第7章-测向原理-课件.ppt
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1、第7章测向原理 第7章测向原理 7.1测向原理概述测向原理概述 7.2最小信号法测向最小信号法测向 7.3最大信号法测向最大信号法测向 7.4振幅比较法测向振幅比较法测向 7.5相位法测向相位法测向 *7.6空间谱估计测向空间谱估计测向 第7章测向原理 7.1测向原理概述测向原理概述无线电测向就是利用无线电定向测量设备测定目标无线电信号的来波方位。图7-1是一个典型的无线电测向空间坐标系(X,Y,Z),坐标原点O为测向天线所在的位置,XOY坐标平面为方位角平面,ZOY和ZOX平面为垂直入射角平面即仰角平面,与到达方向相关的到达角即方位角是与Y轴的夹角q,仰角是与XOY面的夹角g。第7章测向原理
2、 图 7-1无线电测向空间坐标系第7章测向原理 电磁波到达角的方位信息可以由电场强度矢量E和磁场强度矢量H的方向及电磁波的传播方向P(波前)给定,分析测向原理时我们假设入射到无线电测向天线的电磁场呈现线性极化的远场平面波结构,但是在实际应用中,入射电磁场往往由于不均匀媒质(电离层、地表层等)的传播效应而引起多径、散射、去极化等现象,从而使得来波成为有波前相位失真的非平面波。如果能够测得目标来波到达方向的三维空间数据,则称之为双坐标无线电测向,在对地面或水面目标辐射源的测向中一般只需要提供平面上的到达方位角信息,无线电测向场合大多采用只提供到达方位角信息的单坐标无线电测向设备。第7章测向原理 为
3、了实现对目标辐射源来波方位的测量,所有的测向设备从测量技术的本质上来说,都是利用天线输出信号在振幅或相位上反映出来的与目标来波方位有关的特性来进行测量,较现代化的测向技术则是同时利用其振幅和相位特性进行测量。因此,从获取方位信息的原理上看,无线电测向技术可以分为两大类:(1) 利用测向天线输出感应电压的幅度来进行测向的“振幅法测向”;(2) 通过测量电磁波波前到达两副或多副天线的时间差或相位差来进行测向的“相位法测向”。第7章测向原理 7.1.1振幅法测向振幅法测向振幅法测向是根据测向天线上感应的电压幅度具有确定的方向特性,当天线旋转或等效旋转时,其输出电压幅度按极坐标方向图而变化这一原理来进
4、行测向,因而振幅法测向又被称为极坐标方向图测向。振幅法测向还可以进一步分为三类:最小信号法测向、最大信号法测向和比幅法测向。第7章测向原理 1. 最小信号法测向最小信号法测向最小信号法测向又称为小音点测向或“消音点”测向,它要求测向天线的极坐标方向图具有一个或多个零接收点,例如前面介绍的具有“8”字形方向图的环天线、艾德考克天线等。测向时旋转天线,当测向机输出的信号为最小值或听觉上为小音点(“消音点”) 时,说明天线极坐标方向图的零接收点对准了来波方位,根据此时天线的转角就可以确定目标信号的来波方位值,如图7-2所示。由于在极坐标方向图的零接收点附近天线输出信号的强度变化急剧,天线旋转很小的角
5、度就能引起信号的幅度发生很大的变化,因而其测向精度相对最大信号法测向来说要高得多,但是在信号的最小值点及其附近,信噪比的降低也将引起测向精度的稍微降低。第7章测向原理 图 7-2最小信号法测向示意图第7章测向原理 2. 最大信号法测向最大信号法测向最大信号法测向要求天线具有尖锐的方向特性,测向时旋转天线,当测向机的输出端出现最大信号值时,说明天线极坐标方向图主瓣的径向中心轴指向来波方位,根据此时天线主瓣的指向就可以确定目标信号的来波方位值,如图7-3所示。由于示向度值是在天线接收信号为最大值时获取的,因而它具有对微弱信号的测向能力,但测向精度较低是它的主要缺点。因为天线极坐标方向图在最大值附近
6、变化缓慢,所以只有当天线旋转较大的角度(半功率点波束宽度的1025)时才能测出其输出电压的明显变化。第7章测向原理 图 7-3最大信号法测向示意图第7章测向原理 3. 比幅法测向比幅法测向比幅法测向是利用来波信号在两副结构和电气性能相同的天线上感应电压的幅度之比即两个极坐标方向图的交叠点特性来完成测向任务的。如果测向天线采用锐方向性天线,则比幅法测向就是通过比较两副天线输出的信号是否相等来进行测向的,因此又称之为等信号法测向,如图7-4(a)所示。 如果此时天线有稍微的旋转,则两副天线输出的电压幅度就会有很大的差别,因而它与最小信号法测向一样有很高的测向精度,且由于是利用极坐标方向图的主瓣进行
7、测向,所以也有比较高的测向接收灵敏度。图7-4(b)是采用“8”字形方向特性的天线实施比幅法测向的示意图,它要计算两副天线输出电压的比值才能完成测向任务,例如将两副天线正交配置第7章测向原理 在NS和EW方位,则输出电压分别正比于cosq和sinq,其比值EEW/ENS=sinq /cosq =tanq ,因此根据其比值就可以确定来波方位值q。图 7-4比幅法测向示意图第7章测向原理 7.1.2相位法测向相位法测向相位法测向是通过测量电波到达测向天线体系中各天线元上感应电压之间的相位差来进行测向。电波在各天线元上所感应的电压幅度相同,但由于各天线元配置的位置不同,因而电波传播的路径不同,引起传
8、播时间的不同,最后形成感应电压之间的相位差。以地波为例,如图7-5所示,电波到达天线元A和B存在波程差r=d sinq, 由此引起的相位差j=(2p/l)d sinq,当p/2qp/2时,j是q的单值函数,因而通过对j的测量就可以确定目标信号的来波方位值q。在实际应用的测向方法中,干涉仪测向、多普勒法测向和时差法测向都属于相位法测向的范畴。第7章测向原理 图 7-5相位法测向示意图第7章测向原理 7.1.3人工、半自动和全自动测向人工、半自动和全自动测向人工、半自动和全自动测向是根据测向设备的自动化程度来划分的,实际上是对其工作方式的一种描述,它在某种程度上反映了测向设备的质量指标和技术先进性
9、。人工测向是早期测向设备比较普遍的工作方式,测向时操作员需要承担对测向信道接收机的各种工作状态调整、搜索目标信号、转动测向天线和操作其他辅助设备等工作任务,并通过人耳听辨或早期的视觉模拟显示来确定目标信号来波方位与测向天线所处方向两者之间的关系,进而测定来波的示向度值并确定其置信度。第7章测向原理 近期的测向设备普遍地采用半自动测向工作方式,测向过程中有些工作如旋转天线、测向信道接收机工作状态的调整、信道的预置、方位测定过程中的大部分辅助工作及示向度数据获取与处理工作都是自动完成的。随着现代数字信号处理技术和计算机技术的发展与普及应用,测向设备自动完成的工作越来越多,设备的自动化程度越来越高。
10、但是在某些复杂环境下,如信号非常密集、存在较强的干扰、信号结构非常复杂或信号质量非常差等,测向设备工作状态的设置与控制过程、示向度数据读取过程、示向度数据可信度评估过程及示向度数据的某些处理过程仍然需要操作员人工辅助来完成。第7章测向原理 全自动测向是现代一些最先进测向设备所采取的工作方式。全自动测向意味着测向站可以远距离遥控工作或无人值守工作,整个测向过程全自动完成。由于实际电磁信号环境的密集复杂性,全自动测向过程中有某些过程如存在邻台干扰条件下的目标选择、信号质量比较差的情况下对测向结果数据的处理及其质量评估等,通常还是需要操作员的适当人工干预,否则会影响结果数据的可信度。第7章测向原理
11、7.1.4宽孔径与窄孔径测向宽孔径与窄孔径测向在理想情况下,辐射源远场区的波前等相位线是平行线,然而实际辐射源发射的电波,其波前沿着传播途径会不断受到各种干扰,因而到达测向天线的等相位线就不再是理想的直线,而是弯曲的结构,如图7-6所示。由于测向过程是以相邻天线元等效等相位线的法线方向来确定来波方向的,因此在波前被干扰的情况下,显然宽孔径天线所产生的误差小于窄孔径天线。对于宽孔径与窄孔径的划分,通常以最低工作频率对应的波长来衡量,如果d/l1,则称之为宽孔径,否则就称之为窄孔径。第7章测向原理 图 7-6有波前扰动情况下宽孔径与窄孔径的比较第7章测向原理 宽孔径测向尽管能够对测向精度带来显著的
12、改善,但是也带来了天线设备庞大、结构复杂及其他一系列工程实现上的问题,一般只适应固定站的使用场合。窄孔径测向由于其天线结构简单,机动灵活,带来了工程实现上和战术应用上的优势,因而在无线电战术测向中被普遍采用。随着新体制、新技术在无线电测向领域的应用与发展,以及人们对波前弯曲引起的窄孔径测向误差的逐步深入研究,窄孔径无线电测向技术的发展将从新的层次和高度得到促进。由于无线电监测领域主要以窄孔径测向体制为主,因而本章所讨论的内容也是以窄孔径测向技术为主,只用较少的篇幅来介绍宽孔径测向技术。第7章测向原理 7.2最小信号法测向最小信号法测向最小信号法测向是根据测向天线极坐标方向图的零接收点来确定目标
13、信号来波方位的一种测向方法。早期的测向设备是通过人耳听辨测向信道接收机输出信号的音量大小来判定天线极坐标方向图的零接收点是否对准了来波方位,当天线极坐标方向图的零接收点对准来波方位时,天线感应电压理论上为零,测向信道接收机输出信号的幅度为零,耳机中没有声音发出(“消音”)。 根据这一原理,最小信号法测向通常又被称为小音点测向或听觉小音点测向。最早的小音点测向是采用纯“听觉”判定的工作方式,后来逐步发展到采用“视”、“听”结合的工作方式。现代的小音点测向设备则具有较高的自动化程度,示向度数据的获取与处理都实现了数字第7章测向原理 化,并具有极坐标方向图、统计直方图等多种显示输出方式,但为了应付某
14、些特殊的应用场合,“听觉”方式一般仍然保留着。最小信号法测向通常使用具有“8”字形方向特性的天线,如单环天线、间隔双环天线、艾德考克天线、角度计天线等,典型的人工听觉小音点测向和自动视觉小音点测向原理框图如图7-7(a)、(b)所示。第7章测向原理 图 7-7人工听觉小音点测向原理框图第7章测向原理 7.2.1听觉小音点测向听觉小音点测向听觉小音点测向设备根据其所采用的天线结构形式不同可分为三类:单环天线体制的听觉小音点测向机、间隔双环天线体制的听觉小音点测向机和角度计天线体制的听觉小音点测向机。在近距离测向场合下,通常采用单环加中央垂直天线这种复合结构的听觉小音点测向机,如图7-8所示。这种
15、测向机的环天线可以手动绕中心轴线自由旋转,在环天线的旋转过程中,方位读盘的指针与之同轴旋转,当环天线平面的法线方向处于正北方位时,方位读盘的指针指在0位置,若测向信道接收机的工作频率和工作状态(通带选择、解调方式AGC控制方式及天线衰减等)已设置好,则只要环天线平第7章测向原理 面的法线方向没有对准来波方位,天线输出信号的幅度就不为零,通过测向信道接收机后输出到监听耳机的音频信号就有一定的幅度,耳机中也就有音响发出。旋转环天线,其接收信号的幅度随环平面法线方向与目标信号来波方位q之差按正弦规律sin(q f)而变化,测向信道接收机输出到监听耳机的音频信号幅度或耳机中发音的强度也按sin(q f
16、)的规律而变化。显然,当耳机中发出的声音为最小或耳机中听不到对应目标信号的声音时,说明环天线平面的法线方向对准了目标信号的来波方位线(示向度),即q f0或qf0+p,与环天线同轴旋转的方位盘指针指示了目标信号的来波方位值。第7章测向原理 图 7-8环天线加中央垂直天线体制小音点测向机原理框图第7章测向原理 目标信号的来波方位线测定以后,需要进一步确定q=f0还是q =f0+p,此时只需将开关S闭合。设中央垂直天线与环天线一起形成的复合天线方向函数为f(f)=1+sin(q f),在q =f0或q =f0+p的基础上顺时针旋转环天线90。如果q =0,则f(f0+90)=0,对应于心脏形方向图
17、的小音点;如果q =f0 +p,则f(f0+90)=2,对应于心脏形方向图的大音点。反过来说,如果顺时针旋转环天线90后耳机中听到的是小音点,则说明q =f0;如果耳机中听到的是大音点,则说明q =f0+p。第7章测向原理 在中远距离测向场合下,可以采用间隔双环天线体制的听觉小音点测向机,如图7-9所示。为了提高测向接收的灵敏度,双环天线接收的电压先经过前置放大后再送到测向信道接收机,最后由耳机监听信道接收机输出音频信号幅度的大小,由此判断来波方位相对天线平面法线方向之间的交角。第7章测向原理 图 7-9间隔双环天线听觉小音点测向机原理框图第7章测向原理 当间隔双环天线轴线的法线方向指向“正北
18、”方位时,对应方位读盘的指针指示零度,旋转双环天线,方位读盘的指针与之同轴旋转,当双环轴线的法线方向旋转到指向目标信号的来波方位时,不管是地波还是天波,天线输送到测向信道接收机的电压都是零,因此监听耳机中不会有声音发出,此时方位盘指针所指示的读数就是目标信号的来波方位线。但反过来说,当天线旋转到监听耳机中没有声音发出或者发出的声音为最小时,此时方位读盘指针所指示的数是否就是来波方位线呢?显然不能如此下结论,因为当来波信号为地波传播方式时,间隔双环天线的方向特性中有四个与来波方位有确定关系的小音点,也就是说,对于近距离地波信号,当双环天线旋转到使得其轴线的法线方向对准来波方位时,第7章测向原理
19、对应于天线接收方向特性的零值点,此时,方位盘指针所指示的读数对应于来波方位线;当双环天线旋转到使得其轴线方向对准来波方位时,也对应于天线接收方向特性的零值点,此时监听耳机也没有声音发出,但方位盘指针所指示的读数却与来波方位线正交。当来波信号为天波传播方式时,间隔双环天线的方向特性中一般只有两个零值小音点即来波方位线,同时还会有两个与来波方位无确定关系的非零值小音点或零值小音点。换言之,当双环天线旋转到使得其轴线的法线方向对准来波方位时,对应于天线接收方向特性的零值点,此时监听耳机中没有声音发出,方位盘指针所指示的读数就是来波方位线。在除此之外的其他所有方位,天线方向特性可能会存在两个局部最小接
20、收点,但一般不会有零值第7章测向原理 接收点,即监听耳机中总会有声音发出,即使天线的正常极化接收分量与水平极化接收分量满足某种特例使得还有一对零值接收点出现,其对应的两对极大值接收点也不平衡,可以较容易地区分开来,如图7-10所示。由此可见,间隔双环天线体制的听觉小音点测向机在测向过程中,如果仅仅根据监听耳机中无声音发出时对应方位盘指针所指示的读数来确定来波方位线,则对远距离天波信号测向时是正确的,但是对近距离地波信号测向时就会出现来波方位线判断的模糊现象。为了辨明这种模糊现象,并消除它的有害影响,下面对地波传播条件下间隔双环天线接收方向特性中两对零值接收点形成的原因进行简单的分析。第7章测向
21、原理 图 7-10接收天波信号时可能出现的特例第7章测向原理 (1) 在共轴间隔双环天线的中心轴线方向,对应于单环天线平面的法线方向,单环天线对地波的接收为零,对天波的接收不为零但双环之间的波程差也不为零,因此双环天线对地波的接收为零,对天波的接收不为零。由于这对零值接收点仅仅存在于地波信号,对天波信号就不存在,它又被称为“虚假”小音点,此时方位读盘指针所指示的数值不能作为来波方位线的测量值。(2) 在共轴间隔双环天线中心轴线的法线方向,对应于单环天线的平面方向,尽管单环天线无论对天波还是地波都有最大接收,但双环之间的波程差为零,因此双环最终的输出总是为零。由于这对零值接收点无论在什么条件下都
22、存在,它又被称为“真实”小音点,此时方位读盘指针所指示的数值就是来波方位线的测量值。第7章测向原理 “虚假”小音点是由单环天线的“零接收”而形成的,“真实”小音点是由双环之间的“零波程差”而形成的,测向时要寻找“真实”小音点位置,剔除“虚假”小音点所带来的模糊影响,只需将双环天线之间原来的“取差”输出变换成“取和”输出,显然此时“虚假”小音点的“零接收”将依然存在,而“真实”小音点的“零接收”将变成“最大接收”,由此就可以辨明真实与虚假小音点,如图7-11所示。第7章测向原理 图 7-11接收地波信号取“和”后的输出特性第7章测向原理 上述两种听觉小音点测向机都需要旋转天线,这样就带来了天线的
23、机械旋转和时效性问题,为此出现了采用角度计天线的听觉小音点测向机结构,如图7-12所示。图 7-12采用角度计天线的听觉小音点测向机原理框图第7章测向原理 7.2.2自动小音点测向自动小音点测向听觉小音点测向存在时效性差和测向精度低两大问题,但是它也具有设备结构简单、人耳听觉具有非常好的模糊选择性等优点,尤其是能够在密集复杂的信号环境中准确选择目标信号进行测向,这在其他体制的测向设备中难以保证。因此说,听觉小音点测向具有非常严重的缺陷,也具有非常显著的优势,如何克服其缺陷而保留其优势,一直是无线电测向领域致力解决的难题。第7章测向原理 现代微电机、微型计算机、专用数字信号处理器及信号处理理论与
24、工程技术的发展,为最小信号法测向由听觉判断来波方位向自动(视觉)获取方位数据的转变、由人工操作的工作方式向自动控制的工作方式转变奠定了必要的基础。近期研制的小音点测向机都是所谓的“自动小音点测向机”或“自动视觉小音点测向机”,实现了结构小型化、操作控制自动化及处理与显示数字化。典型的自动小音点测向机原理框图如图7-13所示。第7章测向原理 图 7-13典型自动小音点测向机原理框图第7章测向原理 在主处理机的控制下,由天线步进信号发生器产生一个控制天线周期性步进旋转的信号,并通过天线旋转伺服单元驱动定向天线的步进旋转,天线旋转伺服单元通常是一个可控的驱动电机或马达,天线在各个时刻对应的步进偏角由
25、角度编码单元实时地反馈到主处理机单元,在那里将采样信号时域波形的时间轴与平面360方位对应起来。定向天线接收的信号通过测向信道接收机的变换与处理,输出一路中频信号到A/D。A/D单元以Ts的采样周期(或fs的采样频率)将中频信号变换成数字信号,送到主处理机单元分析处理。主处理机单元的“小音点”分析模块一般采用时域处理的方法,分析确定天线一个旋转周期里采样信号时域波形的最小幅值点,它对应于来波信号的方位测量值。目前的测向设备中一第7章测向原理 般都配有人工和自动两种工作方式。人工方式是由操作员观察分析并通过移动光标测量采样信号时域波形中最小幅值所处的位置;自动方式则采用如平滑滤波、拟合估计等算法
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