寬帶多信號(hào)測(cè)向技術(shù)

　　目前，以快速傅里葉變換為基礎(chǔ)的寬帶多信號(hào)測(cè)向技術(shù)可在多種測(cè)向方法的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，這是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在無線電測(cè)向技術(shù)應(yīng)用中所取得的碩果。

1.快速傅里葉變換

　　寬帶多信號(hào)測(cè)向技術(shù)運(yùn)用快速傅里葉變換可實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量多個(gè)信號(hào)的方位。在討論寬帶多信號(hào)測(cè)向技術(shù)之前，有必要簡(jiǎn)要地回顧一下快速傅里葉變換。

　　快速傅里葉變換是實(shí)施離散傅里葉變換的一種有效而高速的算法，它的基本原理是J.W.Cooley和J.W.Tukey于1965年在貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的。

　　快速傅里葉變換是一種面向記錄的算法，它的輸入是對(duì)被分析的信號(hào)取樣所得到的數(shù)據(jù)，總共有N個(gè)時(shí)域取樣數(shù)據(jù)。為了簡(jiǎn)化快速傅里葉變換的計(jì)算，N被限制為2的乘冪。快速傅里葉變換的輸出是離散的復(fù)數(shù)頻譜，這個(gè)離散的復(fù)數(shù)頻譜總共有N個(gè)頻域點(diǎn)。但是，這N個(gè)頻域點(diǎn)并不完全獨(dú)立，前半部是多余的。因此，快速傅里葉變換的輸出只保留編號(hào)為的頻域點(diǎn)。這些復(fù)數(shù)的頻域點(diǎn)既包含了幅度信息，也包含了相位信息。

　　增大時(shí)域取樣點(diǎn)數(shù)N，也就增大了快速傅里葉變換輸出的頻域點(diǎn)，即提高了快速傅里葉變換的頻率分辨力。但是，這將增大快速傅里葉變換的計(jì)算時(shí)間。

2.寬帶多信號(hào)測(cè)向的基本原理

　　快速傅里葉變換需要輸入被分析信號(hào)的N個(gè)取樣數(shù)據(jù)。能夠?qū)⒖焖俑道锶~變換運(yùn)用于其中，從而實(shí)現(xiàn)寬帶多信號(hào)測(cè)向的測(cè)向方法，應(yīng)當(dāng)屬于數(shù)字式測(cè)向方法。所謂數(shù)字式測(cè)向方法，是指這樣一類測(cè)向方法，測(cè)向接收機(jī)中的包含有來波方位信息的中頻信號(hào)被數(shù)字化，并且根據(jù)接收到的來波的中頻信號(hào)的幅度或相位的數(shù)值，按照所采用的測(cè)向算法進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算而求出其到來 的方向。寬帶多信號(hào)測(cè)向是快速傅里葉變換同數(shù)字式測(cè)向方法相結(jié)合的產(chǎn)物。在寬帶多信號(hào)測(cè)向設(shè)備中，首先對(duì)寬帶測(cè)向接收機(jī)的中頻信號(hào)實(shí)施快速傅里葉變換，得到測(cè)向接收機(jī)帶內(nèi)各個(gè)來波的中頻信號(hào)的幅度和相位，然后對(duì)每一個(gè)來波的幅度或相位，執(zhí)行所采用的測(cè)向算法求出每一個(gè)來波的方位。

3.寬帶多信號(hào)測(cè)向設(shè)備舉例

　　成都華日通訊技術(shù)有限公司開發(fā)了FFT雙通道相關(guān)干涉儀測(cè)向設(shè)備和FFT單通道相關(guān)干涉儀測(cè)向設(shè)備�，F(xiàn)以其FFT雙通道相關(guān)干涉儀測(cè)向設(shè)備為例來說明寬帶多信號(hào)測(cè)向是如何實(shí)現(xiàn)的。FFT是快速傅里葉變換的英文詞“fast Fourier transform”的縮寫詞。

　　成都華日通訊技術(shù)有限公司開發(fā)的這種測(cè)向設(shè)備的測(cè)向天線由九個(gè)天線元構(gòu)成。該測(cè)向設(shè)備的原理圖如圖1所示。



　　A0～A8這9個(gè)天線元按角度均勻地分布在一半徑為R的圓周上，且A0位于真北方位。

　　令天線元A1～A8上的感應(yīng)電壓相對(duì)于天線元A0（天線元A0通常稱之為“參考天線元”）上的感應(yīng)電壓的相位差分別為ψ01，ψ02，…，ψ08。理論上可以證明，這些相位差同來波的頻率f、方位角α、仰角θ以及測(cè)向天線的半徑R有如下關(guān)系式:



　　令（Φ01，Φ02，…，Φ08）=e，并稱之為理論樣本點(diǎn)。若方位角α以1°的步長(zhǎng)變化，則得到360個(gè)理論樣本點(diǎn):

　　ei=(Φ01i，Φ02i，…，Φ08i)，i=1，2，…，360。 （3）

　　這360個(gè)理論樣本點(diǎn)，分別命名為e1，e2，…，e360。這些樣本點(diǎn)的每一個(gè)都用Φ01～Φ08這8個(gè)變量來描述。對(duì)于任一頻率的來波，都可以運(yùn)用式（2）進(jìn)行計(jì)算而得出它的360個(gè)理論樣本點(diǎn)。

　　在這種測(cè)向設(shè)備中，天線元A0與雙通道接收機(jī)的一個(gè)通道（為了敘述方便，以下稱此通道為“第一通道”）的輸入端連接。天線元A1～A8通過一個(gè)單刀8擲的射頻開關(guān)（這種射頻開關(guān)一般是用PIN二極管做成的）依次輪流地與該雙通道接收機(jī)的另一個(gè)通道（為便于敘述，以下稱此通道為“第二通道”）的輸入端連接。于是，在該雙通道接收機(jī)的兩個(gè)通道相位平衡的情況下，只要能夠測(cè)量出兩個(gè)通道的中頻信號(hào)電壓的相位差，也就測(cè)量得到了天線元A1～A8上的感應(yīng)電壓相對(duì)于天線元A0上的感應(yīng)電壓的相位差ψ′01，ψ′02…，ψ′08（這里的各個(gè)相位差加上標(biāo)符號(hào)“′”表示它們是測(cè)向設(shè)備工作時(shí)實(shí)際測(cè)量的值，以區(qū)別于由式（1）計(jì)算得出的理論值ψ01～ψ08）。

　　令（ψ′01，ψ′02…，ψ′08）=e′，并稱之為實(shí)測(cè)樣本點(diǎn)。由于噪聲的存在和天線元之間有互耦等等因素，即使來波的仰角等于0，e′這個(gè)實(shí)測(cè)樣本點(diǎn)與e1～e360這360個(gè)理論樣本點(diǎn)中的任何一個(gè)都不會(huì)完全相同。

　　將e′與e1～e360作相關(guān)運(yùn)算。所謂相關(guān)運(yùn)算，就是從e1～e360這360個(gè)理論樣本點(diǎn)中找出與e′最相似（或最貼近）的那一個(gè)。該理論樣本點(diǎn)所在的方位角，即是被測(cè)來波的方向。需要指出的是，成都華日通訊技術(shù)有限公司在這里所采用的相關(guān)算法，并非是傳統(tǒng)的經(jīng)典相關(guān)算法，而是模式識(shí)別這門新興的邊緣學(xué)科的聚類分析算法。

　　根據(jù)以上所述的雙通道相關(guān)干涉儀測(cè)向設(shè)備的工作原理，不難知道，該測(cè)向設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)作是測(cè)量得出相位差ψ′01～ψ′08。

　　對(duì)于普通的只能對(duì)一個(gè)來波信號(hào)測(cè)向的“單波”雙通道相關(guān)干涉儀測(cè)向設(shè)備，為了測(cè)得相位差ψ′01～ψ′08，在天線元A1～A8中的每一個(gè)與雙通道接收機(jī)的第二通道的輸入端連接時(shí)，須同時(shí)對(duì)該接收機(jī)的兩個(gè)通道的數(shù)字中頻信號(hào)各取樣1個(gè)數(shù)據(jù)。根據(jù)這樣8次取樣所得到的該接收機(jī)的第一通道的數(shù)字中頻信號(hào)的取樣值，和第二通道的數(shù)字中頻信號(hào)的取樣值，就可以分別計(jì)算出天線元A1～A8上的感應(yīng)電壓相對(duì)于天線元A0上的感應(yīng)電壓的相位差ψ′01～ψ′08（這樣測(cè)量ψ′01～ψ′08的方法，隱含著所用雙通道接收機(jī)的兩個(gè)通道是相位平衡的）。得到了ψ′01～ψ′08，即得到了e′=（ψ′01，ψ′02…，ψ′08），用此e′與e1～e360這360個(gè)理論樣本點(diǎn)作相關(guān)運(yùn)算即可求出單個(gè)來波的方向。

　　對(duì)于FFT雙通道相關(guān)干涉儀測(cè)向設(shè)備，為了獲得多個(gè)不同頻率的來波的方位，必須測(cè)得這些不同頻率的來波各自在天線元A1～A8上的感應(yīng)電壓相對(duì)于各自在天線元A0上的感應(yīng)電壓的相位差，即各自的ψ′01～ψ′08。為此，在天線元A1～A8中的一個(gè)與雙通道接收機(jī)的第二通道的輸入端連接時(shí)，須同時(shí)對(duì)該接收機(jī)的兩個(gè)通道的中頻信號(hào)各取樣N個(gè)數(shù)據(jù)（N為2的乘冪）。由此得到每個(gè)通道的N個(gè)取樣點(diǎn)的中頻信號(hào)電壓的幅度值:a1(1)，a1(2)，…，a1(N)和a2(1)，a2(2)，…，a2(N)。對(duì)a1(1)～a1(N)和a2(1)～a2(N)分別實(shí)施快速傅里葉變換運(yùn)算。這兩個(gè)快速傅里葉變換的結(jié)果，是各自輸出（）個(gè)復(fù)數(shù)頻域點(diǎn)。在兩通道相位平衡的情況下，其頻率相同的兩個(gè)復(fù)數(shù)頻域點(diǎn)的相位之差，就是在對(duì)中頻信號(hào)取樣N個(gè)數(shù)據(jù)這段時(shí)間里，與該復(fù)數(shù)頻域點(diǎn)對(duì)應(yīng)的射頻頻率（該射頻頻率的值等于這個(gè)復(fù)數(shù)頻域點(diǎn)的頻率值與所用接收機(jī)的本振頻率值之和）的信號(hào)在天線元A1～A8中，那個(gè)與雙通道接收機(jī)的第二通道的輸入端連接的天線元上的感應(yīng)電壓，相對(duì)于該射頻頻率的信號(hào)在天線元A0上的感應(yīng)電壓的相位差。這樣可以測(cè)得最多為（）個(gè)不同的射頻頻率的信號(hào)（在運(yùn)用這種寬帶多信號(hào)測(cè)向設(shè)備時(shí)，實(shí)際測(cè)得的多個(gè)信號(hào)的數(shù)量，是由進(jìn)入測(cè)向接收機(jī)的中頻帶內(nèi)的信號(hào)數(shù)量和FFT的頻率分辨率決定的），在這兩個(gè)天線元上的感應(yīng)電壓的相位差。天線元A1～A8中的每一個(gè)與雙通道接收機(jī)的第二通道的輸出端連接時(shí)，都作了如此這般的取樣和運(yùn)算，因而得到了最多為（）個(gè)射頻頻率的信號(hào)，各自在天線元A1～A8上的感應(yīng)電壓相對(duì)于各自在天線元A0上的感應(yīng)電壓的相位差。也就是說，可以得到最多為（）個(gè)射頻頻率的信號(hào)各自的實(shí)測(cè)樣本點(diǎn)e′1，e′2，…，。將得到的每一個(gè)實(shí)測(cè)樣本點(diǎn)與其頻率相同的360個(gè)理論樣本點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，就可求出這些不同射頻頻率的每一個(gè)來波信號(hào)的方位。

　　還須指出，成都華日通訊技術(shù)有限公司制造的FFT雙通道相關(guān)干涉儀測(cè)向設(shè)備，其用以進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的理論樣本點(diǎn)與實(shí)測(cè)樣本點(diǎn)的變量不是8個(gè)而是28個(gè)。這28個(gè)變量是除了天線元A0之外的其他8個(gè)天線元（天線元A1～A8）上的感應(yīng)電壓之間的相位差。該測(cè)向算法有兩大突出的優(yōu)點(diǎn):其一是每個(gè)樣本點(diǎn)的變量增多了，因而提高了測(cè)向準(zhǔn)確度;其二是去掉了與天線元A0相連接的那個(gè)接收通道的相位特性的影響，因而不需要所用雙通道接收機(jī)的兩個(gè)通道相位平衡，從而大大降低了該接收機(jī)的制作難度。要知道，兩個(gè)通道相位平衡的雙通道接收機(jī)，制造相當(dāng)困難，因而價(jià)格極其昂貴。成都華日通訊技術(shù)有限公司的這種測(cè)向算法，巧妙地避開了這一技術(shù)難點(diǎn)，不僅使設(shè)備的成本大大下降，而且使性能有所提高。