一種非線陣雙基線干涉儀無線電監(jiān)測技術(shù)

唐 龍

（桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541001）

0 引言

隨著無線電通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無線電信號(hào)設(shè)備在國防、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生活中發(fā)揮著重要作用，也導(dǎo)致環(huán)境中電磁干擾信號(hào)源呈現(xiàn)出類型多樣、參數(shù)復(fù)雜的多態(tài)化特點(diǎn)，特別是運(yùn)動(dòng)靈活、體積小且不易被發(fā)現(xiàn)定位的非法無線電干擾源的使用，使無線電信號(hào)存在多徑反射、散射現(xiàn)象，給監(jiān)測工作帶來極大的困難，高效地監(jiān)測電磁環(huán)境是通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)前沿技術(shù)［1-2］。

無線電監(jiān)測主要功能是利用無線電技術(shù)對無線電信號(hào)輻射源進(jìn)行偵測、定位和分析，目的是為無線電偵察干擾和頻譜管理工作提供技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)［3］。無線電監(jiān)測設(shè)備需要滿足地方管理部門對電磁環(huán)境普查、應(yīng)急機(jī)動(dòng)監(jiān)測、無線電干擾以及“黑廣播”查處等工作要求，是保障國防建設(shè)、重大活動(dòng)舉行的關(guān)鍵性技術(shù)設(shè)備。推進(jìn)無線電監(jiān)測設(shè)備自主可控對國家安全極其重要［4］。

為了適應(yīng)瞬時(shí)360°全方位測向，通常采取四面陣干涉儀測向拼接、圓陣相關(guān)干涉儀測向或圓陣比幅比相測向方式［5-6］。因四面陣干涉儀測向通道數(shù)量多，圓陣相關(guān)干涉儀全向天線增益小，圓陣比幅比相測向精度低，一定程度上會(huì)增加設(shè)備體積、質(zhì)量、功耗和硬件成本，所以不利于設(shè)備小型化需求發(fā)展。針對上述問題，在簡單介紹硬件、軟件國產(chǎn)化替代選用原則的基礎(chǔ)上，提出一種基于定向天線子陣列的圓陣雙基線干涉儀測向方法，結(jié)合定向天線子陣列高增益特點(diǎn)、非線陣雙基線干涉儀測向技術(shù)和信息化設(shè)備安全自主可控要求，通過對定向天線子陣列優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)360°全方位高靈敏度和高精度測向，能夠降低設(shè)備體積、功耗和成本等。

1 國產(chǎn)化替代應(yīng)用破解裝備自主發(fā)展難題

網(wǎng)絡(luò)安全和信息化設(shè)備要求加快推進(jìn)國產(chǎn)自主可控替代計(jì)劃，構(gòu)建安全可控的信息技術(shù)體系。無線電監(jiān)測設(shè)備安全可控工作推進(jìn)相對滯后，對外依存度高，選用進(jìn)口設(shè)備存在有信息安全隱患、保障體系不受控制等問題；信息基礎(chǔ)設(shè)施安全自主可控程度低、核心元器件“卡脖子”和信息安全系統(tǒng)弱等問題影響國家信息安全，需要迫切推進(jìn)無線電監(jiān)測設(shè)備國產(chǎn)化替代工作，破解制約設(shè)備自主發(fā)展的“卡脖子”難題［7］。

1.1 硬件國產(chǎn)化替代選用原則

目前無線電監(jiān)測設(shè)備中部分關(guān)鍵電子元器件，特別是高端器件受限于半導(dǎo)體技術(shù)和工藝，國產(chǎn)元器件與國外存在較大差距，選用國產(chǎn)電子元器件可能會(huì)給設(shè)備研制生產(chǎn)帶來難度和風(fēng)險(xiǎn)［8］。選用電子元器件的主要原則是：

1）選用外購電子元器件應(yīng)符合有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先選用成熟、質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高和能持續(xù)供貨的標(biāo)準(zhǔn)電子元器件，不要選擇已經(jīng)被淘汰或停產(chǎn)的電子元器件。

2）嚴(yán)格限制電子元器件品種規(guī)格比，控制規(guī)格種類，提高同類型電子元器件通用性。

3）按照《合格供方管理程序》要求在經(jīng)批準(zhǔn)頒布的外購電子元器件合格供方名單中選擇生產(chǎn)商。嚴(yán)格把關(guān)電子元器件選用過程，確保所采購電子元器件質(zhì)量穩(wěn)定，供貨渠道可靠。

1.2 軟件國產(chǎn)化替代選用原則

在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，考慮系統(tǒng)整體的安全可控、性能穩(wěn)定，并考慮開發(fā)環(huán)境、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫要求選用國產(chǎn)自主可控的軟件解決方案［9］。

1）開發(fā)環(huán)境選用能夠跨平臺(tái)、開源的集成開發(fā)環(huán)境，可以滿足國產(chǎn)操作系統(tǒng)使用；

2）操作系統(tǒng)選用滿足自主可控要求的國產(chǎn)操作系統(tǒng)；

3）數(shù)據(jù)庫選用跨平臺(tái)、開源、性能穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)采用國產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)、Qt開發(fā)環(huán)境和MySQL數(shù)據(jù)庫的解決方案。麒麟系統(tǒng)是我國自主研制、安全等級(jí)最高、通過認(rèn)證許可的國產(chǎn)操作系統(tǒng)，具有開源、跨平臺(tái)、安全性高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到第四級(jí)結(jié)構(gòu)化保護(hù)級(jí)要求［10］。Qt集成開發(fā)環(huán)境是一款支持麒麟、Windows和Linux等不同操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，具有跨平臺(tái)、多API接口和開源特點(diǎn)，支持OpenGL和2D/3D圖形渲染。MySQL數(shù)據(jù)庫是一款體積小、性能穩(wěn)定、速度快且開源的數(shù)據(jù)庫。

2 基于定向天線的圓陣無線電測向技術(shù)原理

考慮到無線電監(jiān)測設(shè)備的高靈敏度和高精度監(jiān)測，通過對2單元正交偶極子天線進(jìn)行俯仰維波束合成的接收天線子陣列實(shí)現(xiàn)高靈敏度偵收，充分利用8個(gè)定向天線子陣列間相位關(guān)系來構(gòu)建相位矢量，采用比幅測向?qū)崿F(xiàn)粗測向，非線陣雙基線干涉儀實(shí)現(xiàn)精測向［11］。圓陣無線電監(jiān)測設(shè)備測向工作原理如圖1所示。

2.1 圓陣無線電監(jiān)測測向工作原理

假設(shè)M個(gè)定向天線陣元均勻分布在半徑為R的圓陣列上，建立直角坐標(biāo)系并以圓心O與圓陣第1天線陣元連線的延長線作為Y軸，θ為目標(biāo)方位角。

選取圓陣第m個(gè)天線陣元，對應(yīng)的直角坐標(biāo)系位置 為 (Rcos(2π(m-1)/M)，Rsin(2π(m-1)/M))，以圓心O作為目標(biāo)信號(hào)入射角參考點(diǎn)，陣元m接收到入射信號(hào)的時(shí)間延后于信號(hào)到達(dá)參考點(diǎn)O的時(shí)間［12］，則陣元m的接收信號(hào)模型可以表示為：

陣元m的相移為：

對應(yīng)圓陣列中，第m陣元與第n陣元之間相位差為：

圓陣的基線 長度dmn=2Rsin((m-n)π/M)，然后根據(jù)相位差與θ關(guān)系可得：

2.2 基于比幅測向的非線陣雙基線參差解模糊算法

當(dāng)基線長度大于λ/2時(shí)，相位差?m，n的測量值隨信號(hào)入射角θ變化超過2π，說明單基線干涉儀2個(gè)天線存在相位模糊，需要構(gòu)建非線陣雙基線的干涉儀天線陣列，非線陣雙基線比例滿足d1/d2=p/q（p，q互為質(zhì)數(shù)）關(guān)系［13］，考慮到定向天線的波束寬度和天線之間夾角，設(shè)備按照相鄰3個(gè)天線陣元進(jìn)行組合，擬將360°分成16個(gè)22.5°區(qū)域，先通過比幅粗測向進(jìn)行22.5°區(qū)域的選擇，然后按照最優(yōu)基線組合進(jìn)行非線陣雙基線干涉儀精測向，最后結(jié)合比幅測向結(jié)果和圓陣雙基線干涉儀測向結(jié)果，按照一定約束條件進(jìn)行測向結(jié)果可信度判斷，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)的高精度測向。

以天線陣元（8，1，2）構(gòu)建雙基線3天線非線陣天線陣列為例，可以得到對應(yīng)長基線和短基線相位差：

式中，d8，1=2Rsin(π/8)，d8，2=2Rsin(2π/8)。

根據(jù)基線d8，1、d8，2互質(zhì)特性，得到：

整理可得：

因?yàn)閨sinθ|≤ 1，所以對k8，1的搜索過程做進(jìn)一步的推導(dǎo)得：

當(dāng)k8，1在規(guī)定的取值范圍內(nèi)變化時(shí)，對應(yīng)所確定的k8，2值會(huì)同k8，1值一起變化。Δ?8，1和 Δ?8，2存在測量誤差，使得所確定的k8，2不能保證是整數(shù)；遍歷k8，1規(guī)定范圍內(nèi)的所有模糊數(shù)，當(dāng) Δ?8，1和 Δ?8，2很接近真實(shí)值時(shí)，取與k8，2最接近的整數(shù)k8，2，0作為模糊數(shù)k8，2估計(jì)值 ；與k8，2，0對 應(yīng) 的k8，1即 為k8，1，0，于 是 可 得 基 線 長 度d8，2的無模糊相位差：

進(jìn)一步計(jì)算可以得到入射角估計(jì)值：

3 無線電監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

德國R&S公司在我國進(jìn)口無線電監(jiān)測設(shè)備中占據(jù)主要地位，以8單元相關(guān)干涉儀體制的ADD170產(chǎn)品為例，其測向范圍為360°，測向精度優(yōu)于2°rms。國產(chǎn)化替代應(yīng)用無線電監(jiān)測設(shè)備按照小型化、通用化和模塊化設(shè)計(jì)原則，采用非線陣雙基線相位干涉儀測頻測向體制，實(shí)現(xiàn)對瞬時(shí)360°空域內(nèi)無線電信號(hào)進(jìn)行高精度測向，主要包括接收天線圓陣列、小型化無線電監(jiān)測接收機(jī)和無線電監(jiān)測管理終端軟件。

3.1 接收天線陣列

接收天線子陣列采用2單元正交偶極子（水平極化偶極子和垂直極化偶極子）天線實(shí)現(xiàn)，通過巴倫饋電達(dá)到阻抗匹配和平衡功能，對2個(gè)水平極化偶極子和2個(gè)垂直極化偶極子分別進(jìn)行俯仰維波束合成，實(shí)現(xiàn)接收天線高增益［14］。接收天線陣列由按照均勻圓陣方式放置的8個(gè)接收天線子陣列組成，天線子陣列兩兩之間間隔45°，完成瞬時(shí)360°空域內(nèi)無線電信號(hào)的偵收。接收天線子陣列示意圖如圖2所示。

圖2 接收天線子陣列示意圖

3.2 小型化無線電監(jiān)測接收機(jī)國產(chǎn)化替代應(yīng)用

小型化無線電監(jiān)測接收機(jī)主要包括微波前端、變頻模塊和無線電監(jiān)測處理電路。微波前端將8路接收天線射頻信號(hào)經(jīng)過有源濾波放大后送給變頻模塊進(jìn)行下變頻處理，通過單刀雙擲開關(guān)切換內(nèi)置校正源實(shí)現(xiàn)設(shè)備幅相一致性校正。變頻模塊實(shí)現(xiàn)下變頻輸出8路中頻信號(hào)到無線電監(jiān)測處理電路。無線電監(jiān)測處理電路完成中頻信號(hào)的采集及脈沖參數(shù)測量，完成比幅粗測向和非線陣雙基線干涉儀精測向，形成信號(hào)流數(shù)據(jù)送給無線電監(jiān)測管理終端軟件進(jìn)行信號(hào)處理。無線電監(jiān)測接收機(jī)組成框圖如圖3所示。

無線電監(jiān)測設(shè)備使用的射頻微波類、接口類、電源類和電纜類等元器件基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化；使用的進(jìn)口電子元器件主要是FPGA、DSP、ADC、存儲(chǔ)器類芯片等。近年來公司在核心技術(shù)使用部件、器件等國產(chǎn)化方面開展大量工作，經(jīng)過原位替換或功能替代方式，已經(jīng)在多個(gè)項(xiàng)目中做了國產(chǎn)化應(yīng)用驗(yàn)證，性能與國外器件相當(dāng)，能達(dá)到自主可控要求。國產(chǎn)化無線電監(jiān)測處理電路實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 國產(chǎn)化無線電監(jiān)測處理電路實(shí)物圖

3.3 無線電監(jiān)測管理終端軟件國產(chǎn)化替代應(yīng)用

無線電監(jiān)測管理終端軟件主要用于設(shè)備狀態(tài)顯示、監(jiān)測測向控制參數(shù)設(shè)置下發(fā)、無線電信號(hào)分選識(shí)別顯示和采集存儲(chǔ)，可以對信號(hào)流數(shù)據(jù)和中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行脈間分析和脈內(nèi)分析、系統(tǒng)資源配置、數(shù)據(jù)管理，可以表格和圖形顯示監(jiān)測結(jié)果。

國產(chǎn)麒麟操作系統(tǒng)、Qt開發(fā)環(huán)境和MySQL數(shù)據(jù)庫的國產(chǎn)自主可控軟件解決方案已在多個(gè)型號(hào)項(xiàng)目上應(yīng)用，并通過第三方軟件測評(píng)、用戶驗(yàn)收、產(chǎn)品交付，應(yīng)用表明方案技術(shù)成熟，開發(fā)的軟件系統(tǒng)性能穩(wěn)定、安全可靠、跨平臺(tái)性好。

4 仿真分析

4.1 測向誤差分析

無線電監(jiān)測設(shè)備按照8個(gè)接收天線子陣列均勻圓陣放置，通過比幅測向與非線陣雙基線干涉儀測向相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)360°瞬時(shí)測向。無線電監(jiān)測設(shè)備測向誤差主要由長基線長度決定，干涉儀測向誤差計(jì)算公式為：

式中，λ表示信號(hào)波長；d表示基線長度；θ表示信號(hào)入射角；?φ表示測量相位誤差；?λ/λ表示信號(hào)頻率準(zhǔn)確度。

干涉儀測向誤差主要與基線長度d和測量相位誤差Δφ相關(guān)，在基線長度確定的情況下，通常只考慮相位誤差影響。測量相位誤差由噪聲誤差、ADC量化誤差、天線相位一致性和接收機(jī)通道失衡誤差組成。通過實(shí)測天線不同基線相位差數(shù)據(jù)，經(jīng)過分區(qū)間校正補(bǔ)償后，天線相位一致性可以控制在5°以內(nèi)，不同基線相位差校正補(bǔ)償效果如圖5所示。

圖5 不同基線相位差校正補(bǔ)償效果

在實(shí)際工程中，通常控制噪聲誤差小于4°，量化誤差小于1°；校準(zhǔn)后天線相位一致性控制小于8°，失衡誤差控制小于5°，則設(shè)備最大相位誤差是：

考慮一定工程設(shè)計(jì)余量，無線電監(jiān)測設(shè)備經(jīng)過相位校正后，按照最大相位誤差小于12°進(jìn)行仿真計(jì)算。

4.2 仿真結(jié)果

無線電監(jiān)測設(shè)備采用基于比幅測向的非線陣雙基線干涉儀測向體制，根據(jù)干涉儀雙基線長度進(jìn)行Matlab仿真驗(yàn)證，設(shè)置信噪比12 dB，測向范圍360°，角度步進(jìn)5°，最大測量相位誤差12°，進(jìn)行500次Mon?teCarlo試驗(yàn)來驗(yàn)證測向精度，仿真結(jié)果最大測向均方誤差值0.89°，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。測向誤差仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 測向誤差仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

無線電磁頻譜資源是關(guān)系國家安全的核心重要數(shù)據(jù)。針對電磁信號(hào)環(huán)境復(fù)雜和應(yīng)用場景多樣的難點(diǎn)，及電磁干擾信號(hào)源呈現(xiàn)多態(tài)化的特點(diǎn)，利用正交偶極子天線俯仰維波束合成技術(shù)、非線陣雙基線干涉儀測向技術(shù)和多層級(jí)信號(hào)處理技術(shù)等最新研究成果，依仗已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)等行業(yè)基礎(chǔ)，在保證設(shè)備可靠性、性能指標(biāo)相當(dāng)?shù)那闆r下，設(shè)計(jì)一種基于國產(chǎn)化非線陣雙基線干涉儀的無線電監(jiān)測設(shè)備。通過對均勻圓陣方式放置的8個(gè)定向接收天線子陣列優(yōu)化組合，可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)360°全方位高靈敏度和高精度測向，提升設(shè)備國產(chǎn)化替代應(yīng)用程度，促進(jìn)設(shè)備自主可控和安全可靠發(fā)展，后續(xù)無線電監(jiān)測技術(shù)可以融合人工智能算法，實(shí)現(xiàn)基于無人機(jī)群的分布式無線電監(jiān)測定位技術(shù)。