一种非线阵双基线干涉仪无线电监测技术

唐 龙

（桂林长海发展有限责任公司，广西 桂林 541001）

0 引言

随着无线电通信技术的迅速发展，无线电信号设备在国防、社会经济和生活中发挥着重要作用，也导致环境中电磁干扰信号源呈现出类型多样、参数复杂的多态化特点，特别是运动灵活、体积小且不易被发现定位的非法无线电干扰源的使用，使无线电信号存在多径反射、散射现象，给监测工作带来极大的困难，高效地监测电磁环境是通信领域研究的热点前沿技术［1-2］。

无线电监测主要功能是利用无线电技术对无线电信号辐射源进行侦测、定位和分析，目的是为无线电侦察干扰和频谱管理工作提供技术支撑和科学依据［3］。无线电监测设备需要满足地方管理部门对电磁环境普查、应急机动监测、无线电干扰以及“黑广播”查处等工作要求，是保障国防建设、重大活动举行的关键性技术设备。推进无线电监测设备自主可控对国家安全极其重要［4］。

为了适应瞬时360°全方位测向，通常采取四面阵干涉仪测向拼接、圆阵相关干涉仪测向或圆阵比幅比相测向方式［5-6］。因四面阵干涉仪测向通道数量多，圆阵相关干涉仪全向天线增益小，圆阵比幅比相测向精度低，一定程度上会增加设备体积、质量、功耗和硬件成本，所以不利于设备小型化需求发展。针对上述问题，在简单介绍硬件、软件国产化替代选用原则的基础上，提出一种基于定向天线子阵列的圆阵双基线干涉仪测向方法，结合定向天线子阵列高增益特点、非线阵双基线干涉仪测向技术和信息化设备安全自主可控要求，通过对定向天线子阵列优化组合，实现瞬时360°全方位高灵敏度和高精度测向，能够降低设备体积、功耗和成本等。

1 国产化替代应用破解装备自主发展难题

网络安全和信息化设备要求加快推进国产自主可控替代计划，构建安全可控的信息技术体系。无线电监测设备安全可控工作推进相对滞后，对外依存度高，选用进口设备存在有信息安全隐患、保障体系不受控制等问题；信息基础设施安全自主可控程度低、核心元器件“卡脖子”和信息安全系统弱等问题影响国家信息安全，需要迫切推进无线电监测设备国产化替代工作，破解制约设备自主发展的“卡脖子”难题［7］。

1.1 硬件国产化替代选用原则

目前无线电监测设备中部分关键电子元器件，特别是高端器件受限于半导体技术和工艺，国产元器件与国外存在较大差距，选用国产电子元器件可能会给设备研制生产带来难度和风险［8］。选用电子元器件的主要原则是：

1）选用外购电子元器件应符合有关行业标准和国家标准，优先选用成熟、质量稳定、可靠性高和能持续供货的标准电子元器件，不要选择已经被淘汰或停产的电子元器件。

2）严格限制电子元器件品种规格比，控制规格种类，提高同类型电子元器件通用性。

3）按照《合格供方管理程序》要求在经批准颁布的外购电子元器件合格供方名单中选择生产商。严格把关电子元器件选用过程，确保所采购电子元器件质量稳定，供货渠道可靠。

1.2 软件国产化替代选用原则

在软件系统设计过程中，考虑系统整体的安全可控、性能稳定，并考虑开发环境、操作系统和数据库要求选用国产自主可控的软件解决方案［9］。

1）开发环境选用能够跨平台、开源的集成开发环境，可以满足国产操作系统使用；

2）操作系统选用满足自主可控要求的国产操作系统；

3）数据库选用跨平台、开源、性能稳定的数据库。

系统采用国产麒麟操作系统、Qt开发环境和MySQL数据库的解决方案。麒麟系统是我国自主研制、安全等级最高、通过认证许可的国产操作系统，具有开源、跨平台、安全性高、可靠性强的优点，达到第四级结构化保护级要求［10］。Qt集成开发环境是一款支持麒麟、Windows和Linux等不同操作系统的开发环境，具有跨平台、多API接口和开源特点，支持OpenGL和2D/3D图形渲染。MySQL数据库是一款体积小、性能稳定、速度快且开源的数据库。

2 基于定向天线的圆阵无线电测向技术原理

考虑到无线电监测设备的高灵敏度和高精度监测，通过对2单元正交偶极子天线进行俯仰维波束合成的接收天线子阵列实现高灵敏度侦收，充分利用8个定向天线子阵列间相位关系来构建相位矢量，采用比幅测向实现粗测向，非线阵双基线干涉仪实现精测向［11］。圆阵无线电监测设备测向工作原理如图1所示。

2.1 圆阵无线电监测测向工作原理

假设M个定向天线阵元均匀分布在半径为R的圆阵列上，建立直角坐标系并以圆心O与圆阵第1天线阵元连线的延长线作为Y轴，θ为目标方位角。

选取圆阵第m个天线阵元，对应的直角坐标系位置 为 (Rcos(2π(m-1)/M)，Rsin(2π(m-1)/M))，以圆心O作为目标信号入射角参考点，阵元m接收到入射信号的时间延后于信号到达参考点O的时间［12］，则阵元m的接收信号模型可以表示为：

阵元m的相移为：

对应圆阵列中，第m阵元与第n阵元之间相位差为：

圆阵的基线 长度dmn=2Rsin((m-n)π/M)，然后根据相位差与θ关系可得：

2.2 基于比幅测向的非线阵双基线参差解模糊算法

当基线长度大于λ/2时，相位差ϕm，n的测量值随信号入射角θ变化超过2π，说明单基线干涉仪2个天线存在相位模糊，需要构建非线阵双基线的干涉仪天线阵列，非线阵双基线比例满足d1/d2=p/q（p，q互为质数）关系［13］，考虑到定向天线的波束宽度和天线之间夹角，设备按照相邻3个天线阵元进行组合，拟将360°分成16个22.5°区域，先通过比幅粗测向进行22.5°区域的选择，然后按照最优基线组合进行非线阵双基线干涉仪精测向，最后结合比幅测向结果和圆阵双基线干涉仪测向结果，按照一定约束条件进行测向结果可信度判断，实现目标信号的高精度测向。

以天线阵元（8，1，2）构建双基线3天线非线阵天线阵列为例，可以得到对应长基线和短基线相位差：

式中，d8，1=2Rsin(π/8)，d8，2=2Rsin(2π/8)。

根据基线d8，1、d8，2互质特性，得到：

整理可得：

因为|sinθ|≤ 1，所以对k8，1的搜索过程做进一步的推导得：

当k8，1在规定的取值范围内变化时，对应所确定的k8，2值会同k8，1值一起变化。Δϕ8，1和 Δϕ8，2存在测量误差，使得所确定的k8，2不能保证是整数；遍历k8，1规定范围内的所有模糊数，当 Δϕ8，1和 Δϕ8，2很接近真实值时，取与k8，2最接近的整数k8，2，0作为模糊数k8，2估计值 ；与k8，2，0对 应 的k8，1即 为k8，1，0，于 是 可 得 基 线 长 度d8，2的无模糊相位差：

进一步计算可以得到入射角估计值：

3 无线电监测设备系统设计与实现

德国R&S公司在我国进口无线电监测设备中占据主要地位，以8单元相关干涉仪体制的ADD170产品为例，其测向范围为360°，测向精度优于2°rms。国产化替代应用无线电监测设备按照小型化、通用化和模块化设计原则，采用非线阵双基线相位干涉仪测频测向体制，实现对瞬时360°空域内无线电信号进行高精度测向，主要包括接收天线圆阵列、小型化无线电监测接收机和无线电监测管理终端软件。

3.1 接收天线阵列

接收天线子阵列采用2单元正交偶极子（水平极化偶极子和垂直极化偶极子）天线实现，通过巴伦馈电达到阻抗匹配和平衡功能，对2个水平极化偶极子和2个垂直极化偶极子分别进行俯仰维波束合成，实现接收天线高增益［14］。接收天线阵列由按照均匀圆阵方式放置的8个接收天线子阵列组成，天线子阵列两两之间间隔45°，完成瞬时360°空域内无线电信号的侦收。接收天线子阵列示意图如图2所示。

图2 接收天线子阵列示意图

3.2 小型化无线电监测接收机国产化替代应用

小型化无线电监测接收机主要包括微波前端、变频模块和无线电监测处理电路。微波前端将8路接收天线射频信号经过有源滤波放大后送给变频模块进行下变频处理，通过单刀双掷开关切换内置校正源实现设备幅相一致性校正。变频模块实现下变频输出8路中频信号到无线电监测处理电路。无线电监测处理电路完成中频信号的采集及脉冲参数测量，完成比幅粗测向和非线阵双基线干涉仪精测向，形成信号流数据送给无线电监测管理终端软件进行信号处理。无线电监测接收机组成框图如图3所示。

无线电监测设备使用的射频微波类、接口类、电源类和电缆类等元器件基本实现国产化；使用的进口电子元器件主要是FPGA、DSP、ADC、存储器类芯片等。近年来公司在核心技术使用部件、器件等国产化方面开展大量工作，经过原位替换或功能替代方式，已经在多个项目中做了国产化应用验证，性能与国外器件相当，能达到自主可控要求。国产化无线电监测处理电路实物图如图4所示。

图4 国产化无线电监测处理电路实物图

3.3 无线电监测管理终端软件国产化替代应用

无线电监测管理终端软件主要用于设备状态显示、监测测向控制参数设置下发、无线电信号分选识别显示和采集存储，可以对信号流数据和中频数据进行脉间分析和脉内分析、系统资源配置、数据管理，可以表格和图形显示监测结果。

国产麒麟操作系统、Qt开发环境和MySQL数据库的国产自主可控软件解决方案已在多个型号项目上应用，并通过第三方软件测评、用户验收、产品交付，应用表明方案技术成熟，开发的软件系统性能稳定、安全可靠、跨平台性好。

4 仿真分析

4.1 测向误差分析

无线电监测设备按照8个接收天线子阵列均匀圆阵放置，通过比幅测向与非线阵双基线干涉仪测向相结合的方式实现360°瞬时测向。无线电监测设备测向误差主要由长基线长度决定，干涉仪测向误差计算公式为：

式中，λ表示信号波长；d表示基线长度；θ表示信号入射角；∆φ表示测量相位误差；∆λ/λ表示信号频率准确度。

干涉仪测向误差主要与基线长度d和测量相位误差Δφ相关，在基线长度确定的情况下，通常只考虑相位误差影响。测量相位误差由噪声误差、ADC量化误差、天线相位一致性和接收机通道失衡误差组成。通过实测天线不同基线相位差数据，经过分区间校正补偿后，天线相位一致性可以控制在5°以内，不同基线相位差校正补偿效果如图5所示。

图5 不同基线相位差校正补偿效果

在实际工程中，通常控制噪声误差小于4°，量化误差小于1°；校准后天线相位一致性控制小于8°，失衡误差控制小于5°，则设备最大相位误差是：

考虑一定工程设计余量，无线电监测设备经过相位校正后，按照最大相位误差小于12°进行仿真计算。

4.2 仿真结果

无线电监测设备采用基于比幅测向的非线阵双基线干涉仪测向体制，根据干涉仪双基线长度进行Matlab仿真验证，设置信噪比12 dB，测向范围360°，角度步进5°，最大测量相位误差12°，进行500次Mon⁃teCarlo试验来验证测向精度，仿真结果最大测向均方误差值0.89°，满足技术指标要求。测向误差仿真结果如图6所示。

图6 测向误差仿真结果

5 结束语

无线电磁频谱资源是关系国家安全的核心重要数据。针对电磁信号环境复杂和应用场景多样的难点，及电磁干扰信号源呈现多态化的特点，利用正交偶极子天线俯仰维波束合成技术、非线阵双基线干涉仪测向技术和多层级信号处理技术等最新研究成果，依仗已实现国产自主知识产权的电子、半导体、计算机等行业基础，在保证设备可靠性、性能指标相当的情况下，设计一种基于国产化非线阵双基线干涉仪的无线电监测设备。通过对均匀圆阵方式放置的8个定向接收天线子阵列优化组合，可以实现瞬时360°全方位高灵敏度和高精度测向，提升设备国产化替代应用程度，促进设备自主可控和安全可靠发展，后续无线电监测技术可以融合人工智能算法，实现基于无人机群的分布式无线电监测定位技术。