通信对抗原理(冯小平)全书第3章

第3章通信信号的测向与定位第3章通信信号的测向与定位3.1测向与定位概述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通信辐射源定位习题第3章通信信号的测向与定位无线电测向和定位就是确定通信辐射源的来波方向和位置。对通信信号的测向和定位既是通信对抗系统领域的一个重要和相对独立的技术领域，也是通信侦察系统的重要组成部分。本章重点讨论通信信号测向定位的基本原理和方法。第3章通信信号的测向与定位3.1测向与定位概述3.1.1通信辐射源测向系统组成通信测向系统包括测向天线、接收机、处理器、控制器和显示器等设备。其基本组成如图3.1-1测向天线接收空间的电磁信号，在少数情况下，测向天线由单个天线构成。在大多数情况下，测向天线由在空间按照一定规律排列的多个天线阵元构成，根据不同的测向方法，这些测向接收机的主要功能是对天线系统送来的信号进行选择和放大，为随后的测向处理提供幅度特性和相位特性合适的中频信号。根据测向方法的不同，测向接收机可以采用单信道第3章通信信号的测向与定位图3.1-1通信测向设备的基本组成第3章通信信号的测向与定位测向处理、控制及显示单元的主要功能是对测向接收机送来的含有方位信息的测向信号进行模/数(ADC)变换、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组成部分(测向天线、接收机、测向处理显示器、输出接口等)协调工作，例如测向天线的阵元转换、接收机本振及信道的控制、测向工作方式的选择、测向速度及其他工作参数的设置、测向设备的校准以及测向结果的输出等均由测向处理控制显示单元来控制。测向处理部分的具体工作原理和工作过程因测向设备的不第3章通信信号的测向与定位3.1.2通信测向和定位技术分类通信测向和定位系统的分类比较复杂，它可以按照工作频段、运载平台和工作原理等进行分类。由于通信信号的来波方向可以从信号的幅度、相位、多普勒频移、到达时间等参数中获得，因此我们按照工作原理将测向方法分为振幅法、相位法、(1)振幅法测向。根据测向天线阵列各阵元(单元天线)感应来波信号后输出信号的幅度大小，即利用天线各阵元的直接幅度响应或者比较幅度响应，测得来波到达方向的方法称为振幅法测向，也称幅度法测向。(2)相位法测向。根据测向天线阵列各阵元之间的相位差，测定来波到达方向的方法称为相位法测向。如相位干涉仪测向、第3章通信信号的测向与定位(3)多普勒法测向。利用测向天线自身以一定的速度旋转引起的接收信号附加多普勒调制进行测向的方法，称为多普勒法(4)时差测向。根据测得的来波信号到达测向天线阵列中两个或两个以上不同位置的阵元的时间差来测定来波到达方向的方法称为到达时间差测向，简称时差测向。(5)空间谱估计测向技术。空间谱估计测向是将测向天线阵列接收的信号分解为信号与噪声两个子空间，利用来波方向构成的矢量与噪声子空间正交的特性测向。无源定位是在通信测向的基础上发展起来的，因而利用测向的结果进行定位计算或估计是最经典和最成熟的定位技术，称为测向定位法。后来，随着各种测向和定位技术的开发及利用，时差定位、多普勒频移定位、测向和频差以及时差和频差第3章通信信号的测向与定位3.1.3通信测向和定位设备的主要指标测向和定位设备在电性能、物理性能、环境和使用要求及接口功能等多方面都有严格的指标要求。本节主要讨论测向和定位设备在电性能方面的主要指标。(1)工作频率范围。工作频率范围是指通信测向和定位系统的工作频率范围。例如，短波测向设备的工作频率范围通常为1.5～30MHz；超短波测向设备的工作频率范围目前多数为20～1000MHz或30～1000MHz(2)测向范围。测向范围是指通信测向和定位系统的可测向的空域范围。如方位全向工作、半向工作或者部分方向测向第3章通信信号的测向与定位(3)瞬时处理带宽。当要求能对短持续时间信号(如短脉冲、跳频信号)进行测向或定位时，为了保证测向或定位反应时间能适应对短持续时间信号搜索截获和采样方面的要求，对测向或定位设备的瞬时射频带宽和处理带宽(例如常用的FFT处理带宽)提出了相应的要求。通常测向或定位处理器的瞬时处理带宽决(4)测向和定位误差。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。①测向误差。测向误差表示在一定的来波信号强度下测向设备测得的目标方位角与其真实方位角之差的统计值，这是测第3章通信信号的测向与定位(a)设备测向误差：表示不包含测向天线的基本测向设备的测向误差。由于不涉及测向天线，不存在场地和周围环境的影响，因此这一误差很小，一般测向设备的测向误差均±(0.5～1°)(b)系统测向误差：表示包含测向天线在内的整个测向系统的总的测向误差。检测时，应在外场环境中把整个测向系统安装在规定的平台上，并在一定距离上开设目标电台，进行现场测试。在检测这一指标过程中，场地和周围环境对指标的测试结果影响很大，故对这一指标一般都要注明场地要求和周围环境要求。例如对场地的大小、平坦度、周围的障碍物(山林、高楼、铁塔、高压线网等)和无关辐射源等都会提出一定的要求。第3章通信信号的测向与定位由于测试场地和周围环境对测向误差的影响不可能完全消除掉，因此系统测向误差不是用某一点上的测试结果来表示，②定位误差。当采用测向法定位时，测向误差将直接影响定位误差；当采用时差定位和其他定位方法时，时间及其他参定位误差一般采用所确定的目标定位模糊区域的圆概率误差(CEP)(即用圆的直径与定位距离的比值)(5)测向反应时间。第3章通信信号的测向与定位①测向和定位速度：表示测向或定位设备对目标完成一次测向或定位所需要的时间，它包括接到命令把接收机置定到被测频率上截获目标信号、进行处理运算以及把结果送到显示器②容许的信号最短持续时间：表示测向或定位设备为保证测向或定位精度所需要的被测信号的最短持续时间。一般测向或定位设备的处理器对接收机输出的中频信号需要通过采样完成模/数变换，而后进行处理运算。只有信号持续时间足够长，才能采集到足够数量的样本以保证相应的精度。(6)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第3章通信信号的测向与定位测向灵敏度与工作频率有关。对一部宽频段工作的测向或定位设备而言，测向或定位灵敏度不能用某一个数值来表示，至少在不同的子频段内，灵敏度是不同的。所以在测向或定位设备产品性能介绍中，测向或定位灵敏度通常用一个数值范围来表述。有不少测向设备同时附有E0-f变化曲线，这种表述方式更为确切。测向灵敏度直接影响测向和定位误差。测向或定位误差与灵敏度直接相关，在表示测向或定位灵敏度指标时，必须(7)测向方式。测向和定位设备的测向方式属于功能性要求，通常有守候式测向、扫描式测向、搜索引导式测向、规定时限的测向、连续测向等。第3章通信信号的测向与定位3.2测向天线3.2.1概述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)。由于通信对抗系统感兴趣信号的频率范围非常宽，占据了很宽的频段，因此要求其天线是宽频段天线。在一般情况下，天线工作在一个相对较窄的频带内，因此可采用多副天线。而系统的安装空间是有限的，要在有限的空间中安装多副天线是难以实现甚至是不可能的。从这种意义上看，通信对抗系统需要使用在很宽的频率范围内都有效的宽频带天线。第3章通信信号的测向与定位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。天线阵的结构通常与测向方法密切相关，不同的测向方法需要不同的天线阵列结构。通信对抗系统覆盖的频率范围很宽，它通常在不同的频段使用不同的天线。在低频范围内常用的天线类型包括偶极子天线、单极子天线和对数周期天线，三者结构都比较简单，并且前两者是全向的，而后者有较好方向性和较宽的频带。本节简要介绍在通信侦察系统中常用的一些天线单元及其基本特点。天线通常具有互易性，即普通的天线既可以作为发射天线，也可以作为接收天线，所表现的特性是相同的。但是当使用有源天线时，天线中包含的放大器等有源器件是单向的，有第3章通信信号的测向与定位天线的三个重要参数是频率响应、方向性和阻抗特性。天线的频率响应决定了天线可以有效发射或者接收信号的带宽，天线的方向性描述天线辐射的电磁信号的能量在空间各个方向的能量分布情况。当天线的阻抗与其负载或者源的阻抗匹配时，其驻波比最小，得到的辐射效率最高并且实现最大功率传输。天线的阻抗通常是一个复阻抗，需要共扼匹配才能达到最佳。天线的主要参数包括主瓣、半功率波束宽度、平均功率宽度、辐射方向、副瓣、副瓣电平、增益等，定义如图3.2-1所示。天线的有效面积用符号Ae表示，它决定了天线从它所在的空间中获取的电磁信号的总能量。不计损耗，天线获取的能量第3章通信信号的测向与定位为PR=PdAe(3.2-1)其中,Pd是天线周围的电磁信号的功率密度。注意天线的有效面积并不是它的物理面积，一般为(0.4～0.7)倍的物理面积。天线有效面积和天线增益之间的关系如下：天线增益表明了天线的方向性，它是将有向天线的增益与一个全向天线进行比较，用它相对于全向天线增益的分贝数(dBi)度量天线的增益。换句话说，全向天线没有增益，它在各个方向的辐射功率相同。通信对抗系统中经常使用全向天线，因为事先并不知道目标信号在哪个方向辐射，因此假定目标可能出现在任何方向。2π4eAG(3.2-2)第3章通信信号的测向与定位图3.2-1天线的参数第3章通信信号的测向与定位3.2.2线天线线天线由安装在某种支撑结构上的一段导体组成。如果它的中点作为馈入点，就构成了偶极子天线，如果它的一端作为1.偶极子天线偶极子天线是最常用的也是最简单的无源单元天线。它由同方向上对齐的两个阵元构成，图3.2-2是它的结构和辐射方向图。天线的方向图与其物理尺寸有关。偶极子天线的方向图形状主要取决于它的长度。图3.2-2给出了L=λ/2和L=λ两种不同长度的天线的方向图。当L=λ/2(半波长)时，俯仰方向的3dB第3章通信信号的测向与定位波束宽度为78°，水平方向的3dB波束宽度为360°。半波长偶极子天线增益为2dBi，天线有效面积为Ae=1.64λ2/4π。天线的增益与频率有关，当偏离中心频率时，天线增益会下降。注意，上述给出的天线方向图形状是假设天线是垂直于地面放置。如果天线垂直于地面放置，则它的极化方向也是垂直第3章通信信号的测向与定位图3.2-2偶极子天线的结构和辐射方向图第3章通信信号的测向与定位2.单极子天线单极子天线是由安装在地平面上的单个阵元构成的，图3.2-3是它的结构和辐射方向图。单极子天线也是非常简单的天线，它是VHF频段内战术电台的常用天线形式。由于受地平面的影响，俯仰方向只要0°以上有效，俯仰方向的3dB波束宽度接近45°，水平方向的3dB波束宽度为360°。单极子天线的长度一般是λ/4，其最大增益为0dB，天线有效面积Ae≈λ2/4π需要说明的是，这里地平面在很多情况下并非真实的地面，而是电器地，如机箱外壳等。如果单极子天线安装在地面，则需要保证良好的接地，否则会影响其辐射性能。手持电话和移动通信系统使用的天线都属于单极子天线，在这些情况下，天第3章通信信号的测向与定位图3.2-3单极子天线的结构和辐射方向图第3章通信信号的测向与定位3.环形天线环形天线有与偶极子天线类似的辐射特性，其形状可以是圆环，也可以是任意形状的环。图3.2-4是环形天线的结构和辐射方向图。图3.2-4是环形天线垂直放置的情况。其俯仰方向为全向，即360°，水平方向的3dB波束宽度为两个90°。环形天线有效面积Ae≈0.63λ2/4π。一般情况下，环的半径比波长小得多。第3章通信信号的测向与定位图3.2-4环形天线的结构和辐射方向图第3章通信信号的测向与定位4.交叉环天线环形天线的一个重要形式是交叉环天线。交叉环天