馬爾卓　夏靖坤

摘要：在無(wú)線電測(cè)向運(yùn)動(dòng)中，傳統(tǒng)的測(cè)向機(jī)是靠人耳來(lái)分辨信號(hào)源的方位。對(duì)于2 m波段測(cè)向機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)受到噪聲影響時(shí)會(huì)導(dǎo)致主瓣和后瓣難以分清，從而影響測(cè)向的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，文章提出一種最大幅度匹配算法。原理是先使用嵌入式的加速度傳感器（MEMS）保持天線的水平，然后在保證天線陣元數(shù)目相同的情況下，通過(guò)將實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)和理想的天線方向圖在對(duì)應(yīng)位置的抽樣點(diǎn)進(jìn)行互相關(guān)匹配，得到互相關(guān)曲線，從而判斷出信號(hào)源的方位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最大幅度匹配算法能有效的替代人耳來(lái)辨別信號(hào)源的方位。

關(guān)鍵詞：無(wú)線電測(cè)向 ?最大幅度匹配 ?嵌入式 ?互相關(guān)

Research on the Maximum Amplitude Matching Direction Finding Algorithm in the 2m Band

MA Erzhuo ?XIA Jingkun

（Shenyang Ligong University， Shenyang， Liaoning Province， 110159 China）

Abstract：In radio direction finding motion， the traditional direction finder relies on the human ear to distinguish the direction of signal sources. For a 2 m band direction finder， it is difficult to distinguish the main lobe from the back lobe when it is affected by noise， which affects the accuracy of direction finding. On this basis， this paper proposes a maximum amplitude matching algorithm. Its principle is to first use the embedded ?accelerometer of the MEMS to keep the level of the antenna， and then obtain the cross-correlation curve by the cross-correlation matching of the actual measured data and the ideal antenna pattern at the corresponding sampling points under the condition of ensuring the same number of antenna array elements， so as to determine the orientation of signal sources. Experimental results show that the maximum amplitude matching algorithm can effectively replace the human ear to identify the orientation of signal sources.

Key Words： Radio direction finding;? Maximum amplitude matching; Embedded; Cross-correlation

無(wú)線電通信技術(shù)具有造價(jià)成本低，設(shè)備靈活度高，產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)^[1]。在通信設(shè)備中，還可以集成微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS，MEMS）在感知能力方面為無(wú)線電通信技術(shù)提供了巨大的應(yīng)用前景，使其在諸多領(lǐng)域中得到了快速的發(fā)展^[2]。為了增強(qiáng)對(duì)有限頻譜資源利用的有效性、可靠性和通信時(shí)的流暢性，無(wú)線電監(jiān)測(cè)以及測(cè)向是不可或缺的，其地位和影響將隨著時(shí)代的發(fā)展而發(fā)展^[3]。

無(wú)線電測(cè)向技術(shù)是使用接收天線接收來(lái)自輻射源通過(guò)交變電流產(chǎn)生的電磁波，并根據(jù)電磁波傳播時(shí)的特點(diǎn)來(lái)判斷電磁波的準(zhǔn)確來(lái)波方向^[4]。

傳統(tǒng)無(wú)線電測(cè)向機(jī)依靠人耳分辨信號(hào)源方向，而當(dāng)測(cè)向過(guò)程受到障礙物或環(huán)境的干擾時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旁瓣或后瓣從而影響對(duì)信號(hào)源方位的判斷。針對(duì)這種情況，文章提出一種最大幅度匹配算法，以算法來(lái)代替人耳，提高無(wú)線電測(cè)向的準(zhǔn)確度。

1 傳統(tǒng)無(wú)線電測(cè)向技術(shù)

傳統(tǒng)無(wú)線電測(cè)向技術(shù)包括幅度比較式測(cè)向法、相位干涉儀測(cè)向法、多普勒測(cè)向法和空間譜估計(jì)測(cè)向法等。

幅度比較式測(cè)向技術(shù)的測(cè)向原理是通過(guò)利用測(cè)向陣列和天線的固定方向特征，測(cè)量來(lái)自于多個(gè)方位的信號(hào)的振幅，最終得到了來(lái)自于信號(hào)的方向^[5]。該技術(shù)能夠有效地避免多徑效應(yīng)帶來(lái)的誤差，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的目標(biāo)定位和測(cè)量。幅度比較式測(cè)向技術(shù)的特點(diǎn)是系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單、體積較小、質(zhì)量較輕、價(jià)格低廉、測(cè)向原理形象直觀^[6]。

相位干涉儀測(cè)向法是指從同一輻射源到接收天線陣中每個(gè)單位之間的相位差值的測(cè)定，從而確定輻射源的來(lái)向^[7]。干涉儀的測(cè)向根據(jù)來(lái)自各個(gè)方位的電波經(jīng)過(guò)測(cè)向天線陣后，在空間上各測(cè)向天線所接收到的相位并不相同，因此彼此之間的相位差也會(huì)有很大差別，通過(guò)確定來(lái)波的相位及相位差來(lái)判斷來(lái)波方向，干涉儀測(cè)向可測(cè)仰角，具有很好的測(cè)向靈敏度、測(cè)向精度、測(cè)向速度、抗失真的能力^[8]。

在2 m波段測(cè)向技術(shù)中，有單向法和單項(xiàng)—雙向法。單向法也叫主瓣一次測(cè)向法。當(dāng)在耳機(jī)中收聽(tīng)到信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)天線360°，依靠尖銳的主瓣方向圖可以明確地辨別出信號(hào)源的方位。

單向—雙向法多用于主瓣不夠尖銳的二元八木天線或要求方向線很準(zhǔn)確的近距離測(cè)向中。在2 m波段標(biāo)準(zhǔn)距離測(cè)向中，首先使用單向法確定信號(hào)源的大致方位，其次將天線垂直立起，通過(guò)調(diào)整反射器的位置使其失去反射的作用。這時(shí)，只有有源振子起作用，天線的方向圖是單個(gè)有源振子的八字形方向圖，這種方向圖與磁性天線方向圖類似，其小音點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度變化率大，方向性也十分明顯，這種單、雙向配合使用的測(cè)向方法可以有效提高測(cè)向的準(zhǔn)確性。

傳統(tǒng)無(wú)線電測(cè)向的缺點(diǎn)是依賴人耳來(lái)辨別方向。當(dāng)測(cè)向機(jī)受環(huán)境和障礙物干擾時(shí)，導(dǎo)致主瓣和后瓣難以分清，即兩個(gè)方向上的聲音大小相似。此時(shí)依靠人耳難以辨別方向，可以通過(guò)最大幅度匹配算法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

2 最大幅度匹配測(cè)向的具體實(shí)現(xiàn)

2.1 天線的傾斜角度與測(cè)向影響

在測(cè)向過(guò)程中，影響測(cè)向結(jié)果的因素有很多，例如障礙物干擾、天線放置不水平等。其中天線放置不水平，會(huì)直接影響測(cè)向機(jī)的測(cè)向精度。為了確保天線水平，需要使用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）加速度傳感器^[9]。MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。

在以Arduino開(kāi)發(fā)板為核心的電路板上集成MPU6050傳感器。MPU6050是6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器，它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP。使用它就是為了得到待測(cè)物體（如四軸飛行器、平衡小車）x、y、z軸的傾角（俯仰角Pitch、翻滾角Roll、偏航角Yaw）。通過(guò)I2C讀取到MPU6050的6個(gè)數(shù)據(jù)（三軸加速度AD值、三軸角速度AD值）經(jīng)過(guò)姿態(tài)融合后就可以得到 Pitch、Roll、Yaw角。MPU6050采用壓電效應(yīng)的工作原理，在三維空間中獲取天線當(dāng)前三維位置的值，通過(guò)讀取這些數(shù)據(jù)，可以確定天線在三維空間中的姿態(tài)。圖1為MPU6050的引腳圖。

2.2 最大幅度匹配算法

最大幅度匹配算法的基本思想是將所有實(shí)際測(cè)量得到的數(shù)據(jù)與理想天線方向圖在各個(gè)位置的抽樣點(diǎn)通過(guò)互相關(guān)匹配，從而能夠由匹配所得的結(jié)果估測(cè)來(lái)波方向。圖3為最大幅度匹配的流程示意圖。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)MATLAB對(duì)2 m波段天線方向圖進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)所用的天線是八木天線，是由一個(gè)有源振子、一個(gè)無(wú)源反射器和若干個(gè)無(wú)源引向器平行排列而成的端射式天線。在理想的條件下，八木天線的方向圖接近橢圓形。在進(jìn)行測(cè)向時(shí)，八木天線具有良好的單方向性，在其方向圖最大幅度出音面很大。在2 m波段的測(cè)向過(guò)程中，理想的方向圖形狀是一個(gè)正橢圓，而在實(shí)驗(yàn)中，理想狀況下方向圖并不是正橢圓，在沒(méi)有噪聲干擾時(shí)是一個(gè)主瓣較尖銳的橢圓，后面可能有兩個(gè)或多個(gè)平滑的旁瓣。

首先繪制出2 m波段的理想方向圖。然后結(jié)合在實(shí)際測(cè)向中可能遇到的干擾對(duì)理想方向圖加噪聲，如圖4所示。

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，實(shí)測(cè)方向圖與理想的方向圖一定會(huì)存在偏差。并且在實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于受到外界電磁信號(hào)的干擾和自用空間傳播衰耗的影響，信號(hào)源所發(fā)射的信號(hào)與到達(dá)天線口面處的信號(hào)強(qiáng)度是不同的。同時(shí)外界由手機(jī)發(fā)射的電磁波信號(hào)也會(huì)對(duì)測(cè)向造成干擾。所以在真實(shí)的無(wú)線電測(cè)向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)測(cè)方向圖疊會(huì)加噪聲干擾并與正北方向成一定角度。

先設(shè)定一個(gè)理想的來(lái)波方向，其初始相位為。在真實(shí)的測(cè)向運(yùn)動(dòng)中，會(huì)受到多種因素的干擾，可以根據(jù)實(shí)際測(cè)出的方向圖來(lái)假設(shè)一個(gè)可能的來(lái)波方向范圍。假設(shè)來(lái)波方向在0°～120°之間。從0°開(kāi)始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每隔20°將理想的方向圖與實(shí)際測(cè)得的方向圖求互相關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將每個(gè)角度的互相關(guān)曲線進(jìn)行對(duì)可以發(fā)現(xiàn)，互相關(guān)曲線中峰值的幅度越大，實(shí)際方向圖的相位就越靠近理想方向圖，當(dāng)兩者相位恰好相同時(shí)，互相關(guān)曲線在橫坐標(biāo)為0處取得峰值。

旁瓣的數(shù)量的變化也會(huì)導(dǎo)致互相關(guān)曲線的變化，通過(guò)改變天線陣元的數(shù)目來(lái)控制旁瓣的數(shù)量，并觀察旁瓣數(shù)量不同時(shí)互相關(guān)曲線的變化。若方向圖旁瓣數(shù)量為M，天線陣元數(shù)目為N，則M=N-2。圖6為陣元數(shù)目分別為4、6、8、10時(shí)對(duì)應(yīng)的方向圖。

圖7為比較陣元數(shù)目分別為4、6、8、10時(shí)，對(duì)應(yīng)的方向圖旁瓣數(shù)量、理想方向圖與實(shí)際方向圖的互相關(guān)曲線?？梢钥闯?，旁瓣越多，相關(guān)曲線在最大值處越尖銳。對(duì)于實(shí)際測(cè)得的天線方向圖，旁瓣越少，后瓣越小，天線方向圖才越理想。因此可以根據(jù)圖7的互相關(guān)曲線的結(jié)果來(lái)判斷天線方向圖的旁瓣數(shù)量，最大幅度匹配的結(jié)果也有助于天線的選擇。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在保證天線水平的前提下，在實(shí)測(cè)方向圖與理想方向圖的互相關(guān)函數(shù)中，當(dāng)峰值的橫坐標(biāo)為零時(shí)，實(shí)測(cè)方向圖與理想方向圖的指向角相同，這樣可以通過(guò)理想方向圖判斷出來(lái)波方向。面對(duì)噪聲干擾嚴(yán)重的測(cè)向環(huán)境，當(dāng)人耳難以分辨出主瓣和旁瓣時(shí)，應(yīng)用最大幅度匹配算法能有效的解決這個(gè)問(wèn)題。

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