宽带多信号测向技术

　　目前，以快速傅里叶变换为基础的宽带多信号测向技术可在多种测向方法的设备中实现，这是数字信号处理技术在无线电测向技术应用中所取得的硕果。

1.快速傅里叶变换

　　宽带多信号测向技术运用快速傅里叶变换可实现同时测量多个信号的方位。在讨论宽带多信号测向技术之前，有必要简要地回顾一下快速傅里叶变换。

　　快速傅里叶变换是实施离散傅里叶变换的一种有效而高速的算法，它的基本原理是J.W.Cooley和J.W.Tukey于1965年在贝尔实验室提出的。

　　快速傅里叶变换是一种面向记录的算法，它的输入是对被分析的信号取样所得到的数据，总共有N个时域取样数据。为了简化快速傅里叶变换的计算，N被限制为2的乘幂。快速傅里叶变换的输出是离散的复数频谱，这个离散的复数频谱总共有N个频域点。但是，这N个频域点并不完全独立，前半部是多余的。因此，快速傅里叶变换的输出只保留编号为的频域点。这些复数的频域点既包含了幅度信息，也包含了相位信息。

　　增大时域取样点数N，也就增大了快速傅里叶变换输出的频域点，即提高了快速傅里叶变换的频率分辨力。但是，这将增大快速傅里叶变换的计算时间。

2.宽带多信号测向的基本原理

　　快速傅里叶变换需要输入被分析信号的N个取样数据。能够将快速傅里叶变换运用于其中，从而实现宽带多信号测向的测向方法，应当属于数字式测向方法。所谓数字式测向方法，是指这样一类测向方法，测向接收机中的包含有来波方位信息的中频信号被数字化，并且根据接收到的来波的中频信号的幅度或相位的数值，按照所采用的测向算法进行数字运算而求出其到来 的方向。宽带多信号测向是快速傅里叶变换同数字式测向方法相结合的产物。在宽带多信号测向设备中，首先对宽带测向接收机的中频信号实施快速傅里叶变换，得到测向接收机带内各个来波的中频信号的幅度和相位，然后对每一个来波的幅度或相位，执行所采用的测向算法求出每一个来波的方位。

3.宽带多信号测向设备举例

　　成都华日通讯技术有限公司开发了FFT双通道相关干涉仪测向设备和FFT单通道相关干涉仪测向设备。现以其FFT双通道相关干涉仪测向设备为例来说明宽带多信号测向是如何实现的。FFT是快速傅里叶变换的英文词“fast Fourier transform”的缩写词。

　　成都华日通讯技术有限公司开发的这种测向设备的测向天线由九个天线元构成。该测向设备的原理图如图1所示。



　　A0～A8这9个天线元按角度均匀地分布在一半径为R的圆周上，且A0位于真北方位。

　　令天线元A1～A8上的感应电压相对于天线元A0（天线元A0通常称之为“参考天线元”）上的感应电压的相位差分别为ψ01，ψ02，…，ψ08。理论上可以证明，这些相位差同来波的频率f、方位角α、仰角θ以及测向天线的半径R有如下关系式:



　　令（Φ01，Φ02，…，Φ08）=e，并称之为理论样本点。若方位角α以1°的步长变化，则得到360个理论样本点:

　　ei=(Φ01i，Φ02i，…，Φ08i)，i=1，2，…，360。 （3）

　　这360个理论样本点，分别命名为e1，e2，…，e360。这些样本点的每一个都用Φ01～Φ08这8个变量来描述。对于任一频率的来波，都可以运用式（2）进行计算而得出它的360个理论样本点。

　　在这种测向设备中，天线元A0与双通道接收机的一个通道（为了叙述方便，以下称此通道为“第一通道”）的输入端连接。天线元A1～A8通过一个单刀8掷的射频开关（这种射频开关一般是用PIN二极管做成的）依次轮流地与该双通道接收机的另一个通道（为便于叙述，以下称此通道为“第二通道”）的输入端连接。于是，在该双通道接收机的两个通道相位平衡的情况下，只要能够测量出两个通道的中频信号电压的相位差，也就测量得到了天线元A1～A8上的感应电压相对于天线元A0上的感应电压的相位差ψ′01，ψ′02…，ψ′08（这里的各个相位差加上标符号“′”表示它们是测向设备工作时实际测量的值，以区别于由式（1）计算得出的理论值ψ01～ψ08）。

　　令（ψ′01，ψ′02…，ψ′08）=e′，并称之为实测样本点。由于噪声的存在和天线元之间有互耦等等因素，即使来波的仰角等于0，e′这个实测样本点与e1～e360这360个理论样本点中的任何一个都不会完全相同。

　　将e′与e1～e360作相关运算。所谓相关运算，就是从e1～e360这360个理论样本点中找出与e′最相似（或最贴近）的那一个。该理论样本点所在的方位角，即是被测来波的方向。需要指出的是，成都华日通讯技术有限公司在这里所采用的相关算法，并非是传统的经典相关算法，而是模式识别这门新兴的边缘学科的聚类分析算法。

　　根据以上所述的双通道相关干涉仪测向设备的工作原理，不难知道，该测向设备的关键运作是测量得出相位差ψ′01～ψ′08。

　　对于普通的只能对一个来波信号测向的“单波”双通道相关干涉仪测向设备，为了测得相位差ψ′01～ψ′08，在天线元A1～A8中的每一个与双通道接收机的第二通道的输入端连接时，须同时对该接收机的两个通道的数字中频信号各取样1个数据。根据这样8次取样所得到的该接收机的第一通道的数字中频信号的取样值，和第二通道的数字中频信号的取样值，就可以分别计算出天线元A1～A8上的感应电压相对于天线元A0上的感应电压的相位差ψ′01～ψ′08（这样测量ψ′01～ψ′08的方法，隐含着所用双通道接收机的两个通道是相位平衡的）。得到了ψ′01～ψ′08，即得到了e′=（ψ′01，ψ′02…，ψ′08），用此e′与e1～e360这360个理论样本点作相关运算即可求出单个来波的方向。

　　对于FFT双通道相关干涉仪测向设备，为了获得多个不同频率的来波的方位，必须测得这些不同频率的来波各自在天线元A1～A8上的感应电压相对于各自在天线元A0上的感应电压的相位差，即各自的ψ′01～ψ′08。为此，在天线元A1～A8中的一个与双通道接收机的第二通道的输入端连接时，须同时对该接收机的两个通道的中频信号各取样N个数据（N为2的乘幂）。由此得到每个通道的N个取样点的中频信号电压的幅度值:a1(1)，a1(2)，…，a1(N)和a2(1)，a2(2)，…，a2(N)。对a1(1)～a1(N)和a2(1)～a2(N)分别实施快速傅里叶变换运算。这两个快速傅里叶变换的结果，是各自输出（）个复数频域点。在两通道相位平衡的情况下，其频率相同的两个复数频域点的相位之差，就是在对中频信号取样N个数据这段时间里，与该复数频域点对应的射频频率（该射频频率的值等于这个复数频域点的频率值与所用接收机的本振频率值之和）的信号在天线元A1～A8中，那个与双通道接收机的第二通道的输入端连接的天线元上的感应电压，相对于该射频频率的信号在天线元A0上的感应电压的相位差。这样可以测得最多为（）个不同的射频频率的信号（在运用这种宽带多信号测向设备时，实际测得的多个信号的数量，是由进入测向接收机的中频带内的信号数量和FFT的频率分辨率决定的），在这两个天线元上的感应电压的相位差。天线元A1～A8中的每一个与双通道接收机的第二通道的输出端连接时，都作了如此这般的取样和运算，因而得到了最多为（）个射频频率的信号，各自在天线元A1～A8上的感应电压相对于各自在天线元A0上的感应电压的相位差。也就是说，可以得到最多为（）个射频频率的信号各自的实测样本点e′1，e′2，…，。将得到的每一个实测样本点与其频率相同的360个理论样本点进行相关运算，就可求出这些不同射频频率的每一个来波信号的方位。

　　还须指出，成都华日通讯技术有限公司制造的FFT双通道相关干涉仪测向设备，其用以进行相关运算的理论样本点与实测样本点的变量不是8个而是28个。这28个变量是除了天线元A0之外的其他8个天线元（天线元A1～A8）上的感应电压之间的相位差。该测向算法有两大突出的优点:其一是每个样本点的变量增多了，因而提高了测向准确度;其二是去掉了与天线元A0相连接的那个接收通道的相位特性的影响，因而不需要所用双通道接收机的两个通道相位平衡，从而大大降低了该接收机的制作难度。要知道，两个通道相位平衡的双通道接收机，制造相当困难，因而价格极其昂贵。成都华日通讯技术有限公司的这种测向算法，巧妙地避开了这一技术难点，不仅使设备的成本大大下降，而且使性能有所提高。
作者：成都华日通讯技术有限公司 莫景琦   来源：中国无线电