肖長寧

（湖南省益陽市無線電監(jiān)測站，湖南 益陽 413000）

1 空間譜估計(jì)測向技術(shù)的特點(diǎn)和理論基礎(chǔ)

與傳統(tǒng)測向方法相比，現(xiàn)代的空間譜估計(jì)測向具有以下突出特點(diǎn)：（1）多個(gè)同頻信號(hào)的測向能力。（2）相對于傳統(tǒng)測向，其分辨力較高；（3）與相關(guān)干測向法比較其測向精度高；（4）與多普勒測向體制比較，空間譜估計(jì)測向的測向靈敏度也較好。

1979年美國人R.O.Schmidt提出著名的MUSIC（Multiple Signal Classification多信號(hào)分類）算法，是空間譜估計(jì)方法和理論的重要基石。MUSIAC算法是基于以下的假設(shè)，建立陣列信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。（1）輻射源位于遠(yuǎn)場，即接收機(jī)的接收天線陣列的尺寸遠(yuǎn)小于距離，感應(yīng)的為平面波，且輻射源各向同性的點(diǎn)源，是窄帶信號(hào)，相對于信號(hào)的載頻而言，信號(hào)包絡(luò)的帶寬很窄（包絡(luò)慢變），這樣信號(hào)對接收陣元的影響，僅有由其到達(dá)各陣元之間的波程差而引起的相位差異。（2）接收天線陣列按特定的形式排列，信號(hào)接收的特性僅與其位置有關(guān)，而與其尺寸無關(guān)，各陣元的空間位置是已知的，切各陣元的增益均相等，相互之間的無互耦。（3）接收機(jī)接收的外界噪聲，假設(shè)為加性高斯白噪聲，接收機(jī)內(nèi)部在各陣元上的噪聲相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，且噪聲與信號(hào)是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，也就是不相關(guān)的。

窄帶遠(yuǎn)場信號(hào)的DOA數(shù)學(xué)模型為

陣列矩陣的協(xié)方差矩陣為

由于信號(hào)和噪聲是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，不具有相關(guān)性，因此，數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣可以分解出為信號(hào)和噪聲兩個(gè)部分，為信號(hào)部分。

對R進(jìn)行特征分解，有

由于理想條件下信號(hào)與噪聲是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，且沒有相關(guān)性，因而信號(hào)子空間與噪聲子空間在理論上是相互正交，且信號(hào)子空間中的導(dǎo)向矢量也與噪聲子空間相互正交。

基于該性質(zhì)，可以得到經(jīng)典的MUSIC算法。一般而言，所有接收機(jī)的實(shí)際接收數(shù)據(jù)矩陣是有限的，因此數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的最大似然估計(jì)為

所以，MUSIC算法的譜估計(jì)公式可以寫為：

MUSIC的算法步驟可以概括為：

（1）由陣列接收機(jī)的接收數(shù)據(jù)得到數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣；（2）對數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解；（3）由數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的特征值進(jìn)行輻射信號(hào)源數(shù)判斷；（4）確定接收的信號(hào)子空間和噪聲子空間；（5）根據(jù)接收信號(hào)參數(shù)范圍進(jìn)行譜峰搜索；（6）找出極大值點(diǎn)對應(yīng)的角度就是信號(hào)入射方向。

MUSIC算法是空間譜的算法的一種，也是研究得較多的一種算法，并在發(fā)展過程中，MUSIC算法也演變出了多種算法。

2 空間譜估計(jì)測向設(shè)備的組成實(shí)例

DM9250S九通道空間譜測向系統(tǒng)是以北京德辰科技股份有限公司研制的DF1301A九通道寬帶接收機(jī)為基礎(chǔ)，集合DA9231A雙極化測向天線、DA2551F垂直極化測向天線所組成，該系統(tǒng)采用先進(jìn)的空間譜/相關(guān)干涉儀測向體制，可在多徑干擾和雜散輻射干擾等復(fù)雜電磁環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對20MHz～8000MHz頻段內(nèi)多個(gè)同頻信號(hào)的快速監(jiān)測與高精度測向。

空間譜估計(jì)測向設(shè)備主要分為20MHz-3000MHz九通道全頻段雙極化測向天線、3GHz-8GHz九通道垂直極化測向天線及九通道寬帶測向接收機(jī)三部分構(gòu)成，其算法是基于改進(jìn)的MUSIC算法。

（1）九通道寬帶測向接收機(jī)

九通道的寬帶搜索測向接收機(jī)采用PCIEx4總線平臺(tái)，主要由PCIE主板、數(shù)據(jù)交換板、底板、電源、監(jiān)測測向處理模塊和測向通道組成。測向通道包括9路測向信道、自校源及參考源組成。超短波監(jiān)測測向接收機(jī)采用獨(dú)立的測向通路，測向通路采用9信道接收體制，中頻輸出帶寬為20MHz或500kHz，瞬時(shí)測向帶寬最寬可達(dá)20MHz。

測向通道技術(shù)指標(biāo)：

頻率范圍：20MHz-3000MHz

調(diào)諧分辨率：5kHz

中頻帶寬：20MHz

頻率準(zhǔn)確度：≤±1×10-7

中頻相位噪聲：≤-105dBc/Hz@10kHz

三階互調(diào)截點(diǎn)：≥20dBm（低失真模式）

二階互調(diào)截點(diǎn)：≥60dBm（低失真模式）

中頻干擾抑制比：≥105dB

鏡頻干擾抑制比：≥105dB

噪聲系數(shù)：≤12dB（低噪聲模式）

測向通路工作原理：

測向開關(guān)陣輸出的9路射頻信號(hào)進(jìn)入9路測向信道，信道采用三次變頻方案完成對信號(hào)的濾波、放大和變頻，輸出以76.8MHz/70MHz為中心，帶寬為20MHz或200kHz的中頻信號(hào)。信道單元輸出的9路中頻信號(hào)進(jìn)入測向處理模塊，進(jìn)行A/D采樣、數(shù)字下變頻和FFT處理等相關(guān)處理后，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的測向。測向通路可在瞬時(shí)帶寬內(nèi)完成頻譜監(jiān)視、測向、參數(shù)測量和解調(diào)等任務(wù)的并發(fā)處理。

分機(jī)中各個(gè)部件均采用PCIEx4總線接口，主板通過PCIEx4總線完成對各個(gè)部件的控制及數(shù)據(jù)傳輸，并通過網(wǎng)口完成和席位計(jì)算機(jī)的通信功能。

采用型號(hào)為DF1301A九通道測向主機(jī)，該設(shè)備配備9個(gè)測向接收機(jī)模塊，測向接收機(jī)采用超外差數(shù)字接收機(jī)體制，主要完成信號(hào)的濾波、放大和變頻，然后將中頻信號(hào)送至信號(hào)處理器，最終完成信號(hào)測向。

信號(hào)處理器性能指標(biāo)：

通道數(shù)：9

ADC量化位數(shù)：不低于14位

中心頻率：76.8MHz/70MHz

信號(hào)幅度：±2Vpp

采樣率：102.4MHz（外時(shí)鐘）

濾波范圍：100Hz-20MHz

通道隔離度：≥80dB；

基帶信號(hào)動(dòng)態(tài)：≥80dB；

總線規(guī)范：PCIE×4（V2.0）

（2）九通道全頻段雙極化測向天線

測向天線為固定站使用，極化方式包含垂直極化和水平極化。垂直極化頻段分別為20MHz～200MHz、200MHz～1000MHz、1000MHz～3000MHz三段，水平極化頻段為40MHz～1300MHz水平極化天線陣。每層測向天線陣均采用9陣元偶極子天線，呈均勻圓陣分布，安裝在固定站天線鐵塔上。天線頂端安裝避雷針。

該天線采用九陣元均勻圓陣，空間分為四層，從下至上空間分層結(jié)構(gòu)為：

第一層：工作頻段為20MHz～200MHz，垂直極化，孔徑為3米，天線單元形式為對稱偶極子；第二層：工作頻段為200MHz～1000MHz，垂直極化，孔徑為0.95米，天線單元形式為對稱偶極子；第三層：工作頻段為40MHz～1300MHz，水平極化，孔徑為0.8米，天線單元形式為交叉環(huán)天線；第四層：工作頻段為1000MHz～3000MHz，垂直極化，孔徑為0.25米，天線單元形式為對稱偶極子。

DA9231F性能指標(biāo)：

通道幅度誤差：＜3dB

通道相位誤差：＜3°

通道隔離度：＞40dB

插入損耗：20MHz-200MHz＜6dB；200MHz-3GHz＜10dB

3 空間譜估計(jì)測向?qū)嶋H使用幾個(gè)問題

空間譜估計(jì)測向是建立在嚴(yán)格的信號(hào)模型和復(fù)雜的譜估計(jì)理論上的一種技術(shù)，從理論上和實(shí)際使用中，這種技術(shù)具有高精度、高分辨率和抗多徑干擾等優(yōu)異性能，在無線電測向應(yīng)用中具有廣闊的前景。與目前應(yīng)用較廣的相關(guān)干涉儀相比較：采用相關(guān)干涉儀測向技術(shù)，目標(biāo)信號(hào)必須滿足5dB以上的信噪比，如果要滿足一定精度的要求，信噪比必須達(dá)到10dB以上，而空間譜測向目標(biāo)信號(hào)，只需滿足-5dB即可完成相同精度的測向；采用空間譜估計(jì)測向技術(shù)可對同頻某個(gè)方向的信號(hào)進(jìn)行零陷，等效增強(qiáng)其他方向的信號(hào)，從而達(dá)到提高信噪比（約40dB）的效果，而采用相關(guān)干涉儀測向技術(shù)是不能實(shí)現(xiàn)這樣的功能的。

雖然空間譜估計(jì)測向體制從理論擁有技術(shù)優(yōu)越性，從算法實(shí)現(xiàn)的過程來看，空間譜估計(jì)測向的實(shí)際效果還取決于：陣元數(shù)的多少、陣元間距點(diǎn)的大小、快拍數(shù)的大小和信噪比的大小。從整套設(shè)備來看還與陣元之間的耦合、接收機(jī)的一致性有較大的關(guān)系。從使用的空間譜站實(shí)際使用來看，還存在值得改進(jìn)的地方很多。

4 結(jié)束語

從DM9250S九通道空間譜測向系統(tǒng)實(shí)際使用的情況來看，空間譜估計(jì)測向技術(shù)雖然有許多優(yōu)勢，還有不盡人意的地方，需要進(jìn)行改進(jìn)。