第十一章无线电测向技术

第十一章无线电测向技术（参考件）一、无线电波与其传输特性1.1关于无线电波的一些基本概念1.1.1无线电波是电磁波的一种从物理含义上讲，电磁波包含无线电波、光辐射和光子辐射。电磁波中波长小于0.1mm，或者说频率低于3000GHz的波，叫无线电波。把电磁波和无线电波视为同等概念，严格说是不确切的。但从当今应用目的看，习惯叫法也是可以的。1.1.2无线电波的分段和名称根据国际电信联盟无线电规则第二条(Article2,20δ,Geneva,1982)频带命名如表示：表1.(2)频带命名频带号码N频率范围符号名称米制分段230~300HzELF极低频兆米波3300~3000HzVF音频百千米波43~30KHzVLF甚低频十千米波530~3000KHzLF低频千米波6300~3000KHzMF中频百米波73~30MHzHF高频十米波830~300MHzVHF甚高频米波9300~3000MHzUHF特高频分米波103~30GHzSHF超高频厘米波1130~300GHzEHF极高频毫米波12300~3000GHz亚毫米波关于无线电波的频带划分与命名，需补充几点：①国际电联频带划分时规定，每个频率范围含上限而不含下限；②实际工作中常有这样一些情况：仅使用频带的一部分，比如战术通信台工作频段为30~88MHz，这时仍称VHF电台；边沿垮接相邻频带，如2~30MHz的接收机，因其主要工作频率处于高频，这时仍称高频(HF)接收机；当工作频率范围跨接两个频带，又都为主要工作频段时，如25~1000MHz的测向机，这时，则惯称甚高频/特高频(VHF/UHF)测向机等。③国内一些部门习惯用短波、超短波、微波等称谓。显然短波与高频等效。超短波包括甚高频(VHF)和特高频(UHF)，但界限含混，微波一般指频率高于300MHz的众多频带。1.1.3无线电波的一般传输特性在2.1节介绍有关述语的函义中，已讲到无线电波的一些特性，为使读者便于理解后面的内容，现就电磁波传输的一般特性归纳如下：电磁场中电场和磁场具有确定的方向和数值，即S(t)=E(t).H(t)E=-ZH传输中的电场和磁场都具有极化特性；电磁波在自由空间传输时，其传输平面是一确定的大圆面，其传输方向不变，且相速度和群速度相同；电磁波在界质中传输时，将受到界质的影响。在各向同性的色散界质中传输时，使相速与群速不等；在各向异性的色散界质传输时，还会使极化和方向发生变化；电磁波传输时会产生衰减。产生衰减的原因有两种：一是球面（或柱面）波扩散损耗，其场强与离开辐射源的距离成反比；二是介质引起的损耗，包括介质吸收、散射、衍射等，这使场强比在自由空间时小；中不同介质的界面上产生反射、折射，并都符合几何光学的定律；频率较低的无线电波还具有衍射特性；频率相同的无线电波具有相干性，相干场场强呈驻波分布，等相位面也产生畸曲。1.1.4无线电波的极化特性极化是为描述不同类型辐射源产生的电磁波或者通过不同途径传输的电磁场的时一空特性而引入的概念。前面已讲过，电场矢量和磁场矢量满足乌莫夫---坡印廷矢量法则，二者相互垂直，并都与电磁波传输方向(即坡印廷矢量方向)相垂直，故人们用电矢量的端点在波振面上的轨迹图表叙电磁波的极化形式：垂直极化波，即电矢量完全处于传输面内的电磁波，显然这时磁矢量完全垂直传输平面；水平极化波，即电矢量完全垂直传输平面的电磁波，显然这时的磁场矢量完全处于传输面内；线极化波，即电场矢量偏开传输面一个角度r(称极化角)的电磁波。显然线极化波可分解为垂直极化分量和水平极化分量。垂直极化波或水平极化波是线极化波的一种特性形式(水平极化分量为零或垂直极化分量为零)；圆极化波，即垂直极化分量和水平极化分量幅度相等，而相位差为900的电磁波。这时电矢量端点在波振面内的轨迹为圆。顺着电磁波传输的方向看去，如电场矢量是反时针的旋转，又称左旋圆极化；着顺时针旋转，则称右旋圆极化；椭圆极化，即电场矢量端点在波振面上投影轨迹为椭圆的电磁波。有三种情况产生椭圆极化：垂直极化分量和水平极化分量幅度相等，但相位差是0.π/2和π以外的值；两极化分量相位差为π/2，但幅度不相等；两极化分量幅度不相等，相位差为0和π以外的值。椭圆极化波也同圆极化波一样区分为左旋和右旋。显然，椭圆极化是电磁波极化概念的最通用的表叙形式，其它极化形式可作为椭圆极化的特殊情况，如线极化是两分量相位差为0或π的特例；圆极化是两极化分量幅度相等，相位差为π/2的特例；垂直极化或水平极化是一个极化分量为零的特例。值得注意的是对垂直(或水平)极化的地波来讲，电场矢量总是垂直(或平行)地面，对倾斜入射到地面的天波来说，垂直极化波的电矢量不再与地面垂直，而水平极化波的电矢量却总与地面平行，这些区别在今后研究高角波信号接收或测向问题时常用到。1.2HF(高频)无线电波的传输特性频率范围为3~30MHz的无线电波，根据ITU定义，叫高频波(HF)，有时也叫短波。高频波在远程通信中占重要地位。高频波主要传输特点有：（1）HF波从地面上一点到另一点的传输有两种途径，即地波和天波；（2）地面波传输中，受土壤或海水的影响，将产生衰减。频率越高，衰减越大。水平极化波的衰减比垂直极化波要大得多，因而地面波主要为垂直极化。对发射功率1KW的垂直极化波，在陆面上一般传输几十公里，在海面是传输为几百公里；（3）HF远程传输是通过电离层反射完成的。电离层分D、E、F1和F2层，对应的平均高度分别是70、110、200和330KM，其中F2层是较稳定的，远程通信主要靠F2层的反射，可反射的电波频率一般不大于20MHz，一跳传输的距离与反射角有关，若反射波仰为角β，频率为f=f0/sinβ(式中f0是电子密度为N的电离层对垂直入射波可反射的最高频率)，一次反射的距离为d=2hCotβ(式中h为虚高，比电离层实际高度稍大)；HF无线电波两种传输方式的存在，就使HF波形成了以下特点：在离发射源较近的地面上可认为只有地波存在，这时电波极化可认为是单纯的垂直极化；在较远的天波区，不管发射天线是垂直极化还是水平极化，受电离层影响，反射波都是椭圆极化；在没有特殊选频情况下，电波会在不同层或不同点反射，形成多径波；HF波在传输方向上，一般形成地波区、静寞区和天波区。静寞区是在地波区与天波区之间，大约在离开发射台30~100KM的地段，地波已衰减掉，又没有电离层反射波到达，常收不到信号。在较近的天波区（离发射源100~400KM之间），反射波的仰角很大，也常称为高角波区。1.3VHF/UHF(甚高频/特高频)无线电波的传输特性30~300MHz通称甚高频(VHF)，300~3000MHz通称特高频(UHF)，3G~30GHz通称超高频(SHF)，30~300GHz通称极高频(EHF)。VHF/UHF无线电波较HF无线电波的波长越来越小，受传输介质影响相应加大，视距传输就成为其主要方式和特点。（1）地波分地表面波和地面空间波。由于超过30MHz以后，地面(土壤或海水)造成的衰减随频率增加迅速加大，特别超过300MHz，地表面波在较短的距离上就已衰减掉，因而只有高出地面的直射波存在，这就是地面空间波。（2）在视距范围内传输，地面上传输的最大距离为d0=4.12(hT+hR)km，式中hT和hR分别为发射与接收天线高度，单位为米。比如：hT=hR=10m，d0=26km，hT=100m，hR=10m，d0=54km；（3）地面空间波的传输距离与极化方式是垂直极化还是水平极化，已没有明显关系；（4）根据地面菲湟区的理论，地面反射波对地面空间波传输带来影响，场强E为：E=式中E1=173√PT(kw)GT/d(km)(mv/m)代表自由空间传输模式时d处场强。相对天线高足够远的距离上，即2πhThR1时，场强E正比例hThR。这就是所谓的天线高度增益，且频率越高，天线高度增益越明显。比如离开地面20m高较4m处的场强，30MHz时增加1dB，60MHz时增加5dB，150MHz时增加8dB，300MHz时增加10dB，600MHz时增加11dB。2E1sin(2πhThR/dλ)二、无线电测向基础2无线电测向原理与分类2.1无线电测向的依据与限制2.1.1无线电测向的理论依据无线电测向的理论依据主要有两点：（1）从测试点看，无线电波的到达方向处于测试点和发射点构成的大圆内。这是自由空间或均匀界质中无线电波传播的基本特性；（2）无线电波为横波，其测试点场的分布（包括强度、相位、时延）与给定的电波传播方向有确定的关系。2.1.2无线电测向的受限因素无线电测向的使用精度不是任意设计的，它将受到以下一些因素的限制：（1）传输介质不均匀性的影响。无线电波传播的直线特性都是以均匀介质为条件的，实际上当地波在通过不同类型地表交界处时有“海岸效应”，不均匀电离层反射时侧向偏移以及地形地物的阻挡等，均会引起传播方向的改变。这些因素带来的误差除电离层侧移可通过长时间平均减少外，大都是无法消除的。这种误差人们惯称传播误差；（2）多径波相干的影响。无论是无线电波在传播过程中造成的多径还是测试点附近存在二次辐射体，都使电场变成相干场，这时场的空间分布已偏离作为无线电测向依据的平面波场分布，造成测向误差。这种误差惯称相干误差或多径误差；（3）噪声干扰影响测量精度。实际测向作业中多数情况是对低场强信号测向，这时无论是同波干扰，还是背景噪声以及交互调噪声，都将扰动测试精度；（4）测向设备固有精度影响，常叫仪器误差或系统误差。纵观无线电测向技术的发展史，就是研究如何有效利用无线电波波场的电参数实现测向，并减少或克服各限制因素的影响，因而出现了多种无线电测向方法和体制。2.2无线电测向方法与分类实现无线电测向的方法很多，分类的思路也不尽同，但从下面将要介绍的多种具体测向方案（以后称测向体制）将要看到，各种测向体制都是基于测向依据对电场分布进行测量，从而计算出电波到达方向。电场空间分布状态的测量方法有四种情况，或称四类基本测向方法，即：（1）通过定向天线（阵）的输出幅度测量进行测向，统称幅度测向法。定向天线或无方向天线组成的定向天线阵，具有确定的方向性图，其输出值与电波传播方向有确定的对应关系，因而可通过定向天线（阵）输出幅度的比较来确定无线电波到达方向。实际上定向天线（阵）的输出是作用于天线各细小单元上的感应电动势的合成电压，定向天线的输出幅度是空间电场分布状态的函数。利用幅度法进行测向的体制很多，旋转环测向是最简单也是最早发明的测向体制，乌兰韦伯尔大孔径测向体制是较复杂的一种旋转天线体制，单脉比幅是对雷达信号测向的常用体制等；（2）通过间隔天线间的相位测量比较进行测向，统称相位测向法。这是直接通过天线对空间电场相位分布进行取样、测量，并根据样点的相位关系完成测向。相位干涉仪和多卜勒测向机都是常用体制。相位干涉仪体制是通过天线（场传感器）对空间电场的相位进行取样，然后根据相位分布规律和测试的各相位差值求解出电波到达方向，而多卜勒测向体制是循环把相邻天线相位差值按确定关系转换为频移，通过频移测量而求解出电波到达方向；（3）通过间隔天线电压矢量测量进行测向，统称矢量测向法。这是用分散的天线直接测量空间场的矢量分布而求电波到达方向的方法，最典型的测向体制是高分辨率空间谱估计测向技术，尽管这种技术还不十分成熟，但它同时使用了幅度和相位两种参数，为分解相干波提供了理论依据。近代发展起来的相关干涉仪测向体制也应用了矢量测量，虽不能分解相干场，但可以减少相干场的影响，并用比空间谱估计造价低得多的代价就获得测向高精度和高灵敏度特性；（4）利用无线电波的群延时特性，通过时差测量求出电波到达方向，统称到达时差测向法。表一、常用测向体制分类：1、基于幅度测量的测向法。测量方向性天线间的相对电压幅度，并计算出电波方向的方法。常用体制（方案）有：旋转定向天线测向机旋转角度计测向机Adcock/Watson-watt测向机改进型Adcock/Watson-watt测向机单脉冲比幅测向机等2、基于相位测量的测向法。测量天