方差矩陣可以分解出為信號和噪聲兩個部分，為信號部分。

對R進行特征分解，有

由于理想條件下信號與噪聲是統計獨立，且沒有相關性，因而信號子空間與噪聲子空間在理論上是相互正交，且信號子空間中的導向矢量也與噪聲子空間相互正交。

基于該性質，可以得到經典的MUSIC算法。一般而言，所有接收機的實際接收數據矩陣是有限的，因此數據協方差矩陣的最大似然估計為

所以，MUSIC算法的譜估計公式可以寫為：

MUSIC的算法步驟可以概括為：

（1）由陣列接收機的接收數據得到數據協方差矩陣；（2）對數據協方差矩陣進行特征分解；（3）由數據協方差矩陣的特征值進行輻射信號源數判斷；（4）確定接收的信號子空間和噪聲子空間；（5）根據接收信號參數范圍進行譜峰搜索；（6）找出極大值點對應的角度就是信號入射方向。

MUSIC算法是空間譜的算法的一種，也是研究得較多的一種算法，并在發展過程中，MUSIC算法也演變出了多種算法。

2 空間譜估計測向設備的組成實例

DM9250S九通道空間譜測向系統是以北京德辰科技股份有限公司研制的DF1301A九通道寬帶接收機為基礎，集合DA9231A雙極化測向天線、DA2551F垂直極化測向天線所組成，該系統采用先進的空間譜/相關干涉儀測向體制，可在多徑干擾和雜散輻射干擾等復雜電磁環境下實現對20MHz～8000MHz頻段內多個同頻信號的快速監測與高精度測向。

空間譜估計測向設備主要分為20MHz-3000MHz九通道全頻段雙極化測向天線、3GHz-8GHz九通道垂直極化測向天線及九通道寬帶測向接收機三部分構成，其算法是基于改進的MUSIC算法。

（1）九通道寬帶測向接收機

九通道的寬帶搜索測向接收機采用PCIEx4總線平臺，主要由PCIE主板、數據交換板、底板、電源、監測測向處理模塊和測向通道組成。測向通道包括9路測向信道、自校源及參考源組成。超短波監測測向接收機采用獨立的測向通路，測向通路采用9信道接收體制，中頻輸出帶寬為20MHz或500kHz，瞬時測向帶寬最寬可達20MHz。

測向通道技術指標：

頻率范圍：20MHz-3000MHz

調諧分辨率：5kHz

中頻帶寬：20MHz

頻率準確度：≤±1×10-7

中頻相位噪聲：≤-105dBc/Hz@10kHz

三階互調截點：≥20dBm（低失真模式）

二階互調截點：≥60dBm（低失真模式）

中頻干擾抑制比：≥105dB

鏡頻干擾抑制比：≥105dB

噪聲系數：≤12dB（低噪聲模式）

測向通路工作原理：

測向開關陣輸出的9路射頻信號進入9路測向信道，信道采用三次變頻方案完成對信號的濾波、放大和變頻，輸出以76.8MHz/70MHz為中心，帶寬為20MHz或200kHz的中頻信號。信道單元輸出的9路中頻信號進入測向處理模塊，進行A/D采樣、數字下變頻和FFT處理等相關處理后，實現信號的測向。測向通路可在瞬時帶寬內完成頻譜監視、測向、參數測量和解調等任務的并發處理。

分機中各個部件均采用PCIEx4總線接口，主板通過PCIEx4總線完成對各個部件的控制及數據傳輸，并通過網口完成和席位計算機的通信功能。

采用型號為DF1301A九通道測向主機，該設備配備9個測向接收機模塊，測向接收機采用超外差數字接收機體制，主要完成信號的濾波、放大和變頻，然后將中頻信號送至信號處理器，最終完成信號測向。

信號處理器性能指標：

通道數：9

ADC量化位數：不低于14位

中心頻率：76.8MHz/70MHz

信號幅度：±2Vpp

采樣率：102.4MHz（外時鐘）

濾波范圍：100Hz-20MHz

通道隔離度：≥80dB；

基帶信號動態：≥80dB；

總線規范：PCIE×4（V2.0）

（2）九通道全頻段雙極化測向天線

測向天線為固定站使用，極化方式包含垂直極化和水平極化。垂直極化頻段分別為20MHz～200MHz、200MHz～1000MHz、1000MHz～3000MHz三段，水平極化頻段為40MHz～1300MHz水平極化天線陣。每層測向天線陣均采用9陣元偶極子天線，呈均勻圓陣分布，安裝在固定站天線鐵塔上。天線頂端安裝避雷針。

該天線采用九陣元均勻圓陣，空間分為四層，從下至上空間分層結構為：

第一層：工作頻段為20MHz～200MHz，垂直極化，孔徑為3米，天線單元形式為對稱偶極子；第二層：工作頻段為200MHz～1000MHz，垂直極化，孔徑為0.95米，天線單元形式為對稱偶極子；第三層：工作頻段為40MHz～1300MHz，水平極化，孔徑為0.8米，天線單元形式為交叉環天線；第四層：工作頻段為1000MHz～3000MHz，垂直極化，孔徑為0.25米，天線單元形式為對稱偶極子。

DA9231F性能指標：

通道幅度誤差：＜3dB

通道相位誤差：＜3°

通道隔離度：＞40dB

插入損耗：20MHz-200MHz＜6dB；200MHz-3GHz＜10dB

3 空間譜估計測向實際使用幾個問題

空間譜估計測向是建立在嚴格的信號模型和復雜的譜估計理論上的一種技術，從理論上和實際使用中，這種技術具有高精度、高分辨率和抗多徑干擾等優異性能，在無線電測向應用中具有廣闊的前景。與目前應用較廣的相關干涉儀相比較：采用相關干涉儀測向技術，目標信號必須滿足5dB以上的信噪比，如果要滿足一定精度的要求，信噪比必須達到10dB以上，而空間譜測向目標信號，只需滿足-5dB即可完成相同精度的測向；采用空間譜估計測向技術可對同頻某個方向的信號進行零陷，等效增強其他方向的信號，從而達到提高信噪比（約40dB）的效果，而采用相關干涉儀測向技術是不能實現這樣的功能的。

雖然空間譜估計測向體制從理論擁有技術優越性，從算法實現的過程來看，空間譜估計測向的實際效果還取決于：陣元數的多少、陣元間距點的大小、快拍數的大小和信噪比的大小。從整套設備來看還與陣元之間的耦合、接收機的一致性有較大的關系。從使用的空間譜站實際使用來看，還存在值得改進的地方很多。

4 結束語

從DM9250S九通道空間譜測向系統實際使用的情況來看，空間譜估計測向技術雖然有許多優勢，還有不盡人意的地方，需要進行改進。