第3章测向和定位

通信对抗原理西安电子科技大学信息对抗技术系冯小平西安电子科技大学电子工程学院2第3章通信信号的测向与定位3.1测向与定位的目的、分类和方法3.2测向天线3.3振幅法测向3.4相位法测向3.5相关干涉仪测向3.6多普勒测向3.7到达时差测向3.8空间谱估计测向3.9通信辐射源定位西安电子科技大学电子工程学院3第3章通信信号的测向与定位作业：习题3－1习题3－3习题3－4习题3－6西安电子科技大学电子工程学院43.1测向定位的目的、分类和方法1)通信辐射源测向系统——组成通信测向设备包括测向天线、接收机、处理器、控制器和显示器等设备。测向天线测向接收机测向处理、控制及显示单元西安电子科技大学电子工程学院53.1测向定位的目的、分类和方法1)通信辐射源测向系统——组成测向天线：单个天线；一般为多个天线阵元，排列成不同结构；测向接收机：对信号选择放大，为测向处理提供幅度特性和相位特性合适的中频信号。可以采用单信道、多信道接收机；测向处理、控制及显示单元：对信号进行模-数变换（A/D）、处理和运算，从信号中提取方位信息，并对测向结果进行存储、显示或打印输出。它的另一功能是控制测向设备各部分（测向天线、接收机、测向处理显示器、输出接口等）协调工作。西安电子科技大学电子工程学院63.1测向定位的目的、分类和方法2)测向系统主要技术指标工作频率范围：它是指通信测向和定位系统的工作频率范围；测向范围：它是指通信测向和定位系统的可测向的空域范围；瞬时处理带宽：测向或定位处理器的瞬时处理带宽决定了测向或定位设备的瞬时射频带宽；测向和定位误差：包括测向和定位准确度、测向和定位精度等指标；测向反应时间：两种不同的表述方式，（1）测向和定位速度（2）容许的信号最短持续时间测向灵敏度测向和定位灵敏度：是在保证容许的测向示向度偏差（测向误差）或定位误差条件下所需被测信号的最小场强，通常以μV/m为单位。测向方式：守候式测向、扫描式测向、搜索引导式测向、规定时限的测向、连续测向；（测向法）交叉定位、时差定位等。西安电子科技大学电子工程学院73.2测向天线天线是通信对抗系统的传感器，其作用是将电信号转换为电磁信号（干扰），或者将电磁信号转换为电信号（侦察和测向）。通信对抗系统的天线是宽频段天线。测向系统一般采用由多个单元天线（或称“阵元”）组合形成的天线阵列，以便确定来波的方向。在某些情况下，也可以采用一个单元天线，完成测向任务。西安电子科技大学电子工程学院83.2测向天线线天线偶极子天线单极子天线环形天线交叉环形天线对数周期天线螺旋天线口径天线喇叭天线抛物面天线有源天线阵列天线西安电子科技大学电子工程学院93.3振幅法测向1）最大幅度法利用窄波束侦察天线，以一定的速度在测角范围内连续搜索，当收到的通信信号最强时，侦察天线波束指向就是通信辐射源信号的到达方向角。)(21ˆ21西安电子科技大学电子工程学院103.3振幅法测向1）最大幅度法——测角误差和角分辨率最大幅度法的测角误差与波束宽度的平方成正比，与检测信噪比成反比。最大幅度法的角度分辨率主要取决于测向天线的波束宽度，而波束宽度与天线口径d有关。根据瑞利光学分辨率准则，当信噪比大于10dB时，角度分辨率为：(2.4-6)优点：(1)测向系统灵敏度高；(2)成本低，它只需要单个通道；(3)具有一定的多信号测向能力；(4)测向天线可以与检测共用。缺点：(1)空域截获概率反比于天线的方向性；(2)难以对驻留时间短的信号测向；(3)测向误差较大。)(70dr西安电子科技大学电子工程学院113.3振幅法测向2）最小振幅法最小幅度法测向的基本原理是，利用窄波束侦察天线，以一定的速度在测角范围内连续搜索，当收到的通信信号最小时，侦察天线波束指向就是通信辐射源信号的到达方向角。最小幅度法实际上是将侦察天线的波束零点对准来波方向。当波束零点对准来波方向时，天线感应信号为零，测向接收机输出信号为零，此时天线零点方向就判断为来波方向。最小幅度法的测向精度和角度分辨率比最大幅度法高，测向方法简单，可以使用简单的偶极子天线测向。这种方法主要用于长波和短波波段。西安电子科技大学电子工程学院123.3振幅法测向3）单脉冲比幅法——原理框图单脉冲相邻比幅法使用N个相同方向图函数的天线，均匀分布到360度方向。比较相邻两个天线输出信号的幅度，获得信号的到达方向。西安电子科技大学电子工程学院133.3振幅法测向3）单脉冲比幅法——原理当采用高斯方向图函数时，输出对数电压比为或者可见，波束越窄、天线越多，误差越小。与最大/最小振幅测向法相比，相邻比幅测向法的优点是测向精度高，具有瞬时测向能力，但是其设备复杂，并且要求多通道的幅度响应具有一致性。dBRrs212Rsr122西安电子科技大学电子工程学院143.3振幅法测向4）沃森—瓦特(Watson-watt)测向它利用正交的测向天线信号，分别经过两个幅度和相位响应完全一致的接收通道进行变频放大，然后求解或者显示（利用阴极射线管显示）反正切值，解出或者显示来波方向。沃森—瓦特测向法具体实现时，可以采用多信道（三信道），也可以采用单信道。西安电子科技大学电子工程学院153.3振幅法测向4）沃森—瓦特测向工作原理以四天线阵（爱德柯克，Adcok）为例，说明沃森-瓦特测向的基本原理。如图所示，当一均匀平面波以方位角，仰角照射到正交的天线阵。天线阵中心点接收电压为以真北方向为基准，在圆阵均匀分布的四个天线单元获得的电压为：)cos()()(00ttAtUcossincos)()(cossincos)()(coscoscos)()(coscoscos)()(0000dttAtUdttAtUdttAtUdttAtUEWSN西安电子科技大学电子工程学院163.3振幅法测向4）沃森—瓦特测向原理天线阵的输出是两组天线的差信号，近似为：天线阵之输出的差信号的幅度分别是方位角的余弦函数和正弦函数，是仰角的余弦函数。天线阵输出的和信号为在一定条件下，和差信号的积为)sin(cossin)(2)()sin(coscos)(2)(00tdtAtUtdtAtUEWSN),()cos()(2cossincoscoscoscos)cos()(2)()()()()(00CttAddttAtUtUtUtUtUEWNScossin),(2)(2cos1)(2)(coscos),(2)(2cos1)(2)(0202dCttAtVdCttAtVEWSN西安电子科技大学电子工程学院173.3振幅法测向4）沃森—瓦特测向原理经过低通滤波后，输出信号为：可以求到和分别为cossin),()(2)(coscos),()(2)(22dCtAtWdCtAtWEWSN)()(arctantWtWSNEW2222)()()()()(arccostUtUtAdtWtWSNEW西安电子科技大学电子工程学院183.3振幅法测向4）沃森—瓦特测向原理传统的沃森-瓦特测向采用CRT显示到达角。将两个差通道输出电压分别送到偏转灵敏度一致的阴极射线管的垂直和水平偏转板上，在理想情况下，在管光屏上将出现一条直线，它与垂直方向的夹角为就是方位角。一般情况下，电波存在干涉，显示的图形就不再是一条直线而是一个椭圆，它的长轴是指示来波方向。现代的沃森-瓦特测向采用数字信号处理技术，通过数字滤波器提取信号，计算来波方向。多信道沃森-瓦特测向的特点是测向时效高、速度快、测向准确、可测跳频信号，并且CRT显示可以分辩同信道干扰。但是其系统复杂，并且要求接收机通道幅度和相位一致，实现的技术难度较高。单信道沃森-瓦特测向系统简单、体积小、重量轻、极大性能好，但是测向速度受到一定的限制。西安电子科技大学电子工程学院193.4相位法测向1）单基线干涉仪测向——原理框图在原理上相位干涉仪可以实现快速测向西安电子科技大学电子工程学院203.4相位法测向1）单基线干涉仪测向——原理单基线相位干涉仪有两个完全相同的接收通道。设有一个平面电磁波从天线视轴夹角方向到达测向天线1和2，则天线阵输出信号相位差(2.4-25)如果两个接收通道的幅度和相位响应完全一致，正交相位检波输出(2.4-26)K为系统增益。进行角度变换，得到测向输出(2.4-27)单基线干涉仪的无模糊测角范围[－max,max]为sin2lsincosKUKUSClUUCS2ˆarcsinˆarctanˆl2arcsinmax西安电子科技大学电子工程学院213.4相位法测向2）一维多基线相位干涉仪测向——原理在多基线相位干涉仪中，利用长基线保证精度，短基线保证测角范围。3基线相位干涉仪原理如下图所示：西安电子科技大学电子工程学院223.4相位法测向2）一维多基线相位干涉仪测向——原理其中0天线为基准天线，它与其它天线的基线长度分别为l1、l2、l3，且满足(2.4-30)四个天线接收的信号经过混频、限幅放大，送给三路鉴相器，其中0通道为鉴相的基准。经过鉴相得到6个输出信号：其中(2.4-31)这6路信号经过加减电路，极性量化器，编码器产生8bit方向码输出。设一维多基线干涉仪的基线数为k,相邻基线长度比为n，最长基线编码器的量化位数为m，则其理论测向精度为(2.4-32)23244llll322211cos,sin,cos,sin,cos,sin4sin24sin2sin23312211lll11max2mkn西安电子科技大学电子工程学院233.4相位法测向3）相位干涉仪——二维圆阵一维相位干涉仪的原理可以很容易的推广到二维和多维相位干涉仪二维相位干涉仪的天线的排列方式比较灵活，如L形、T形、均匀圆阵、三角形、多边形等。下面介绍圆阵西安电子科技大学电子工程学院243.4相位法测向3）相位干涉仪——二维圆阵各天线阵元的接收信号可以表示为：(3.4-9)其中为天线位置矢量，，为波达方向的导向矢量：(3.4-10)设天线阵元i接收的信号相对于到达坐标原点处信号的时延相位，则天线阵元1、2和天线1、3之间接收信号的真实相位差和分别为：(3.4-11)3,2,1,exp)(exp)()(ijtsrjtstxiiTiir/2Tzyxsin,sincos,coscos,,,12132/sin2/sincos22/sin2/sincos231132112RR西安电子科技大学电子工程学院253.4相位法测向3）相位干涉仪——二维圆阵设是在阵列平面上的投影，即，根据式(3.4-10)有：(3.4-13)令，可得到的估计为：(3.4-14)综合上面两式，可以得到：(3.4-15)并且真实到达角估计为：yxjsincos'jsincossincoscossincoscosjjj2/cos2/sin42/sin2/sin4ˆˆ'ˆ''RjRjDSyx西安电子科技大学电子工程学院263.4相位法测向3）相位干涉仪——二维圆阵综合上面两式，可以得到：(3.4-15)并且真实到达角估计为：jexp'ˆˆ