1、 无线电测向技术（参考件）一、无线电波与其传输特性1.1 关于无线电波的一些基本概念1.1.1 无线电波是电磁波的一种从物理含义上讲，电磁波包含无线电波、光辐射和光子辐射。电磁波中波长小于 0.1mm，或者说频率低于 3000GHz 的波，叫无线电波。把电磁波和无线电波视为同等概念，严格说是不确切的。但从当今应用目的看，习惯叫法也是可以的。1.1.2 无线电波的分段和名称根据国际电信联盟无线电规则第二条(Article 2,20,Geneva,1982)频带命名如表示：表 1.(2)频带命名频带号码 N 频率范围 符 号 名 称 米制分段2 30300Hz ELF 极低频 兆米波3 30030
2、00Hz VF 音频 百千米波4 330KHz VLF 甚低频 十千米波5 303000KHz LF 低频 千米波6 3003000KHz MF 中频 百米波7 330MHz HF 高频 十米波8 30300MHz VHF 甚高频 米波9 3003000MHz UHF 特高频 分米波10 330GHz SHF 超高频 厘米波11 30300GHz EHF 极高频 毫米波12 3003000GHz 亚毫米波关于无线电波的频带划分与命名，需补充几点： 国际电联频带划分时规定，每个频率范围含上限而不含下限； 实际工作中常有这样一些情况：仅使用频带的一部分，比如战术通信台工作频段为 3088MHz，这
3、时仍称 VHF 电台；边沿垮接相邻频带，如 230MHz 的接收机，因其主要工作频率处于高频，这时仍称高频(HF)接收机；当工作频率范围跨接两个频带，又都为主要工作频段时，如 251000MHz 的测向机，这时，则惯称甚高频/特高频(VHF/UHF)测向机等。 国内一些部门习惯用短波、超短波、微波等称谓。显然短波与高频等效。超短波包括甚高频(VHF)和特高频(UHF)，但界限含混，微波一般指频率高于 300MHz的众多频带。1.1.3 无线电波的一般传输特性在 2.1 节介绍有关述语的函义中，已讲到无线电波的一些特性，为使读者便于理解后面的内容，现就电磁波传输的一般特性归纳如下： 电磁场中电场
4、和磁场具有确定的方向和数值，即S(t) = E(t) . H(t)E=-ZH 传输中的电场和磁场都具有极化特性； 电磁波在自由空间传输时，其传输平面是一确定的大圆面，其传输方向不变，且相速度和群速度相同； 电磁波在界质中传输时，将受到界质的影响。在各向同性的色散界质中传输时，使相速与群速不等；在各向异性的色散界质传输时，还会使极化和方向发生变化； 电磁波传输时会产生衰减。产生衰减的原因有两种：一是球面（或柱面）波扩散损耗，其场强与离开辐射源的距离成反比；二是介质引起的损耗，包括介质吸收、散射、衍射等，这使场强比在自由空间时小； 中不同介质的界面上产生反射、折射，并都符合几何光学的定律；频率较低
5、的无线电波还具有衍射特性； 频率相同的无线电波具有相干性，相干场场强呈驻波分布，等相位面也产生畸曲。 1.1.4 无线电波的极化特性极化是为描述不同类型辐射源产生的电磁波或者通过不同途径传输的电磁场的时一空特性而引入的概念。前面已讲过，电场矢量和磁场矢量满足乌莫夫-坡印廷矢量法则，二者相互垂直，并都与电磁波传输方向(即坡印廷矢量方向)相垂直，故人们用电矢量的端点在波振面上的轨迹图表叙电磁波的极化形式： 垂直极化波，即电矢量完全处于传输面内的电磁波，显然这时磁矢量完全垂直传输平面； 水平极化波，即电矢量完全垂直传输平面的电磁波，显然这时的磁场矢量完全处于传输面内； 线极化波，即电场矢量偏开传输面
6、一个角度 r(称极化角)的电磁波。显然线极化波可分解为垂直极化分量和水平极化分量。垂直极化波或水平极化波是线极化波的一种特性形式( 水平极化分量为零或垂直极化分量为零)； 圆极化波，即垂直极化分量和水平极化分量幅度相等，而相位差为 900 的电磁波。这时电矢量端点在波振面内的轨迹为圆。顺着电磁波传输的方向看去，如电场矢量是反时针的旋转，又称左旋圆极化；着顺时针旋转，则称右旋圆极化； 椭圆极化，即电场矢量端点在波振面上投影轨迹为椭圆的电磁波。有三种情况产生椭圆极化：垂直极化分量和水平极化分量幅度相等，但相位差是 0. /2和 以外的值；两极化分量相位差为 /2，但幅度不相等；两极化分量幅度不相等
7、，相位差为 0 和 以外的值。椭圆极化波也同圆极化波一样区分为左旋和右旋。显然，椭圆极化是电磁波极化概念的最通用的表叙形式，其它极化形式可作为椭圆极化的特殊情况，如线极化是两分量相位差为 0 或 的特例；圆极化是两极化分量幅度相等，相位差为 /2的特例；垂直极化或水平极化是一个极化分量为零的特例。值得注意的是对垂直( 或水平 )极化的地波来讲，电场矢量总是垂直(或平行)地面，对倾斜入射到地面的天波来说，垂直极化波的电矢量不再与地面垂直，而水平极化波的电矢量却总与地面平行，这些区别在今后研究高角波信号接收或测向问题时常用到。1.2 HF(高频)无线电波的传输特性频率范围为 330MHz 的无线电
8、波，根据 ITU 定义，叫高频波(HF)，有时也叫短波。高频波在远程通信中占重要地位。高频波主要传输特点有：（1）HF 波从地面上一点到另一点的传输有两种途径，即地波和天波；（2）地面波传输中，受土壤或海水的影响，将产生衰减。频率越高，衰减越大。水平极化波的衰减比垂直极化波要大得多，因而地面波主要为垂直极化。对发射功率 1KW 的垂直极化波，在陆面上一般传输几十公里，在海面是传输为几百公里；（3）HF 远程传输是通过电离层反射完成的。电离层分 D、E、F 1 和 F2 层，对应的平均高度分别是 70、110、200 和 330KM，其中 F2 层是较稳定的，远程通信主要靠 F2 层的反射，可反
9、射的电波频率一般不大于 20MHz，一跳传输的距离与反射角有关，若反射波仰为角 ，频率为 f=f0/sin(式中 f0 是电子密度为 N 的电离层对垂直入射波可反射的最高频率)，一次反射的距离为 d=2hCot(式中 h 为虚高，比电离层实际高度稍大)；HF 无线电波两种传输方式的存在，就使 HF 波形成了以下特点： 在离发射源较近的地面上可认为只有地波存在，这时电波极化可认为是单纯的垂直极化； 在较远的天波区，不管发射天线是垂直极化还是水平极化，受电离层影响，反射波都是椭圆极化； 在没有特殊选频情况下，电波会在不同层或不同点反射，形成多径波； HF 波在传输方向上，一般形成地波区、静寞区和天
10、波区。静寞区是在地波区与天波区之间，大约在离开发射台 30100KM 的地段，地波已衰减掉，又没有电离层反射波到达，常收不到信号。在较近的天波区（离发射源 100400KM 之间） ，反射波的仰角很大，也常称为高角波区。1.3 VHF/UHF(甚高频/特高频)无线电波的传输特性30300MHz 通称甚高频(VHF)，3003000MHz 通称特高频(UHF)，3G30GHz通称超高频(SHF) ，30300GHz 通称极高频(EHF) 。VHF/UHF 无线电波较 HF 无线电波的波长越来越小，受传输介质影响相应加大，视距传输就成为其主要方式和特点。（1） 地波分地表面波和地面空间波。由于超过
11、 30MHz 以后，地面(土壤或海水)造成的衰减随频率增加迅速加大，特别超过 300MHz，地表面波在较短的距离上就已衰减掉，因而只有高出地面的直射波存在，这就是地面空间波。（2）在视距范围内传输，地面上传输的最大距离为 d0=4.12(hT+hR)km，式中 hT和 hR 分别为发射与接收天线高度，单位为米。比如：h T =hR=10m，d 0=26km，h T=100m，h R=10m，d 0=54km；（3）地面空间波的传输距离与极化方式是垂直极化还是水平极化，已没有明显关系；（4）根据地面菲湟区的理论，地面反射波对地面空间波传输带来影响，场强 E为：E = 式中 E1=173 PT(k
12、w)GT/d(km) (mv/m)代表自由空间传输模式时 d 处场强。相对天线高足够远的距离上，即 2hThR1 时，场强 E 正比例 hThR 。这就是所谓的天线2E1sin(2h ThR/d)高度增益，且频率越高，天线高度增益越明显。比如离开地面 20m 高较 4m 处的场强，30MHz 时增加 1dB，60MHz 时增加 5dB，150 MHz 时增加 8dB，300MHz 时增加 10dB，600MHz 时增加 11dB。二、无线电测向基础2 无线电测向原理与分类2.1 无线电测向的依据与限制2.1.1 无线电测向的理论依据无线电测向的理论依据主要有两点：（1） 从测试点看，无线电波的
13、到达方向处于测试点和发射点构成的大圆内。这是自由空间或均匀界质中无线电波传播的基本特性；（2） 无线电波为横波，其测试点场的分布（包括强度、相位、时延）与给定的电波传播方向有确定的关系。2.1.2 无线电测向的受限因素无线电测向的使用精度不是任意设计的，它将受到以下一些因素的限制：（1） 传输介质不均匀性的影响。无线电波传播的直线特性都是以均匀介质为条件的，实际上当地波在通过不同类型地表交界处时有“海岸效应” ，不均匀电离层反射时侧向偏移以及地形地物的阻挡等，均会引起传播方向的改变。这些因素带来的误差除电离层侧移可通过长时间平均减少外，大都是无法消除的。这种误差人们惯称传播误差；（2） 多径波
14、相干的影响。无论是无线电波在传播过程中造成的多径还是测试点附近存在二次辐射体，都使电场变成相干场，这时场的空间分布已偏离作为无线电测向依据的平面波场分布，造成测向误差。这种误差惯称相干误差或多径误差；（3） 噪声干扰影响测量精度。实际测向作业中多数情况是对低场强信号测向，这时无论是同波干扰，还是背景噪声以及交互调噪声，都将扰动测试精度；（4） 测向设备固有精度影响，常叫仪器误差或系统误差。纵观无线电测向技术的发展史，就是研究如何有效利用无线电波波场的电参数实现测向，并减少或克服各限制因素的影响，因而出现了多种无线电测向方法和体制。2.2 无线电测向方法与分类实现无线电测向的方法很多，分类的思路
15、也不尽同，但从下面将要介绍的多种具体测向方案（以后称测向体制）将要看到，各种测向体制都是基于测向依据对电场分布进行测量，从而计算出电波到达方向。电场空间分布状态的测量方法有四种情况，或称四类基本测向方法，即：（1）通过定向天线（阵）的输出幅度测量进行测向，统称幅度测向法。定向天线或无方向天线组成的定向天线阵，具有确定的方向性图，其输出值与电波传播方向有确定的对应关系，因而可通过定向天线（阵）输出幅度的比较来确定无线电波到达方向。实际上定向天线（阵）的输出是作用于天线各细小单元上的感应电动势的合成电压，定向天线的输出幅度是空间电场分布状态的函数。利用幅度法进行测向的体制很多，旋转环测向是最简单也
16、是最早发明的测向体制，乌兰韦伯尔大孔径测向体制是较复杂的一种旋转天线体制，单脉比幅是对雷达信号测向的常用体制等；（2）通过间隔天线间的相位测量比较进行测向，统称相位测向法。这是直接通过天线对空间电场相位分布进行取样、测量，并根据样点的相位关系完成测向。相位干涉仪和多卜勒测向机都是常用体制。相位干涉仪体制是通过天线（场传感器）对空间电场的相位进行取样，然后根据相位分布规律和测试的各相位差值求解出电波到达方向，而多卜勒测向体制是循环把相邻天线相位差值按确定关系转换为频移，通过频移测量而求解出电波到达方向；（3） 通过间隔天线电压矢量测量进行测向，统称矢量测向法。这是用分散的天线直接测量空间场的矢量
17、分布而求电波到达方向的方法，最典型的测向体制是高分辨率空间谱估计测向技术，尽管这种技术还不十分成熟，但它同时使用了幅度和相位两种参数，为分解相干波提供了理论依据。近代发展起来的相关干涉仪测向体制也应用了矢量测量，虽不能分解相干场，但可以减少相干场的影响，并用比空间谱估计造价低得多的代价就获得测向高精度和高灵敏度特性；（4） 利用无线电波的群延时特性，通过时差测量求出电波到达方向，统称到达时差测向法。表一、常用测向体制分类：1、基于幅度测量的测向法。测量方向性天线间的相对电压幅度，并计算出电波方向的方法。常用体制（方案）有： 旋转定向天线测向机 旋转角度计测向机 Adcock/Watson-wa
18、tt 测向机 改进型 Adcock/Watson-watt 测向机 单脉冲比幅测向机等2、基于相位测量的测向法。测量天线阵列各天线间相对的输出电压相位差，并计算出电波方向的方法。常用的体制有： 相位干涉仪 多卜勒测向机3、基于矢量测量的测向法。测量天线阵列各天线间相对的复数电压，并计算出电波方向的方法。常用的体制有： 相关干涉仪测向机 空间谱估计测向机4、时间差测向法。测量天线间的群延时差，并计算出电波方向或辐射源位置。2.3 无线电测向设备的基本组成测向设备一般由四部分组成，即测向天线（阵） 、测向信号预处理器、测向接收机和测向终端机。如图示：图、测向设备组成2.3.1 测向天线（阵）测向天
19、线或者是由多个测向天线元构成的测向天线阵在这里起场传感性的作用，通过它对某个观察空间的电场进行取样，这些取样值中包含着电波的方向信息。在第四章已讨论过常用的测向天线元：环形天线、偶极子天线、单极子天线和定向天线等。有些天线，如具有较尖锐方向图的对数周期天线、螺旋锥天线、喇叭天线等，甚至具有正弦方向图的环形天线，水平放置的偶极子天线、Adcock 天线等，都可直接用它的方向图进行测向。事实上如把这些天线看成是由若干个更小的有限元组成的，那么天线输出将是这些有限元对场取样值的加权矢量和，即天线输出幅度中包含了无线电波传播的方向信息。测向天线阵是多数测向体制采用的天线形式。测向天线阵中采用的天线元和
20、阵列形式是由测向方法和体制以及技术要求等确定的，大概有以下一些类型：测 向天线（阵）测 向预处理器测 向接收机测 向终端机（1） 线阵，适用于对一个扇面进行精确测向的体制，如作为边射阵用于和差干涉仪，天线元均匀排列；如作为窄带目标跟踪的超大孔径相位干涉仪，天线元可不均匀排列。（2） 正交阵。交叉环是最简单的正交阵，多数为两个线阵正交排列，这在watson-watt 测向方法、相位干涉仪测向方法中常用，偶尔也用于频率复盖较小的高分辨测向方法(空间谱估计)。（ 3） 圆 阵 ， 这 是 使 用 较 广 的 组 阵 形 式 ， 如 乌 兰 韦 伯 尔 测 向 体 制 、 多 卜 勒 测 向 体制 、
21、 相 关 干 涉 仪 测 向 体 制 、 空 间 谱 估 计 超 分 辨 测 向 体 制 都 应 用 圆 形 天 线 阵 。（4） 随机阵等。在这里介绍有关天线阵的两个常用概念。 稠密阵和稀疏阵在阵列中，若阵元间距小于 2 时，称该阵列为稠密阵；若阵元间距大于等于2 时，称该阵列为稀疏阵。采用稠密阵还是稀疏阵，这与测向体制有关。 小孔径与大孔径人们把天线阵的最大尺寸 D 与工作波长 之比（D）叫天线阵的孔径（基础） 。对 D1 的阵叫小孔径（小基础）天线阵，D3 时叫大孔径（大基础）天线阵。天线阵对 1D3 的阵有时也叫中孔径（中基础）天线阵。其实这种分法并不严密，因为常用的天线阵多数在宽的工
22、作波段内使用，因而在频段高端和低端天线阵孔径是差别很大的。所以在说天线孔径时是指工作频率范围内多数频段或重点频段所属的孔径。天线阵孔径大小在无线电测向实践中有着重要意义：天线孔径大意味着对电场取样空间加大，所测试的数据差别越大，对测试仪器精度的要求就越低，更重要的是，当有反射场存在使主波电场产生相干畸变时，导致的测向误差几乎随孔径增加而线性减小。以后讨论具体测向体制时将会看到，天线孔径大小常受到所用体制的制约，并且随孔径增加使系统制造难度加大。 2.3.2 测向信号预处理器测向信号预处理器的功能是把天线阵列各天线输出信号进行一次加工，使其变成含有方向信息并符合取向要求的信号形式。测向信号预处理
23、后常使后面的设备大大简化。常用的预处理器形式有：（1） 天线模拟旋转器这 是 用 固 定 天 线 阵 实 现 天 线 旋 转 的 预 处 理 器 ， 如 HF Adcock 测 向 机 中 ， 固 定 的 正交 Adcock 天 线 输 出 电 压 通 过 磁 耦 合 线 圈 （ 电 感 角 度 计 ） 旋 转 模 拟 Adcock 天 线 旋 转 ， 并输 出 含 方 向 信 息 的 正 弦 形 （ “8”字 形 ） 方 向 图 ； 如 在 使 用 圆 阵 的 多 卜 勒 测 向 体 制 中 ，通 过 对 旋 转 开 关 圆 周 上 的 天 线 顺 次 接 通 ， 模 拟 天 线 在 圆 周
24、 上 移 动 ， 把 天 线 间 的 相 位 变化 转 化 为 含 有 方 向 信 息 的 多 卜 勒 频 移 调 制 等 。（2） 比例变换器这是 watson-watt 测向方法使用 Adcock 天线阵时需要插入的预处理器，其作用是把多个 Adcock 天线的输出分组合成，输出两个与到达方向成正弦和余弦规律变化的电压。（3） 旋转波束形成网络定向天线本身可视为波束形成器，因而对旋转定向天线的测向体制就不再要求插入预处理器。但是，类似使用固定圆阵的乌兰韦伯尔测向体制，就需要使用旋转波束形成网络，即通过对多个天线输出进行补偿延时并相加形成尖锐的波束，然后通过开关矩阵（常用梳状电容开关）转接天
25、线而实现波束旋转。这种旋转波束形成网络也惯称乌兰韦伯尔角度计。有时采用定向天线波束按辐射方向排列成圆阵，这时所用的预处理器实际上简化为旋转开关器。（4） 相位合成网络对雷达信号进行测向的多模圆阵测向体制中使用的巴特（Butter）矩阵就是这种典型形式。巴特矩阵是 NN 口无源相位网络，圆周上的 N 个天线感应电压输入，在 N 个输出口上就有与来波方向对应的输出。2.3.3 测向接收机在第五章已对测向接收的类型与要求进行了专门讨论，这里需补充说明的是，接收机的类型要求是与具体的测向体制联系在一起的；测向接收机的水平在很大程度上制约着测向技术的发展，特别是幅相平衡的多波道接收机是现代研制高分辨率测
26、向和瞬时信号测向的基础设备；随着计算机和信号处理技术的发展，数字式多波道接收机把天线感应的信号不经预处理器直接变频放大并数字化，就可通过后面的取向算法实现多种测向方法。2.3.4 测向/控制器这部分的主要功能是对整个系统进行调整并完成取向。测向/控制器可归纳为三类，即以手工操作为主体的测向/控制器，以模拟硬件和 CRT 为主体的视觉测向/控制器，基于计算机并以数字信号处理与算法为主体的测向/控制器。这三种形式体现了无线电测向技术的发展历程。（1） 以手工操作为主体的测向/控制器这是通过控制天线旋转或者通过预处理器模拟天线旋转，利用输出信号强弱（大音点或小音点）完成取向。其主要特点是设备简单，并
27、靠人工的选择性获得较强的抗噪声、抗干扰的能力。（2） 以模拟硬件和示波管为主体的视觉测向/控制器这是历史上称为自动测向机的主要标志。这是以示波管上模拟显示的图形为基础，对系统进行调整，并由人对显示图形进行分析、识别和取向。其主要特点是为取向提供了一个动态全景显示，有利提高取向的可靠性。（3） 基于计算机，以数字信号处理和算法为主体的测向/控制器。这在目前是真正意义上的自动测向的算法。它按照指令或预设程序对接收机、预处理器甚至天线进行控制和调整，对含有方向信息的信号进行数字化和处理，通过算法求解出电波到达方向，包括误差的自动校正。2.4 无线电测向设备（系统）的基本技术指标根据无线电测向设备（系
28、统）的应用目的和测向业务实践经验，基本技术要求有：（1） 测向体制和天线孔径测向设备（系统）所用体制和天线孔径，既体现了体制特点，也在很大程度上决定了设备的水平，在很大程度上影响着使用效能。同样重要的也影响着制造成本。所以研制者和使用者都关注所用的测向体制和约定的天线孔径。（2） 工作效率范围是指各项技术性能都符合要求的最大工作频段。由于测向准确度和测向灵敏度两性能指标对频率更敏感，并且容易检验，因而常把满足这两项指标要求的工作频段叫工作频率范围。工作频率范围是根据测向任务具体确定的，由于它常受到测向天线（阵）的工作频率范围的限制，多数在工作频段的两端性能下降，当要求更宽的工作频率范围时，常需分段设计天线阵。（3） 天线极化形式：天线极化形式须根据测向对象的极化形式确定。明确天线
