一種非線陣雙基線干涉儀無線電監測技術

唐 龍

（桂林長海發展有限責任公司，廣西 桂林 541001）

0 引言

隨著無線電通信技術的迅速發展，無線電信號設備在國防、社會經濟和生活中發揮著重要作用，也導致環境中電磁干擾信號源呈現出類型多樣、參數復雜的多態化特點，特別是運動靈活、體積小且不易被發現定位的非法無線電干擾源的使用，使無線電信號存在多徑反射、散射現象，給監測工作帶來極大的困難，高效地監測電磁環境是通信領域研究的熱點前沿技術［1-2］。

無線電監測主要功能是利用無線電技術對無線電信號輻射源進行偵測、定位和分析，目的是為無線電偵察干擾和頻譜管理工作提供技術支撐和科學依據［3］。無線電監測設備需要滿足地方管理部門對電磁環境普查、應急機動監測、無線電干擾以及“黑廣播”查處等工作要求，是保障國防建設、重大活動舉行的關鍵性技術設備。推進無線電監測設備自主可控對國家安全極其重要［4］。

為了適應瞬時360°全方位測向，通常采取四面陣干涉儀測向拼接、圓陣相關干涉儀測向或圓陣比幅比相測向方式［5-6］。因四面陣干涉儀測向通道數量多，圓陣相關干涉儀全向天線增益小，圓陣比幅比相測向精度低，一定程度上會增加設備體積、質量、功耗和硬件成本，所以不利于設備小型化需求發展。針對上述問題，在簡單介紹硬件、軟件國產化替代選用原則的基礎上，提出一種基于定向天線子陣列的圓陣雙基線干涉儀測向方法，結合定向天線子陣列高增益特點、非線陣雙基線干涉儀測向技術和信息化設備安全自主可控要求，通過對定向天線子陣列優化組合，實現瞬時360°全方位高靈敏度和高精度測向，能夠降低設備體積、功耗和成本等。

1 國產化替代應用破解裝備自主發展難題

網絡安全和信息化設備要求加快推進國產自主可控替代計劃，構建安全可控的信息技術體系。無線電監測設備安全可控工作推進相對滯后，對外依存度高，選用進口設備存在有信息安全隱患、保障體系不受控制等問題；信息基礎設施安全自主可控程度低、核心元器件“卡脖子”和信息安全系統弱等問題影響國家信息安全，需要迫切推進無線電監測設備國產化替代工作，破解制約設備自主發展的“卡脖子”難題［7］。

1.1 硬件國產化替代選用原則

目前無線電監測設備中部分關鍵電子元器件，特別是高端器件受限于半導體技術和工藝，國產元器件與國外存在較大差距，選用國產電子元器件可能會給設備研制生產帶來難度和風險［8］。選用電子元器件的主要原則是：

1）選用外購電子元器件應符合有關行業標準和國家標準，優先選用成熟、質量穩定、可靠性高和能持續供貨的標準電子元器件，不要選擇已經被淘汰或停產的電子元器件。

2）嚴格限制電子元器件品種規格比，控制規格種類，提高同類型電子元器件通用性。

3）按照《合格供方管理程序》要求在經批準頒布的外購電子元器件合格供方名單中選擇生產商。嚴格把關電子元器件選用過程，確保所采購電子元器件質量穩定，供貨渠道可靠。

1.2 軟件國產化替代選用原則

在軟件系統設計過程中，考慮系統整體的安全可控、性能穩定，并考慮開發環境、操作系統和數據庫要求選用國產自主可控的軟件解決方案［9］。

1）開發環境選用能夠跨平臺、開源的集成開發環境，可以滿足國產操作系統使用；

2）操作系統選用滿足自主可控要求的國產操作系統；

3）數據庫選用跨平臺、開源、性能穩定的數據庫。

系統采用國產麒麟操作系統、Qt開發環境和MySQL數據庫的解決方案。麒麟系統是我國自主研制、安全等級最高、通過認證許可的國產操作系統，具有開源、跨平臺、安全性高、可靠性強的優點，達到第四級結構化保護級要求［10］。Qt集成開發環境是一款支持麒麟、Windows和Linux等不同操作系統的開發環境，具有跨平臺、多API接口和開源特點，支持OpenGL和2D/3D圖形渲染。MySQL數據庫是一款體積小、性能穩定、速度快且開源的數據庫。

2 基于定向天線的圓陣無線電測向技術原理

考慮到無線電監測設備的高靈敏度和高精度監測，通過對2單元正交偶極子天線進行俯仰維波束合成的接收天線子陣列實現高靈敏度偵收，充分利用8個定向天線子陣列間相位關系來構建相位矢量，采用比幅測向實現粗測向，非線陣雙基線干涉儀實現精測向［11］。圓陣無線電監測設備測向工作原理如圖1所示。

2.1 圓陣無線電監測測向工作原理

假設M個定向天線陣元均勻分布在半徑為R的圓陣列上，建立直角坐標系并以圓心O與圓陣第1天線陣元連線的延長線作為Y軸，θ為目標方位角。

選取圓陣第m個天線陣元，對應的直角坐標系位置 為 (Rcos(2π(m-1)/M)，Rsin(2π(m-1)/M))，以圓心O作為目標信號入射角參考點，陣元m接收到入射信號的時間延后于信號到達參考點O的時間［12］，則陣元m的接收信號模型可以表示為：

陣元m的相移為：

對應圓陣列中，第m陣元與第n陣元之間相位差為：

圓陣的基線 長度dmn=2Rsin((m-n)π/M)，然后根據相位差與θ關系可得：

2.2 基于比幅測向的非線陣雙基線參差解模糊算法

當基線長度大于λ/2時，相位差?m，n的測量值隨信號入射角θ變化超過2π，說明單基線干涉儀2個天線存在相位模糊，需要構建非線陣雙基線的干涉儀天線陣列，非線陣雙基線比例滿足d1/d2=p/q（p，q互為質數）關系［13］，考慮到定向天線的波束寬度和天線之間夾角，設備按照相鄰3個天線陣元進行組合，擬將360°分成16個22.5°區域，先通過比幅粗測向進行22.5°區域的選擇，然后按照最優基線組合進行非線陣雙基線干涉儀精測向，最后結合比幅測向結果和圓陣雙基線干涉儀測向結果，按照一定約束條件進行測向結果可信度判斷，實現目標信號的高精度測向。

以天線陣元（8，1，2）構建雙基線3天線非線陣天線陣列為例，可以得到對應長基線和短基線相位差：

式中，d8，1=2Rsin(π/8)，d8，2=2Rsin(2π/8)。

根據基線d8，1、d8，2互質特性，得到：

整理可得：

因為|sinθ|≤ 1，所以對k8，1的搜索過程做進一步的推導得：

當k8，1在規定的取值范圍內變化時，對應所確定的k8，2值會同k8，1值一起變化。Δ?8，1和 Δ?8，2存在測量誤差，使得所確定的k8，2不能保證是整數；遍歷k8，1規定范圍內的所有模糊數，當 Δ?8，1和 Δ?8，2很接近真實值時，取與k8，2最接近的整數k8，2，0作為模糊數k8，2估計值 ；與k8，2，0對 應 的k8，1即 為k8，1，0，于 是 可 得 基 線 長 度d8，2的無模糊相位差：

進一步計算可以得到入射角估計值：

3 無線電監測設備系統設計與實現

德國R&S公司在我國進口無線電監測設備中占據主要地位，以8單元相關干涉儀體制的ADD170產品為例，其測向范圍為360°，測向精度優于2°rms。國產化替代應用無線電監測設備按照小型化、通用化和模塊化設計原則，采用非線陣雙基線相位干涉儀測頻測向體制，實現對瞬時360°空域內無線電信號進行高精度測向，主要包括接收天線圓陣列、小型化無線電監測接收機和無線電監測管理終端軟件。

3.1 接收天線陣列

接收天線子陣列采用2單元正交偶極子（水平極化偶極子和垂直極化偶極子）天線實現，通過巴倫饋電達到阻抗匹配和平衡功能，對2個水平極化偶極子和2個垂直極化偶極子分別進行俯仰維波束合成，實現接收天線高增益［14］。接收天線陣列由按照均勻圓陣方式放置的8個接收天線子陣列組成，天線子陣列兩兩之間間隔45°，完成瞬時360°空域內無線電信號的偵收。接收天線子陣列示意圖如圖2所示。

圖2 接收天線子陣列示意圖

3.2 小型化無線電監測接收機國產化替代應用

小型化無線電監測接收機主要包括微波前端、變頻模塊和無線電監測處理電路。微波前端將8路接收天線射頻信號經過有源濾波放大后送給變頻模塊進行下變頻處理，通過單刀雙擲開關切換內置校正源實現設備幅相一致性校正。變頻模塊實現下變頻輸出8路中頻信號到無線電監測處理電路。無線電監測處理電路完成中頻信號的采集及脈沖參數測量，完成比幅粗測向和非線陣雙基線干涉儀精測向，形成信號流數據送給無線電監測管理終端軟件進行信號處理。無線電監測接收機組成框圖如圖3所示。

無線電監測設備使用的射頻微波類、接口類、電源類和電纜類等元器件基本實現國產化；使用的進口電子元器件主要是FPGA、DSP、ADC、存儲器類芯片等。近年來公司在核心技術使用部件、器件等國產化方面開展大量工作，經過原位替換或功能替代方式，已經在多個項目中做了國產化應用驗證，性能與國外器件相當，能達到自主可控要求。國產化無線電監測處理電路實物圖如圖4所示。

圖4 國產化無線電監測處理電路實物圖

3.3 無線電監測管理終端軟件國產化替代應用

無線電監測管理終端軟件主要用于設備狀態顯示、監測測向控制參數設置下發、無線電信號分選識別顯示和采集存儲，可以對信號流數據和中頻數據進行脈間分析和脈內分析、系統資源配置、數據管理，可以表格和圖形顯示監測結果。

國產麒麟操作系統、Qt開發環境和MySQL數據庫的國產自主可控軟件解決方案已在多個型號項目上應用，并通過第三方軟件測評、用戶驗收、產品交付，應用表明方案技術成熟，開發的軟件系統性能穩定、安全可靠、跨平臺性好。

4 仿真分析

4.1 測向誤差分析

無線電監測設備按照8個接收天線子陣列均勻圓陣放置，通過比幅測向與非線陣雙基線干涉儀測向相結合的方式實現360°瞬時測向。無線電監測設備測向誤差主要由長基線長度決定，干涉儀測向誤差計算公式為：

式中，λ表示信號波長；d表示基線長度；θ表示信號入射角；?φ表示測量相位誤差；?λ/λ表示信號頻率準確度。

干涉儀測向誤差主要與基線長度d和測量相位誤差Δφ相關，在基線長度確定的情況下，通常只考慮相位誤差影響。測量相位誤差由噪聲誤差、ADC量化誤差、天線相位一致性和接收機通道失衡誤差組成。通過實測天線不同基線相位差數據，經過分區間校正補償后，天線相位一致性可以控制在5°以內，不同基線相位差校正補償效果如圖5所示。

圖5 不同基線相位差校正補償效果

在實際工程中，通常控制噪聲誤差小于4°，量化誤差小于1°；校準后天線相位一致性控制小于8°，失衡誤差控制小于5°，則設備最大相位誤差是：

考慮一定工程設計余量，無線電監測設備經過相位校正后，按照最大相位誤差小于12°進行仿真計算。

4.2 仿真結果

無線電監測設備采用基于比幅測向的非線陣雙基線干涉儀測向體制，根據干涉儀雙基線長度進行Matlab仿真驗證，設置信噪比12 dB，測向范圍360°，角度步進5°，最大測量相位誤差12°，進行500次Mon?teCarlo試驗來驗證測向精度，仿真結果最大測向均方誤差值0.89°，滿足技術指標要求。測向誤差仿真結果如圖6所示。

圖6 測向誤差仿真結果

5 結束語

無線電磁頻譜資源是關系國家安全的核心重要數據。針對電磁信號環境復雜和應用場景多樣的難點，及電磁干擾信號源呈現多態化的特點，利用正交偶極子天線俯仰維波束合成技術、非線陣雙基線干涉儀測向技術和多層級信號處理技術等最新研究成果，依仗已實現國產自主知識產權的電子、半導體、計算機等行業基礎，在保證設備可靠性、性能指標相當的情況下，設計一種基于國產化非線陣雙基線干涉儀的無線電監測設備。通過對均勻圓陣方式放置的8個定向接收天線子陣列優化組合，可以實現瞬時360°全方位高靈敏度和高精度測向，提升設備國產化替代應用程度，促進設備自主可控和安全可靠發展，后續無線電監測技術可以融合人工智能算法，實現基于無人機群的分布式無線電監測定位技術。