空间谱估计测向及其应用的初探

肖长宁

（湖南省益阳市无线电监测站，湖南 益阳 413000）

1 空间谱估计测向技术的特点和理论基础

与传统测向方法相比，现代的空间谱估计测向具有以下突出特点：（1）多个同频信号的测向能力。（2）相对于传统测向，其分辨力较高；（3）与相关干测向法比较其测向精度高；（4）与多普勒测向体制比较，空间谱估计测向的测向灵敏度也较好。

1979年美国人R.O.Schmidt提出著名的MUSIC（Multiple Signal Classification多信号分类）算法，是空间谱估计方法和理论的重要基石。MUSIAC算法是基于以下的假设，建立阵列信号的数学模型。（1）辐射源位于远场，即接收机的接收天线阵列的尺寸远小于距离，感应的为平面波，且辐射源各向同性的点源，是窄带信号，相对于信号的载频而言，信号包络的带宽很窄（包络慢变），这样信号对接收阵元的影响，仅有由其到达各阵元之间的波程差而引起的相位差异。（2）接收天线阵列按特定的形式排列，信号接收的特性仅与其位置有关，而与其尺寸无关，各阵元的空间位置是已知的，切各阵元的增益均相等，相互之间的无互耦。（3）接收机接收的外界噪声，假设为加性高斯白噪声，接收机内部在各阵元上的噪声相互统计独立，且噪声与信号是统计独立的，也就是不相关的。

窄带远场信号的DOA数学模型为

阵列矩阵的协方差矩阵为

由于信号和噪声是统计独立，不具有相关性，因此，数据协方差矩阵可以分解出为信号和噪声两个部分，为信号部分。

对R进行特征分解，有

由于理想条件下信号与噪声是统计独立，且没有相关性，因而信号子空间与噪声子空间在理论上是相互正交，且信号子空间中的导向矢量也与噪声子空间相互正交。

基于该性质，可以得到经典的MUSIC算法。一般而言，所有接收机的实际接收数据矩阵是有限的，因此数据协方差矩阵的最大似然估计为

所以，MUSIC算法的谱估计公式可以写为：

MUSIC的算法步骤可以概括为：

（1）由阵列接收机的接收数据得到数据协方差矩阵；（2）对数据协方差矩阵进行特征分解；（3）由数据协方差矩阵的特征值进行辐射信号源数判断；（4）确定接收的信号子空间和噪声子空间；（5）根据接收信号参数范围进行谱峰搜索；（6）找出极大值点对应的角度就是信号入射方向。

MUSIC算法是空间谱的算法的一种，也是研究得较多的一种算法，并在发展过程中，MUSIC算法也演变出了多种算法。

2 空间谱估计测向设备的组成实例

DM9250S九通道空间谱测向系统是以北京德辰科技股份有限公司研制的DF1301A九通道宽带接收机为基础，集合DA9231A双极化测向天线、DA2551F垂直极化测向天线所组成，该系统采用先进的空间谱/相关干涉仪测向体制，可在多径干扰和杂散辐射干扰等复杂电磁环境下实现对20MHz～8000MHz频段内多个同频信号的快速监测与高精度测向。

空间谱估计测向设备主要分为20MHz-3000MHz九通道全频段双极化测向天线、3GHz-8GHz九通道垂直极化测向天线及九通道宽带测向接收机三部分构成，其算法是基于改进的MUSIC算法。

（1）九通道宽带测向接收机

九通道的宽带搜索测向接收机采用PCIEx4总线平台，主要由PCIE主板、数据交换板、底板、电源、监测测向处理模块和测向通道组成。测向通道包括9路测向信道、自校源及参考源组成。超短波监测测向接收机采用独立的测向通路，测向通路采用9信道接收体制，中频输出带宽为20MHz或500kHz，瞬时测向带宽最宽可达20MHz。

测向通道技术指标：

频率范围：20MHz-3000MHz

调谐分辨率：5kHz

中频带宽：20MHz

频率准确度：≤±1×10-7

中频相位噪声：≤-105dBc/Hz@10kHz

三阶互调截点：≥20dBm（低失真模式）

二阶互调截点：≥60dBm（低失真模式）

中频干扰抑制比：≥105dB

镜频干扰抑制比：≥105dB

噪声系数：≤12dB（低噪声模式）

测向通路工作原理：

测向开关阵输出的9路射频信号进入9路测向信道，信道采用三次变频方案完成对信号的滤波、放大和变频，输出以76.8MHz/70MHz为中心，带宽为20MHz或200kHz的中频信号。信道单元输出的9路中频信号进入测向处理模块，进行A/D采样、数字下变频和FFT处理等相关处理后，实现信号的测向。测向通路可在瞬时带宽内完成频谱监视、测向、参数测量和解调等任务的并发处理。

分机中各个部件均采用PCIEx4总线接口，主板通过PCIEx4总线完成对各个部件的控制及数据传输，并通过网口完成和席位计算机的通信功能。

采用型号为DF1301A九通道测向主机，该设备配备9个测向接收机模块，测向接收机采用超外差数字接收机体制，主要完成信号的滤波、放大和变频，然后将中频信号送至信号处理器，最终完成信号测向。

信号处理器性能指标：

通道数：9

ADC量化位数：不低于14位

中心频率：76.8MHz/70MHz

信号幅度：±2Vpp

采样率：102.4MHz（外时钟）

滤波范围：100Hz-20MHz

通道隔离度：≥80dB；

基带信号动态：≥80dB；

总线规范：PCIE×4（V2.0）

（2）九通道全频段双极化测向天线

测向天线为固定站使用，极化方式包含垂直极化和水平极化。垂直极化频段分别为20MHz～200MHz、200MHz～1000MHz、1000MHz～3000MHz三段，水平极化频段为40MHz～1300MHz水平极化天线阵。每层测向天线阵均采用9阵元偶极子天线，呈均匀圆阵分布，安装在固定站天线铁塔上。天线顶端安装避雷针。

该天线采用九阵元均匀圆阵，空间分为四层，从下至上空间分层结构为：

第一层：工作频段为20MHz～200MHz，垂直极化，孔径为3米，天线单元形式为对称偶极子；第二层：工作频段为200MHz～1000MHz，垂直极化，孔径为0.95米，天线单元形式为对称偶极子；第三层：工作频段为40MHz～1300MHz，水平极化，孔径为0.8米，天线单元形式为交叉环天线；第四层：工作频段为1000MHz～3000MHz，垂直极化，孔径为0.25米，天线单元形式为对称偶极子。

DA9231F性能指标：

通道幅度误差：＜3dB

通道相位误差：＜3°

通道隔离度：＞40dB

插入损耗：20MHz-200MHz＜6dB；200MHz-3GHz＜10dB

3 空间谱估计测向实际使用几个问题

空间谱估计测向是建立在严格的信号模型和复杂的谱估计理论上的一种技术，从理论上和实际使用中，这种技术具有高精度、高分辨率和抗多径干扰等优异性能，在无线电测向应用中具有广阔的前景。与目前应用较广的相关干涉仪相比较：采用相关干涉仪测向技术，目标信号必须满足5dB以上的信噪比，如果要满足一定精度的要求，信噪比必须达到10dB以上，而空间谱测向目标信号，只需满足-5dB即可完成相同精度的测向；采用空间谱估计测向技术可对同频某个方向的信号进行零陷，等效增强其他方向的信号，从而达到提高信噪比（约40dB）的效果，而采用相关干涉仪测向技术是不能实现这样的功能的。

虽然空间谱估计测向体制从理论拥有技术优越性，从算法实现的过程来看，空间谱估计测向的实际效果还取决于：阵元数的多少、阵元间距点的大小、快拍数的大小和信噪比的大小。从整套设备来看还与阵元之间的耦合、接收机的一致性有较大的关系。从使用的空间谱站实际使用来看，还存在值得改进的地方很多。

4 结束语

从DM9250S九通道空间谱测向系统实际使用的情况来看，空间谱估计测向技术虽然有许多优势，还有不尽人意的地方，需要进行改进。