基于混合波束合成网络的短波测向方法

王艳温

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

为了增强短波通信[1]抗侦察、抗截获和抗干扰的能力，近年来不断涌现出新技术和新体制[2]。这些新变化导致现有的短波侦测设备无论是在处理带宽、处理速度、测量精度及功能设计上，都难以满足不断增长的短波新信号、新网台的侦测需求，更无法有效地实现对短波信号的全面侦控和对各类目标的连续跟踪[3-4]。为实现对短波通信信号进行全频段、全时域及全方位的侦测获取，本文提出了一种基于模拟波束合成与数字波束合成相结合的混合波束合成网络结构，同时并行实现多个宽带和差波束，利用基于和差波束比相的宽带测向方法对全频段短波通信信号进行测向处理[5]，利用较少的设备量实现了高灵敏度、高精度快速测向，为实现全频段组网定位奠定了技术基础。

1 混合波束合成网络的组成

采用10个并行的波束合成网络[6-7]同时实现对短波通信信号全空域、全频域的侦控[8-9]。每个波束合成网络采用模拟波束合成和数字波束合成相结合的方式，如图1所示。模拟波束合成完成24路的波束合成，数字波束合成完成2个24路模拟波束合成输出的数字合成。考虑到设备量、成本和整体性能的问题，模拟波束合成采用2级波束合成网络实现，初级波束合成完成4组6路信号的移相合成，次级波束合成单元完成4路信号的时延移相合成。24路天线信号采用分步的合成方式，首先将6路移相进行合成，然后再将4个这样的6路合成进行时延控制，随后进行4路合成，最终完成24路信号的统一控制合成。混合波束合成网络组成如图1所示。

图1 混合波束合成网络组成

2 模拟波束合成网络的移相分配

每套模拟波束合成设备对24路天线接收信号进行移相叠加，包括24个初级移相器和4个次级移相器，初次级配合使用实现指定频段、指定方位上的移相合成。具体实现过程如下：

① 根据波束指向，计算以30 MHz为基准的24个移相值。

② 初级移相器[10]为8位，最小移相步进为5°，初级移相范围为0°～1 275°；次级移相器为3位，最小移相步进为944°，次级移相范围为0°～7 600°。

③ 每6路共用一个次级移相器，根据6路初级移相值合理分配初次级移相值。若移相值在0°～1 275°内的，只置初级移相器，次级置为0；若移相值超出1 275°，则配合使用初级移相器、次级移相器。

为了有效抑制旁瓣内的干扰信号，采用了旁瓣抑制方法[11]，利用移相器的衰减器对各个天线单元进行切比雪夫幅度加权，可以将主副瓣比由13 dB左右提高到20 dB左右。

3 基于数字和差波束比相的宽带测向方法

为了实现对短波目标信号的快速侦察与跟踪，采用传统波束扫描的方式会出现目标发现不及时或跟踪不上目标的问题，采用一种基于多波束形成的和差比相方位估计(DOA)方法[12-14]，快速实现对目标信号的发现与测向，使得波束跟踪系统快速跟踪上目标。

利用模拟多波束系统对目标方位进行粗估[15-16]，然后在数字波束上用和差比相方法进行细估。首先将接收数据变换到频域，进行频谱分析，然后选择较大信号频率分量分别进行和差比相方位估计，最后将各频点估计结果融合得到最终的估计值。此方法不仅可以提高测向灵敏度和方位估计精度，而且其计算量很小，可同时实现对短波全频段信号的快速测向处理。

和差比相测向方法[17-18]是将得到的和差波束值进行比相实现角度估计，该方法是基于“半阵”实现，2M个阵元有且只有一个波束指向θ0，左半阵的波束输出为PL(θ)，右半阵的波束输出为PR(θ)，指向θ0的导向矢量记为a(θ0)。设和波束加权值WΣ=[W1,W2,…W2M]T，差波束权值为和波束对称取反，即WΔ=[W1,W2,…,WM,-WM+1,…,-W2M]T，则其左半阵的波束输出为：

令u0=sinθ-sinθ0，则

而右半阵的波束输出为：

则和波束输出为：

差波束输出为：

差和波束比为：

将u0=sinθ-sinθ0进行一阶泰勒级数展开，其可近似表示为：

u0≈sin(θ0)+cos(θ0)θε-sin(θ0)=cos(θ0)θε，

则可得偏角θε：

由此可知，利用得到的和差波束值，即可求出波束的偏角，从而实现利用和差波束对目标进行测角。

4 基于谱和卡尔曼滤波的测向稳健性改进方法

在短波测向中，接收信号是由若干个具有不同方向的、振幅和相位都在不断变化的、彼此相互干涉的波束所构成，这种波束间的电波干涉会引起测向误差和示向度的不稳定，在很大范围内摆动。为了获得较稳定的视觉测向效果，对波束图进行了累积处理。基于谱的改进处理流程如图2所示。

图2 基于谱的改进处理流程

为了获得稳定的测向结果，对测向数据进行了卡尔曼滤波处理[19-20]，就是对连续多次的测向数据剔除野值，使得输出的结果逐渐趋于稳定、精确。卡尔曼滤波通过输入观测数据，对系统状态进行最优估计，具体处理过程如下：

① 根据当前的测向数据是否相对于上次的测向结果有360°的跳周，若有则进行去跳周处理；

② 缓存n个测向数据到data中；

③ 初始化系统状态x0和误差协方差P0；

④ 预测：根据当前时刻的测向数据预测这一时刻的系统状态和误差协方差，得到x(k|k-1)和P(k|k-1)；

⑤ 修正：计算卡尔曼增益K(k)，与当前的测向数据修正系统状态x(k|k-1)和误差协方差P(k|k-1)，得到最新的x(k|k)和P(k|k)；

⑥ 按照以上过程进行迭代，直至测向结束。

5 测试分析

① 采用48阵元均匀线性阵列接收的短波天波信号，频率为15.969 9 MHz，利用混合波束合成网络形成的方向图如图3所示。

图3 波束合成方向图

利用实际短波接收信号进行测试，合成波束的增益与理论值相差0.2～0.3 dB，主副瓣比达20 dB以上。

② 通过短波通信电台开展了测向试验，对覆盖空域范围和全频段下的测向精度进行了测试。统计测向精度如表1所示，测向精度随频率变化曲线如图4所示。

表1 全频段统计测向精度

频段/MHz测向精度/(°)1.5～100.910～200.720～300.5

图4 测向精度随频率变化曲线

从对实际天波信号的测试结果可以看出，全频段、全空域内的测向精度在1°以内。

6 结束语

本文提出的模拟波束合成与数字波束合成相结合的短波测向实现架构是切实可行的，利用较少的设备量实现了对短波信号全频段、全时域及全方位的侦测获取。模拟波束合成巧妙地利用两级波束合成方案，分别实现大步进移相及小步进精确移相，大大降低了设计成本和设备规模。利用和差比相测向方法实现精确测向处理，无需进行波束扫描，通过直接解算的方式直接获得信号方向，利用后处理方法大大提高了测向稳定性和测向精度。通过对实际天波信号的测试，达到了较高的合成增益和测向精度。本文的研究成果可应用于现有或新建短波侦测系统，对于全面提升短波技侦信息的技术水平和情报质量具有重要意义。