单通道相关干涉仪测向系统的快速实现
Fast Implementation of Correlative Interferometry for Direction-Finding with One Receiving Channel

作者: 苟晓鸣 , 孙中森 , 单中尧 , 李永庆 :中国电波传播研究所,山东 青岛; 唐怀玉 :中国电波传播研究所,山东 青岛;西安电子科技大学,陕西 西安;

关键词: 测向相关干涉仪单通道移相器Direction Finding Correlative Interferometry Single Receiving Channel Phase Shifter

摘要:
无线电测向技术在无线电管理等领域的应用广泛,其中最为常用的技术方案为相关干涉仪测向技术,该技术对各种硬件设备误差具有较高的容忍度,测向精度也很高。针对单通道相关干涉仪测向系统,本文提出了一种实现方案,与经典方案需要四次移相操作来提取相位差相比,该方案仅需三次移相操作,相应的测量时间也节省了约四分之一。计算机仿真验证了本文方法与经典方案在测向结果上的一致性,以及在耗时方面的提升。

Abstract: The family of radio direction-finding techniques has been widely adopted in fields like radio management, and the correlative interferometry has been the most popular one, due to its high tolerance to various hardware imperfections and its high accuracy. This paper presents a scheme for direction finding with correlative interferometers using one receiving channel, which retrieves the phase difference within three phase shifts, compared with four phase shifts of the original scheme. The resulting measurement time will be shortened by a quarter. Computer simulations have demonstrated the consistency and efficacy of the proposed scheme over the original scheme.

1. 引言

无线电测向技术迄今为止已有近百年的发展历程。早期的测向系统主要是利用天线的方向图特性,利用机械旋转天线结构的方式,寻找幅度(能量)最大入射方向,这也是目前手持式测向设备所采用的技术。该技术的主要缺点是受距离的影响比较大,测向精度也收到了天线方向图的限制 [1] [2] [3] [4] 。沃森瓦特系统也是一种基于幅度测量的测向系统,它利用Adcock天线测量一对天线收到的幅度差,主要用于短波测向 [4] [5] 。多普勒测向机是利用快速的天线单元切换来模拟天线圆盘旋转造成的多普勒频移,成本较低,主要缺点是要求信号为单载波(CW),不适合现代通信中的带有调制的宽带信号 [6] 。

在众多测向体制中,相关干涉仪测向技术由于其极高的测向精度、对反射等电波传播效应的高免疫性和宽频段覆盖范围等优势,近年来得到广泛应用 [4] [7] 。相关干涉仪测向系统设计由于成本和技术参数的不同而多种多样,例如按照接收通道的多少可以划分为单通道系统和多通道系统。与多通道干涉仪测向系统相比,单通道系统需要的只需要一个接收通道,无须进行多通道校准;所付出的代价是需要复杂的器件切换和更长的测量时间 [4] [8] [9] 。为此,本文着眼于简化单通道系统的器件切换流程,削减测量时间,提高测量效率。

2. 相关干涉仪数学原理

假设相关干涉仪测向系统的天线由N个天线单元构成,如图1所示,通常N可以设置为5或者9。

Figure 1. Illustration of the antenna array of a correlative interferometer illuminated by an incident signal

图1. 相关干涉仪测向系统阵列天线接收入射信号图

对于不同频率和角度的入射信号,两个天线单元之间接收到的信号的相位差是唯一确定的。通过测量记录天线单元接收的信号的相位差,与数据库进行匹配,即可确定入射方向。

对于N个天线单元构成的天线来说,天线单元接收信号的相位差的自由度为 ( N 1 ) ,即如果记天线单元1为参考天线单元,天线单元 2 , 3 , , N 个天线单元接收到的信号与参考天线单元接收到的信号的 ( N 1 ) 个相位差分别记为 γ 2 , γ 3 , , γ N ,那么任意两个天线单元接收到的信号的相位差都可以用这 ( N 1 ) 个相位差的线性组合来表示,例如天线单元2和3之间的相位差为 γ 2 γ 3 。以上说明, γ 2 , γ 3 , , γ N 蕴含了全部信息量。

按照信道模块的个数划分,相关干涉仪测向系统可以分为单通道系统和多通道系统。多通道系统中含有多个信道模块,可以同时对多个天线单元接收到的信号进行测量。成本最为昂贵的系统是为每一个天线单元都配置了信道模块,可以一次性测量 γ 2 , γ 3 , , γ N 。由于多个接收通道之间存在随机误差,还需要添加校准源模块。全通道系统的系统框图如图2所示。

为了降低成本,多通道系统中更为常见的是双通道系统,一个接收通道接入参考单元,另一个接收通道通过电子开关依次接入天线单元 2 , 3 , , N ,利用 ( N 1 ) 个时隙的IQ数据计算出相位差 γ 2 , γ 3 , , γ N ,其系统框图如图3所示。

成本最低的是单通道相关干涉仪测向系统,只包含有一个接收通道,而且无需配备校准源。经典单通道相关干涉仪测向系统 [8] [9] 的系统框图如图4所示。第一个天线单元作为参考天线单元,其余 ( N 1 ) 个天线单元作为选通天线单元顺次接入到天线选择开关,然后在接入移相器选择开关,顺次进行0度/90度/180度/270度移相。移相后的信号将与参考天线单元的信号混合,并进入接收机进行接收、数字化后进行信号处理模块。完成一次测向总共需要进行 ( N 1 ) 次天线选择开关切换和4次移相器选择开关切换,总共需要 ( 4 N 4 ) 个时隙的IQ数据。

对于每一对参考天线单元和选通天线单元,0度/90度/180度/270度移相、混合后的信号功率分别记作 E 1 , E 2 , E 3 , E 4 ,按照矢量合成的原理,它们满足如下关系:

E 1 = A 2 + B 2 + 2 A B cos γ (1)

E 2 = A 2 + B 2 2 A B sin γ (2)

Figure 2. System flowchart of the correlative interferometry with full receiving channels

图2. 全通道相关干涉仪测向系统的系统框图

Figure 3. System flowchart of the correlative interferometry with two receiving channels

图3. 双通道相关干涉仪测向系统的系统框图

.

Figure 4. System flowchart of the correlative interferometry with one receiving channel

图4. 单通道相关干涉仪测向系统的系统框图

E 3 = A 2 + B 2 2 A B cos γ (3)

E 4 = A 2 + B 2 + 2 A B sin γ (4)

式中: A B 分别为参考天线单元和选通天线单元测量到的信号的平均幅度; γ 为参考天线单元和选通天线单元测量到的信号的相位差。由(1)~(4)可知,

cos γ = E 1 E 3 4 A B (5)

sin γ = E 4 E 2 4 A B (6)

利用欧拉公式,复值相位差可以从(5)~(6)导出:

e j γ = cos γ + j sin γ = cos γ + j sin γ cos 2 γ + sin 2 γ = ( E 1 E 3 ) + j ( E 4 E 2 ) ( E 1 E 3 ) 2 + ( E 4 E 2 ) 2 (7)

式中: j 表示虚部单位。

令参考天线单元和第n个选通天线单元之间的复值相位差为 e j γ n ,在完成所有时隙的测向后可以获得 ( N 1 ) × 1 维的复值相位矢量

v = [ e j γ 2 , e j γ 3 , , e j γ N ] T (8)

式中: ( ) T 表示转置。

经典单通道相关干涉仪测向系统计算复值相位矢量的流程总结如表1所示。

在校准过程中,对于每一个可能的入射方向和频率都进行表1的流程,建立复值相位矢量的数据库。在测向过程中,测量到的复值相位矢量将与数据库进行比对,最为匹配的结果即为入射方向。

3. 本文提出的单通道相关干涉仪数学原理

表1的流程可知,可以从减少内循环次数入手来实现加速。本文借鉴工业输送电领域的信号处理思路,提出利用三个移相器(0度/120度/240度),替换经典单通道相关干涉仪的四个移相器(0度/90度/180度/270度),系统框图如图5所示。

对于每一对参考天线单元和选通天线单元,0度/120度/240度移相、混合后的信号功率分别记作 E 1 , E 5 , E 6 ,按照矢量合成的原理,它们满足如下关系:

E 1 = A 2 + B 2 + 2 A B cos γ (9)

E 5 = A 2 + B 2 + 2 A B cos ( γ + 2 π / 3 ) (10)

E 6 = A 2 + B 2 + 2 A B cos ( γ + 4 π / 3 ) (11)

由(9)~(11)可知,

cos γ = 2 E 1 E 5 E 6 6 A B (12)

sin γ = E 6 E 5 2 3 A B (13)

利用欧拉公式,复值相位差可以从(12)~(13)导出:

(14)

Table 1. Procedure for complex-valued phase vector calculation within the original one-channel correlative interferometer

表1. 经典单通道相关干涉仪复值相位矢量计算流程

Figure 5. System flowchart of the proposed correlative interferometry with one receiving channel

图5. 本文提出的单通道相关干涉仪测向系统的系统框图

在完成所有时隙的测向后可以获得 ( N 1 ) × 1 维的复值相位矢量。本文提出的单通道相关干涉仪测向系统计算复值相位矢量的流程总结如表2所示。

其校准和测量过程与经典单通道相关干涉仪相同,不再赘述。通过对比表1表2可知,本文提出的单通道相关干涉仪复值相位矢量计算流程的复杂度只相当于经典流程的四分之三。120度和240度移相器可以用6bit移相器(理论相移为118.125度和241.875度)或者7bit移相器(理论相移为120.9375度和239.0635度)来近似。考虑到实际移相器的性能扰动,近似误差通常可以忽略。

4. 计算机仿真

本节给出计算机仿真示例验证本文测向流程的有效性。仿真场景为由一个九天线单元阵列天线(天线半径为0.9 m)和单个接收通道等组成的相关干涉仪测向系统,对一个来自于150度方向、信噪比为20 dB、频率为400 MHz的信号进行测向。图6展示了复值相位差测量矢量与数据库之间的相关系数谱图(蓝色虚线),通过寻找谱图的最大值,可以正确估计信号的入射方位(红色实线箭头)。

接下来验证本文提出的测向流程与经典单通道相关干涉仪在测向结果上的一致性。仿真假设信号从0˚至359˚ (以1˚为步进)入射,信噪比从-5 dB增加至30 dB (以5 dB为步进),每个角度进行3000次独立重复实验,记第 i 1 个角度、第 i 2 个信噪比、第 i 3 次独立重复实验的本文测向流程和经典单通道相关干涉仪的结果 θ ^ 1 ( i 1 , i 2 , i 3 ) θ ^ 2 ( i 1 , i 2 , i 3 ) ,按照如下公式计算两种方法的一致性:

Δ = i 1 = 1 360 i 2 = 1 8 i 3 = 1 3000 [ θ ^ 1 ( i 1 , i 2 , i 3 ) θ ^ 2 ( i 1 , i 2 , i 3 ) ] 2 360 × 8 × 3000 (15)

Table 2. Procedure for complex-valued phase vector calculation within the proposed one-channel correlative interferometer

表2. 本文提出的单通道相关干涉仪复值相位矢量计算流程

Figure 6. Correlation coefficient spectrum of the proposed direction finding scheme

图6. 本文提出的测向流程的相关系数谱图

Table 3. Average time consumption ratio and consistency table

表3. 平均耗时比和一致性统计表

记第 i 1 个角度、第 i 2 个信噪比、第 i 3 次独立重复实验的本文测向流程和经典单通道相关干涉仪获取复值相位差矢量所需要的时间(仿真中不包含信道模块时延、后续相关处理的时间等等)为 t 1 ( i 1 , i 2 , i 3 ) t 2 ( i 1 , i 2 , i 3 ) ,按照如下公式计算两种方法的平均耗时:

T 1 = i 1 = 1 360 i 2 = 1 8 i 3 = 1 3000 t 1 ( i 1 , i 2 , i 3 ) 360 × 8 × 3000 (16)

T 2 = i 1 = 1 360 i 2 = 1 8 i 3 = 1 3000 t 2 ( i 1 , i 2 , i 3 ) 360 × 8 × 3000 (17)

对100 MHz至600 MHz (以100 MHz为步进)重复(15)~(17)中的过程,得到一致性和平均耗时比统计表如表3所示。

表3表明,两种方法在测向结果上完全一致,而本文所提出的测向流程在获取复值相位差矢量上的耗时仅为经典单通道相关干涉仪的75%左右。

5. 结论

本文提出了一种单通道相关干涉仪测向的快速实现方法,减少了经典方案中涉及的移相器切换操作,节省了约25%的测量时间,相关成果可用于频谱监测及相关领域。

基金项目

青岛科技专项课题(青科创14-6-1-8-ZDZX);国家863计划项目(2015AA7124068A);国家自然科学基金(6133190102)。

文章引用: 苟晓鸣 , 孙中森 , 唐怀玉 , 单中尧 , 李永庆 (2018) 单通道相关干涉仪测向系统的快速实现。 无线通信, 8, 37-44. doi: 10.12677/HJWC.2018.81004

参考文献

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