馬友科 易衛(wèi)明 李慧

摘要：針對無人直升機安裝平臺，需要對2～18 GHz頻段內(nèi)通信、雷達目標信號進行瞬時360°范圍測向的問題，設(shè)計了一種基于比幅比相的測向系統(tǒng)。介紹了基于比幅比相測向系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計與實現(xiàn)，對系統(tǒng)的組成、工作流程、軟硬件設(shè)計進行了詳細說明，對系統(tǒng)測向指標在外場進行了飛行測試。結(jié)果表明，測向系統(tǒng)測向精度在2°以內(nèi)，達到了設(shè)計要求，在工程應(yīng)用中具有很高的實用價值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：比幅比相；8陣元測向陣；無人直升機

中圖分類號：TN911文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）06-51-5

0引言

測向技術(shù)是電子偵察的關(guān)鍵技術(shù)，目標的方位信息是信號分選及引導干擾的重要參數(shù)。通過測向，可以實現(xiàn)對威脅目標輔助定位，從而為引導武器系統(tǒng)輔助攻擊或?qū)嵤┯行Ц蓴_提供可靠依據(jù)。隨著電子戰(zhàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，對測向定位系統(tǒng)的性能要求越來越高，尤其針對中小型無人直升機等機載平臺，要求其設(shè)備體積小、測向精度高、瞬時工作帶寬大及空域瞬時全覆蓋。

在目前的實際應(yīng)用中，最常用的測向方式有比幅、干涉儀和空間譜等方法。比幅法[1]根據(jù)接收信號的相對幅度大小來確定信號的來波方向，技術(shù)成熟、設(shè)備簡單，但是精度較低；比相法[2]測向精度高，但存在相位模糊的問題，需要多個基線解模糊，對多個基線通道的幅相一致性要求較高；空間譜測向[3]可以同時對多個信號測向，分辨力高、精度高，但對信號模型失真敏感，運算量較大，一般只用于窄帶測向。

比幅測向和干涉儀測向各有其優(yōu)缺點，但2種方法的結(jié)合能有效融合其優(yōu)勢。文獻[4]采用曲線擬合及對雷達脈沖采樣等技術(shù)提高比幅比相測向性能，但在實際工作中，還有虛警、漏警等問題需要解決。文獻[5]采用長短基線和幅度信息，提出了劃分幅度差門限設(shè)置滑動粗相位的方法解決比幅比相測向模糊問題，但有很多前提條件的限制，實際工程應(yīng)用有一定局限性。文獻[6]從理論層面對比幅比相的解模糊算法進行了改進，仿真實驗取得了很好的效果，但未給出工程應(yīng)用的實驗結(jié)果。文獻[7]對比幅比相測向體制接收機的原理、系統(tǒng)設(shè)計及解模糊處理做了詳細的論述，但未給出接收機內(nèi)部主要模塊的詳細設(shè)計。

以上幾種方法都具有一定的優(yōu)勢，但總體上無法滿足中小型無人機測向工程化的要求。本文結(jié)合測向系統(tǒng)裝載平臺的特點，針對2～18 GHz頻率范圍內(nèi)的通信、雷達信號，介紹了一種裝載于中小型無人直升機平臺[8]、采用基于8陣元平螺天線圓陣[9]的復合測向體制———比幅比相測向體制，該設(shè)計實現(xiàn)了瞬時全方位、寬頻帶、高精度的寬帶測向系統(tǒng)，在體積、重量、成本和復雜度等方面都有很大優(yōu)勢。

1主要工作原理

1.1比幅測向原理

比幅測向技術(shù)屬于空域變換測向法中的空域方位—幅度變換法測向，這種技術(shù)可對單個脈沖進行測向，因此是一種瞬時測向技術(shù)，又可稱為比幅單脈沖測向技術(shù)，對通信信號和雷達信號都可適用。

以2個天線為例，說明比幅測向原理。假定采用2個天線并列放置，相鄰天線的振幅方向如圖1所示，滿足對稱性。

顯而易見，采用比幅測向法時，天線數(shù)目越多，波束寬度越窄，測角精度和分辨力越高，在天線物理尺寸能完成組陣的情況下，高精度的多波束測向設(shè)備往往用幾十個天線瞬時覆蓋全方位。但是，由于每個天線都有獨立的接收機，這樣—來，測向精度要求越高，系統(tǒng)就愈加復雜。因此，本文采用波束比幅法[11]作為比幅比相中的比幅算法。

1.2比相測向原理

比相法主要有干涉儀和相關(guān)干涉儀2種方法。以單基線相位干涉儀為例，說明干涉儀測向原理[12]，干涉儀測向如圖2所示。

相關(guān)干涉儀是干涉儀的一種改進方法，通過比較獲取的入射波相位分布與事先已存的各方位、各頻率來波相位分布的相似性來得到入射波方向。由于采用了相關(guān)處理技術(shù)，相關(guān)干涉儀弱化了傳統(tǒng)干涉儀中互耦、載體等對測向精度的不利影響。這些影響雖然還造成波陣面畸變和相位分布的失真，但這些影響是穩(wěn)定的，由于這些失真已經(jīng)存入樣本數(shù)據(jù)中，通過相關(guān)處理，相關(guān)干涉儀實際上弱化了它們對測向精度的影響。

相關(guān)干涉儀測向原理[13]：給定頻率，從某一方位角入射的信號，通過天線響應(yīng)后會產(chǎn)生一組較為穩(wěn)定的相位差數(shù)據(jù)，與方位角一一對應(yīng)。對于任意頻率，都有一張由相位差數(shù)據(jù)構(gòu)成的二維表格，表格的每一行對應(yīng)一個方位。在誤差范圍內(nèi)，外界入射信號產(chǎn)生的相位差會真實地再現(xiàn)表內(nèi)某一方位對應(yīng)的相位差數(shù)據(jù)。對于一個實際目標信號，系統(tǒng)測量出一組相位差，將這一組值和系統(tǒng)原始相位樣本進行相關(guān)處理，計算出它們的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)的最大值對應(yīng)的方位角就是目標信號的方位值。本文采用相關(guān)干涉儀作為比幅比相中的比相算法。

1.3比幅比相測向工作原理

比幅比相測向原理的實質(zhì)是利用比幅測向得到的目標信號的粗方位，解決比相法測向的模糊問題[14]，然后選取接收目標信號幅度最大的4個天線對應(yīng)的處理通道，利用相關(guān)干涉儀測向以保證測向精度，實現(xiàn)目標信號的高精度測向。

采用比幅比相的測向體制，可以綜合比幅測向體制和相關(guān)干涉儀測向體制各自的優(yōu)點，既能保證獲得高精度的測向性能指標，又能大幅度降低設(shè)備量和成本，降低研制難度。

2系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)3FEEDAA8-1D6A-4998-90E7-C874607A3D30

2.1系統(tǒng)設(shè)計

測向系統(tǒng)總體設(shè)計原理如圖3所示。為保證8路偵收信號幅相特性一致，從天線陣元一直到偵察測向處理機中的模數(shù)轉(zhuǎn)換，8路射頻通道的各通道射頻信號經(jīng)過的射頻線纜長度、放大器、分路器等電路設(shè)計都保持嚴格一致。

測向天線陣是由8個方向圖基本一致的2～18 GHz平螺天線[15]組成的均勻圓陣，相鄰兩天線的法線夾角為45°，天線陣實現(xiàn)方位360°空域覆蓋。一個全向天線用于頻譜監(jiān)測。

開關(guān)陣[16]完成實際接收信號和自校信號的切換選擇，以及在不同工作模式下對實際接收信號的直通、放大或衰減等處理。開關(guān)陣中的放大器選用低噪聲放大器，用以補償線路衰減和獲得較低的系統(tǒng)噪聲系數(shù)。

8路射頻經(jīng)濾波、分路、放大等處理后分為2組射頻信號，1組8路2～6 GHz的通信測向射頻信號，1組8路2～18 GHz的雷達測向射頻信號。

偵察測向處理機采用17槽的LRM機箱，包含PPC主板模塊、本振模塊、通信變頻模塊、雷達變頻模塊、信號采集模塊、信號處理模塊、單比特接收機模塊、大容量存儲模塊和電源模塊等。

偵察測向處理機主要完成2～18 GHz頻段內(nèi)雷達和通信信號的檢測、分析、校準信號產(chǎn)生，8路雷達測向射頻信號和8路通信測向射頻信號主要完成下變頻、濾波放大、中頻信號同步模數(shù)轉(zhuǎn)換、幅相校準、計算并輸出信號的方位及其他參數(shù)信息等。其中，雷達信號測向最大瞬時工作帶寬1 GHz，通信信號測向最大瞬時工作帶寬300 MHz。比幅比相測向系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

2.2處理機軟硬件設(shè)計

偵察測向處理機內(nèi)各硬件模塊采用標準LRM結(jié)構(gòu)，其中最核心的模塊是信號采集模塊和信號處理模塊，偵察測向處理機核心模塊如圖5所示。

信號采集模塊板卡主要包括4片高速采樣AD9208芯片、2片大規(guī)模可編程的FPGA芯片、一片高性能多核DSP芯片、一片SRIO數(shù)據(jù)交換芯片、還有一片MCU芯片完成采樣器配置和健康管理等，F(xiàn)PGA和DSP程序可實現(xiàn)動態(tài)加載和在線燒寫。信號采集模塊主要完成8路通信中頻信號和8路雷達中頻信號的幅相校準、同步采集和數(shù)字下變頻、FFT等處理，并將過門限信號的幅度和相位差、單信號窄帶時域數(shù)據(jù)送至信號處理模塊。

信號處理模塊主要由一片MCU芯片、一片大規(guī)模可編程的FPGA芯片、3片高性能的多核DSP芯片和一片SRIO總線交換芯片等組成。信號處理模塊完成一路寬帶搜索多信號測向和5路窄帶單信號測向等處理，測量出信號的來波方向，并實時輸出各信號的示向度、場強值。

測向軟件的通信信號測向包括普通寬帶測向、寬帶突發(fā)/跳頻測向及窄帶測向。普通寬帶測向時僅對帶內(nèi)幅度譜過門限峰值點測向，寬帶突發(fā)/跳頻測向時需根據(jù)門限對突發(fā)/跳頻信號測向，窄帶測向時只測帶內(nèi)幅度最大點。測向?qū)崿F(xiàn)方式包含累積和非累積2種模式，對定頻連續(xù)信號做累積可以提高信噪比，即可以提高測向靈敏度；在測向結(jié)果用于對高速跳頻引導干擾時，不用累積模式。

測向軟件的雷達信號測向主要是脈沖信號的測向，在脈沖信號持續(xù)時間內(nèi)進行累積。偵察測向處理機測向處理由信號采集模塊、信號處理模塊上的FPGA和DSP配合完成，F(xiàn)PGA主要實現(xiàn)AD芯片的高速接口、數(shù)字信道化、多路FFT或各路間脈沖數(shù)據(jù)的相關(guān)處理，得到頻譜幅度及各通道相位差；DSP主要實現(xiàn)指令交互、流程控制、比幅比相測向算法。測向軟件實現(xiàn)原理如圖6所示。

2.3系統(tǒng)試驗

本文將系統(tǒng)在微波暗室環(huán)境下進行了大量測向性能測試后，集成安裝在無人直升機平臺上，在外場授權(quán)飛行空域內(nèi)，對測向系統(tǒng)進行了測向性能的飛行測試[17]。

預(yù)先布設(shè)精確位置已知的3個信號源，無人直升機升空后，分別在指定位置對3個信號源進行方位測量，上報測向結(jié)果信息（真北方位），并與通過GPS位置信息計算出的方位真值進行比較和數(shù)據(jù)處理，計算方位誤差。飛行測試的通信信號測向誤差和雷達信號測向誤差，在剔除一個誤差最大值后，記錄分別如表1和表2所示，可得通信信號（2～6 GHz）測向誤差為1.92°，雷達信號（2～18 GHz）測向誤差為1.61°，測向誤差滿足測向精度<2°的系統(tǒng)指標要求。

3結(jié)束語

受無人直升機平臺的設(shè)備安裝空間限制[18]，8陣元測向天線陣與其他頻段的測向天線陣層疊安裝在一個天線罩內(nèi)，層間距較小，在微波暗室及外場的飛行試驗中都發(fā)現(xiàn)其他頻段天線陣對8陣元測向天線陣形成了多徑干擾[19]，導致某些頻點的測向結(jié)果出現(xiàn)畸變、精度差。后續(xù)將從兩方面入手解決，一是需要深入研究先多徑抑制再測向的算法，解決多徑干擾造成的測向精度降低的問題；二是將2～18 GHz的平螺天線陣分成2～6 GHz平螺天線陣和6～18 GHz喇叭天線陣，提升6～18 GHz頻段天線的增益，降低其他頻段天線的影響[20]，提升系統(tǒng)的測向能力。

基于比幅比相測向體制設(shè)計的測向系統(tǒng)具有測向精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)合理、體積小等優(yōu)點，在工作中穩(wěn)定可靠，其性能指標能夠滿足無人直升機等多種平臺的使用要求，在工程應(yīng)用中具有很高的實用價值，可以推廣到諸如車載、艦載等平臺上使用。3FEEDAA8-1D6A-4998-90E7-C874607A3D30

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