基于空间谱估计的短波测向系统设计

甄雪娇

(国家新闻出版广电总局哈尔滨监测台，哈尔滨 150089)

1 引言

测向系统在广播电视信号监测工作中具有非常重要的作用，通过对给定频率进行测向定位，可以及时发现不明电台、违规电台和非正常辐射，并及时排查和解决。设计一套短波测向定位系统，需要综合考虑各方面的因素，包括根据测向精度和灵敏度等指标选取无线电测向体制及其硬件实现途径，根据测向定位流程设计系统整体方案等。本文设计的短波信号测向定位系统采用了空间谱估计测向技术和数字波束合成技术，实际应用中具有测向灵敏度高、测向定位准确度高、可对同频多信号和弱信号进行测向等优点。

2 测向方案选择

传统的短波测向技术有方向图测向(利用强方向性天线或者天线阵进行全方向扫描，利用接收到的信号的最强点或者最弱点搜索出入射波方向)、振幅法测向(测向时不采用直接或间接旋转天线方向图的方式，而是采用计算求解的方法获得来波方向)、比相法测向(通过测定各测向天线单元上来波的相位和相位差来确定来波方向)和多普勒测向(通过测定被接收的电波信号由于多普勒效应产生的频移来确定来波的方向)等几种方法，由于测向原理简单且易于实现，因此仍然有着广泛的应用［1］。

作为新的测向体制，空间谱估计测向主要根据无线电波信号为时域函数，以功率谱密度为频域函数，采用无线电技术和谱估计方法来确定空间入射波来的方向，被称为高精度、高分辨力的测向。该方法充分用了各天线阵元接收到的所有信息，因此可以用于多波环境下，实现同时对多相干波，或者对同频信号中的多个信号进行测向［2］。空间谱估计测向算法高效精准，但是要求线阵元为宽带天线，且各天线和通道之间有极好的一致性。几种常用短波测向技术优缺点的比较［3］见表1。

表1 几种常用短波测向技术比较

随着智能天线技术的日渐成熟，智能天线也开始应用到无线测向领域中。基于空间谱估计和数字波束合成技术的新型测向体制无论是从理论角度还是工程角度来说，都克服了传统测向方法的弊端，还延伸了传统方法的优点。新的测向体制下的短波测向技术对于提高测向灵敏度和定位准确度，提高对同频多信号和弱信号的测向效果，提高抗干扰能力等，都有着十分重要的意义［4］。

随着数字信号处理技术的发展，越来越多的信号处理算法被提出来，原来只用于基带处理的算法也逐渐被移植到中频甚至射频频段上，不但降低了系统对模拟通道的要求，也增强了系统的灵活性。本系统的数据采集器是设置在多通道接收机的中频处。接收机的工作波段为短波，但无论接收哪一频道信号，中频频率总是固定不变的，这样便于设计数据采集器并方便完成数据采集工作。接收信号的带宽相对于中频频率仍是很窄的，因此中频输出仍可视为高频窄带信号，无论用模拟电路还是用数字信号处理技术获得复包络中的正交分量都是比较容易的。整个空间谱估计系统组成部分如图1所示。

图1 短波测向站系统组成

3 系统设计方案

一般来说，无线电测向系统由测向天线阵、监测天线、计算机、接收机、控制驱动设备、遥控设备以及电源系统等组成。无线电信号经监测或测向天线接收并送入接收机处理。接收机将1.5 MHz－30MHz的短波信号进行放大、变频、滤波、数字化等处理后输出测量结果数据。计算机通过网络读取接收机的测量结果，并通过无线电综合监测软件系统进行分析统计等处理后提供给用户使用。本文设计的短波测向监测系统组成如图2所示。

图2 系统总体结构图

总的来说，整个测向系统分为三大部分:天线、下位机(即硬件系统)和上位机(即软件系统)。因此，对于短波测向系统的设计可以从以下三个方面进行:

天线阵设计:根据进行空间谱估计计算时需要利用模式空间变换，保证空间谱不在除了信号源方向外出现模糊，并且对短波频段进行全覆盖测向等要求，对天线阵系统设计进行精确计算，确定天线阵类型及结构参数。

下位机设计:包括地井内信号处理柜设计和远程控制台设计等。

一般来说，由测向天线阵接收空间的电磁信号，经天线馈线接至地井工作站中信号处理柜的天馈匹配避雷器输入端口。经过相应的阻抗匹配后，天线接收的信号送入接收机。接收机将短波信号变换到模拟中频信号，再分别送入数字处理器进行高速A/D采样，把模拟信号转化为对应的数字信号。A/D采样模块完成模拟中频信号的采样后进行变频，变换到零中频的数字中频信号送到信号处理模块进行数字处理，数字处理器中的信号处理模块单元把采集的数字信号进行相应的处理和计算，经过空间谱估计算法以及数字波束合成算法的实现，生成相应的处理数据通过光缆传输给远程控制台的主控制器。主控制器再通过对应的数据采集处理，计算出天线阵接收信号的方位信息和角度信息。

上位机设计:包括系统总体控制、数据处理方法、网络设置方法、频率接收与调制、频率测向与频道测向方法与校正、数字波束形成及空间谱估计算法及实现等。

3.1 测向系统的硬件组成

基于系统整体设计方案，针对实际的短波测向定位系统，对硬件组成进行详细设计。主要包括测向天线阵、信号处理柜、远程控制台等。

3.1.1 测向天线阵

系统的测向天线采用专用于短波测向接收的一种宽频带无源天线。这种天线安装方便，接收效果良好。采用的测向天线阵为9元非均匀圆阵，半径为40米，阵元为全向直立天线。短波测向天线由短波天线杆和高频电缆二部分组成。频率范围为1.5 MHz－30MHz。系统测向天线位置分布如图3所示。

测向天线阵为室外设备，负责对空间电磁信号的接收，测向天线阵地各天线单元的相对距离和相对角度的误差直接影响到测向站系统的测向指标。因此天线阵地的建设是否符合系统技术要求直接关系到整个系统的成败。因此对天线阵提出了以下几点要求:

1.天线场地为直径大于80米的圆形空地;要求天线阵地面的导电性能良好，并且具有一致性;圆心处有一放置设备的地井，地井高度低于1.5米。

图3 天线位置图

2.每个天线底部铺设地网线，地网的铺设按杆子中心16个方位均布，地网线的接地好坏直接影响示向的清晰稳定。

3.电源线、电缆线必须深埋到地面以下，每根天线馈线必须加套塑料套管后埋于地面下，通往天线中心处的地井中。每根天线周围需要埋入三根接地柱以保证天线的接地良好。

4.200 米以内垂直金属体的高度不得超过10米，其它所有对测向会造成干扰的设备距离天线阵的最小距离满足设计要求。

3.1.2 信号处理柜

信号处理柜安置于天线阵中心的地井工作房里，信号处理柜由天馈匹配避雷器、九信道接收机、信号处理器、光纤终端盒组成。

1.天馈匹配避雷器:天馈匹配避雷器完成50Ω的阻抗变换，内含防雷器。避雷器两端分别为九路天线馈线接入端和避雷器输出端，接至九信道接收机。

2.九信道接收机:采用九信道接收机，接收频率为1.5MHz－30MHz的短波信号。信号经一混、滤波后输出中频为41.4MHz。九信道接收机由高频单元(9个)、频率合成器单元、接口单元和电源单元组成。

3.数字处理器:数字处理器由DSP模块、AD采样模块、时钟模块、接收机控制模块、电源模块等组成，为空间谱估计算法计算提供硬件环境。

数字处理器为整个系统的主要控制处理单元，它采用多DSP处理器完成对九信道接收机的信号采集计算和控制，与远程控制台进行控制命令和数据的交换;同时为空间谱估计算法和波束合成算法提供可靠的硬件环境。

4.光纤终端盒:信号处理柜中的光纤终端盒是系统通信光缆经过户外光缆进入天线地井中的光缆转接单元。转接后的光缆送至信号处理器的信号处理单元，实现和机房内远程控制台的数据通信。

3.1.3 远程控制台

远程控制台放置于监测机房内，通过光缆与测向天线阵相连接并进行数据传输和控制。远程控制台由主控制器、多媒体音响系统、光纤终端盒组成。

1.主控制器:主控制器通过光缆和地井里的信号处理器进行数据通信，接收处理数据和发送控制命令。主控制器配备显示器、PCI光通信接口卡、外接式光盘驱动器、键盘、鼠标。

2.多媒体音响系统:多媒体音响系统在远程控制台里为操作员提供接收信号的监听控制。

3.光纤终端盒:远程控制台中的光纤终端盒是系统通信光缆经过户外光缆进入工作机房的光缆转接单元。转接后的光缆送至主控制器的PCI光通信接口卡，实现和天线阵地井里信号处理柜的数据通信。

3.2 测向系统的软件功能

3.2.1 系统操作控制功能

短波测向定位系统的功能集中实现于系统远程控制台界面。远程操作控制台向上通过网络通信实现站间协作，向下对本站测向系统实施完全控制，主要包括测控操作、底层通信、数据处理与存储、网络联接等模块。实现的主要功能有:提供对测向系统的总体控制;对测向天线、接收机等硬件设备进行监测和遥控操作;实现完整的对目标信号测向、定位功能;提供智能天线的控制功能;提供测向网通信单元;提供测向数据查询，回放功能。

3.2.2 测向定位功能

由于短波信道性能存在快变化，即使每次测向之间时间相隔很短，测得结果也会有所不同。为提高测向准确度，采用连续多次测向结果求平均值的办法确定信号方向，合起来称为一个测向过程。测向的结果可以通过方向圆盘视图和空间谱图的方式直观表示:

1.方向圆盘视图可以显示被测信号测向结果的空间二维方向坐标。一个方向点的坐标由方位角和仰角组成，视图以圆周表示信号的方位角，以正北方向为方位0度;以半径表示信号的仰角，越靠近圆盘中心其仰角越大，如图4所示。

2.空间谱图可以显示被测信号的3D空间谱图，空间谱图反映了最近一次测向时信号在空域上的能量分布，如图5所示。

图4 方向圆盘视图

图5 三维空间谱图

3.2.3 智能天线功能

短波信道特性复杂多变，信号衰落严重，且其方位角和仰角随季节、昼夜的不同即使在同频同信道条件下也有较大变化。另一方面，在接收频带内往往存在其它的干扰信号［5］。本系统采用数字波束合成技术，使天线阵的主瓣始终对准期望信号而在干扰方向上形成零点，可以增加单个信号的信噪比，改善监听效果。当存在同频干扰时，该功能可以抑制干扰，分离出待测信号。波束合成的算法由数字处理器实现。系统进行空间谱测向，根据测到的信号自动形成合成波束。

4 结束语

采用空间谱估计测向技术和数字波束合成技术的短波信号测向定位系统具有高分辨率的信号测向功能和智能天线功能，集信号侦察、信号管理、信号测向、信号定位于一体，具有测向灵敏度高、测向定位准确度高、可对同频多信号和弱信号进行测向、操作简单等优点，突破和解决了传统测向系统的技术难题，适合于对短波信号的精确测向和定位。

［1］司伟建，吴迪，陈涛.基于部分重合信号的空间谱估计新方法［J］.吉林大学学报(工学版)，2014(2):490－496.

［2］Y J Zhang，Y P Zhou.An iterative approach to MVDR beamforming with multicycleoptimization［J］.International Journal of Electronics，2013，100(5):616－625.

［3］鄢恒聪.浅析主流无线电测向技术体制［J］.中国无线电，2006(4):27 －29.

［4］霍云波.基于空间谱估计测向技术的无线广播电视监测系统设计［J］.广播与电视技术，2013(5):100－103.

［5］R C de Lamare，L Wang，R Fa.Adaptive reduced－rank LCMV beamforming algorithms based on joint iterative optimization of filters:Design and analysis［J］.Signal Processing，2010，90(2):640 －652.