一種基于比幅比相的測向系統設計

馬友科 易衛明 李慧

摘要：針對無人直升機安裝平臺，需要對2～18 GHz頻段內通信、雷達目標信號進行瞬時360°范圍測向的問題，設計了一種基于比幅比相的測向系統。介紹了基于比幅比相測向系統的工作原理、設計與實現，對系統的組成、工作流程、軟硬件設計進行了詳細說明，對系統測向指標在外場進行了飛行測試。結果表明，測向系統測向精度在2°以內，達到了設計要求，在工程應用中具有很高的實用價值和借鑒意義。

關鍵詞：比幅比相；8陣元測向陣；無人直升機

中圖分類號：TN911文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）06-51-5

0引言

測向技術是電子偵察的關鍵技術，目標的方位信息是信號分選及引導干擾的重要參數。通過測向，可以實現對威脅目標輔助定位，從而為引導武器系統輔助攻擊或實施有效干擾提供可靠依據。隨著電子戰技術的不斷發展，對測向定位系統的性能要求越來越高，尤其針對中小型無人直升機等機載平臺，要求其設備體積小、測向精度高、瞬時工作帶寬大及空域瞬時全覆蓋。

在目前的實際應用中，最常用的測向方式有比幅、干涉儀和空間譜等方法。比幅法[1]根據接收信號的相對幅度大小來確定信號的來波方向，技術成熟、設備簡單，但是精度較低；比相法[2]測向精度高，但存在相位模糊的問題，需要多個基線解模糊，對多個基線通道的幅相一致性要求較高；空間譜測向[3]可以同時對多個信號測向，分辨力高、精度高，但對信號模型失真敏感，運算量較大，一般只用于窄帶測向。

比幅測向和干涉儀測向各有其優缺點，但2種方法的結合能有效融合其優勢。文獻[4]采用曲線擬合及對雷達脈沖采樣等技術提高比幅比相測向性能，但在實際工作中，還有虛警、漏警等問題需要解決。文獻[5]采用長短基線和幅度信息，提出了劃分幅度差門限設置滑動粗相位的方法解決比幅比相測向模糊問題，但有很多前提條件的限制，實際工程應用有一定局限性。文獻[6]從理論層面對比幅比相的解模糊算法進行了改進，仿真實驗取得了很好的效果，但未給出工程應用的實驗結果。文獻[7]對比幅比相測向體制接收機的原理、系統設計及解模糊處理做了詳細的論述，但未給出接收機內部主要模塊的詳細設計。

以上幾種方法都具有一定的優勢，但總體上無法滿足中小型無人機測向工程化的要求。本文結合測向系統裝載平臺的特點，針對2～18 GHz頻率范圍內的通信、雷達信號，介紹了一種裝載于中小型無人直升機平臺[8]、采用基于8陣元平螺天線圓陣[9]的復合測向體制———比幅比相測向體制，該設計實現了瞬時全方位、寬頻帶、高精度的寬帶測向系統，在體積、重量、成本和復雜度等方面都有很大優勢。

1主要工作原理

1.1比幅測向原理

比幅測向技術屬于空域變換測向法中的空域方位—幅度變換法測向，這種技術可對單個脈沖進行測向，因此是一種瞬時測向技術，又可稱為比幅單脈沖測向技術，對通信信號和雷達信號都可適用。

以2個天線為例，說明比幅測向原理。假定采用2個天線并列放置，相鄰天線的振幅方向如圖1所示，滿足對稱性。

顯而易見，采用比幅測向法時，天線數目越多，波束寬度越窄，測角精度和分辨力越高，在天線物理尺寸能完成組陣的情況下，高精度的多波束測向設備往往用幾十個天線瞬時覆蓋全方位。但是，由于每個天線都有獨立的接收機，這樣—來，測向精度要求越高，系統就愈加復雜。因此，本文采用波束比幅法[11]作為比幅比相中的比幅算法。

1.2比相測向原理

比相法主要有干涉儀和相關干涉儀2種方法。以單基線相位干涉儀為例，說明干涉儀測向原理[12]，干涉儀測向如圖2所示。

相關干涉儀是干涉儀的一種改進方法，通過比較獲取的入射波相位分布與事先已存的各方位、各頻率來波相位分布的相似性來得到入射波方向。由于采用了相關處理技術，相關干涉儀弱化了傳統干涉儀中互耦、載體等對測向精度的不利影響。這些影響雖然還造成波陣面畸變和相位分布的失真，但這些影響是穩定的，由于這些失真已經存入樣本數據中，通過相關處理，相關干涉儀實際上弱化了它們對測向精度的影響。

相關干涉儀測向原理[13]：給定頻率，從某一方位角入射的信號，通過天線響應后會產生一組較為穩定的相位差數據，與方位角一一對應。對于任意頻率，都有一張由相位差數據構成的二維表格，表格的每一行對應一個方位。在誤差范圍內，外界入射信號產生的相位差會真實地再現表內某一方位對應的相位差數據。對于一個實際目標信號，系統測量出一組相位差，將這一組值和系統原始相位樣本進行相關處理，計算出它們的相關系數，相關系數的最大值對應的方位角就是目標信號的方位值。本文采用相關干涉儀作為比幅比相中的比相算法。

1.3比幅比相測向工作原理

比幅比相測向原理的實質是利用比幅測向得到的目標信號的粗方位，解決比相法測向的模糊問題[14]，然后選取接收目標信號幅度最大的4個天線對應的處理通道，利用相關干涉儀測向以保證測向精度，實現目標信號的高精度測向。

采用比幅比相的測向體制，可以綜合比幅測向體制和相關干涉儀測向體制各自的優點，既能保證獲得高精度的測向性能指標，又能大幅度降低設備量和成本，降低研制難度。

2系統設計與實現3FEEDAA8-1D6A-4998-90E7-C874607A3D30

2.1系統設計

測向系統總體設計原理如圖3所示。為保證8路偵收信號幅相特性一致，從天線陣元一直到偵察測向處理機中的模數轉換，8路射頻通道的各通道射頻信號經過的射頻線纜長度、放大器、分路器等電路設計都保持嚴格一致。

測向天線陣是由8個方向圖基本一致的2～18 GHz平螺天線[15]組成的均勻圓陣，相鄰兩天線的法線夾角為45°，天線陣實現方位360°空域覆蓋。一個全向天線用于頻譜監測。

開關陣[16]完成實際接收信號和自校信號的切換選擇，以及在不同工作模式下對實際接收信號的直通、放大或衰減等處理。開關陣中的放大器選用低噪聲放大器，用以補償線路衰減和獲得較低的系統噪聲系數。

8路射頻經濾波、分路、放大等處理后分為2組射頻信號，1組8路2～6 GHz的通信測向射頻信號，1組8路2～18 GHz的雷達測向射頻信號。

偵察測向處理機采用17槽的LRM機箱，包含PPC主板模塊、本振模塊、通信變頻模塊、雷達變頻模塊、信號采集模塊、信號處理模塊、單比特接收機模塊、大容量存儲模塊和電源模塊等。

偵察測向處理機主要完成2～18 GHz頻段內雷達和通信信號的檢測、分析、校準信號產生，8路雷達測向射頻信號和8路通信測向射頻信號主要完成下變頻、濾波放大、中頻信號同步模數轉換、幅相校準、計算并輸出信號的方位及其他參數信息等。其中，雷達信號測向最大瞬時工作帶寬1 GHz，通信信號測向最大瞬時工作帶寬300 MHz。比幅比相測向系統的工作流程如圖4所示。

2.2處理機軟硬件設計

偵察測向處理機內各硬件模塊采用標準LRM結構，其中最核心的模塊是信號采集模塊和信號處理模塊，偵察測向處理機核心模塊如圖5所示。

信號采集模塊板卡主要包括4片高速采樣AD9208芯片、2片大規模可編程的FPGA芯片、一片高性能多核DSP芯片、一片SRIO數據交換芯片、還有一片MCU芯片完成采樣器配置和健康管理等，FPGA和DSP程序可實現動態加載和在線燒寫。信號采集模塊主要完成8路通信中頻信號和8路雷達中頻信號的幅相校準、同步采集和數字下變頻、FFT等處理，并將過門限信號的幅度和相位差、單信號窄帶時域數據送至信號處理模塊。

信號處理模塊主要由一片MCU芯片、一片大規模可編程的FPGA芯片、3片高性能的多核DSP芯片和一片SRIO總線交換芯片等組成。信號處理模塊完成一路寬帶搜索多信號測向和5路窄帶單信號測向等處理，測量出信號的來波方向，并實時輸出各信號的示向度、場強值。

測向軟件的通信信號測向包括普通寬帶測向、寬帶突發/跳頻測向及窄帶測向。普通寬帶測向時僅對帶內幅度譜過門限峰值點測向，寬帶突發/跳頻測向時需根據門限對突發/跳頻信號測向，窄帶測向時只測帶內幅度最大點。測向實現方式包含累積和非累積2種模式，對定頻連續信號做累積可以提高信噪比，即可以提高測向靈敏度；在測向結果用于對高速跳頻引導干擾時，不用累積模式。

測向軟件的雷達信號測向主要是脈沖信號的測向，在脈沖信號持續時間內進行累積。偵察測向處理機測向處理由信號采集模塊、信號處理模塊上的FPGA和DSP配合完成，FPGA主要實現AD芯片的高速接口、數字信道化、多路FFT或各路間脈沖數據的相關處理，得到頻譜幅度及各通道相位差；DSP主要實現指令交互、流程控制、比幅比相測向算法。測向軟件實現原理如圖6所示。

2.3系統試驗

本文將系統在微波暗室環境下進行了大量測向性能測試后，集成安裝在無人直升機平臺上，在外場授權飛行空域內，對測向系統進行了測向性能的飛行測試[17]。

預先布設精確位置已知的3個信號源，無人直升機升空后，分別在指定位置對3個信號源進行方位測量，上報測向結果信息（真北方位），并與通過GPS位置信息計算出的方位真值進行比較和數據處理，計算方位誤差。飛行測試的通信信號測向誤差和雷達信號測向誤差，在剔除一個誤差最大值后，記錄分別如表1和表2所示，可得通信信號（2～6 GHz）測向誤差為1.92°，雷達信號（2～18 GHz）測向誤差為1.61°，測向誤差滿足測向精度<2°的系統指標要求。

3結束語

受無人直升機平臺的設備安裝空間限制[18]，8陣元測向天線陣與其他頻段的測向天線陣層疊安裝在一個天線罩內，層間距較小，在微波暗室及外場的飛行試驗中都發現其他頻段天線陣對8陣元測向天線陣形成了多徑干擾[19]，導致某些頻點的測向結果出現畸變、精度差。后續將從兩方面入手解決，一是需要深入研究先多徑抑制再測向的算法，解決多徑干擾造成的測向精度降低的問題；二是將2～18 GHz的平螺天線陣分成2～6 GHz平螺天線陣和6～18 GHz喇叭天線陣，提升6～18 GHz頻段天線的增益，降低其他頻段天線的影響[20]，提升系統的測向能力。

基于比幅比相測向體制設計的測向系統具有測向精度高、靈敏度高、結構合理、體積小等優點，在工作中穩定可靠，其性能指標能夠滿足無人直升機等多種平臺的使用要求，在工程應用中具有很高的實用價值，可以推廣到諸如車載、艦載等平臺上使用。3FEEDAA8-1D6A-4998-90E7-C874607A3D30

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