基于方向图匹配的短波无线电测向算法研究.pdf

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald科技创新导报2022 NO.30 Science and Technology Innovation Herald智 能 智 造 与 信 息 技 术基于方向图匹配的短波无线电测向算法研究袁帅克 王洪源（沈阳理工大学信息科学与工程学院 辽宁沈阳 110159）摘要：在80m波段短波无线电测向中，针对磁性天线在测向过程中存在相位模糊的问题，本文提出一种使用直立天线与磁性天线叠加后的复合天线来测定来波方向，使用方向图匹配测向算法，通过MATLAB仿真出不同直立天线与磁性天线叠加比例的对照组，比较出最优的叠加比例组合。结果表明，当直立天线与磁性天线等比例叠加时，此时的复合天线为最优组合。关键词：无线电测向 磁性天线 方向图匹配 MATLAB中图分类号：TN98文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)10(c)-0105-04Research on Short Wave Radio Direction Finding Algorithm Based on Pattern MatchingYUAN Shuaike WANG Hongyuan(School of Information Science and Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang,Liaoning Province,110159 China)Abstract:In 80m band short-wave radio direction finding,aiming at the problem of phase ambiguity of magnetic antenna in the process of direction finding,this paper proposes a composite antenna which uses the superposition of vertical antenna and magnetic antenna to measure the direction of of arrival.Using the pattern matching direction finding algorithm,the control group with different vertical antenna and magnetic antenna superposition proportions is simulated through MATLAB to compare the optimal superposition proportion combination.The results show that the composite antenna is the optimal combination when the vertical antenna and the magnetic antenna are superposed in equal proportion.Key Words:Radio direction finding;Magnetic antenna;Pattern matching;MATLAB随着科技快速发展，无线电技术在生活生产中得到了广泛的应用，无线电测向技术在军事领域应用于电子侦察与对抗，而在民用领域主要应用于无线电频谱监听1。无线电测向（Radio Direction Finder）技术是随着无线电的产生和发展出现的技术，利用无线电磁波的传播性质，使用无线测向装置接收无线电磁波，确定传播方向2。根据测向方法的不同，无线电测向方法主要有幅度比较式测向技术、干涉仪测向技术、多普勒测向技术等3。本文设计一种方向图匹配算法，针对短波无线电测向定位，通过此算法，解决不同比例直立天线与磁性天线叠加后组成的复合天线对来波方向测定。1 磁性天线测向的方向模糊性及解决1.1 磁性天线的方向双值性将磁性天线放置在地面，电波从左向右传播，此时，磁场方向与地面平行，与电波传播方向垂直。设无线电波传播方向与磁棒轴心的夹角为，那么，磁性天线的输出感应电势就会随着值的变化而发生变化。DOI：10.16660/ki.1674-098X.2207-5640-1288作者简介：袁帅克（1996），男，硕士在读，研究方向为信息与通信工程。通信作者简介：王洪源（1963），男，硕士，教授，研究方向为模拟训练系统，E-mail：。105科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald智 能 智 造 与 信 息 技 术如果使用耳机作为指示器，耳机的音量大小会随的变化而变化。将磁性天线转动一周，当耳机中声音最小或完全无声时，磁棒轴线正对信号源方向，称为小音点；当耳机中声音最大时，磁棒轴线正对与信号源垂直的方向，称为大音点4。控制其他条件不变，磁性天线每转动180，线圈中感应电动势的极性会改变。设磁性天线的感应电动势在0180范围内为正值，在180360范围内为负值，则磁性天线方向图如图1所示。在无线电测向运动中，通过改变测向机的方向，根据耳机中声音大小，可以找到大音点，此时，信号源一定位于磁棒轴线垂直方向的延长线上。通过这一点，可以得知信号源所在的一条位置线，但是不能确定在这条直线的哪一方向。通过图1看出，当磁性天线旋转一周时，耳机中的声音会在两个位置达到最大，也会在两个位置声音最小，这就是磁性天线的双值性。在无线电测向运动过程中，因为无法判断信号源的具体位置，所以不能使用这种具有双值性的测向天线，必须使测向机可以单方向测定信号源的位置。1.2 叠加直立天线后的方向单值性通过查阅资料发现，在水平方向上，直立天线的方向图呈圆形，即直立天线在水平方向转动一周，感应电动势的极性与大小都不会改变。水平方向上直立天线的方向图如图2所示。将磁性天线与直立天线组合成一种复合天线，设磁性天线在最大值处的感应电动势E磁=1，设直立天线的感应电动势E直=1，将复合天线转动一周，再将两种天线在每个方向上的感应电动势相加。在0180的范围内，两天线电动势的极性相同，合成电动势为两天线电动势的和；在180360范围内，两天线电动势的极性相反，合成电动势为两天线电动势的差。复合天线方向图如图3所示。通过图3可以看出，复合天线转动一周，只在一个方向上感应电动势为零，也只有在一个方向上感应电动势最大，通过感应电动势大小对耳机中声音大小的影响，就可以得到信号源的方向，解决了磁性天线的双值性，这种复合天线就可以用于无线电测向运动。1.3 叠加比例不适当时的方向图在实际中，必须满足两个条件才能产生像图4那样的方向图：一是两种天线在合成时相位相同；二是磁性天线在感应电动势最强处的振幅要与直立天线的振幅相等。如果这两个条件不满足，就不会出现心脏形的方向图。当两种天线的振幅不等时，会出现如图4和图5所示的两种情况。2 方向图匹配法2.1 方向图匹配法原理方向图匹配法 5 是利用全部观测数据与天线方向图抽样点特性进行匹配，进而根据匹配结果估计来波方向。图1磁性天线方向图图2直立天线方向图图3复合天线方向图106科技创新导报Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 智 能 智 造 与 信 息 技 术2.2 方向图匹配法算法方向图匹配法测向系统组成及信息流向如图 6所示。记天线波束初始指向1，采集天线在N个不同指向时的信号幅度用以测量，则在第n个采集点，天线波束指向角度为n，利用增益为f()的接收天线接收到的信号幅度为：Un()=p0f(-n)，n=1，N（1）式中，p0为信号到达天线口面处经过0dB增益天线测量得到的功率。将Un()和天线方向图f()看成两路信号，对两路信号求相关()：()=n=1NUn()f()-nn=1NUn()2n=1Nf2()-n（2）根据互相关法，可以得到：=argmax()（3）至此，根据式（3），可以得到来波方向的估计值。3 仿真实验本文通过接收波长为80m的短波无线电进行实验，使用的天线是直立天线与磁性天线叠加后组成的复合天线，通过MATLAB仿真，绘制天线方向图函数。在实际测向时，由于很多因素的干扰，会使实际测出的方向图与理想方向图存在差异。本实验将干扰因素拟于高斯白噪声，得出的天线方向图为理想天线方向图与高斯白噪声叠加，通过将理想方向图与加噪声的方向图求相关，可得出具体的来波方向6。当直立天线与磁性天线等比例叠加时，通过MATLAB绘制出其理想情况下的天线方向图，如图7所示，为其加上噪声后的天线方向图如图8所示，二者经互相关运算得到的互相关函数曲线如图9所示。当直立天线与磁性天线的叠加比例为1 2时，通过MATLAB绘制出其理想情况下的天线方向图，如图10图6方向图匹配法测向系统组成及信息流向示意图图7理想情况下的天线方向图图8叠加噪声后的天线方向图图4振幅不等对方向图的影响（E直E磁）图5振幅不等对方向图的影响（E直E磁）107科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald智 能 智 造 与 信 息 技 术所示，为其加上噪声后的天线方向图如图11所示，二者经互相关运算得到的互相关函数曲线如图12所示。经对比，当直立天线与磁性天线叠加的比例不同时，得到的天线方向图与互相关函数曲线均不同。当直立天线与磁性天线的叠加比例为1 2时，会在两个方向上有极大值，但只有一个方向有最大值；当直立天线与磁性天线等比例叠加时，只在一个方向上有极大值，且为最大值。4 结语在多次模拟实验中对比发现，当复合天线为直立天线与磁性天线等比例叠加时，测得电波来波方向更准确。除此之外，当复合天线的叠加比例不是等比例时，通过使用方向图匹配算法，也可以得到单值的精准测向。参考文献1 何伟杰.基于无人机平台的无线电测向技术研究D.兰州:兰州交通大学,2020.2 辛金龙.星载无源探测长基线无模糊测向方法研究D.西安:西安电子科技大学,2019.3 李燕平,贾朝文,鄢勃,等.一种干涉仪测向系统的数值仿真寻优设计方法J.电子信息对抗技术,2021,36(1):6-9,43.4 JIANG S,SHUAI C,JIANG W,et al.Design and experiment of magnetic antenna vibration and noise reduction systemJ.Applied Sciences,2022,12(5):2450.5 朱晓丹,朱伟强,陈卓,等.基于方向图匹配的单天线波束扫描测角方法J.航天电子对抗,2017,33(4):11-16.6 LVOVICH I,LVOVICH Y,PREOBRAZHENSKIY A,et al.Modeling,algorithmization and optimization of components of radio direction-finding systemsC.2021 23rd International Conference on Digital Signal Processing and its Applications(DSPA).IEEE,2021:1-4.图9等比例互相关函数曲线图10理想情况下的天线方向图图11叠加噪声后的天线方向图图12互相关函数曲线108