六端口技術(shù)在波達方向估計中的應(yīng)用

,2,3

(1.空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院，陜西 三原 713800；2.西安電子科技大學(xué)，西安 710071;3.毫米波國家重點實驗室，南京 210096)

1 引 言

信號波達方向(DOA)估計在雷達、聲納、通信、導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)和地震勘探等許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭是在多目標(biāo)、空情密集的復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境進行的，準(zhǔn)確估計來波方向，從而為指揮和作戰(zhàn)單位提供可靠的目標(biāo)信息，是增強部隊空情預(yù)警能力的關(guān)鍵技術(shù)，是“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”中充分發(fā)揮雷達探測效能的重要環(huán)節(jié)。如何準(zhǔn)確估計來波方向，從而確定輻射源位置，顯得尤為重要。近年來，隨著波束形成技術(shù)、零點技術(shù)、空間譜估計技術(shù)的發(fā)展，DOA估計已取得了許多重大成果。而六端口作為一門新興技術(shù)，已發(fā)展到應(yīng)用于包括多普勒雷達、精確定位雷達、汽車防撞雷達、軟件無線電技術(shù)、極化的測量、波達方向的估計等多個方面[1]。關(guān)于六端口在波達方向的應(yīng)用陸續(xù)有文章報道，文獻[2]對六端口進行多步校準(zhǔn)后，根據(jù)功率計讀數(shù)，估計波達方向；文獻[3]僅用一個移相器對六端口進行校準(zhǔn)，確立移相器位置與入射波相位差的關(guān)系，在X頻段通過實驗測量并驗證波達方向，達到很好的一致性；文獻[4]設(shè)計的六端口,其中兩輸入端口作為雙通道接收，對輸出信號進行模擬信號處理，根據(jù)模擬信號估計波達方向，并設(shè)計了S頻段(2.45 GHz)的波達方向測試系統(tǒng)；文獻[5]設(shè)計了雙頻帶(S、C頻段)測試模型，波達方向估計最大誤差3%；文獻[6]將六端口輸出用空間譜估計方法，如MUSIC(Multiple Signal Classification)算法估計來波方向。

本文對基于六端口技術(shù)的波達方向估計進行了原理分析，歸納出六端口技術(shù),以及與數(shù)字信號處理、模擬信號處理和空間譜估計相結(jié)合的4種情況，從各自的工作原理可以看出，4種情況都通過測量幅度測量代替相位測量，估計波達方向，且系統(tǒng)可以工作在較寬的頻帶[7]，具有一定的優(yōu)勢。

2 六端口技術(shù)基礎(chǔ)

六端口技術(shù)在保持寬頻帶、高精度、自動化的前提下，直接采用合適的微波網(wǎng)絡(luò)，用幅度測量代替相位測量，測量過程簡單,并可以采用合適的校準(zhǔn)程序來彌補硬件的非理想性，極大地降低了對微波元器件加工精度的要求[8]。六端口技術(shù)的核心是六端口電路，組成六端口電路的基本元件是3 dB定向耦合器(Q)、180°移相魔T(H)、二路同向等功率分配器(D)等，利用這些元件可組成幾十種以上不同的六端口電路[9-10]，對不同的測量目標(biāo)，可選用一種最合適的組成形式，既滿足測量目標(biāo)的要求，又使電路最簡便。文獻[11]報道了頻帶54～65 GHz六端口解調(diào)器能覆蓋57～65 GHz寬帶無線通信系統(tǒng)整個頻率帶。

圖1是一種由混合接頭Q和同相功分器D等構(gòu)成的常用六端口電路，若將其兩個端口分別接信號源和負載，其余4個輸出端口接功率計，則其余4個端口的輸出電壓都可以表示成信號源產(chǎn)生的信號和負載反射信號的線性組合。因此,通過測量4個端口上的電壓幅度或功率,便可得出信號源產(chǎn)生的信號和負載反射信號的幅度比及其相位差[12]。

圖1 六端口電路Fig.1 Six-port circuit

令a5=a5ejφ5為信號源產(chǎn)生的信號，a6=a6ejφ6為負載反射的信號，則兩信號復(fù)數(shù)比值為

(1)

(2)

(3)

從而反射系數(shù)為

Γ=I+jQ=a6a5(cosΔφ+jsinΔφ)=a6a5ejΔφ

(4)

圖2 幾何模型示意圖Fig.2 The schematic plan view of the geometrical model

(5)

入射方向角可表示為

(6)

3 波達方向估計系統(tǒng)

六端口技術(shù)用于DOA估計的系統(tǒng)，有以下幾種。

3.1 基于六端口的DOA估計系統(tǒng)1[2]

系統(tǒng)1結(jié)構(gòu)如圖3所示，是最早用于波達方向估計的,其組成主要包括天線、低噪聲放大器(LNA)、移相器和六端口電路等。系統(tǒng)通過嚴(yán)格的自校準(zhǔn)、已知標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)和檢波器校準(zhǔn)，盡量減少通道誤差，使功率讀數(shù)P1～P4盡可能準(zhǔn)確[13]，對特定波長的入射波，根據(jù)公式(6)中反射系數(shù)相位值與波達方向角的關(guān)系，取d為二分之一波長，消除模糊測角，對波達方向估計。情況1：改變天線方向，利用多組已知入射信號對系統(tǒng)校準(zhǔn)，使不同方向?qū)β视嫷恼`差減小，從而對來波方向進行估計；情況2：固定天線通過移相器改變相移量，校準(zhǔn)功率計讀數(shù)隨相移量不同的誤差，對波達方向估計，精度會有所降低，這是因為輸入信號不僅僅通過天線接收，還有部分信號從電路中耦合進去以及低噪聲放大器等元件的非線性效應(yīng)使得功率檢波器因增益飽和、諧波的產(chǎn)生等原因而變得不精確。

圖3 六端口的DOA估計系統(tǒng)1Fig.3 The DOA estimation system 1 based on six-port technology

3.2 基于六端口的DOA估計系統(tǒng)2[3]

系統(tǒng)2是將六端口輸出信號通過數(shù)字信號處理，來進行DOA估計。波達方向的測量驗證系統(tǒng)如圖4所示，信號經(jīng)兩接收天線接收，輸出經(jīng)過六端口、檢波器、換算網(wǎng)絡(luò)分析儀送到計算機處理得兩信號相位差，并利用兩輸入信號相位差和式(6)，建立兩輸入信號比值(包括幅度比和相位差)與來波方向角的關(guān)系，就可估計來波方向，圖中增加信號源、輻射天線、電梯控制器是通過實際坐標(biāo)位置和相應(yīng)測量結(jié)果驗證該方法的準(zhǔn)確性。通過IEEE 488總線由計算機控制脈沖電動機驅(qū)動發(fā)射天線位置，實驗測量兩輸入端口的相移變化和發(fā)射天線位置改變的相移基本上一致的，偏差小于0.42%[3]，充分證明了六端口測量波達方向的可行性與精確度。

圖4 六端口的DOA估計系統(tǒng)2Fig.4 The DOA estimation system 2 based on six-port technology

3.3 基于六端口的DOA估計系統(tǒng)3[4-5]

系統(tǒng)3主要包括六端口和模擬信號處理。測試結(jié)構(gòu)如圖5所示，首先對兩RF通道進行誤差校準(zhǔn)，設(shè)定波束到達角θ=0，調(diào)節(jié)通道1中的初始可調(diào)移相器，使示波器顯示位于X軸上，即反射系數(shù)Γ的虛部為零，消除了通道誤差。

圖5 六端口的DOA估計系統(tǒng)3Fig.5 The DOA estimation system 3 based on six-port technology

其測量原理是：來波信號經(jīng)兩天線接收單元接收，通過低噪聲放大器對信號進行放大，輸入到六端口電路兩輸入端，四個輸出信號通過檢測、放大和處理，送到示波器，由式(4)可知，如果反射系數(shù)Γ的虛部Q為零，則兩輸入信號是同相的[14]，即來波方向垂直于接收天線?？赏ㄟ^兩種簡單可行的測量方案進行波達方向估計：一種是利用控制元件調(diào)節(jié)可調(diào)移相器得到Q支路最小值點的移相器相位，并比較初始相位校準(zhǔn)時的相位差，根據(jù)式(6)進行計算從而得到波束方向；另一種就是讓整個波達方向測試系統(tǒng)或者僅接收天線在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，測試Q支路的最小值點(位于x軸上)對應(yīng)的方向即為波束方向。

3.4 基于六端口的DOA估計系統(tǒng)4[6]

圖6 六端口的DOA估計系統(tǒng)4Fig.6 The DOA estimation system 4 based on six-port technology

系統(tǒng)4如圖6所示,將六端口的輸出用超分辨估計方法進行波達方向估計。每個天線的輸出yk(t)連接到六端口的一個輸入端口，另外一個端口連接本振信號LO(t)，六端口輸出信號可表示為

xk(t)=yk(t)/LO(t)

(7)

圖中用三天線陣是為了消除測角模糊，設(shè)相鄰兩天線單元間距為d,對于第i個信源相鄰天線相位差為

(8)

假設(shè)空間有n個信源，每個信源可表示為

Si(t)=ξi(t)exp(jωct)

(9)

式中，ξi(t)=Aiexp(jψi)是基帶信號；ωc=2πfc，fc是載波頻率；Ai、ψi分別是信號i的幅度和初始相位，則天線接收的信號可表示為

(10)

由LO(t)=ALO(t)exp(jωt)，結(jié)合式(7)可得六端口輸出信號為

(11)

將上式化成矩陣形式為

x(t)=AS(t)+n′(t)

(12)

以上4種DOA估計依次是六端口技術(shù)自身，以及與數(shù)字信號處理、模擬信號處理、空間譜技術(shù)結(jié)合相應(yīng)用的模型。在這4種模型中，第一種最簡單，但測量精度最低；第二種比較復(fù)雜，要充分利用計算機的技術(shù)，精度能得到保證；第三種是一個比較理想的模型，工程實現(xiàn)容易，測量過程簡單，測量精度也能滿足要求；第四種用超分辨算法估計，系統(tǒng)比較復(fù)雜。

4 六端口應(yīng)用于波達方向的優(yōu)勢與不足

傳統(tǒng)的波達方向估計如比幅法測向需要時序控制進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，不易精確控制，且各通道失衡容易引起較大的誤差；多普勒測向需要消除幅度、相位和頻率調(diào)制信息對測向結(jié)果的影響，增加系統(tǒng)復(fù)雜度?；诹丝诘牟ㄟ_方向估計對接收的信號直接解調(diào)得到中頻信號，不需混頻器，用功率讀數(shù)通過數(shù)學(xué)方法直接取得復(fù)數(shù)的測量結(jié)果進而估計來波方向，設(shè)計合適的六端口電路可以在確保結(jié)構(gòu)簡單的前提下實現(xiàn)寬頻帶工作[7]，并可以通過六端口電路嚴(yán)格的校準(zhǔn)，消除通道誤差，使測量精度進一步提高?，F(xiàn)代超分辨波達方向估計具有很高的精度和分辨率，但還滿足不了現(xiàn)實的需求，因為其工程實現(xiàn)比較困難，也達不到經(jīng)濟性、抗毀性等要求[15]，而六端口波達方向估計工程實現(xiàn)要相對容易許多。但六端口技術(shù)也不是盡善盡美，相對于空間譜估計技術(shù)，它的精度和分辨率還比較低，對一個波束內(nèi)的幾個目標(biāo)、相干目標(biāo)等估計能力欠缺，工作帶寬也還不能完全滿足現(xiàn)實需要?，F(xiàn)代雷達、通信等對波達方向估計要求也越來越嚴(yán)格，研究具有低復(fù)雜度高性能的波達方向估計方法具有緊迫的現(xiàn)實意義。

5 結(jié)束語

本文總結(jié)了六端口技術(shù)在波達方向估計中的應(yīng)用?；诹丝诘腄OA估計系統(tǒng)以六端口電路替代混頻器，避免采用昂貴的超外差式接收機和鑒別器，通過六端口嚴(yán)格的校準(zhǔn)，利用幅度測量值估計來波方向，測量精度高。而六端口電路可以由單片微波集成電路進行集成，使得DOA估計系統(tǒng)工程實現(xiàn)容易，實用性強，可以用于智能天線、測量輻射源的方向等。此外，六端口電路可以工作在多個頻段，對現(xiàn)代雷達、通信等可以利用單個基于六端口技術(shù)的波達估計系統(tǒng)替代多個相位鑒別器的一般波達估計系統(tǒng)，大大簡化裝置。隨著六端口電路的更深入研究，會不斷給波達方向估計注入新的活力，基于六端口技術(shù)的波達方向估計系統(tǒng)擁有廣闊的應(yīng)用背景，具有很重要的研究意義。

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