無線電定向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

【摘要】隨著近年來科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，我國將新技術(shù)、新成果應(yīng)用于無線電定向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，所謂無線電定向是指對特定區(qū)域的無線電信號進(jìn)行搜索、分析，并從中提取信息，然后經(jīng)過專業(yè)人員的鑒定確定輻射源的準(zhǔn)確方位。近年來，無線電定向技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，航空、航海、民航領(lǐng)域都廣泛采用。本文通過對無線電定向的基本概念、分類的簡單介紹，闡述設(shè)計(jì)過程，描述工作原理和方式。

【關(guān)鍵詞】無線電；定向系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

作為一門比較古老的無線電技術(shù)，無線電定向有著將近百年的歷史。世界上第一臺無線電定向儀是由德國在1908年制造的，最早的時(shí)候，無線電定向被應(yīng)用于導(dǎo)航方面，后來在軍事方面也起到很重要的作用，運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)敵軍的潛艇和確定艦隊(duì)的位置，隨著技術(shù)的進(jìn)步，無線電定向所采用的設(shè)備不斷得到完善，應(yīng)用范圍更加廣泛。

1.無線電定向技術(shù)相關(guān)發(fā)展概況

傳統(tǒng)的定向技術(shù)與無線電定向技術(shù)是有很大差別的，傳統(tǒng)的定向技術(shù)和設(shè)備將射到波陣面的法線方向作為來波方向，因此，鑒于這種方式，任何一種定向機(jī)制都必須確定法線方向，如果是在比較良好的情況下，比如說來波信號無干擾，且信噪比良好，這樣的情況下就可以獲得令人滿意的成果，但如果有多個(gè)信號進(jìn)行強(qiáng)烈干擾時(shí)，定向結(jié)果就可能不是來波的真是方向。

隨著無線電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，設(shè)備也不斷趨于完善，但由于越來越復(fù)雜的電磁環(huán)境，提高無線電機(jī)的分辨率是擺在人們面前的最主要任務(wù)，只有提高分辨率才可以分辨方位角，甚至是很小的輻射源。有人曾經(jīng)提出過多信號分類法，在對無線電波到達(dá)方向的估計(jì)問題上采用多信號分類法具有優(yōu)越的特征，這種方法的定向精度比較高、具有較高的分辨率，而且還可以對多個(gè)信號同時(shí)進(jìn)行定向。無線電定向的這些特點(diǎn)是一般傳統(tǒng)定向技術(shù)所不能夠達(dá)到的，經(jīng)過近幾年的發(fā)展，人們對特征結(jié)構(gòu)分析的陣列定向技術(shù)有了更加深刻的了解，同時(shí)還提出了能夠加強(qiáng)改進(jìn)的各種方法。

2.無線電定向的相關(guān)分類

在無線電定向的過程中，天線系統(tǒng)從來波信號中獲取相關(guān)信息，根據(jù)天線系統(tǒng)對信息的不同處理方法，人們將定向系統(tǒng)主要分為兩大類，一種是標(biāo)量定向系統(tǒng)，而另外一種是矢量定向系統(tǒng)。標(biāo)量定向系統(tǒng)獲取標(biāo)量信息數(shù)據(jù)，但是標(biāo)量信息數(shù)據(jù)必須與來波信號有關(guān)系；而與之相應(yīng)的矢量定向系統(tǒng)與標(biāo)量定向系統(tǒng)有共同的特征，矢量定向系統(tǒng)所獲得的矢量信息數(shù)據(jù)也必須與來波信號有關(guān)系才可以；兩者的不同之處是，標(biāo)量定向系統(tǒng)僅能單獨(dú)獲取電磁波的幅度和相應(yīng)的信息，并且對其進(jìn)行單獨(dú)使用，而矢量定向系統(tǒng)就可以同時(shí)獲得并進(jìn)行使用。

3.常見無線電定向機(jī)制

我國按照定向的相關(guān)原理將無線電定向機(jī)制分為幾大類，主要有幅度定向、相位定向、時(shí)差定向等，另外，陣列定向也是無線電定向機(jī)制其中的一種。比如說，我們最常見的幅度定向方法就是利用天線陣的方向圖進(jìn)而確定來波的方向的；而干涉儀定向的過程是比較繁瑣的，首先，干涉儀定向要通過直接或間接的方法對不同位置的天線感應(yīng)信號進(jìn)行測量，其次，對感應(yīng)信號之間形成的相位差進(jìn)行求解；最后，根據(jù)求解結(jié)果確定來波的入射方位角和仰角，這種方法是典型的相位定向方法。另外，被認(rèn)為是幅度—相位定向方法的定向機(jī)主要是烏蘭韋伯、多普勒等相位比較敏感的定向機(jī)，而所謂的時(shí)差定向是在對時(shí)間測量精度問題解決之后才逐漸受到重視的一種定向方法；定量定向方法主要是波前分析和空間譜估計(jì)定向，而現(xiàn)代空間譜定向又被稱為超精度、超分辨的定向方法。

3.1 幅度法

這種方法在早期的定向系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛，基本原理比較簡單，主要是通過定向天線來測量接收信號的最大值和最小值，當(dāng)然所采用的定向天線必須具有較好的旋轉(zhuǎn)方向性，進(jìn)而通過對最值的分析對目標(biāo)方位進(jìn)行確定。這種方法最常用的一種形式就是采用環(huán)形旋轉(zhuǎn)天線，并將天線兩垂直臂的差值作為天線的輸出信號，環(huán)形天線的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過手動(dòng)或者機(jī)械來實(shí)現(xiàn)的，一種情況是天線平面與來波方向一致，那么這時(shí)的輸出信號就會達(dá)到最大值；另一種情況是如果天線平面與來波方向是垂直的話，那么這時(shí)的輸出信號就為零，通過這種方法就可以準(zhǔn)確的判斷出可能出現(xiàn)的兩個(gè)方向，這種方法具有設(shè)備簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，然而也有一定的缺點(diǎn)，就是相對精度比較低，而且定向的速度比較慢，一般固定頻率情況下都會采用這種方法。

3.2 相位法

相位比較法的定向系統(tǒng)確定入射電波方位角的方式主要是通過對相位差值的分析，而相位差值是由天線處接收信號形成的，這種接收信號具有獨(dú)立分散的特點(diǎn)。圓陣天線是干涉儀體制的定向天線陣列所經(jīng)常采用的天線形式，并且這種天線具有多單元均勻分布的特點(diǎn)，這種均勻圓陣構(gòu)成一種具有寬口徑多基線的干涉儀定向天線陣列，寬口徑可以提高定向的精確度，而多基線可以解決定向的多值性問題。

而對于長基線的干涉儀定向系統(tǒng)，多值問題的解決主要是靠獲得輔助的幅度信息來解決的，同時(shí)需要入射信號和定向天線單元進(jìn)行合成。但如果是小口徑短基線的定向系統(tǒng)，就不必獲得額外的幅度信息了，但是在準(zhǔn)確性和工作寬帶方面會造成欠缺。短基線的定向系統(tǒng)要求天線系統(tǒng)能夠有效、高速地進(jìn)行切換，多信道接收機(jī)必須保持幅度和相位的一致性，并且?guī)в凶詣?dòng)增益控制，除此之外，具備高速的模擬和數(shù)字信號處理技術(shù)對定向是很有幫助的。

3.3 時(shí)間差法和陣列定向

所謂時(shí)間差法主要是通過對兩個(gè)或多個(gè)陣元的時(shí)間差的分析進(jìn)而對目標(biāo)的方位進(jìn)行估計(jì)的，目標(biāo)的方位可以看做是時(shí)間差的一個(gè)函數(shù)，但它具有精確度高的優(yōu)點(diǎn)，而且對時(shí)間測量要求具有較高的精確度。而陣列定向是一種傳統(tǒng)的定向方法，測量的精確度不高，不具備多信號定向的能力。正因?yàn)檫@種比較傳統(tǒng)的定向方法具有一定的缺陷才決定陣列定向難以有效發(fā)揮自身的作用。

4.無線電定向系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

所說的定向主要是對無線電波的特性參數(shù)進(jìn)行測量，以達(dá)到確定電波傳播方向的目的，最終確定輻射源所在的位置。系統(tǒng)中的接收模塊就好比是一個(gè)測向機(jī)，目的是完成定向功能。在實(shí)際中，應(yīng)用最多的比幅測向法是最大信號法和最小信號法。

4.1 最大信號法的應(yīng)用

它進(jìn)行測向所利用的天線具有強(qiáng)方向性的特征，無論是水平還是垂直方向，增益最大點(diǎn)存在于某個(gè)角度上，并且增益隨著來波方向?qū)嵌茸兓钠x程度出現(xiàn)逐漸下降的趨勢，所謂來波方向不同也就是指不同角度所接收到的信號幅度不同。

4.2 最小信號法的應(yīng)用

它是利用天線極坐標(biāo)圖進(jìn)行測向定位的，當(dāng)天線輸出最小值時(shí)，來波方向即為天線方向圖零點(diǎn)所指的方向，在測向的過程中，天線的位置會發(fā)生變化，對天線在不同位置的輸出信號的大小進(jìn)行比較分析，進(jìn)而找出輸出信號最小時(shí)天線所在的位置，這時(shí)波前法線與最小信號指向一致。

5.結(jié)論

無線電定向設(shè)計(jì)對整個(gè)系統(tǒng)在混合定位過程中起到非常重要的作用，在無線電定向設(shè)計(jì)中主要考慮的因素是簡單的流程和較低的成本，除此之外，定向設(shè)計(jì)的實(shí)際定向誤差也是需要考慮的因素之一，尤其是系統(tǒng)在鬧市發(fā)揮功能的時(shí)候，很容易產(chǎn)生誤差，近年，無線電定向在更廣闊的領(lǐng)域得到應(yīng)用，同時(shí)隨著科技的不斷進(jìn)步，定向設(shè)備日趨完善，并將發(fā)揮更大的作用。

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