通信對(duì)抗原理第3章-通信信號(hào)的測(cè)向與定位課件

第3章通信信號(hào)的測(cè)向與定位3.1測(cè)向與定位概述3.2測(cè)向天線3.3振幅法測(cè)向3.4相位法測(cè)向3.5相關(guān)干涉儀測(cè)向3.6多普勒測(cè)向3.7到達(dá)時(shí)差測(cè)向3.8空間譜估計(jì)測(cè)向3.9通信輻射源定位習(xí)題

第3章通信信號(hào)的測(cè)向與定位3.1測(cè)向與定位概述無(wú)線電測(cè)向和定位就是確定通信輻射源的來波方向和位置。對(duì)通信信號(hào)的測(cè)向和定位既是通信對(duì)抗系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)重要和相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)領(lǐng)域，也是通信偵察系統(tǒng)的重要組成部分。本章重點(diǎn)討論通信信號(hào)測(cè)向定位的基本原理和方法。無(wú)線電測(cè)向和定位就是確定通信輻射源的來波方向和位置。對(duì)通3.1測(cè)向與定位概述3.1.1通信輻射源測(cè)向系統(tǒng)組成通信測(cè)向系統(tǒng)包括測(cè)向天線、接收機(jī)、處理器、控制器和顯示器等設(shè)備。其基本組成如圖3.1-1所示。測(cè)向天線接收空間的電磁信號(hào)，在少數(shù)情況下，測(cè)向天線由單個(gè)天線構(gòu)成。在大多數(shù)情況下，測(cè)向天線由在空間按照一定規(guī)律排列的多個(gè)天線陣元構(gòu)成，根據(jù)不同的測(cè)向方法，這些天線陣元形成不同的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)測(cè)向系統(tǒng)的要求。測(cè)向接收機(jī)的主要功能是對(duì)天線系統(tǒng)送來的信號(hào)進(jìn)行選擇和放大，為隨后的測(cè)向處理提供幅度特性和相位特性合適的中頻信號(hào)。根據(jù)測(cè)向方法的不同，測(cè)向接收機(jī)可以采用單信道和多信道的接收機(jī)。3.1測(cè)向與定位概述圖3.1-1通信測(cè)向設(shè)備的基本組成圖3.1-1通信測(cè)向設(shè)備的基本組成測(cè)向處理、控制及顯示單元的主要功能是對(duì)測(cè)向接收機(jī)送來的含有方位信息的測(cè)向信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)(ADC)變換、處理和運(yùn)算，從信號(hào)中提取方位信息，并對(duì)測(cè)向結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示或打印輸出。它的另一功能是控制測(cè)向設(shè)備各組成部分(測(cè)向天線、接收機(jī)、測(cè)向處理顯示器、輸出接口等)協(xié)調(diào)工作，例如測(cè)向天線的陣元轉(zhuǎn)換、接收機(jī)本振及信道的控制、測(cè)向工作方式的選擇、測(cè)向速度及其他工作參數(shù)的設(shè)置、測(cè)向設(shè)備的校準(zhǔn)以及測(cè)向結(jié)果的輸出等均由測(cè)向處理控制顯示單元來控制。測(cè)向處理部分的具體工作原理和工作過程因測(cè)向設(shè)備的不同而不同，對(duì)此我們將在后面的有關(guān)章節(jié)中作相應(yīng)介紹。測(cè)向處理、控制及顯示單元的主要功能是對(duì)測(cè)向接收機(jī)送來的含3.1.2通信測(cè)向和定位技術(shù)分類通信測(cè)向和定位系統(tǒng)的分類比較復(fù)雜，它可以按照工作頻段、運(yùn)載平臺(tái)和工作原理等進(jìn)行分類。由于通信信號(hào)的來波方向可以從信號(hào)的幅度、相位、多普勒頻移、到達(dá)時(shí)間等參數(shù)中獲得，因此我們按照工作原理將測(cè)向方法分為振幅法、相位法、多普勒法、到達(dá)時(shí)差法等測(cè)向方法。(1)振幅法測(cè)向。根據(jù)測(cè)向天線陣列各陣元(單元天線)感應(yīng)來波信號(hào)后輸出信號(hào)的幅度大小，即利用天線各陣元的直接幅度響應(yīng)或者比較幅度響應(yīng)，測(cè)得來波到達(dá)方向的方法稱為振幅法測(cè)向，也稱幅度法測(cè)向。(2)相位法測(cè)向。根據(jù)測(cè)向天線陣列各陣元之間的相位差，測(cè)定來波到達(dá)方向的方法稱為相位法測(cè)向。如相位干涉儀測(cè)向、多普勒和準(zhǔn)多普勒測(cè)向技術(shù)等。3.1.2通信測(cè)向和定位技術(shù)分類(3)多普勒法測(cè)向。利用測(cè)向天線自身以一定的速度旋轉(zhuǎn)引起的接收信號(hào)附加多普勒調(diào)制進(jìn)行測(cè)向的方法，稱為多普勒法測(cè)向。多普勒法測(cè)向本質(zhì)上屬于相位法測(cè)向。(4)時(shí)差測(cè)向。根據(jù)測(cè)得的來波信號(hào)到達(dá)測(cè)向天線陣列中兩個(gè)或兩個(gè)以上不同位置的陣元的時(shí)間差來測(cè)定來波到達(dá)方向的方法稱為到達(dá)時(shí)間差測(cè)向，簡(jiǎn)稱時(shí)差測(cè)向。(5)空間譜估計(jì)測(cè)向技術(shù)?？臻g譜估計(jì)測(cè)向是將測(cè)向天線陣列接收的信號(hào)分解為信號(hào)與噪聲兩個(gè)子空間，利用來波方向構(gòu)成的矢量與噪聲子空間正交的特性測(cè)向。無(wú)源定位是在通信測(cè)向的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因而利用測(cè)向的結(jié)果進(jìn)行定位計(jì)算或估計(jì)是最經(jīng)典和最成熟的定位技術(shù)，稱為測(cè)向定位法。后來，隨著各種測(cè)向和定位技術(shù)的開發(fā)及利用，時(shí)差定位、多普勒頻移定位、測(cè)向和頻差以及時(shí)差和頻差的聯(lián)合定位也逐步發(fā)展并進(jìn)入了實(shí)用階段。(3)多普勒法測(cè)向。利用測(cè)向天線自身以一定的速度旋轉(zhuǎn)引起3.1.3通信測(cè)向和定位設(shè)備的主要指標(biāo)測(cè)向和定位設(shè)備在電性能、物理性能、環(huán)境和使用要求及接口功能等多方面都有嚴(yán)格的指標(biāo)要求。本節(jié)主要討論測(cè)向和定位設(shè)備在電性能方面的主要指標(biāo)。(1)工作頻率范圍。工作頻率范圍是指通信測(cè)向和定位系統(tǒng)的工作頻率范圍。例如，短波測(cè)向設(shè)備的工作頻率范圍通常為1.5～30MHz；超短波測(cè)向設(shè)備的工作頻率范圍目前多數(shù)為20～1000MHz或30～1000MHz。(2)測(cè)向范圍。測(cè)向范圍是指通信測(cè)向和定位系統(tǒng)的可測(cè)向的空域范圍。如方位全向工作、半向工作或者部分方向測(cè)向等。3.1.3通信測(cè)向和定位設(shè)備的主要指標(biāo)(3)瞬時(shí)處理帶寬。當(dāng)要求能對(duì)短持續(xù)時(shí)間信號(hào)(如短脈沖、跳頻信號(hào))進(jìn)行測(cè)向或定位時(shí)，為了保證測(cè)向或定位反應(yīng)時(shí)間能適應(yīng)對(duì)短持續(xù)時(shí)間信號(hào)搜索截獲和采樣方面的要求，對(duì)測(cè)向或定位設(shè)備的瞬時(shí)射頻帶寬和處理帶寬(例如常用的FFT處理帶寬)提出了相應(yīng)的要求。通常測(cè)向或定位處理器的瞬時(shí)處理帶寬決定了測(cè)向或定位設(shè)備的瞬時(shí)射頻帶寬。(4)測(cè)向和定位誤差。測(cè)向和定位誤差包括測(cè)向和定位準(zhǔn)確度、測(cè)向和定位精度等指標(biāo)。①測(cè)向誤差。測(cè)向誤差表示在一定的來波信號(hào)強(qiáng)度下測(cè)向設(shè)備測(cè)得的目標(biāo)方位角與其真實(shí)方位角之差的統(tǒng)計(jì)值，這是測(cè)向設(shè)備最重要的指標(biāo)。通常，這一指標(biāo)有兩種表述方式。(3)瞬時(shí)處理帶寬。當(dāng)要求能對(duì)短持續(xù)時(shí)間信號(hào)(如短脈沖、(a)設(shè)備測(cè)向誤差：表示不包含測(cè)向天線的基本測(cè)向設(shè)備的測(cè)向誤差。由于不涉及測(cè)向天線，不存在場(chǎng)地和周圍環(huán)境的影響，因此這一誤差很小，一般測(cè)向設(shè)備的測(cè)向誤差均±(0.5～1°)范圍內(nèi)。(b)系統(tǒng)測(cè)向誤差：表示包含測(cè)向天線在內(nèi)的整個(gè)測(cè)向系統(tǒng)的總的測(cè)向誤差。檢測(cè)時(shí)，應(yīng)在外場(chǎng)環(huán)境中把整個(gè)測(cè)向系統(tǒng)安裝在規(guī)定的平臺(tái)上，并在一定距離上開設(shè)目標(biāo)電臺(tái)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。在檢測(cè)這一指標(biāo)過程中，場(chǎng)地和周圍環(huán)境對(duì)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果影響很大，故對(duì)這一指標(biāo)一般都要注明場(chǎng)地要求和周圍環(huán)境要求。例如對(duì)場(chǎng)地的大小、平坦度、周圍的障礙物(山林、高樓、鐵塔、高壓線網(wǎng)等)和無(wú)關(guān)輻射源等都會(huì)提出一定的要求。(a)設(shè)備測(cè)向誤差：表示不包含測(cè)向天線的基本測(cè)向設(shè)備的測(cè)由于測(cè)試場(chǎng)地和周圍環(huán)境對(duì)測(cè)向誤差的影響不可能完全消除掉，因此系統(tǒng)測(cè)向誤差不是用某一點(diǎn)上的測(cè)試結(jié)果來表示，而是用若干測(cè)試值的均方根值來表示。②定位誤差。當(dāng)采用測(cè)向法定位時(shí)，測(cè)向誤差將直接影響定位誤差；當(dāng)采用時(shí)差定位和其他定位方法時(shí)，時(shí)間及其他參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確度等原因直接影響定位誤差。定位誤差一般采用所確定的目標(biāo)定位模糊區(qū)域的圓概率誤差(CEP)(即用圓的直徑與定位距離的比值)表示。(5)測(cè)向反應(yīng)時(shí)間。測(cè)向反應(yīng)時(shí)間通常有兩種不同的表述方式。由于測(cè)試場(chǎng)地和周圍環(huán)境對(duì)測(cè)向誤差的影響不可能完全消除掉，①測(cè)向和定位速度：表示測(cè)向或定位設(shè)備對(duì)目標(biāo)完成一次測(cè)向或定位所需要的時(shí)間，它包括接到命令把接收機(jī)置定到被測(cè)頻率上截獲目標(biāo)信號(hào)、進(jìn)行處理運(yùn)算以及把結(jié)果送到顯示器顯示出來這一過程所需要的全部時(shí)間。②容許的信號(hào)最短持續(xù)時(shí)間：表示測(cè)向或定位設(shè)備為保證測(cè)向或定位精度所需要的被測(cè)信號(hào)的最短持續(xù)時(shí)間。一般測(cè)向或定位設(shè)備的處理器對(duì)接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)需要通過采樣完成模/數(shù)變換，而后進(jìn)行處理運(yùn)算。只有信號(hào)持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，才能采集到足夠數(shù)量的樣本以保證相應(yīng)的精度。(6)測(cè)向靈敏度。測(cè)向和定位靈敏度是在保證容許的測(cè)向示向度偏差(測(cè)向誤差)或定位誤差條件下所需被測(cè)信號(hào)的最小場(chǎng)強(qiáng)，通常以μV/m為單位。①測(cè)向和定位速度：表示測(cè)向或定位設(shè)備對(duì)目標(biāo)完成一次測(cè)向或測(cè)向靈敏度與工作頻率有關(guān)。對(duì)一部寬頻段工作的測(cè)向或定位設(shè)備而言，測(cè)向或定位靈敏度不能用某一個(gè)數(shù)值來表示，至少在不同的子頻段內(nèi)，靈敏度是不同的。所以在測(cè)向或定位設(shè)備產(chǎn)品性能介紹中，測(cè)向或定位靈敏度通常用一個(gè)數(shù)值范圍來表述。有不少測(cè)向設(shè)備同時(shí)附有E0-f變化曲線，這種表述方式更為確切。測(cè)向靈敏度直接影響測(cè)向和定位誤差。測(cè)向或定位誤差與靈敏度直接相關(guān)，在表示測(cè)向或定位靈敏度指標(biāo)時(shí)，必須同時(shí)注明容許的測(cè)向或定位誤差。(7)測(cè)向方式。測(cè)向和定位設(shè)備的測(cè)向方式屬于功能性要求，通常有守候式測(cè)向、掃描式測(cè)向、搜索引導(dǎo)式測(cè)向、規(guī)定時(shí)限的測(cè)向、連續(xù)測(cè)向等。測(cè)向靈敏度與工作頻率有關(guān)。對(duì)一部寬頻段工作的測(cè)向或定位設(shè)3.2測(cè)向天線3.2.1概述天線是通信對(duì)抗系統(tǒng)的傳感器，其作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁信號(hào)(干擾)，或者將電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(偵察和測(cè)向)。由于通信對(duì)抗系統(tǒng)感興趣信號(hào)的頻率范圍非常寬，占據(jù)了很寬的頻段，因此要求其天線是寬頻段天線。在一般情況下，天線工作在一個(gè)相對(duì)較窄的頻帶內(nèi)，因此可采用多副天線。而系統(tǒng)的安裝空間是有限的，要在有限的空間中安裝多副天線是難以實(shí)現(xiàn)甚至是不可能的。從這種意義上看，通信對(duì)抗系統(tǒng)需要使用在很寬的頻率范圍內(nèi)都有效的寬頻帶天線。3.2測(cè)向天線測(cè)向系統(tǒng)一般采用由多個(gè)單元天線(或稱“陣元”)組合形成的天線陣列，以便確定來波的方向。在某些情況下，也可以采用一個(gè)單元天線完成測(cè)向任務(wù)。天線陣的結(jié)構(gòu)通常與測(cè)向方法密切相關(guān)，不同的測(cè)向方法需要不同的天線陣列結(jié)構(gòu)。通信對(duì)抗系統(tǒng)覆蓋的頻率范圍很寬，它通常在不同的頻段使用不同的天線。在低頻范圍內(nèi)常用的天線類型包括偶極子天線、單極子天線和對(duì)數(shù)周期天線，三者結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，并且前兩者是全向的，而后者有較好方向性和較寬的頻帶。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹在通信偵察系統(tǒng)中常用的一些天線單元及其基本特點(diǎn)。天線通常具有互易性，即普通的天線既可以作為發(fā)射天線，也可以作為接收天線，所表現(xiàn)的特性是相同的。但是當(dāng)使用有源天線時(shí)，天線中包含的放大器等有源器件是單向的，有源天線不再滿足互易性特性。測(cè)向系統(tǒng)一般采用由多個(gè)單元天線(或稱“陣元”)組合形成的天線的三個(gè)重要參數(shù)是頻率響應(yīng)、方向性和阻抗特性。天線的頻率響應(yīng)決定了天線可以有效發(fā)射或者接收信號(hào)的帶寬，天線的方向性描述天線輻射的電磁信號(hào)的能量在空間各個(gè)方向的能量分布情況。當(dāng)天線的阻抗與其負(fù)載或者源的阻抗匹配時(shí)，其駐波比最小，得到的輻射效率最高并且實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。天線的阻抗通常是一個(gè)復(fù)阻抗，需要共扼匹配才能達(dá)到最佳。天線的主要參數(shù)包括主瓣、半功率波束寬度、平均功率寬度、輻射方向、副瓣、副瓣電平、增益等，定義如圖3.2-1所示。天線的有效面積用符號(hào)Ae表示，它決定了天線從它所在的空間中獲取的電磁信號(hào)的總能量。不計(jì)損耗，天線獲取的能量天線的三個(gè)重要參數(shù)是頻率響應(yīng)、方向性和阻抗特性。天線的頻為

PR=PdAe(3.2-1)其中,Pd是天線周圍的電磁信號(hào)的功率密度。注意天線的有效面積并不是它的物理面積，一般為(0.4～0.7)倍的物理面積。天線有效面積和天線增益之間的關(guān)系如下：天線增益表明了天線的方向性，它是將有向天線的增益與一個(gè)全向天線進(jìn)行比較，用它相對(duì)于全向天線增益的分貝數(shù)(dBi)度量天線的增益。換句話說，全向天線沒有增益，它在各個(gè)方向的輻射功率相同。通信對(duì)抗系統(tǒng)中經(jīng)常使用全向天線，因?yàn)槭孪炔⒉恢滥繕?biāo)信號(hào)在哪個(gè)方向輻射，因此假定目標(biāo)可能出現(xiàn)在任何方向。(3.2-2)為(3.2-2)圖3.2-1天線的參數(shù)圖3.2-1天線的參數(shù)3.2.2線天線線天線由安裝在某種支撐結(jié)構(gòu)上的一段導(dǎo)體組成。如果它的中點(diǎn)作為饋入點(diǎn)，就構(gòu)成了偶極子天線，如果它的一端作為饋入點(diǎn)，就構(gòu)成了單極子天線。1.偶極子天線偶極子天線是最常用的也是最簡(jiǎn)單的無(wú)源單元天線。它由同方向上對(duì)齊的兩個(gè)陣元構(gòu)成，圖3.2-2是它的結(jié)構(gòu)和輻射方向圖。天線的方向圖與其物理尺寸有關(guān)。偶極子天線的方向圖形狀主要取決于它的長(zhǎng)度。圖3.2-2給出了L=λ/2和L=λ兩種不同長(zhǎng)度的天線的方向圖。當(dāng)L=λ/2(半波長(zhǎng))時(shí)，俯仰方向的3dB3.2.2線天線波束寬度為78°，水平方向的3dB波束寬度為360°。半波長(zhǎng)偶極子天線增益為2dBi，天線有效面積為Ae=1.64λ2/4π。天線的增益與頻率有關(guān)，當(dāng)偏離中心頻率時(shí)，天線增益會(huì)下降。注意，上述給出的天線方向圖形狀是假設(shè)天線是垂直于地面放置。如果天線垂直于地面放置，則它的極化方向也是垂直于地面，即天線的極化與它的電軸一致。波束寬度為78°，水平方向的3dB波束寬度為360°。半波長(zhǎng)圖3.2-2偶極子天線的結(jié)構(gòu)和輻射方向圖圖3.2-2偶極子天線的結(jié)構(gòu)和輻射方向圖2.單極子天線單極子天線是由安裝在地平面上的單個(gè)陣元構(gòu)成的，圖3.2-3是它的結(jié)構(gòu)和輻射方向圖。單極子天線也是非常簡(jiǎn)單的天線，它是VHF頻段內(nèi)戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)的常用天線形式。由于受地平面的影響，俯仰方向只要0°以上有效，俯仰方向的3dB波束寬度接近45°，水平方向的3dB波束寬度為360°。單極子天線的長(zhǎng)度一般是λ/4，其最大增益為0dB，天線有效面積Ae≈λ2/4π。需要說明的是，這里地平面在很多情況下并非真實(shí)的地面，而是電器地，如機(jī)箱外殼等。如果單極子天線安裝在地面，則需要保證良好的接地，否則會(huì)影響其輻射性能。手持電話和移動(dòng)通信系統(tǒng)使用的天線都屬于單極子天線，在這些情況下，天線的方向圖特性會(huì)變差。2.單極子天線圖3.2-3單極子天線的結(jié)構(gòu)和輻射方向圖圖3.2-3單極子天線的結(jié)構(gòu)和輻射方向圖3.環(huán)形天線環(huán)形天線有與偶極子天線類似的輻射特性，其形狀可以是圓環(huán)，也可以是任意形狀的環(huán)。圖3.2-4是環(huán)形天線的結(jié)構(gòu)和輻射方向圖。圖3.2-4是環(huán)形天線垂直放置的情況。其俯仰方向?yàn)槿颍?60°，水平方向的3dB波束寬度為兩個(gè)90°。環(huán)形天線有效面積Ae≈0.63λ2/4π。一般情況下，環(huán)的半徑比波長(zhǎng)小得多。3.環(huán)形天線圖3.2-4環(huán)形天線的結(jié)構(gòu)和輻射方向圖圖3.2-4環(huán)形天線的結(jié)構(gòu)和輻射方向圖4.交叉環(huán)天線環(huán)形天線的一個(gè)重要形式是交叉環(huán)天線。交叉環(huán)天線由兩個(gè)互相垂直的圓環(huán)(或矩形環(huán))、寬帶移相器和功率相加器等部分組成。垂直環(huán)的二路輸出信號(hào)經(jīng)移相器時(shí)產(chǎn)生90°相移，再送入相加器相加或相減，產(chǎn)生各向同性輸出，其結(jié)構(gòu)如圖3.2-5所示。以上幾種單元天線均屬無(wú)方向性天線，其中環(huán)形天線和水平偶極子天線是無(wú)線電測(cè)向設(shè)備早期經(jīng)常使用的一種測(cè)向天線，多用于短波波段。交叉環(huán)天線也是短波測(cè)向天線中廣泛使用的天線之一。4.交叉環(huán)天線圖3.2-5交叉環(huán)天線圖3.2-5交叉環(huán)天線5.對(duì)數(shù)周期天線對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)和輻射特性示意圖如圖3.2-6所示。對(duì)數(shù)周期天線是一種寬帶天線，是傳統(tǒng)的電視機(jī)室外天線。對(duì)數(shù)周期天線由數(shù)個(gè)不同長(zhǎng)度的偶極子天線組成，各陣子的間距與天線工作頻率成對(duì)數(shù)關(guān)系，使得對(duì)數(shù)天線可以覆蓋很快的頻率范圍，甚至可以得到10∶1。它的俯仰方向的3dB波束寬度約為80°，水平方向的3dB波束寬度約為60°。其最大增益約為6dBi，天線有效面積Ae≈4λ2/(4π)。5.對(duì)數(shù)周期天線圖3.2-6對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)和輻射特性示意圖圖3.2-6對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)和輻射特性示意圖6.螺旋天線螺旋天線由繞成多匝的線圈構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.2-7所示。螺旋天線有多種形式，如正向螺旋天線、軸向螺旋天線、錐形螺旋天線、平面螺旋天線等，每種形式的天線的特性不同。螺旋天線產(chǎn)生的電磁波是圓極化的或者橢圓極化的，螺旋的直徑盡可能與信號(hào)波長(zhǎng)一致，以滿足輻射特性的要求。軸向螺旋天線的是一種寬帶定向天線，其增益約為12～20dBi，天線有效面積為Ae=4λ2/π～8λ2/π。對(duì)數(shù)周期螺線天線的帶寬很寬，可以覆蓋3～4個(gè)倍頻程，其增益約為0～6dBi。天線的輻射特性是定向的，波束寬度為80°左右。6.螺旋天線圖3.2-7螺旋天線結(jié)構(gòu)示意圖圖3.2-7螺旋天線結(jié)構(gòu)示意圖3.2.3口徑天線與線天線不同，對(duì)電磁波的傳播而言，口徑天線呈現(xiàn)的是一種二維結(jié)構(gòu)，而線天線呈現(xiàn)的是一維結(jié)構(gòu)。此外，口徑(面)天線主要應(yīng)用在頻率較高的場(chǎng)合。1.喇叭天線喇叭天線被廣泛應(yīng)用于高頻段。它通常使用波導(dǎo)饋入激勵(lì)信號(hào)，在波導(dǎo)的尾部，其開口逐步變寬，形成喇叭式口徑天線。喇叭天線的結(jié)構(gòu)和輻射特性示意圖如圖3.2-8所示。喇叭天線是定向天線，其輻射方向指向喇叭口徑面的法線方向，天線的最大有效面積Ae=0.81A，A是口徑的物理面積。除了普通喇叭天線外，為了擴(kuò)展頻率范圍，可以使用雙脊喇叭天線，其工作頻率范圍可以達(dá)到幾個(gè)倍頻程。3.2.3口徑天線圖3.2-8喇叭天線的結(jié)構(gòu)和輻射特性示意圖圖3.2-8喇叭天線的結(jié)構(gòu)和輻射特性示意圖2.拋物面天線拋物面天線是一種反射天線，它的饋源放置在拋物反射面的焦點(diǎn)上，饋源輻射的電磁波經(jīng)過拋物面反射后形成波束。這類天線具有極好的增益和方向性性能，在高頻范圍獲得了廣泛的應(yīng)用。它的波束寬度的變化范圍為0.5～30°，增益變化范圍為10～55dBi。3.2.4有源天線天線通常是無(wú)源器件。如果使用有源器件(如放大器)來改善某些短小天線的某些特性，或者減小天線的尺寸，這類天線就稱為有源天線。天線的增益與其長(zhǎng)度有關(guān)，因此天線收集的電磁信號(hào)的能量隨著天線長(zhǎng)度的增加而增加。連接到短小尺寸天線輸出端口2.拋物面天線的放大器可以對(duì)天線收集的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，使得信號(hào)功率增加，提高有源天線輸出信號(hào)功率，獲得一定的增益。有源天線的帶寬與天線元和有源放大器的頻帶兩者有關(guān)，因此在寬帶應(yīng)用中，有源放大器通常使用寬帶低噪聲放大器。由于放大器不是在全部工作頻率范圍內(nèi)都具有線性特性，因此放大器可能會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)弱信號(hào)之間的交調(diào)干擾，這是有源天線設(shè)計(jì)中必須考慮的。有源天線的主要優(yōu)點(diǎn)是尺寸小，與相同特性的無(wú)源天線相比，它的尺寸要小得多。這一點(diǎn)在較低頻率范圍(HF或者以下)是十分重要的，因?yàn)樵谶@個(gè)頻段天線尺寸是很大的。目前有源天線的噪聲可以設(shè)計(jì)得很小，互調(diào)問題也得到很好的解決，所以在高頻、甚高頻和特高頻頻段各種測(cè)向天線中得到了廣泛的應(yīng)用。的放大器可以對(duì)天線收集的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，使得信號(hào)功率3.2.5陣列天線可以將前面討論的偶極子天線、喇叭天線、螺旋天線等單個(gè)天線元組合起來，形成各種天線陣列，實(shí)現(xiàn)相控陣天線和各種測(cè)向天線。這些陣列天線可以表現(xiàn)出單個(gè)天線難以實(shí)現(xiàn)的輻射特性。天線陣列的排列方式比較靈活，如可以排列成L形、T形、均勻圓陣、三角形、多邊形等。圖3.2-9給出了幾種常用的陣列天線的陣元分布圖。圖3.2-9(a)、(b)、(c)所示三種陣列天線是相位干涉儀測(cè)向方法經(jīng)常使用的陣列形式，圓陣在多普勒測(cè)向方法和相關(guān)干涉儀測(cè)向方法中經(jīng)常使用，矩形陣列經(jīng)常作為相控陣天線陣列使用。陣列天線的應(yīng)用與測(cè)向方法有關(guān)，需要結(jié)合測(cè)向方法進(jìn)行說明，相關(guān)的內(nèi)容將結(jié)合后續(xù)各節(jié)的測(cè)向方法進(jìn)一步討論。3.2.5陣列天線圖3.2-9幾種常用的陣列天線的陣元分布圖圖3.2-9幾種常用的陣列天線的陣元分布圖3.3振幅法測(cè)向振幅法測(cè)向是利用天線對(duì)不同方向來波的幅度響應(yīng)測(cè)量通信信號(hào)的到達(dá)方向的。振幅法測(cè)向方法有最大幅度法、相鄰比幅法等。3.3.1最大幅度法1.最大幅度法測(cè)向的基本原理最大幅度法測(cè)向的基本原理是，利用波束寬度為θr的窄波束偵察天線，以一定的速度在測(cè)角范圍ΩAOA內(nèi)連續(xù)搜索，當(dāng)收到的通信信號(hào)最強(qiáng)時(shí)，偵察天線波束指向就是通信輻射源信號(hào)的到達(dá)方向角。其基本原理如圖3.3-1所示。3.3振幅法測(cè)向圖3.3-1最大幅度法測(cè)向的原理圖3.3-1最大幅度法測(cè)向的原理最大幅度法通常采用兩次測(cè)量法，以提高測(cè)角精度。在天線搜索過程中，當(dāng)通信輻射源信號(hào)的幅度分別高于、低于檢測(cè)門限時(shí)，分別記錄波束指向角θ1和θ2，且將它們的平均值作為到達(dá)角的一次估值：2.測(cè)角精度和角度分辨率最大幅度法的測(cè)角誤差包括系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，其中系統(tǒng)誤差主要來源于測(cè)向天線的安裝誤差、波束畸變和非對(duì)稱誤差等，可以通過各種系統(tǒng)標(biāo)校方法消除或者減小。這里主要討論隨機(jī)誤差。(3.3-1)最大幅度法通常采用兩次測(cè)量法，以提高測(cè)角精度。在天線搜索測(cè)角系統(tǒng)的隨機(jī)誤差主要來自系統(tǒng)噪聲。由于噪聲的影響，檢測(cè)出的角度θ1和θ2出現(xiàn)偏差Δθ1和Δθ2，通常這兩個(gè)偏差是均值為零的隨機(jī)過程。由于兩次測(cè)量的時(shí)間較長(zhǎng)，可以認(rèn)為Δθ1和Δθ2是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，并且具有相同的分布，因此測(cè)角均值是無(wú)偏的，其中E［·］是統(tǒng)計(jì)平均。角度測(cè)量方差為(3.3-2)(3.3-3)測(cè)角系統(tǒng)的隨機(jī)誤差主要來自系統(tǒng)噪聲。由于噪聲的影響，檢測(cè)設(shè)檢測(cè)門限對(duì)應(yīng)的信號(hào)電平為A(最大增益電平的一半)，噪聲電壓均方根為σn，天線波束的公稱值為，將噪聲電壓換算成角度誤差的均方根值，即(3.3-4)其中,，即測(cè)角方差為(3.3-5)可見，最大幅度法的測(cè)角誤差與波束寬度的平方成正比，與檢測(cè)信噪比成反比。設(shè)檢測(cè)門限對(duì)應(yīng)的信號(hào)電平為A(最大增益電平的一半)，噪聲最大幅度法的角度分辨率主要取決于測(cè)向天線的波束寬度，而波束寬度與天線口徑d有關(guān)。根據(jù)瑞利光學(xué)分辨率準(zhǔn)則，當(dāng)信噪比大于10dB時(shí)，角度分辨率為最大幅度法主要應(yīng)用在微波波段，微波波段容易得到具有強(qiáng)方向性的天線。它的優(yōu)點(diǎn)是：(1)測(cè)向系統(tǒng)靈敏度高；(2)成本低，只需要單個(gè)通道；(3)具有一定的多信號(hào)測(cè)向能力；(4)測(cè)向天線可以與監(jiān)測(cè)共用。最大幅度法測(cè)向的缺點(diǎn)是：(1)空域截獲概率反比于天線的方向性；(2)難以對(duì)駐留時(shí)間短的信號(hào)測(cè)向；(3)測(cè)向誤差較大。(3.3-6)最大幅度法的角度分辨率主要取決于測(cè)向天線的波束寬度，而波3.3.2最小振幅法與最大幅度法測(cè)向類似，最小幅度法測(cè)向的基本原理是，利用波束寬度為θr的窄波束偵察天線，以一定的速度在測(cè)角范圍ΩAOA內(nèi)連續(xù)搜索，當(dāng)收到的通信信號(hào)最小時(shí)，偵察天線波束指向就是通信輻射源信號(hào)的到達(dá)方向角。最小幅度法實(shí)際上是將偵察天線的波束零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)來波方向。當(dāng)波束零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)來波方向時(shí)，天線感應(yīng)信號(hào)為零，測(cè)向接收機(jī)輸出信號(hào)為零，此時(shí)天線零點(diǎn)方向就判斷為來波方向。最小幅度法的測(cè)向精度和角度分辨率比最大幅度法高，測(cè)向方法簡(jiǎn)單，可以使用簡(jiǎn)單的偶極子天線測(cè)向。這種方法主要用于長(zhǎng)波和短波波段。3.3.2最小振幅法3.3.3單脈沖比幅法單脈沖相鄰比幅法使用N個(gè)相同方向圖函數(shù)的天線，均勻分布到360°方向。通過比較相鄰兩個(gè)天線輸出信號(hào)的幅度，獲得信號(hào)的到達(dá)方向。相鄰比幅測(cè)向法是單脈沖測(cè)向技術(shù)的一種，典型的四通道單脈沖測(cè)向系統(tǒng)組成原理如圖3.3-2所示。每個(gè)天線分別對(duì)應(yīng)一個(gè)接收通道，接收通道由射頻放大、檢波、放大等組成。將N個(gè)具有相同方向圖的天線均勻分布在［0，2π］方位內(nèi)，相鄰天線的張角為θs=2π/N，設(shè)各天線方向圖函數(shù)為F(θ－iθs),i=0,1,…,N－1(3.3-7)3.3.3單脈沖比幅法圖3.3-2四通道單脈沖測(cè)向系統(tǒng)組成原理圖3.3-2四通道單脈沖測(cè)向系統(tǒng)組成原理各個(gè)天線接收的信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的幅度響應(yīng)為Ki的接收通道，輸出信號(hào)的包絡(luò)為si(t)=lg［KiF(θ－iθs)A(t)］,i=0,1,…,N－1(3.3-8)其中,A(t)是接收信號(hào)的包絡(luò)。設(shè)天線方向圖是對(duì)稱的，即F(θ)=F(－θ)，當(dāng)通信信號(hào)到達(dá)方向位于任意兩個(gè)天線之間，且偏離兩天線等信號(hào)軸的夾角為φ時(shí)，其關(guān)系如圖3.3-3所示。對(duì)應(yīng)通道輸出的信號(hào)分別為(3.3-9)各個(gè)天線接收的信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的幅度響應(yīng)為Ki的接收通道，輸圖3.3-3相鄰天線方向圖圖3.3-3相鄰天線方向圖將兩個(gè)通道的輸出信號(hào)相除，得到其輸出電壓比為

還可以用分貝表示其對(duì)數(shù)電壓比(3.3-10)(3.3-11)將兩個(gè)通道的輸出信號(hào)相除，得到其輸出電壓比為(3.3-1當(dāng)各通道幅度響應(yīng)為Ki完全相同時(shí)，上式可以簡(jiǎn)化為式(3.3-12)給出了兩個(gè)通道輸出電壓與到達(dá)方向的關(guān)系，也是相鄰比幅法測(cè)向的基礎(chǔ)。在系統(tǒng)中，方向圖函數(shù)F(θ)和天線張角是已知的，因此可以利用上式計(jì)算到達(dá)方向角φ。當(dāng)采用高斯方向圖函數(shù)時(shí)，方向圖的表達(dá)式為(3.3-12)(3.3-13)當(dāng)各通道幅度響應(yīng)為Ki完全相同時(shí)，上式可以簡(jiǎn)化為(3.3-1其中,θr是半功率波束寬度。設(shè)K1=K2，將F(θ)代入對(duì)數(shù)電壓比表達(dá)式，得到或者可見，波束越窄，天線越多，誤差越小。與最大/最小振幅測(cè)向法相比，相鄰比幅測(cè)向法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)向精度高，具有瞬時(shí)測(cè)向能力，但是其設(shè)備復(fù)雜，并且要求多通道的幅度響應(yīng)具有一致性。(3.3-14)(3.3-15)其中,θr是半功率波束寬度。設(shè)K1=K2，將F(θ)代入對(duì)數(shù)3.3.4沃森-瓦特比幅法沃森-瓦特(Watsonwatt)測(cè)向?qū)儆诒确鶞y(cè)向法。它利用正交的測(cè)向天線接收的信號(hào)，分別經(jīng)過兩個(gè)幅度和相位響應(yīng)完全一致的接收通道進(jìn)行變頻放大，然后求解或者顯示(利用陰極射線管顯示)反正切值，解出或者顯示來波方向。沃森-瓦特測(cè)向法具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以采用多信道(三信道)，也可以采用單信道?，F(xiàn)代沃森瓦特測(cè)向設(shè)備增加了自動(dòng)數(shù)字測(cè)向、數(shù)字信號(hào)處理等微電子技術(shù)，使設(shè)備的功能更強(qiáng)，性能更高，得到廣泛的應(yīng)用，其構(gòu)成框圖如圖3.3-4所示。3.3.4沃森-瓦特比幅法圖3.3-4沃森-瓦特測(cè)向設(shè)備組成圖3.3-4沃森-瓦特測(cè)向設(shè)備組成下面以四天線陣(愛德柯克，Adcok)為例，說明沃森-瓦特測(cè)向的基本原理。如圖3.3-5所示，當(dāng)一均勻平面波以方位角α、仰角β照射到正交的天線陣。設(shè)天線陣中心點(diǎn)接收電壓為U0(t)=A(t)cos(ωt+φ0)(3.3-16)以正北方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，在圓陣上均勻分布的四個(gè)天線單元獲得的電壓為(3.3-17)下面以四天線陣(愛德柯克，Adcok)為例，說明沃森-瓦圖3.3-5沃森-瓦特測(cè)向的天線位置關(guān)系圖3.3-5沃森-瓦特測(cè)向的天線位置關(guān)系式中，β為電波入射仰角；α為電波入射方位角；d為天線陣直徑；λ為信號(hào)波長(zhǎng)；ω為信號(hào)角頻率；A(t)為信號(hào)包絡(luò)。天線陣的輸出是兩組天線的電壓差，即(3.3-18)當(dāng)d<<λ時(shí)，上式可化簡(jiǎn)為(3.3-19)式中，β為電波入射仰角；α為電波入射方位角；d為天線陣直徑；可見，天線陣列輸出的差信號(hào)的幅度分別是方位角的余弦函數(shù)和正弦函數(shù)，是仰角的余弦函數(shù)。天線陣輸出的和信號(hào)為(3.3-20)注意到，當(dāng)且僅當(dāng)滿足(3.3-20)可見，天線陣列輸出的差信號(hào)的幅度分別是方位角的余弦函數(shù)和或者或者時(shí)，和信號(hào)的正交項(xiàng)UΣ⊥(t)=2A(t)sin(ωt+φ0)C(α,β)與兩個(gè)差信號(hào)同相，它們的乘積分別為(3.3-21)或者或者時(shí)，和信號(hào)的正交項(xiàng)UΣ⊥(t)=2A(t)s經(jīng)過低通濾波后，輸出信號(hào)為可以求得α和β分別為(3.3-22)(3.3-23)(3.3-24)經(jīng)過低通濾波后，輸出信號(hào)為可以求得α和β分別為(3.3-22傳統(tǒng)的沃森-瓦特測(cè)向采用CRT顯示到達(dá)角。將兩個(gè)差通道輸出電壓分別送到偏轉(zhuǎn)靈敏度一致的陰極射線管的垂直和水平偏轉(zhuǎn)板上，在理想情況下，在熒光屏上將出現(xiàn)一條直線，它與垂直方向的夾角就是方位角。一般情況下，電波存在干涉，顯示的圖形就不再是一條直線而是一個(gè)橢圓，它的長(zhǎng)軸是指示來波方向。傳統(tǒng)的沃森-瓦特測(cè)向采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，通過數(shù)字濾波器提取信號(hào)，計(jì)算來波方向。多信道沃森-瓦特測(cè)向的特點(diǎn)是測(cè)向時(shí)效高、速度快、測(cè)向準(zhǔn)確、可測(cè)跳頻信號(hào)，并且CRT顯示可以分辨同信道干擾。但是其系統(tǒng)復(fù)雜，并且要求接收機(jī)通道幅度和相位一致，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度較高。單信道沃森-瓦特測(cè)向系統(tǒng)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)性能好，但是測(cè)向速度受到一定的限制。傳統(tǒng)的沃森-瓦特測(cè)向采用CRT顯示到達(dá)角。將兩個(gè)差通道輸3.4相位法測(cè)向相位干涉儀測(cè)向是根據(jù)電波從不同的方向到達(dá)測(cè)向天線陣時(shí)，各天線陣元接收的信號(hào)的相位不同，通過測(cè)量來波的相位和相位差，可以確定來波方向。相位干涉儀的最簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)是單基線干涉儀，此外還有多基線干涉儀等形式。3.4.1單基線干涉儀測(cè)向在原理上相位干涉儀可以實(shí)現(xiàn)快速測(cè)向。下面利用單基線的相位干涉儀說明其原理，單基線相位干涉儀原理如圖3.4-1所示。3.4相位法測(cè)向圖3.4-1單基線相位干涉儀原理圖3.4-1單基線相位干涉儀原理單基線相位干涉儀有兩個(gè)完全相同的接收通道。設(shè)有一個(gè)平面電磁波從天線視軸夾角θ方向到達(dá)測(cè)向天線1和2，則天線陣輸出信號(hào)相位差為其中,λ是信號(hào)波長(zhǎng)；l是天線間距，也稱為基線長(zhǎng)度。如果兩個(gè)接收通道的幅度和相位響應(yīng)完全一致，那么正交相位檢波輸出為(3.4-1)(3.4-2)單基線相位干涉儀有兩個(gè)完全相同的接收通道。設(shè)有一個(gè)平面電K為系統(tǒng)增益。進(jìn)行角度變換，得到測(cè)向輸出為(3.4-3)由于鑒相器的無(wú)模糊相位檢測(cè)范圍為［－π,π］，因此單基線干涉儀的無(wú)模糊測(cè)角范圍［－θmax，θmax］為(3.4-4)對(duì)式(3.4-3)求微分，可以得到測(cè)角誤差的關(guān)系如下：K為系統(tǒng)增益。進(jìn)行角度變換，得到測(cè)向輸出為(3.4-3)(3.4-5)由上式可見：測(cè)角誤差主要來源于相位誤差Δ和頻率不穩(wěn)定誤差Δλ，誤差大小與到達(dá)角θ有關(guān)。在天線視軸方向(θ＝0)誤差最小，在基線方向(θ=π/2)誤差非常大，是測(cè)向的盲區(qū)。因此，一般將單基線干涉儀的測(cè)向范圍限制在［－π/3,π/3］內(nèi)。相位誤差包括相位測(cè)量誤差、系統(tǒng)噪聲引起的誤差等。相位誤差Δ與l/λ成反比。l越長(zhǎng)，測(cè)向精度越高，但無(wú)模糊測(cè)角范圍越小。因此，單基線干涉儀測(cè)向難以解決高的測(cè)向精度與大的測(cè)角范圍的矛盾。(3.4-5)由上式可見：測(cè)角誤差主要來源于相位誤差Δ3.4.2一維多基線相位干涉儀測(cè)向在多基線相位干涉儀中，利用長(zhǎng)基線保證精度，短基線保證測(cè)角范圍。多基線相位干涉儀原理如圖3.4-2所示。其中，0天線為基準(zhǔn)天線，它與其他天線的基線長(zhǎng)度分別為l1、l2、l3，且滿足四個(gè)天線接收的信號(hào)經(jīng)過混頻、限幅放大，送給三路鑒相器，其中0通道為鑒相的基準(zhǔn)。經(jīng)過鑒相得到6個(gè)輸出信號(hào)為sin1,cos1,sin2,cos2,sin3,cos3。其中3.4.2一維多基線相位干涉儀測(cè)向四個(gè)天線接收的信號(hào)經(jīng)圖3.4-2多基線相位干涉儀原理圖3.4-2多基線相位干涉儀原理(3.4-7)這6路信號(hào)經(jīng)過加減電路、極性量化器、編碼器產(chǎn)生8bit方向碼輸出，其方法與比相法瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)類似。設(shè)一維多基線干涉儀的基線數(shù)為k，相鄰基線長(zhǎng)度比為n，最長(zhǎng)基線編碼器的量化位數(shù)為m，則其理論測(cè)向精度為(3.4-8)一維多基線干涉儀的基線長(zhǎng)度可以等間距，也可以不等間距安排。目前已經(jīng)提出了分?jǐn)?shù)比基線，可以很好地利用最小的基線數(shù)解決解模糊的問題。(3.4-7)這6路信號(hào)經(jīng)過加減電路、極性量化器、編碼3.4.3二維圓陣相位干涉儀測(cè)向上面介紹的是一維相位干涉儀的基本原理，它的原理可以很容易地推廣到二維和多維相位干涉儀，這樣就可以同時(shí)測(cè)量方位和俯仰角。二維相位干涉儀的天線的排列方式比較靈活，如L形、T形、均勻圓陣、三角形、多邊形等。下面簡(jiǎn)單介紹一種二維圓陣相位干涉儀測(cè)向原理。設(shè)構(gòu)成基線組的三個(gè)陣元分布在半徑為R的圓周上，以圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系如圖3.4-3所示。將圓心與陣元1的連線稱為基線組主軸方向，與其垂直的方向?yàn)橹鬏S法線方向；主軸方向與x軸正方向的夾角ω為主軸指向；天線陣元2、3相對(duì)基線組主軸對(duì)稱分布，與圓心的連線和主軸方向的夾角分別為±γ；窄帶信號(hào)s(t)的到達(dá)方向?yàn)?θ，φ)，其中θ是方位角，φ是仰角。3.4.3二維圓陣相位干涉儀測(cè)向圖3.4-3三元圓陣結(jié)構(gòu)示意圖圖3.4-3三元圓陣結(jié)構(gòu)示意圖各天線陣元的接收信號(hào)可以表示為其中,ri為天線位置矢量;β=2π/λ;ξ為波達(dá)方向的導(dǎo)向矢量，即設(shè)ψi為天線陣元i接收的信號(hào)相對(duì)于到達(dá)坐標(biāo)原點(diǎn)處信號(hào)的時(shí)延相位，則天線陣元1、2和天線1、3之間接收信號(hào)的真實(shí)相位差ψ12和ψ13分別為(3.4-9)(3.4-10)(3.4-11)各天線陣元的接收信號(hào)可以表示為(3.4-9)(3.4-10對(duì)ψ12和ψ13分別進(jìn)行和差運(yùn)算，得到(3.4-12)其中,ψS和ψD是基線組的真實(shí)和相位、真實(shí)差相位。設(shè)μ是ξ在陣列平面上的投影，即μ=ξx+jξy，根據(jù)式(3.4-10)有μ=cosφ(cosθ+jsinθ)=cosφ[cos(θ－ω)+jsin(θ－ω)](cosω+jsinω)(3.4-13)對(duì)ψ12和ψ13分別進(jìn)行和差運(yùn)算，得到(3.4-12)其中令μ′=cos(θ－ω)+jsin(θ－ω)，由式(3.4-12)可得到μ′的估計(jì)為(3.4-14)綜合上面兩式，可以得到并且真實(shí)到達(dá)角估計(jì)為(3.4-15)(3.4-16)令μ′=cos(θ－ω)+jsin(θ－ω)，由式(3.注意到，在式(3.4-11)中，當(dāng)天線間距與波長(zhǎng)的比值能會(huì)大于π，|ψS|和|ψD|也可能會(huì)大于π。但是在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)接收信號(hào)和干涉儀鑒相原理計(jì)算出的相位差是小于，∈(－π,π］，其和差,∈(－2π,2π］，實(shí)際計(jì)算所得到的相位差和真實(shí)相位差不一致，即出現(xiàn)相位模糊現(xiàn)象。因此，為了得到正確的到達(dá)角估計(jì)值，需要解相位模糊。假設(shè)無(wú)相位模糊，那么由式(3.4-16)，設(shè)方位角和仰角的估計(jì)誤差分別為Δθ和Δφ，根據(jù)全微分公式有時(shí)，天線間真實(shí)相位差|ψ12|和|ψ13|可注意到，在式(3.4-11)中，當(dāng)天線間距與波長(zhǎng)的比值(3.4-17)其中,ΔψS和ΔψD分別為和相位與差相位的測(cè)量誤差。因此可以得到如下結(jié)論：(1)方位角和仰角的估計(jì)誤差與基線組和相位、差相位的測(cè)量誤差Δψs和ΔψD成正比，與天線間距和信號(hào)波長(zhǎng)的比R/λ成反比。(3.4-17)其中,ΔψS和ΔψD分別為和相位與差相位的(2)測(cè)量準(zhǔn)確度與入射波的方位角和仰角有關(guān)。當(dāng)ΔψS和ΔψD固定時(shí)，估計(jì)誤差隨入射方位角的改變以正弦關(guān)系變化；Δθ和Δφ分別與cosθ和sinφ成反比關(guān)系，即入射波仰角越低，對(duì)方位角的估計(jì)精確度越高，對(duì)仰角的估計(jì)越差。相位干涉儀測(cè)向的特點(diǎn)是具有較高的測(cè)向精度，但測(cè)向范圍有時(shí)不能覆蓋全方位，其測(cè)向靈敏度高，速度快。干涉儀可以方便地與現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合，是一種得到廣泛應(yīng)用的測(cè)向技術(shù)。其缺點(diǎn)是沒有同時(shí)信號(hào)分辨能力，因此通常必須先對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量，才能進(jìn)行方向測(cè)量；另外，其技術(shù)復(fù)雜、成本高。(2)測(cè)量準(zhǔn)確度與入射波的方位角和仰角有關(guān)。當(dāng)ΔψS和Δ3.5相關(guān)干涉儀測(cè)向相關(guān)干涉儀測(cè)向本質(zhì)上屬于矢量法測(cè)向，它是通過測(cè)量天線陣列的各陣元間復(fù)數(shù)電壓分布來計(jì)算出電波方向的方法，相關(guān)干涉儀和空間譜估計(jì)都屬這種方法。相關(guān)干涉儀采用多陣元天線，按照它的接收機(jī)通道數(shù)目，分為單通道、雙通道和多通道相關(guān)干涉儀，其基本原理是相同的。下面以雙通道為例，介紹相關(guān)干涉儀的基本組成和工作原理。3.5.1雙通道相關(guān)干涉儀的組成雙通道相關(guān)干涉儀采用多陣元天線、雙通道接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的監(jiān)測(cè)和測(cè)向，可以分時(shí)實(shí)現(xiàn)全方位的測(cè)向，得到較高3.5相關(guān)干涉儀測(cè)向測(cè)向精度。天線陣接收的無(wú)線電電波信號(hào)，經(jīng)天線開關(guān)切換后進(jìn)入兩個(gè)射頻通道，變頻為中頻信號(hào)，再由兩路ADC進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)做FFT處理。經(jīng)過多次天線切換后，可以計(jì)算出不同天線接收的信號(hào)的相位和相位差，最后進(jìn)行相關(guān)干涉測(cè)向處理得到信號(hào)的方位角。其基本原理如圖3.5-1所示。雙通道相關(guān)干涉儀采用分時(shí)工作方式，可以分時(shí)實(shí)現(xiàn)全方位測(cè)向。其測(cè)向時(shí)間比多通道長(zhǎng)，但是設(shè)備量小、成本低。測(cè)向精度。天線陣接收的無(wú)線電電波信號(hào)，經(jīng)天線開關(guān)切換后進(jìn)入兩圖3.5-1雙通道相關(guān)干涉儀的原理框圖圖3.5-1雙通道相關(guān)干涉儀的原理框圖3.5.2雙通道相關(guān)干涉儀的測(cè)向過程相關(guān)干涉儀實(shí)際上是將測(cè)量得到的信號(hào)電壓樣本與預(yù)先存儲(chǔ)的模板數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，按照相關(guān)性判斷來波方向。其測(cè)向過程如下所述：(1)設(shè)置一個(gè)天線陣列，天線陣列一般為圓形，陣元一般為3～9個(gè)。(2)對(duì)給定方向、給定頻率的已知(校正信號(hào))到達(dá)波，測(cè)出陣列中各陣元間的復(fù)數(shù)電壓，即為對(duì)應(yīng)方向、頻率的信號(hào)的復(fù)數(shù)電壓數(shù)組或模板。(3)在所設(shè)計(jì)的天線陣列工作頻率范圍內(nèi)，按一定規(guī)律選擇方位、頻率，依次建立樣本群，作為標(biāo)準(zhǔn)模板存起來，形成相關(guān)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)。3.5.2雙通道相關(guān)干涉儀的測(cè)向過程(4)對(duì)未知信號(hào)測(cè)向時(shí)，先按照采集樣本的規(guī)則采集未知信號(hào)，得到其復(fù)數(shù)數(shù)組，并將該數(shù)組與數(shù)據(jù)庫(kù)中的模板群進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和處理，求出被測(cè)信號(hào)的方向。模板群是預(yù)先標(biāo)定和存儲(chǔ)好的，實(shí)際工作時(shí)只需要測(cè)量和提取未知信號(hào)的復(fù)數(shù)數(shù)組。設(shè)某給定頻率和方向的未知信號(hào)的復(fù)數(shù)數(shù)組為Φi={φi1,φi2,φi3,…,φim}，i=1,2,…,n(3.5-1)數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)已知信號(hào)測(cè)量得到的復(fù)數(shù)數(shù)組為Φ={φ01,φ02,φ03,…,φ0m}(3.5-2)則其相關(guān)系數(shù)為(3.5-3)(4)對(duì)未知信號(hào)測(cè)向時(shí)，先按照采集樣本的規(guī)則采集未知信號(hào)其相關(guān)系數(shù)最大值相對(duì)應(yīng)的原始相位樣本值所代表的方位值，就是空間實(shí)際入射信號(hào)的方位角。在數(shù)字化測(cè)向系統(tǒng)中，為了提高處理速度，得到采樣數(shù)據(jù)后，信號(hào)的復(fù)數(shù)的電壓計(jì)算通常利用FFT實(shí)現(xiàn)。這樣數(shù)字化測(cè)向處理系統(tǒng)的主要任務(wù)是兩個(gè)：一個(gè)是提取復(fù)數(shù)電壓，它可以利用FFT實(shí)現(xiàn)；另一個(gè)是進(jìn)行相關(guān)處理。在雙通道相關(guān)干涉儀測(cè)向系統(tǒng)中，通過天線開關(guān)依次接通多單元圓陣列中的一個(gè)天線對(duì)，每個(gè)天線對(duì)可以得到一個(gè)復(fù)數(shù)電壓，多個(gè)天線對(duì)得到一組復(fù)數(shù)電壓。雙通道與多通道的主要差別是，雙通道測(cè)向系統(tǒng)分時(shí)獲取復(fù)數(shù)電壓矢量，而多通道測(cè)向系統(tǒng)同時(shí)得到復(fù)數(shù)電壓矢量。當(dāng)被測(cè)信號(hào)在測(cè)量時(shí)間內(nèi)的頻率、位置和信號(hào)參數(shù)不變時(shí)，兩者的結(jié)果是等價(jià)的，但是雙通道測(cè)向系統(tǒng)需要的測(cè)向時(shí)間會(huì)比多通道長(zhǎng)。其相關(guān)系數(shù)最大值相對(duì)應(yīng)的原始相位樣本值所代表的方位值，就是空3.5.3相關(guān)干涉儀的特點(diǎn)相關(guān)干涉儀體制的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在，它與幅度或相位體制相比，具有高精度、高靈敏度和高抗擾度等突出特點(diǎn)。相關(guān)干涉儀的主要技術(shù)特點(diǎn)包括：(1)允許使用大孔徑天線陣，因而有很強(qiáng)的抗多徑失真能力。天線孔徑是指天線陣最大尺寸d與工作波長(zhǎng)λ之比，即d/λ，一般d<λ叫小孔徑，d=(1～2)λ叫中孔徑，d>2λ叫大孔徑。相關(guān)干涉儀測(cè)向時(shí)同時(shí)使用了天線間的矢量電壓(幅度和相位)的分布，在很大程度上避免了所謂天線間隔誤差和多值性的制約，因而可以使用大尺寸天線陣。天線孔徑大小直接影響在有反射環(huán)境中的測(cè)向質(zhì)量，天線孔徑越大，抗相干干擾的能力越強(qiáng)。3.5.3相關(guān)干涉儀的特點(diǎn)(2)天線陣的孔徑變大并采用相關(guān)算法，為實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)向奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)干涉儀的本機(jī)測(cè)向準(zhǔn)確度在很寬的頻段內(nèi)可以達(dá)到1°(RMS)，實(shí)現(xiàn)高精度的基礎(chǔ)有兩點(diǎn)：一是在測(cè)量天線間電壓時(shí)，因天線孔徑大，天線元制造公差引起的電壓測(cè)量誤差相對(duì)測(cè)量讀數(shù)變?。欢沁@些公差以及安裝平臺(tái)的影響等都可包含在樣本中，在相關(guān)算法中都可自動(dòng)消除(注意：這里要求天線陣是穩(wěn)定不變的)。(3)天線陣的孔徑變大并采用相關(guān)算法，也為實(shí)現(xiàn)高靈敏度奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)干涉儀在很寬的頻帶內(nèi)具有高靈敏度的原因也有兩點(diǎn)：一是天線間隔加大降低了白噪聲的干擾，比如測(cè)兩天線間的相位差時(shí)，當(dāng)白噪聲的干擾引起相位抖動(dòng)為5°，測(cè)量?jī)商炀€相位差為50°時(shí)，噪聲干擾影響為1/10，若天線間(2)天線陣的孔徑變大并采用相關(guān)算法，為實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)向奠隔加大一倍，兩天線間相位差為100°時(shí)，噪聲影響降為1/20；二是相關(guān)算法的增益在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，有類似積分的效果。(4)天線孔徑變大并采用相關(guān)算法，還為抗帶內(nèi)干擾奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)干涉儀的另一個(gè)特點(diǎn)是只要帶內(nèi)干擾信號(hào)比被測(cè)信號(hào)電平小3～5dB，測(cè)向就基本不受影響。其原因是天線孔徑越大，相關(guān)曲線越尖銳，這和采用強(qiáng)方向性天線避開同帶干擾的效果類似?；趶?fù)數(shù)電壓測(cè)量的相關(guān)干涉儀測(cè)向體制具有測(cè)向準(zhǔn)確度高、測(cè)向靈敏度高、測(cè)向速度快、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、設(shè)備復(fù)雜度較低等優(yōu)點(diǎn)，成為目前無(wú)線電監(jiān)測(cè)中主流的測(cè)向體制。隔加大一倍，兩天線間相位差為100°時(shí)，噪聲影響降為1/203.6多普勒測(cè)向多普勒效應(yīng)是奧地利天文學(xué)家多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)的，愛因斯坦于1905年導(dǎo)出了精確的多普勒效應(yīng)表述式，1947年英國(guó)人首先研制出了第一部基于多普勒效應(yīng)的測(cè)向設(shè)備。該設(shè)備采用順序測(cè)量圓形天線陣列中相鄰陣元入射信號(hào)上相位差的方法，測(cè)定來波方向。但由于技術(shù)條件的限制，多普勒測(cè)向存在一些問題，如抗干擾能力差、存在牽引效應(yīng)和信號(hào)調(diào)制誤差等，當(dāng)時(shí)還無(wú)法解決，于是英國(guó)人就放棄了多普勒測(cè)向技術(shù)的研究。德國(guó)R/S公司從20世紀(jì)50年代開始研究多普勒測(cè)向，解決了很多多普勒測(cè)向技術(shù)中存在的問題，提高了測(cè)向系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)制造出多種多普勒測(cè)向設(shè)備，并廣泛應(yīng)用于無(wú)線電導(dǎo)航、監(jiān)測(cè)、情報(bào)偵察與電子戰(zhàn)等領(lǐng)域，使多普勒測(cè)向成了一種重要的測(cè)向手段。3.6多普勒測(cè)向3.6.1多普勒效應(yīng)多普勒測(cè)向設(shè)備基于多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)就是當(dāng)目標(biāo)(輻射源)與觀測(cè)者之間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者接收到的信號(hào)頻率不同于目標(biāo)輻射信號(hào)頻率的現(xiàn)象。如圖3.6-1所示，設(shè)某一目標(biāo)B發(fā)出的信號(hào)頻率為f0，該目標(biāo)以速度v運(yùn)動(dòng)，信號(hào)輻射方向和運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角為。令光速為c，若N=v/c<<1，則點(diǎn)A處可檢測(cè)到由多普勒效應(yīng)而引起的頻移為(3.6-1)3.6.1多普勒效應(yīng)(3.6-1)圖3.6-1多普勒效應(yīng)圖3.6-1多普勒效應(yīng)3.6.2多普勒測(cè)向原理在多普勒測(cè)向系統(tǒng)中，多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生并不需整個(gè)測(cè)向系統(tǒng)做相對(duì)于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，只要測(cè)向天線相對(duì)于目標(biāo)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)就行了。當(dāng)測(cè)向天線向著目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，多普勒效應(yīng)就使接收到的信號(hào)頻率升高；反之，當(dāng)天線背離目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，接收到的信號(hào)頻率降低；當(dāng)測(cè)向天線沿著圓周運(yùn)動(dòng)(如天線旋轉(zhuǎn))時(shí)，接收到的來波信號(hào)頻率及其相位都按正弦調(diào)制方式變化。利用機(jī)械方法使測(cè)向天線旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生多普勒效應(yīng)是很難實(shí)現(xiàn)的，這是因?yàn)闇y(cè)向系統(tǒng)要求測(cè)向天線旋轉(zhuǎn)速率很高，而且測(cè)向天線的圓周直徑要很大，才能達(dá)到最佳性能。因此實(shí)際應(yīng)用中常常采用模擬旋轉(zhuǎn)的方法，即在圓周上均勻地安放固定天線3.6.2多普勒測(cè)向原理陣元，借助于電子開關(guān)，以較快的角頻率ω依次輪流地接通各陣元，以模擬天線的旋轉(zhuǎn)。這種利用模擬天線旋轉(zhuǎn)獲得接收信號(hào)的相位調(diào)制或頻率調(diào)制進(jìn)行測(cè)向的技術(shù)，被稱為準(zhǔn)多普勒測(cè)向技術(shù)。如圖3.6-2所示，當(dāng)測(cè)向天線沿著一個(gè)半徑為R的圓形軌道，以角頻率ωr旋轉(zhuǎn)時(shí)，以方位角θ和俯仰角β入射的信號(hào)所產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓為其中,A(t)是接收信號(hào)包絡(luò)；ω0是信號(hào)角頻率;λ0是信號(hào)波長(zhǎng)；φ(t)是信號(hào)的瞬時(shí)相位。(3.6-2)陣元，借助于電子開關(guān)，以較快的角頻率ω依次輪流地接通各陣元，圖3.6-2多普勒測(cè)向原理圖3.6-2多普勒測(cè)向原理為了簡(jiǎn)單，下面的討論只考慮一維情況(設(shè)β=0)。對(duì)于窄帶信號(hào)，設(shè)A(t)=A和φ(t)=φ0。對(duì)瞬時(shí)電壓信號(hào)進(jìn)行鑒相，得到其瞬時(shí)相位對(duì)瞬時(shí)相位求導(dǎo)，可以得到瞬時(shí)頻率經(jīng)過低通濾波器后，得到輸出信號(hào)將它與相同頻率的參考信號(hào)sr(t)=sin(ωrt)進(jìn)行相位比較，就可以得到方位角的值。(3.6-3)(3.6-4)(3.6-5)為了簡(jiǎn)單，下面的討論只考慮一維情況(設(shè)β=0)。對(duì)于窄帶注意，多普勒天線在旋轉(zhuǎn)一周對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率變化范圍為因此，旋轉(zhuǎn)天線的切向速度vr與多普勒頻率fd等參數(shù)的關(guān)系為(3.6-6)如果多普勒頻率為fd＝100Hz，信號(hào)頻率為f0＝30MHz，則按照上式計(jì)算要求天線的切向速度為10000m/s，這樣的速度是機(jī)械裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，通常使用高速射頻開關(guān)，順序掃描排列成圓陣的全向天線來代替機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)多普勒測(cè)向。注意，多普勒天線在旋轉(zhuǎn)一周對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率變化范圍為因此，3.6.3數(shù)字化多普勒測(cè)向由于通信信號(hào)本身都是已調(diào)制信號(hào)，對(duì)多普勒測(cè)向而言，已調(diào)的被測(cè)信號(hào)的調(diào)制分量中很可能帶有天線旋轉(zhuǎn)的頻率分量，這一分量會(huì)干擾多普勒頻移，帶來較大的測(cè)向誤差。多普勒測(cè)向設(shè)備通過射頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)天線旋轉(zhuǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是天線陣列直徑可以很大、旋轉(zhuǎn)速度很高、精確且穩(wěn)定，還可靈活地改變多種旋轉(zhuǎn)方式。如采用同向旋轉(zhuǎn)的、雙向旋轉(zhuǎn)的雙信道多普勒天線技術(shù)，可以較好地解決信息調(diào)制帶來的寄生多普勒頻移問題。利用現(xiàn)代數(shù)字處理技術(shù)的新型多普勒測(cè)向技術(shù)，不論是雙信道，還是三信道，都可以很好地解決上述那些模擬雙(多)信道多普勒測(cè)向技術(shù)存在的缺陷。這里以三信道補(bǔ)償型多普勒測(cè)向設(shè)備為例說明其工作原理，其原理圖如圖3.6-3所示。3.6.3數(shù)字化多普勒測(cè)向圖3.6-3三信道補(bǔ)償型多普勒測(cè)向設(shè)備原理圖圖3.6-3三信道補(bǔ)償型多普勒測(cè)向設(shè)備原理圖圖3.6-3中，在控制單元的作用下，三個(gè)信道被統(tǒng)一調(diào)到某一被測(cè)信號(hào)頻率上，天線系統(tǒng)中全向天線(參考天線)上感應(yīng)的信號(hào)(參考信號(hào))饋入?yún)⒖夹诺?。多普勒天線陣列中第n和n+(N/2)個(gè)陣元上感應(yīng)的信號(hào)，通過掃描單元分別饋入兩個(gè)測(cè)向信道。三路信號(hào)均經(jīng)過接收信道的放大、混頻、增益控制，變換成適當(dāng)電平的中頻信號(hào)輸出。對(duì)三路中頻輸出信號(hào)同時(shí)進(jìn)行模/數(shù)(ADC)變換，然后把在參考信道中采集的信號(hào)樣本分別送至兩個(gè)測(cè)向信道的數(shù)字信號(hào)處理器，用軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字混頻，消除信息調(diào)制引起的頻率偏移；再對(duì)數(shù)字混頻輸出(離散的數(shù)字)序列進(jìn)行離散傅立葉變換(DFT)，提取測(cè)向陣元上的多普勒相移。將提取的兩個(gè)多普勒相移相減以消除模/數(shù)(ADC)變換引入的量化相移，從而得到測(cè)向陣元上的多普勒相移。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至下兩個(gè)天線陣元，重復(fù)上述過程，直至旋轉(zhuǎn)一周為止。圖3.6-3中，在控制單元的作用下，三個(gè)信道被統(tǒng)一調(diào)到某對(duì)陣元上的多普勒相移進(jìn)行一階或二階差分處理，消除相位模糊。然后，對(duì)N(多普勒測(cè)向天線陣列中的陣元數(shù))個(gè)離散的多普勒相移進(jìn)行數(shù)字傅立葉變換，提取方位角。多普勒測(cè)向與某些較老的測(cè)向方法相比，主要優(yōu)點(diǎn)如下：(1)多普勒頻移的變化規(guī)律與來波入射角相關(guān)，故其測(cè)向誤差較小。(2)多普勒測(cè)向天線陣列可以做得很大，間距誤差較小，且天線陣列的電波干涉誤差以及由周圍反射體引起的環(huán)境誤差較小。(3)多普勒測(cè)向的極化誤差很小。如當(dāng)來波含有垂直極化和水平極化分量時(shí)，饋線接收水平極化分量所產(chǎn)生的多普勒頻移，其方向性與垂直極化相同，不會(huì)引起極化誤差。對(duì)陣元上的多普勒相移進(jìn)行一階或二階差分處理，消除相位模糊(4)多普勒測(cè)向采用超外差接收機(jī)，其靈敏度較高。(5)多普勒測(cè)向可以測(cè)出來波的仰角。由于只要測(cè)出多普勒頻移的絕對(duì)值便可求得來波仰角，因此短波波段的多普勒測(cè)向設(shè)備可以利用這一特性來實(shí)現(xiàn)單站定位。(4)多普勒測(cè)向采用超外差接收機(jī)，其靈敏度較高。3.7到達(dá)時(shí)差測(cè)向3.7.1到達(dá)時(shí)間差測(cè)向的基本原理到達(dá)時(shí)間差(TDOA)測(cè)向(簡(jiǎn)稱“時(shí)差測(cè)向”)技術(shù)是利用同一電波到達(dá)測(cè)向天線陣各陣元之間的時(shí)間差來測(cè)量來波方向的。時(shí)差測(cè)向系統(tǒng)采用多個(gè)分離的天線陣元，在接收同一個(gè)輻射源的來波信號(hào)時(shí)，由于存在電波傳播行程差引起的接收時(shí)間的差異，其到達(dá)時(shí)間差是來波方向角的函數(shù)，經(jīng)過計(jì)算可以求出來波方向。在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，時(shí)差測(cè)向系統(tǒng)一般總是應(yīng)用于幾個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)基線測(cè)向系統(tǒng)，未被應(yīng)用于短基線測(cè)向系統(tǒng)。但是，隨著時(shí)間測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和時(shí)間測(cè)量精度的提高，它已有可能應(yīng)用于短基線時(shí)差測(cè)向系統(tǒng)中。從兩副基線間距為d的天線上測(cè)得的一個(gè)信號(hào)到達(dá)時(shí)間的差值中，可獲得到達(dá)方向的信息。時(shí)差測(cè)向的原理如圖3.7-1所示。3.7到達(dá)時(shí)差測(cè)向圖3.7-1到達(dá)時(shí)間差測(cè)向原理圖3.7-1到達(dá)時(shí)間差測(cè)向原理設(shè)入射信號(hào)以方位角θ和俯仰角β到達(dá)天線陣列，天線陣元1與陣元2、陣元3的間距為d，以天線陣元1作為參考，它和陣元2、3的時(shí)間差td為式中,c為光速。若陣元間距d的單位為m，時(shí)間的單位為ns，則有

tdk=3.33dsinθsinβ,k=1,2(3.7-2)當(dāng)測(cè)向系統(tǒng)對(duì)天線口徑的要求d/λ≤0.5時(shí)，時(shí)間差td與工作頻率無(wú)關(guān)。由上式可得水平和俯仰到達(dá)角分別為(3.7-1)設(shè)入射信號(hào)以方位角θ和俯仰角β到達(dá)天線陣列，天線陣元1與(3.7-3)特別應(yīng)提出的是，時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)的先進(jìn)程度決定了時(shí)差測(cè)量基線可以短到什么程度。20世紀(jì)60年代中，到達(dá)時(shí)間差系統(tǒng)可在100m基線上工作；到80年代，基線可短至幾十米，已可與機(jī)動(dòng)平臺(tái)兼容工作；90年代及以后，隨著時(shí)間間隔測(cè)量準(zhǔn)確度和分辨力的不斷提高，短基線時(shí)差測(cè)向系統(tǒng)已得到越來越多的應(yīng)用。(3.7-3)特別應(yīng)提出的是，時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)的先進(jìn)程時(shí)差測(cè)向技術(shù)是雷達(dá)偵察中的重要測(cè)向技術(shù)之一，由于大多數(shù)雷達(dá)信號(hào)都是脈沖信號(hào)，因此它的到達(dá)時(shí)間測(cè)量是十分方便的。而大多數(shù)通信信號(hào)是連續(xù)波信號(hào)，它沒有雷達(dá)脈沖的上升沿或下降沿作為時(shí)間測(cè)量的參考點(diǎn)，因此必須采用相關(guān)法獲取信號(hào)的到達(dá)時(shí)差。3.7.2相關(guān)法時(shí)差測(cè)量設(shè)天線1接收的信號(hào)是x(t)，天線2接收的同一個(gè)信號(hào)為x(t－τ)，其中τ是由于波程差引起的延時(shí)。計(jì)算兩者的相關(guān)函數(shù)，即(3.7-4)時(shí)差測(cè)向技術(shù)是雷達(dá)偵察中的重要測(cè)向技術(shù)之一，由于大多數(shù)雷相關(guān)函數(shù)的峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間τ是這兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差。如果忽略噪聲的影響，理論上求得的時(shí)差將不存在誤差。但由于噪聲的影響，會(huì)引起時(shí)差測(cè)量誤差，利用相關(guān)法計(jì)算信號(hào)的時(shí)間差的精度極限為其中，E為信號(hào)的能量，等于信號(hào)功率與時(shí)間長(zhǎng)度的乘積；N0為單位帶寬內(nèi)的噪聲，等于噪聲功率除以帶寬；B為信號(hào)的均方根等效帶寬。這表明，信號(hào)的帶寬越寬，信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度越長(zhǎng)，信噪比越高，可能獲得的時(shí)間差的精度將越高。(3.7-5)相關(guān)函數(shù)的峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間τ是這兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差。如果忽3.7.3循環(huán)自相關(guān)法時(shí)差測(cè)量1.循環(huán)自相關(guān)函數(shù)大多數(shù)無(wú)線電信號(hào)都具有周期性，它們的一階或者二階統(tǒng)計(jì)特性具有周期性。設(shè)x(t)是一個(gè)零均值的非平穩(wěn)復(fù)信號(hào)，它的時(shí)變自相關(guān)函數(shù)定義為(3.7-6)若Rx(t,τ)的統(tǒng)計(jì)特性具有周期為T0的二階周期性，則可以用時(shí)間平均將它表示為(3.7-7)3.7.3循環(huán)自相關(guān)法時(shí)差測(cè)量(3.7-6)若Rx(由于Rx(t,τ)是周期為T0的周期函數(shù)，我們也可以用傅立葉級(jí)數(shù)展開它，得到(3.7-8)式中α=m/T0，且傅立葉系數(shù)為(3.7-9)將以上相關(guān)函數(shù)的定義代入上式，稍加整理，即有由于Rx(t,τ)是周期為T0的周期函數(shù)，我們也可以用傅(3.7-10)系數(shù)表示頻率為α的循環(huán)自相關(guān)強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱循環(huán)(自)相關(guān)函數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，常將復(fù)信號(hào)延遲乘積的二次變換取為對(duì)稱形式，上式重新寫為(3.7-11)(3.7-10)系數(shù)表示頻率為α的循環(huán)自相關(guān)強(qiáng)度上式提供了循環(huán)自相關(guān)函數(shù)的最原始的解釋：它表示延遲乘積信號(hào)在頻率α處的傅立葉系數(shù)。將≠0的頻率α稱為信號(hào)x(t)的循環(huán)頻率。應(yīng)當(dāng)指出，一個(gè)循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)的循環(huán)頻率α可能有多個(gè)(包括零循環(huán)頻率和非零循環(huán)頻率)，其中零循環(huán)頻率對(duì)應(yīng)信號(hào)的平穩(wěn)部分，只有非零的循環(huán)頻率才刻畫信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)性。如果α=0，即為平穩(wěn)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。我們可以得出以下結(jié)論，如果存在，且＝0,α≠0，則信號(hào)為平穩(wěn)信號(hào)；如果存在至少一個(gè)非零的α使得≠0，則信號(hào)為循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)，所對(duì)應(yīng)的非零α為循環(huán)頻率。循環(huán)自相關(guān)函數(shù)其實(shí)為自相關(guān)函數(shù)在循環(huán)平穩(wěn)域的推廣，即在時(shí)間平均運(yùn)算中引入循環(huán)權(quán)重因子e－j2παt。上式提供了循環(huán)自相關(guān)函數(shù)的最原始的解釋：它表示延遲乘積信循環(huán)自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換稱為循環(huán)譜密度(CyclicSpectrumDensity，CSD)，或者循環(huán)譜函數(shù)，因此循環(huán)自相關(guān)函數(shù)也可以按照下式定義:(3.7-12)(3.7-13)令(3.7-14)循環(huán)自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換(3.7-12)(3.則循環(huán)自相關(guān)函數(shù)可寫為u(t)和v(t)的互相關(guān)函數(shù):(3.7-15)可以看出，上式的互相關(guān)函數(shù)是u(t)和v*(－t)的卷積，而信號(hào)在時(shí)域的卷積在頻域中表現(xiàn)為乘積。于是的傅立葉變換可以用u(t)和v*(－t)兩者的傅立葉譜U(f)和V*(f)的乘信號(hào)x(t)的頻譜。由此可見，隨機(jī)過程x(t)的循環(huán)自相關(guān)函數(shù)就是x(t)兩個(gè)頻移信號(hào)之間的時(shí)間平均互相關(guān)函數(shù)。積表示，并且，其中X(f)為則循環(huán)自相關(guān)函數(shù)可寫為u(t)和v(t)的互相關(guān)函數(shù):(3.2.循環(huán)相關(guān)法時(shí)差測(cè)量設(shè)偵察系統(tǒng)用兩個(gè)天線分別接收信號(hào)，通過空間到達(dá)天線的信號(hào)分別為其中,s(t)是所感興趣的信號(hào);n(t)和m(t)分別是其他信號(hào)，它們可以是噪聲或干擾，也可以是噪聲和干擾兩者并存；D是兩個(gè)天線接收的信號(hào)間的時(shí)差，即將要估計(jì)信號(hào)的TDOA；A是由兩個(gè)接收通道失配所引起的幅度變化。假定s(t)、n(t)和m(t)都是零均值的，且s(t)與n(t)和m(t)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，但n(t)與m(t)之間不一定統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，因?yàn)樗鼈兛赡馨瑯拥母蓴_信號(hào)。其循環(huán)自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)為(3.7-16)2.循環(huán)相關(guān)法時(shí)差測(cè)量(3.7-16)(3.7-17)其中,為信號(hào)s(t)循環(huán)自相關(guān)函數(shù)。對(duì)上式進(jìn)行傅氏變換，得到相應(yīng)的自循環(huán)譜密度函數(shù)和互循環(huán)譜密度函數(shù)分別為(3.7-18)得到循環(huán)譜密度函數(shù)后，就可以構(gòu)造循環(huán)譜相關(guān)估計(jì)器。循環(huán)譜相關(guān)TDOA估計(jì)是在傳統(tǒng)的廣義互相關(guān)估計(jì)方法基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，其估計(jì)器為(3.7-17)其中,為信號(hào)s(t)循環(huán)自相關(guān)函數(shù)(3.7-19)其中,fα和Bα分別是被估計(jì)信號(hào)的循環(huán)譜函數(shù)的支撐域的中心和帶寬，這個(gè)估計(jì)被稱為譜相關(guān)比方法。在理想情況下，式(3.7-19)所定義的譜相關(guān)比可由下式計(jì)算：(3.7-20)式中,C=A和=arg{A}，利用最小均方估計(jì)逼近上式右側(cè)，即(3.7-19)其中,fα和Bα分別是被估計(jì)信號(hào)的循環(huán)譜函(3.7-21)對(duì)上式進(jìn)行優(yōu)化，可得到譜相關(guān)比估計(jì)的最優(yōu)解，即到達(dá)時(shí)差的估計(jì)值(3.7-22)其中,是bα(τ)的估計(jì)。需要指出，在式(3.7-19)中，如果α=0，則估計(jì)退化為廣義自相關(guān)估計(jì)。圖3.7-2是存在噪聲和同信道干擾情況下，到達(dá)時(shí)間的分布圖。(3.7-21)對(duì)上式進(jìn)行優(yōu)化，可得到譜相關(guān)比估計(jì)的最圖3.7-2到達(dá)時(shí)間的分布圖圖3.7-2到達(dá)時(shí)間的分布圖圖3.7-2中，DSSS擴(kuò)頻信號(hào)的信噪比為－10dB，共道干擾信號(hào)1和2的信干比為0dB。從結(jié)果可以看出，在信號(hào)到達(dá)的位置，峰值十分明顯。在循環(huán)譜相關(guān)TDOA估計(jì)方法中，由于引入了循環(huán)頻率α，使得估計(jì)在循環(huán)頻率域?qū)π盘?hào)具有選擇性，只要其他信號(hào)和干擾的循環(huán)頻率與被估計(jì)信號(hào)的循環(huán)頻率不同，而且其他信號(hào)和干擾對(duì)估計(jì)結(jié)果的影響得到抑制，它對(duì)噪聲和干擾的抑制能力就比傳統(tǒng)的互相關(guān)TDOA估計(jì)方法要強(qiáng)得多，即具有很強(qiáng)的對(duì)噪聲和干擾的抑制能力。這是循環(huán)相關(guān)時(shí)差測(cè)量法優(yōu)于其他方法之處，因此它在對(duì)輻射源的測(cè)向和定位中具有廣闊的應(yīng)用前景。圖3.7-2中，DSSS擴(kuò)頻信號(hào)的信噪比為－10dB，共3.8空間譜估計(jì)測(cè)向?qū)⒁唤M傳感器按一定的方式布置在空間的不同位置，形成傳感器陣列。這組傳感器陣列對(duì)空間傳播來的信號(hào)同時(shí)采樣，就得到輻射源的觀測(cè)數(shù)據(jù)——快拍數(shù)據(jù)。傳感器在不同的位置對(duì)空間電磁波采樣，因此接收的快拍數(shù)據(jù)中包含著信號(hào)源的空間位置信息，提取和利用這種信號(hào)源的空間位置信息是陣列信號(hào)處理的核心任務(wù)。陣列信號(hào)處理技術(shù)大致包括兩個(gè)方面：空間濾波和波達(dá)方向角估計(jì)。這里主要討論當(dāng)多個(gè)信號(hào)作用于均勻線陣時(shí)，結(jié)合時(shí)頻分布和超分辨算法估計(jì)信號(hào)波達(dá)方向角。3.8空間譜估計(jì)測(cè)向3.8.1均勻線陣等距線陣如圖3.8-1所示，m個(gè)陣元等距離排列成一條直線，陣元間的距離為d(d≤λ/2，λ為信號(hào)波長(zhǎng))，將陣元從1到m編號(hào)，并以陣元1(也可以選其他陣元)作為基準(zhǔn)(參考點(diǎn))；設(shè)空間有n個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)源si(t)(i=1,2,…,n)(m>n)。若從某一方向θi有信號(hào)si(t)到來，則相對(duì)于陣元1，其他各陣元上接收的信號(hào)都會(huì)有延遲(或超前)。對(duì)于載波而言，延遲會(huì)使同一時(shí)刻各陣元上的采樣值有相位差，并且相位差的大小與到達(dá)角θi有關(guān)。第l個(gè)陣元上t時(shí)刻的輸出為式中,nl(t)表示第l個(gè)陣元上的噪聲。(3.8-1)3.8.1均勻線陣式中,nl(t)表示第l個(gè)陣元上的噪聲圖3.8-1均勻線陣的幾何結(jié)構(gòu)圖3.8-1均勻線陣的幾何結(jié)構(gòu)將各陣元上的輸出寫成向量形式x(t)=y(t)+n(t)=As(t)+n(t)(3.8-2)其中x(t)=［x1(t),x2(t),…,xm(t)］T

s(t)=［s1(t),s2(t),…,sn(t)］T

n(t)=［n1(t),n2(t),…,nm(t)］T對(duì)于窄帶信號(hào)，矩陣A是θ的函數(shù)，有A(θ)=［a(θ1),a(θ2),…,a(θn)］式中將各陣元上的輸出寫成向量形式式中3.8.2MUSIC算法MUSIC是多重信號(hào)分類(MUltipleSIgnalClassification)的英文縮寫，這種方法是由Schmidt在1979年提出的。它屬于特征結(jié)構(gòu)的子空間方法，子空間方法建立在這樣一個(gè)觀察之上：若傳感器個(gè)數(shù)比信源個(gè)數(shù)多，則陣列數(shù)據(jù)的信號(hào)分量一定位于一個(gè)低秩的子空間。在一定條件下，這個(gè)子空間將唯一確定信號(hào)的波達(dá)方向，并且可以使用數(shù)值穩(wěn)定的奇異值分解精確確定波達(dá)方向。對(duì)均勻線陣，我們假定以下條件：

A1：m>n,且對(duì)應(yīng)于不同θ的值的向量a(θi)是線性獨(dú)立的;

A2：E{n(t)}=0,E{n(t)nH(t)}=σ2I,且E{n(t)nT(t)}=0；3.8.2MUSIC算法

A3：矩陣P=E{s(t)sH(t)}(3.8-3)是非奇異的(正定的)，且N>m。先來推導(dǎo)基本的MUSIC算法。當(dāng)滿足假定條件A1～A3時(shí)，觀測(cè)向量y(t)的協(xié)方差矩陣,由下式R=E{y(t)yH(t)}=A(θ)PAH(θ)+σ2I(3.8-4)給定。為方便起見，我們將A(θ)簡(jiǎn)寫為A。若是θ的一個(gè)估計(jì)值，那么就將簡(jiǎn)記為。注意到R是一對(duì)稱陣，其特征值分解具有下列形式：

R=UΣ2UH(3.8-5)其中，A3：矩陣(3.8-6)對(duì)角線元素叫做R的特征值。在A1的條件下，矩陣A顯然是非奇異的，即rank(A)=n。從而，在A3條件下APAH的秩也為n。因此R的特征值必然滿足以下關(guān)系：(3.8-7)將前n個(gè)大的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量構(gòu)成的矩陣記為Es，而(m－n)個(gè)小的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量構(gòu)成的矩陣記為En、Es和Ea，分別叫做信號(hào)子空間和噪聲子空間。于是，特征矩陣U分為兩個(gè)子矩陣，(3.8-6)對(duì)角線元素叫做R的特征值。(3.

U=［Es|En］(3.8-8)現(xiàn)在研究信號(hào)子空間Es和噪聲子空間En的關(guān)系。一方面，由于σ2和En分別是R的特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量，故有特征方程REn=σ2En(3.8-9)另一方面，用En右乘式(3.8-4)，又有REn=APAHEn+σ2En(3.8-10)綜合式(3.8-9)和式(3.8-10)得出APAHEn=0(3.8-11)從而有APAHEn=(AHEn)HP(AHEn)=0。由于P是非奇異的，若有tHPt=0,當(dāng)且僅當(dāng)t=0，因此AHEn=0(3.8-12)U=［Es|En］(3.8-上式也可寫作(3.8-13)由于U是酉陣，故UUH=[Es|En