精品课件-通信对抗原理(冯小平)-第3章

第3章 通信信号的测向与定位
图3.2-3单极子天线的结构和辐射方向图
第3章 通信信号的测向与定位
3. 环形天线有与偶极子天线类似的辐射特性，其形状可以是圆 环，也可以是任意形状的环。图3.2-4是环形天线的结构和辐射 方向图。 图3.2-4是环形天线垂直放置的情况。其俯仰方向为全向， 即360°，水平方向的3dB波束宽度为两个90°。环形天线有效面 积Ae≈0.63λ2/4π
第3章 通信信号的测向与定位
3.1 3.1.1
通信测向系统包括测向天线、接收机、处理器、控制器和显 示器等设备。其基本组成如图3.1-1
测向天线接收空间的电磁信号，在少数情况下，测向天线由 单个天线构成。在大多数情况下，测向天线由在空间按照一定规 律排列的多个天线阵元构成，根据不同的测向方法，这些天线阵
测向接收机的主要功能是对天线系统送来的信号进行选择和 放大，为随后的测向处理提供幅度特性和相位特性合适的中频信 号。根据测向方法的不同，测向接收机可以采用单信道
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图3.1-1通信测向设备的基本组成
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测向处理、控制及显示单元的主要功能是对测向接收机送来 的含有方位信息的测向信号进行模/数(ADC)变换、处理和运算， 从信号中提取方位信息，并对测向结果进行存储、显示或打印输 出。它的另一功能是控制测向设备各组成部分(测向天线、接收 机、测向处理显示器、输出接口等)协调工作，例如测向天线的 阵元转换、接收机本振及信道的控制、测向工作方式的选择、测 向速度及其他工作参数的设置、测向设备的校准以及测向结果的
(5)测向反应时间。
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①测向和定位速度：表示测向或定位设备对目标完成一次测 向或定位所需要的时间，它包括接到命令把接收机置定到被测频 率上截获目标信号、进行处理运算以及把结果送到显示器显示出
②容许的信号最短持续时间：表示测向或定位设备为保证测 向或定位精度所需要的被测信号的最短持续时间。一般测 向或定位设备的处理器对接收机输出的中频信号需要通过采样完 成模/数变换，而后进行处理运算。只有信号持续时间足够长， 才能采集到足够数量的样本以保证相应的精度。
(1)振幅法测向。根据测向天线阵列各阵元(单元天线)感应 来波信号后输出信号的幅度大小，即利用天线各阵元的直接幅度 响应或者比较幅度响应，测得来波到达方向的方法称为振幅法测 向，也称幅度法测向。
(2)相位法测向。根据测向天线阵列各阵元之间的相位差， 测定来波到达方向的方法称为相位法测向。如相位干涉仪测向、
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图3.2-2偶极子天线的结构和辐射方向图
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2. 单极子天线是由安装在地平面上的单个阵元构成的，图3.23是它的结构和辐射方向图。 单极子天线也是非常简单的天线，它是VHF频段内战术电台 的常用天线形式。由于受地平面的影响，俯仰方向只要0°以上 有效，俯仰方向的3dB波束宽度接近45°，水平方向的3dB波束宽 度为360°。单极子天线的长度一般是λ/4，其最大增益为0dB， 天线有效面积Ae≈λ2/4π 需要说明的是，这里地平面在很多情况下并非真实的地面， 而是电器地，如机箱外壳等。如果单极子天线安装在地面，则需 要保证良好的接地，否则会影响其辐射性能。手持电话和移动通 信系统使用的天线都属于单极子天线，在这些情况下，天线的方
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(3)多普勒法测向。利用测向天线自身以一定的速度旋转引 起的接收信号附加多普勒调制进行测向的方法，称为多普勒法测
(4)时差测向。根据测得的来波信号到达测向天线阵列中两 个或两个以上不同位置的阵元的时间差来测定来波到达方向的方 法称为到达时间差测向，简称时差测向。
(5)空间谱估计测向技术。空间谱估计测向是将测向天线阵 列接收的信号分解为信号与噪声两个子空间，利用来波方向构成 的矢量与噪声子空间正交的特性测向。
积并不是它的物理面积，一般为(0.4～0.7)倍的物理面积。天线
有效面积和天线增益之间的关系如下：
G 4πAe
(3.2-2)
天线增益表明了天线的方向2 性，它是将有向天线的增益与一
个全向天线进行比较，用它相对于全向天线增益的分贝数(dBi)
度量天线的增益。换句话说，全向天线没有增益，它在
各个方向的辐射功率相同。通信对抗系统中经常使用全向天线，
(b)系统测向误差：表示包含测向天线在内的整个测向系统的 总的测向误差。检测时，应在外场环境中把整个测向系统安装在 规定的平台上，并在一定距离上开设目标电台，进行现场测试。 在检测这一指标过程中，场地和周围环境对指标的测试结果影响 很大，故对这一指标一般都要注明场地要求和周围环境要求。例 如对场地的大小、平坦度、周围的障碍物(山林、高楼、铁塔、高 压线网等)和无关辐射源等都会提出一定的要求。
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波束宽度为78°，水平方向的3dB波束宽度为360°。半波长偶极 子天线增益为2dBi，天线有效面积为Ae=1.64λ2/4π。天线的增 益与频率有关，当偏离中心频率时，天线增益会下降。
注意，上述给出的天线方向图形状是假设天线是垂直于地面 放置。如果天线垂直于地面放置，则它的极化方向也是垂直于地
第3章 通信信号的测向与定位
第3章 通信信号的测向与定位
3.1 测向与定位概述 3.2 测向天线 3.3 振幅法测向 3.4 相位法测向 3.5 相关干涉仪测向 3.6 多普勒测向 3.7 到达时差测向 3.8 空间谱估计测向 3.9 通信辐射源定位 习题
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无线电测向和定位就是确定通信辐射源的来波方向和位置。 对通信信号的测向和定位既是通信对抗系统领域的一个重要和相 对独立的技术领域，也是通信侦察系统的重要组成部分。本章重 点讨论通信信号测向定位的基本原理和方法。
(6)测向灵敏度。测向和定位灵敏度是在保证容许的测向示 向度偏差(测向误差)或定位误差条件下所需被测信号的最小场强， 通常以μV/m
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测向灵敏度与工作频率有关。对一部宽频段工作的测向或 定位设备而言，测向或定位灵敏度不能用某一个数值来表示， 至少在不同的子频段内，灵敏度是不同的。所以在测向 或定位设备产品性能介绍中，测向或定位灵敏度通常用一个数 值范围来表述。有不少测向设备同时附有E0-f变化曲线，这种 表述方式更为确切。
天线通常具有互易性，即普通的天线既可以作为发射天线， 也可以作为接收天线，所表现的特性是相同的。但是当使用有源 天线时，天线中包含的放大器等有源器件是单向的，有
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天线的三个重要参数是频率响应、方向性和阻抗特性。天线 的频率响应决定了天线可以有效发射或者接收信号的带宽，天线 的方向性描述天线辐射的电磁信号的能量在空间各个方向的能量 分布情况。当天线的阻抗与其负载或者源的阻抗匹配时，其驻波 比最小，得到的辐射效率最高并且实现最大功率传输。天线的阻 抗通常是一个复阻抗，需要共扼匹配才能达到最佳。
无源定位是在通信测向的基础上发展起来的，因而利用测向 的结果进行定位计算或估计是最经典和最成熟的定位技术，称为 测向定位法。后来，随着各种测向和定位技术的开发及利用，时 差定位、多普勒频移定位、测向和频差以及时差和频差的联合定
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3.1.3 测向和定位设备在电性能、物理性能、环境和使用要求及接
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(3)瞬时处理带宽。当要求能对短持续时间信号(如短脉冲、 跳频信号)进行测向或定位时，为了保证测向或定位反应时间能适 应对短持续时间信号搜索截获和采样方面的要求，对测向或定位 设备的瞬时射频带宽和处理带宽(例如常用的FFT处理带宽)提出了 相应的要求。通常测向或定位处理器的瞬时处理带宽决定了测向
测向处理部分的 具体工作原理和工作过程因测向设备的不同而不同，对此我们将
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3.1.2 通信测向和定位系统的分类比较复杂，它可以按照工作频段、
运载平台和工作原理等进行分类。由于通信信号的来波方向可以 从信号的幅度、相位、多普勒频移、到达时间等参数中获得，因 此我们按照工作原理将测向方法分为振幅法、相位法、多普勒法、
因为事先并不知道目标信号在哪个方向辐射，因此假定目标可能
出现在任何方向。
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图3.2-1 天线的参数
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3.2.2 线天线由安装在某种支撑结构上的一段导体组成。如果它的
中点作为馈入点，就构成了偶极子天线，如果它的一端作为馈入
1. 偶极子天线是最常用的也是最简单的无源单元天线。它由同 方向上对齐的两个阵元构成，图3.2-2是它的结构和辐射方向图。 天线的方向图与其物理尺寸有关。偶极子天线的方向图形状 主要取决于它的长度。图3.2-2给出了L=λ/2和L=λ两种不同长 度的天线的方向图。当L=λ/2(半波长)时，俯仰方向的3dB
第3章 通信信号的测向与定位
由于测试场地和周围环境对测向误差的影响不可能完全消除 掉，因此系统测向误差不是用某一点上的测试结果来表示，而是
②定位误差。当采用测向法定位时，测向误差将直接影响定 位误差；当采用时差定位和其他定位方法时，时间及其他参数测
定位误差一般采用所确定的目标定位模糊区域的圆概率误差 (CEP)(即用圆的直径与定位距离的比值)
天线的主要参数包括主瓣、半功率波束宽度、平均功率宽度、 辐射方向、副瓣、副瓣电平、增益等，定义如图3.2-1所示。
天线的有效面积用符号Ae表示，它决定了天线从它所在的空 间中获取的电磁信号的总能量。不计损耗，天线获取的能量
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为
PR=PdAe
(3.2-1)
其中,Pd是天线周围的电磁信号的功率密度。注意天线的有效面
(4)测向和定位误差。测向和定位误差包括测向和定位准确度、 测向和定位精度等指标。
①测向误差。测向误差表示在一定的来波信号强度下测向设 备测得的目标方位角与其真实方位角之差的统计值，这是测向设
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(a)设备测向误差：表示不包含测向天线的基本测向设备的测 向误差。由于不涉及测向天线，不存在场地和周围环境的影响， 因此这一误差很小，一般测向设备的测向误差均±(0.5～1°)范
口功能等多方面都有严格的指标要求。
(1)工作频率范围。工作频率范围是指通信测向和定位系统的工 作频率范围。例如，短波测向设备的工作频率范围通常 为1.5～30MHz；超短波测向设备的工作频率范围目前多数为20～ 1000MHz或30～1000MHz
(2)测向范围。测向范围是指通信测向和定位系统的可测向 的空域范围。如方位全向工作、半向工作或者部分方向测向等。
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测向系统一般采用由多个单元天线(或称“阵元”)组合形成 的天线阵列，以便确定来波的方向。在某些情况下，也可以采用 一个单元天线完成测向任务。天线阵的结构通常与测向方法密切 相关，不同的测向方法需要不同的天线阵列结构。通信对抗系统 覆盖的频率范围很宽，它通常在不同的频段使用不同的天线。在 低频范围内常用的天线类型包括偶极子天线、单极子天线和对数 周期天线，三者结构都比较简单，并且前两者是全向的，而后者 有较好方向性和较宽的频带。本节简要介绍在通信侦察系统中常 用的一些天线单元及其基本特点。
测向灵敏度直接影响测向和定位误差。测向或定位误差与 灵敏度直接相关，在表示测向或定位灵敏度指标时，必须同时
(7)测向方式。测向和定位设备的测向方式属于功能性要求， 通常有守候式测向、扫描式测向、搜索引导式测向、规定时限 的测向、连续测向等。
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3.2 3.2.1
天线是通信对抗系统的传感器，其作用是将电信号转换为 电磁信号(干扰)，或者将电磁信号转换为电信号(侦察和测向)。 由于通信对抗系统感兴趣信号的频率范围非常宽，占据了很宽 的频段，因此要求其天线是宽频段天线。在一般情况下，天线 工作在一个相对较窄的频带内，因此可采用多副天线。而系统 的安装空间是有限的，要在有限的空间中安装多副天线是难以 实现甚至是不可能的。从这种意义上看，通信对抗系统需要使