淺論無線電測向技術(shù)及其應(yīng)用

摘要：無線電測向是依據(jù)電磁波傳播特性，使用無線電測向設(shè)備測定電波來波方向的過程。文章介紹了無線電測向技術(shù)的基本原理，歸納總結(jié)了七種基礎(chǔ)測向體制，并闡述了其在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無線電測向；測向設(shè)備；側(cè)向體制

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2009）07-0007-02

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線電測向技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用在民用和軍用設(shè)施中，那么什么是無線電測向技術(shù)？它的應(yīng)用又是如何呢？

無線電測向就是依據(jù)電磁波傳播特性，使用無線電測向設(shè)備測定電波來波方向的過程。無線電波在空氣中具有沿直線傳播的特點(diǎn)。如果能確定出電波傳播方向，就可確定出發(fā)射臺所在方向。當(dāng)測向的地點(diǎn)確定之后，該點(diǎn)的北方向與所測電臺方向之間順時(shí)針方向的夾角（也稱示向度）也就確定了。如果只獲得電臺的一個(gè)示向度值，僅可以確定電臺在某一直線上，但無法判斷其具體位置。若設(shè)定兩個(gè)或兩個(gè)以上的測向點(diǎn)，就可獲得不同的示向度，將其標(biāo)繪在地圖上，其交點(diǎn)即為發(fā)射電臺的位置。在測定過程中，根據(jù)天線系統(tǒng)從到達(dá)來波信號中獲得信息以及對信息處理的方法，可以將測向系統(tǒng)分為兩大類：標(biāo)量測向系統(tǒng)和矢量測向系統(tǒng)。標(biāo)量測向系統(tǒng)僅能獲得和使用到達(dá)來波信號有關(guān)的標(biāo)量信息數(shù)據(jù)，矢量測向系統(tǒng)可以獲得和使用到達(dá)來波信號的矢量信息數(shù)據(jù)；標(biāo)量測向系統(tǒng)僅能單獨(dú)獲得和使用電磁波的幅度或者相位信息，而矢量測向系統(tǒng)可以同時(shí)獲得和使用磁波的幅度和相位信息。

標(biāo)量測向系統(tǒng)歷史悠久，應(yīng)用最為廣泛。最簡單的幅度比較式標(biāo)量測向系統(tǒng)，是旋轉(zhuǎn)環(huán)型測向機(jī)，該系統(tǒng)對垂直極化波的方向圖成8字形。大多數(shù)幅度比較式的標(biāo)量測向系統(tǒng)，其測向天線和方向圖，都是采用了某種對稱的形式，例如：阿德考克測向機(jī)和沃特森—瓦特測向機(jī)，以及各種使用旋轉(zhuǎn)角度計(jì)的圓形天線陣測向機(jī)；屬于相位比較的標(biāo)量測向系統(tǒng)，有干涉儀測向機(jī)和多普勒測向機(jī)等。矢量測向系統(tǒng)，具有從來波信號中獲得和使用矢量信息數(shù)據(jù)的能力。例如：空間譜估計(jì)測向機(jī)。矢量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，前端需要使用多端口天線陣列和至少同時(shí)利用兩部以上幅度、相位相同的接收機(jī)，后端根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和算法，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算。矢量系統(tǒng)依據(jù)天線單元和接收機(jī)數(shù)量以及后續(xù)的處理能力，可以分辨兩元以至多元波場和來波方向。無線電測向系統(tǒng)，通常包括測向天線、輸入匹配單元、接收機(jī)和方位信息處理顯示四個(gè)部分。測向天線是電磁場能量的探測器、傳感器，又是能量轉(zhuǎn)換器，它把空中傳播的電磁波能量感應(yīng)接收下來，連同幅度、相位、到達(dá)時(shí)間等信息轉(zhuǎn)換為交流電信號，饋送給接收機(jī)；輸入匹配單元實(shí)現(xiàn)天線至接收機(jī)的匹配傳輸和必要的變換；接收機(jī)的作用是選頻、下變頻、無失真放大和信號解調(diào)；檢測、比較、計(jì)算、處理、顯示（指示）方位信息，是處理顯示部分的任務(wù)。

測向機(jī)在測向過程中顯示（指示）的測向讀數(shù)稱為示向度。測向設(shè)備、通信系統(tǒng)和附屬設(shè)備，可以組成測向站（臺）。測向站是專門執(zhí)行測向任務(wù)的機(jī)構(gòu)，它有固定站和移動站之分。無線電測向測定電波來波方向，通常是為了確定輻射源的位置，這時(shí)往往需要以幾個(gè)位置不同的測向站（臺）組網(wǎng)測向，用各測向站的示向度（線）進(jìn)行交匯。短波的單臺定位，是在測向的同時(shí)測定來波的仰角，以仰角、電離層高度計(jì)算距離，用示向度和距離粗判臺位。實(shí)際操作上要確定未知輻射源的具體位置，往往需要完成由遠(yuǎn)而近分步交測，以逐步實(shí)現(xiàn)接近和確定輻射源的具體位置。依據(jù)不同的測向原理，可分為如下幾種不同的測向體制：

一、幅度比較式測向體制

幅度比較式測向體制的工作原理是：依據(jù)電波在行進(jìn)中，利用測向天線陣或測向天線的方向特性，對不同方向來波接收信號幅度的不同，測定來波方向。

二、沃特森—瓦特測向體制

沃特森—瓦特測向機(jī)實(shí)際上也是屬于幅度比較式的測向體制，但是它在測向時(shí)不是采用直接或間接旋轉(zhuǎn)天線方向圖，而是采用計(jì)算求解或顯示反正切值。正交的測向天線信號，分別經(jīng)過兩部幅度、相位特性相同的接收機(jī)進(jìn)行變頻、放大，最后求解或顯示反正切值，解出或顯示來波方向。單信道沃特森—瓦特測向機(jī)是將正交的測向天線信號，分別經(jīng)過兩個(gè)低頻信號進(jìn)行調(diào)制，而后通過單信道接收機(jī)變頻、放大，解調(diào)出方向信息信號，然后求解或顯示反正切值，給出來波方向。

三、干涉儀測向體制

干涉儀測向體制的測向原理是：依據(jù)電波在行進(jìn)中，從不同方向來的電波到達(dá)測向天線陣時(shí)，在空間上各測向天線單元接收的相位不同，因而相互間的相位差也不同，通過測定來波相位和相位差，即可確定來波方向。

四、多普勒測向體制

多普勒測向體制是依據(jù)電波在傳播中，遇到與它相對運(yùn)動的測向天線時(shí)，被接收的電波信號產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，測定多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻移，可以確定來波的方向。為了得到多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻移，必須使測向天線與被測電波之間做相對運(yùn)動，通常是以測向天線在接收場中，以足夠高的速度運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)測向天線完全朝著來波方向運(yùn)動時(shí)，多普勒效應(yīng)頻移量（升高）最大。當(dāng)測向天線做圓周運(yùn)動時(shí)，會使來波信號的相位受到正弦調(diào)制。多普勒頻移f，可以從旋轉(zhuǎn)的測向天線接收到的信號，經(jīng)過接收機(jī)變頻、放大、鑒頻以后得到。多普勒頻移f與0點(diǎn)參考頻率相比較，即可得到來波方向角。

五、烏蘭韋伯爾測向體制

烏蘭韋伯爾測向體制的測向原理是采用大基礎(chǔ)測向天線陣，在圓周上架設(shè)多副測向天線，來波信號經(jīng)過可旋轉(zhuǎn)的角度計(jì)、移相電路、合差電路，形成合差方向圖，而后將信號饋送給接收機(jī)。通過旋轉(zhuǎn)角度計(jì)，旋轉(zhuǎn)合差方向圖，測找來波方向。由于烏蘭韋伯爾測向是進(jìn)行相位比較，人們常把它歸類在比相式測向機(jī)。但是從使用者看，最終使用的是信號幅度比較，因此說它是幅度比較式測向機(jī)，也有道理。短波烏蘭韋伯爾測向體制，是典型的大基礎(chǔ)，測向天線陣直徑是最低工作波長的1～5倍。天線陣直徑尺寸，根據(jù)低端工作頻率的不同，達(dá)到數(shù)百甚至上千米。測向天線單元，可以是寬頻帶直立天線，也可以是對數(shù)周期天線。為了提高天線接收效能，通常在天線陣內(nèi)側(cè)使用反射網(wǎng)。一副天線陣難于覆蓋全部短波頻段時(shí)，一般是采用內(nèi)高頻，外低頻的雙層陣。

六、到達(dá)時(shí)間差測向體制

到達(dá)時(shí)間差測向體制的測向原理：依據(jù)電波在行進(jìn)中，通過測量電波到達(dá)測向天線陣各個(gè)測向天線單元時(shí)間上的差別，確定電波到來的方向。它類似于比相式測向，但是這里測量的參數(shù)是時(shí)間差，而不是相位差。該測向體制要求被測信號具有確定的調(diào)制方式。在實(shí)際使用中，為了覆蓋360度方向，至少需要架設(shè)三副分立的測向天線。測向天線的間距有長、短基線之分，長基線的測向精度明顯好于短基線。到達(dá)時(shí)間差測向體制基于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和對時(shí)間的精確測量，以現(xiàn)在的技術(shù)水平而言，時(shí)間間隔的測量可達(dá)到lns的精確度，當(dāng)間距為10米時(shí)，測向的準(zhǔn)確度可以達(dá)到1度。

七、空間譜估計(jì)測向體制

空間譜估計(jì)測向體制的測向原理：在已知坐標(biāo)的多元天線陣中，測量單元或多元電波場的來波參數(shù)，經(jīng)過多信道接收機(jī)變頻、放大，得到矢量信號，將其采樣量化為數(shù)字信號陣列，送給空間譜估計(jì)器，運(yùn)用確定的算法求出各個(gè)電波的來波方向、仰角、極化等參數(shù)?？臻g譜估計(jì)測向，充分利用了測向天線陣各個(gè)陣元從空間電磁場接收到的全部信息，而傳統(tǒng)的測向方式僅僅利用了其中的一少部分信息（相位或者幅度），因此傳統(tǒng)的測向方式不能在多波環(huán)境下發(fā)揮作用?？臻g譜估計(jì)測向，基于最新的陣列處理理論、算法與技術(shù)，具有超分辨測向能力。所謂超分辨測向，是指對同信道中，同時(shí)到達(dá)的、處于天線陣固有波束寬度以內(nèi)的、兩個(gè)以上的電波，能夠同時(shí)測向。這在傳統(tǒng)的測向方法中是無法實(shí)現(xiàn)的。構(gòu)成協(xié)方差矩陣是空間譜估計(jì)測向的基本出發(fā)點(diǎn)，但是對協(xié)方差矩陣的處理，在不同的算法中是不相同的，其中典型的是多信號分類算法?？臻g譜估計(jì)測向體制的特點(diǎn)是空間譜估計(jì)測向技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對幾個(gè)相干波同時(shí)測向；可以實(shí)現(xiàn)對同信道中、同時(shí)存在的多個(gè)信號，同時(shí)測向；可以實(shí)現(xiàn)超分辨測向；空間譜估計(jì)測向，僅需要很少的信號采樣，就能精確測向，因而適用于對跳頻信號測向；空間譜估計(jì)測向，可以實(shí)現(xiàn)高測向靈敏度和高測向準(zhǔn)確度，其測向準(zhǔn)確度要比傳統(tǒng)測向體制高得多，即使信噪比下降至0db，仍然能夠出色地工作（而傳統(tǒng)測向體制，信噪比通常需要20db）；測向場地環(huán)境要求不高，可以實(shí)現(xiàn)天線陣元方向特性選擇及陣元位置選擇的靈活性。

隨著無線電事業(yè)的飛速發(fā)展，無線電測向技術(shù)在民用和軍用得到了極大的應(yīng)用，但依靠傳統(tǒng)儀器設(shè)備組成的無線電監(jiān)測測向系統(tǒng)已不能滿足當(dāng)前各種新型、密集的無線電信號的監(jiān)測和測向的要求，尤其是在電子作戰(zhàn)中，無線電測向技術(shù)更是大顯身手，要將干擾功率最大化加載在敵方的通信設(shè)備上，首先要求我們的是，測出敵方的通信所在地。從軍用微波通信的特點(diǎn)看，其天線波速窄，電波方向性強(qiáng)，與軍用戰(zhàn)術(shù)電臺廣播發(fā)射的電波截然不同。所以高度數(shù)字化、集成化和數(shù)字處理技術(shù)應(yīng)用，自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和小型化，多信道的信號監(jiān)測和測向就成為發(fā)展的潮流。因此，國內(nèi)外的許多公司都研發(fā)或集成了較為先進(jìn)的固定、車載、移動及手持式測向設(shè)備。有的公司可根據(jù)用戶對設(shè)備性能及經(jīng)濟(jì)能力的要求進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，可組成單信道、雙信道及多信道的相關(guān)干涉儀或其他體制的監(jiān)測測向系統(tǒng)，并具備寬帶掃描、本振共享、同步采樣、信號識別、信號分析功能，系統(tǒng)測向功能極其強(qiáng)大，且測向速度快、靈敏度高、動態(tài)范圍大、可靠性強(qiáng)，計(jì)算機(jī)自動控制，界面友好、直觀，操作使用極為方便，大大提高了無線電技術(shù)人員測定無線電輻射源或無線電干擾的能力。

參考文獻(xiàn)

[1]張邦寧．通訊抗干擾技術(shù)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

[2]郭黎利，孫志國．通訊對抗應(yīng)用技術(shù)[M]．哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007．

作者簡介：劉利軍（1967－），女，河北涿州人，河北張家口市宣化區(qū)電視臺電子工程師，研究方向：無線電技術(shù)應(yīng)用。