通信对抗原理培训课件

通信对抗原理第3章通信信号的测向与定位3.1测向与定位的目的、分类和方法3.2测向天线3.3振幅法测向3.4相位法测向3.5相关干涉仪测向3.6多普勒测向3.7到达时差测向3.8空间谱估计测向3.9通信辐射源定位2通信对抗原理第3章通信信号的测向与定位作业：习题3－1习题3－3习题3－4习题3－63通信对抗原理3.1测向定位的目的、分类和方法1)通信辐射源测向系统——组成

通信测向设备包括测向天线、接收机、处理器、控制器和显示器等设备。测向天线测向接收机测向处理、控制及显示单元4通信对抗原理3.1测向定位的目的、分类和方法1)通信辐射源测向系统——组成测向天线：单个天线；一般为多个天线阵元，排列成不同结构；测向接收机：对信号选择放大，为测向处理提供幅度特性和相位特性合适的中频信号。可以采用单信道、多信道接收机；测向处理、控制及显示单元：对信号进行模-数变换（A/D）、处理和运算，从信号中提取方位信息，并对测向结果进行存储、显示或打印输出。它的另一功能是控制测向设备各部分（测向天线、接收机、测向处理显示器、输出接口等）协调工作。5通信对抗原理3.1测向定位的目的、分类和方法2)测向系统主要技术指标工作频率范围：它是指通信测向和定位系统的工作频率范围；测向范围：它是指通信测向和定位系统的可测向的空域范围；瞬时处理带宽：测向或定位处理器的瞬时处理带宽决定了测向或定位设备的瞬时射频带宽；测向和定位误差：包括测向和定位准确度、测向和定位精度等指标；

测向反应时间：两种不同的表述方式，（1）测向和定位速度（2）容许的信号最短持续时间测向灵敏度测向和定位灵敏度：是在保证容许的测向示向度偏差（测向误差）或定位误差条件下所需被测信号的最小场强，通常以μV/m为单位。测向方式：守候式测向、扫描式测向、搜索引导式测向、规定时限的测向、连续测向；（测向法）交叉定位、时差定位等。

6通信对抗原理3.2测向天线天线是通信对抗系统的传感器，其作用是将电信号转换为电磁信号（干扰），或者将电磁信号转换为电信号（侦察和测向）。通信对抗系统的天线是宽频段天线。测向系统一般采用由多个单元天线（或称“阵元”）组合形成的天线阵列，以便确定来波的方向。在某些情况下，也可以采用一个单元天线，完成测向任务。7通信对抗原理3.2测向天线线天线偶极子天线单极子天线环形天线交叉环形天线对数周期天线螺旋天线口径天线喇叭天线抛物面天线有源天线阵列天线8通信对抗原理3.3振幅法测向1）最大幅度法利用窄波束侦察天线，以一定的速度在测角范围内连续搜索，当收到的通信信号最强时，侦察天线波束指向就是通信辐射源信号的到达方向角。9通信对抗原理3.3振幅法测向1）最大幅度法——测角误差和角分辨率最大幅度法的测角误差与波束宽度的平方成正比，与检测信噪比成反比。最大幅度法的角度分辨率主要取决于测向天线的波束宽度，而波束宽度与天线口径d有关。根据瑞利光学分辨率准则，当信噪比大于10dB时，角度分辨率为：

(2.4-6)优点：(1)测向系统灵敏度高；(2)成本低，它只需要单个通道；(3)具有一定的多信号测向能力；(4)测向天线可以与检测共用。缺点：(1)空域截获概率反比于天线的方向性；(2)难以对驻留时间短的信号测向；(3)测向误差较大。10通信对抗原理3.3振幅法测向2）最小振幅法最小幅度法测向的基本原理是，利用窄波束侦察天线，以一定的速度在测角范围内连续搜索，当收到的通信信号最小时，侦察天线波束指向就是通信辐射源信号的到达方向角。最小幅度法实际上是将侦察天线的波束零点对准来波方向。当波束零点对准来波方向时，天线感应信号为零，测向接收机输出信号为零，此时天线零点方向就判断为来波方向。最小幅度法的测向精度和角度分辨率比最大幅度法高，测向方法简单，可以使用简单的偶极子天线测向。这种方法主要用于长波和短波波段。

11通信对抗原理3.3振幅法测向3）单脉冲比幅法——原理框图单脉冲相邻比幅法使用N个相同方向图函数的天线，均匀分布到360度方向。比较相邻两个天线输出信号的幅度，获得信号的到达方向。

12通信对抗原理3.3振幅法测向3）单脉冲比幅法——原理当采用高斯方向图函数时，输出对数电压比为

或者

可见，波束越窄、天线越多，误差越小。与最大/最小振幅测向法相比，相邻比幅测向法的优点是测向精度高，具有瞬时测向能力，但是其设备复杂，并且要求多通道的幅度响应具有一致性。13通信对抗原理3.3振幅法测向4）沃森—瓦特(Watson-watt)测向它利用正交的测向天线信号，分别经过两个幅度和相位响应完全一致的接收通道进行变频放大，然后求解或者显示（利用阴极射线管显示）反正切值，解出或者显示来波方向。沃森—瓦特测向法具体实现时，可以采用多信道（三信道），也可以采用单信道。14通信对抗原理3.3振幅法测向4）沃森—瓦特测向工作原理以四天线阵（爱德柯克，Adcok）为例，说明沃森-瓦特测向的基本原理。如图所示，当一均匀平面波以方位角，仰角照射到正交的天线阵。天线阵中心点接收电压为以真北方向为基准，在圆阵均匀分布的四个天线单元获得的电压为：15通信对抗原理3.3振幅法测向4）沃森—瓦特测向原理天线阵的输出是两组天线的差信号，近似为：

天线阵之输出的差信号的幅度分别是方位角的余弦函数和正弦函数，是仰角的余弦函数。天线阵输出的和信号为在一定条件下，和差信号的积为16通信对抗原理3.3振幅法测向4）沃森—瓦特测向原理经过低通滤波后，输出信号为：可以求到和分别为17通信对抗原理3.3振幅法测向4）沃森—瓦特测向原理传统的沃森-瓦特测向采用CRT显示到达角。将两个差通道输出电压分别送到偏转灵敏度一致的阴极射线管的垂直和水平偏转板上，在理想情况下，在管光屏上将出现一条直线，它与垂直方向的夹角为就是方位角。一般情况下，电波存在干涉，显示的图形就不再是一条直线而是一个椭圆，它的长轴是指示来波方向。现代的沃森-瓦特测向采用数字信号处理技术，通过数字滤波器提取信号，计算来波方向。多信道沃森-瓦特测向的特点是测向时效高、速度快、测向准确、可测跳频信号，并且CRT显示可以分辩同信道干扰。但是其系统复杂，并且要求接收机通道幅度和相位一致，实现的技术难度较高。单信道沃森-瓦特测向系统简单、体积小、重量轻、极大性能好，但是测向速度受到一定的限制。18通信对抗原理3.4相位法测向1）单基线干涉仪测向——原理框图在原理上相位干涉仪可以实现快速测向

19通信对抗原理3.4相位法测向1）单基线干涉仪测向——原理单基线相位干涉仪有两个完全相同的接收通道。设有一个平面电磁波从天线视轴夹角方向到达测向天线1和2，则天线阵输出信号相位差

(2.4-25)如果两个接收通道的幅度和相位响应完全一致，正交相位检波输出

(2.4-26)K为系统增益。进行角度变换，得到测向输出

(2.4-27)单基线干涉仪的无模糊测角范围[－

max,

max]为20通信对抗原理3.4相位法测向2）一维多基线相位干涉仪测向——原理在多基线相位干涉仪中，利用长基线保证精度，短基线保证测角范围。3基线相位干涉仪原理如下图所示：21通信对抗原理3.4相位法测向2）一维多基线相位干涉仪测向——原理其中0天线为基准天线，它与其它天线的基线长度分别为l1、l2、l3，且满足

(2.4-30)四个天线接收的信号经过混频、限幅放大，送给三路鉴相器，其中0通道为鉴相的基准。经过鉴相得到6个输出信号：其中

(2.4-31)这6路信号经过加减电路，极性量化器，编码器产生8bit方向码输出。设一维多基线干涉仪的基线数为k,相邻基线长度比为n，最长基线编码器的量化位数为m，则其理论测向精度为

(2.4-32)22通信对抗原理3.4相位法测向3）相位干涉仪——二维圆阵一维相位干涉仪的原理可以很容易的推广到二维和多维相位干涉仪二维相位干涉仪的天线的排列方式比较灵活，如L形、T形、均匀圆阵、三角形、多边形等。下面介绍圆阵23通信对抗原理3.4相位法测向3）相位干涉仪——二维圆阵各天线阵元的接收信号可以表示为：

(3.4-9)其中为天线位置矢量，，为波达方向的导向矢量：

(3.4-10)设天线阵元i接收的信号相对于到达坐标原点处信号的时延相位，则天线阵元1、2和天线1、3之间接收信号的真实相位差和分别为：

(3.4-11)24通信对抗原理3.4相位法测向3）相位干涉仪——二维圆阵设是在阵列平面上的投影，即，根据式(3.4-10)有：

(3.4-13)令，可得到的估计为：

(3.4-14)综合上面两式，可以得到：

(3.4-15)并且真实到达角估计为：25通信对抗原理3.4相位法测向3）相位干涉仪——二维圆阵综合上面两式，可以得到：

(3.4-15)并且真实到达角估计为：26通信对抗原理3.4相位法测向3）相位干涉仪——二维圆阵主要结论（1）方位角和仰角的估计误差与基线组和相位、差相位的测量误差和成正比，与天线间距与信号波长的比成反比。（2）测量准确度与入射波的方位角和仰角有关。当相位差测量误差固定时，估计误差随入射方位角的改变以正弦关系变化；即入射波仰角越低，对方位角的估计精确度越高，对仰角的估计越差。27通信对抗原理3.4相位法测向4）相位干涉仪测向——特点相位干涉仪测向的特点是，具有较高的测向精度，但测向范围不能覆盖全方位，其测向灵敏度高，速度快。干涉仪可以方便的与现代数字信号处理技术结合，是一种得到广泛应用的测向技术。其缺点是没有同时信号分辨能力，因此通常必须先对信号进行频率测量，才能进行方向测量。另外其技术复杂、成本高。28通信对抗原理3.5相关干涉仪测向双通道相关干涉仪组成双通道相关干涉仪采用多阵元天线、双通道接收机，实现对信号的监测和测向，可以分时实现全方位的测向，得到较高测向精度。天线阵接收的无线电电波信号，经天线开关切换后进入两个射频通道，变频为中频信号，再由两路ADC进行采样，采样数据做FFT处理。经过多次天线切换后，可以计算出不同天线接收的信号的相位和相位差，最后进行相关干涉测向处理得到信号的方位角。29通信对抗原理3.5相关干涉仪测向双通道相关干涉仪——测向原理相关干涉仪实际上上将测量得到的信号电压样本与预先存储的模板数据进行相关运算，按照相关性判断来波方向。其测向过程如下所述：设置一个天线阵列，天线阵列一般为圆形，阵元一般为3～9个；对给定方向、给定频率的已知（校正信号）到达波，测出阵列中各阵元间的复数电压，即为对应方向、频率的信号的复数电压数组或模板；在所设计的天线阵列工作频率范围内，按一定规律选择方位、频率，依次建立样本群，作为标准模板存起来，形成相关计算的标准数据库；对未知信号测向时，先按照采集样本的规则采集未知信号，得到其复数数组，并将该数组与数据库中的模板群进行相关运算和处理，求出被测信号的方向。30通信对抗原理3.5相关干涉仪测向双通道相关干涉仪——相关过程模板群是预先标定和存储好的，实际工作时只需要测量和提取未知信号的复数数组。设某给定频率和方向的未知信号的复数数组为：

(2.4-33)数据库中对已知信号测量得到的复数数组为：

(2.4-34)则其相关系数为：

(2.4-35)其相关系数最大值相对应的原始相位样本值所代表的方位值,就是空间实际入射信号的方位角。31通信对抗原理3.5相关干涉仪测向双通道相关干涉仪——推广在数字化测向系统中，信号的复数的电压的计算通常利用FFT实现。这样数字化测向处理系统的主要任务是两个，一个是提取复数电压，它可以利用FFT实现；另一个是进行相关处理。双通道相关干涉仪测向系统中，通过天线开关依次接通多单元圆阵列中的一个天线对,每个天线对可以得到一个复数电压，多个天线对得到一组复数电压。双通道与多通道的主要差别是，双通道测向系统分时获取复数电压矢量，而多通道测向系统同时得到复数电压矢量。当被测信号在测量时间内的频率、位置和信号参数不变时，两者的结果是等价的，但是双通道测向系统的需要的测向时间会比多通道长。基于复数电压测量的相关干涉仪测向体制以其具有测向准确度高、测向灵敏度高、测向速度快、抗干扰能力强、稳定性好、设备复杂度较低等优点，成为目前无线电监测中主流的测向体制。32通信对抗原理3.6多普勒测向多普勒测向——概述多普勒效应就是当目标（辐射源）与观测者之间作相对运动时，观测者接收到的信号频率不同于目标辐射的信号频率现象。在多普勒测向系统中，多普勒效应的产生并不需整个测向系统做相对于目标的运动，只要测向天线相对于目标作相对运动就行了。当测向天线向着目标移动时，多普勒效应就使接收到的信号频率升高；反之，天线背离目标移动时，则接收到的信号频率降低；当测向天线沿着圆周运动（如天线旋转）时，接收到的来波信号频率及其相位都按正弦调制方式变化。实际应用中常常采用模拟旋转的方法，即在圆周上均匀地安放固定天线阵元，借助于电子开关，以较快的角频率ω依次轮流地接通各阵元，以模拟天线的旋转。这种利用模拟天线旋转获得接收信号的相位调制或频率调制进行测向的技术，被称为准多普勒测向技术。33通信对抗原理3.6多普勒测向1）多普勒测向的基本原理当测向天线沿着一个半径为R的圆形轨道，以角频率

r旋转时，以方位角

和俯仰角

入射的信号所产生的瞬时电压为

(2.4-37)对窄带信号，设A(t)=A,(t)=0。对瞬时电压信号进行鉴相，得到

(2.4-38)对瞬时相位求导，经过低通滤波器，可以得到瞬时频率

(2.4-40)将它与相同频率的参考信号进行相位比较，就可以得到方位角

的值。34通信对抗原理3.6多普勒测向1）多普勒测向的基本原理多普勒天线在旋转一周对应的瞬时频率变化范围为因此，旋转天线的切向速度与多普勒频率等参数的关系为

(2.4-41)如果多普勒频率为＝100Hz，信号频率为＝30MHz，则按照上式计算要求天线的切向速度为10,000m/s，这样的速度是机械装置无法实现的。因此，通常使用高速射频开关，顺序扫描排列成圆阵的全向天线来代替机械装置，实现准多普勒测向。35通信对抗原理3.6多普勒测向2)数字化多普勒测向技术利用现代数字处理技术的新型多普勒测向技术，不论是双信道，还是三信道，都可以很好地解决上述那些模拟双(多)信道多普勒测向技术存在的缺陷。这里以三信道补偿型多普勒测向设备为例说明其工作原理，其原理如下图所示：

36通信对抗原理3.6多普勒测向2)数字化多普勒测向技术全向天线（参考天线）上感应的信号（参考信号）馈入参考信道。多普勒天线阵列中第n和n+(N/2)个阵元上感应的信号，通过扫描单元分别馈入两个测向信道。三路信号均经过接收信道的放大、混频、增益控制，变换成适当电平的中频信号输出。对三路中频输出信号进行模-数变换，把信号样本分别送至两个测向信道的信号处理器，实现数字混频，消除信息调制引起的频率偏移；再对数字混频输出序列进行DFT，提取测向阵元上的多普勒相移。并且相减以消除A/D引入的量化相移，从而得到测向阵元上的多普勒相移。顺时针旋转至下两个天线阵元，重复直至旋转一周为止。根据工作频率，对阵元上的多普勒相移进行一阶或二阶差分处理，消除相位模糊。然后，对N（多普勒测向天线阵列中的阵元数）个离散的多普勒相移进行数字傅里叶变换，提取方位角。37通信对抗原理3.6多普勒测向多普勒测向的特点多普勒测向与某些较老的测向方法相比，主要优点如下。多普勒频移的变化规律严格与来波入射角相关，故其测向误差较小。多普勒测向天线阵列可以做得很大，不会产生间距误差，且天线阵列的电波干涉误差以及由周围反射体引起的环境误差较小。多普勒测向的极化误差很小。如当来波含有垂直极化和水平极化分量时，馈线接收水平极化分量所产生的多普勒频移，其方向性与垂直极化相同，不会引起极化误差。多普勒测向采用超外差接收机，其灵敏度较高。多普勒测向可以测出来波的仰角。由于只要测出多普勒频移的绝对值便可求得来波仰角，因此短波波段的多普勒测向设备可以利用这一性能来实现单站定位。38通信对抗原理3.7到达时差测向1）到达时间差测向的基本原理到达时间差(TDOA)测向（简称“时差测向”）技术，利用同一电波到达测向天线阵各阵元之间的时间差来测量来波方向。时差测向系统采用多个分离的天线阵元，在接收同一个辐射源的来波信号时，由于存在电波传播行程差引起的接收时间的差异，其到达时间差是来波方向角的函数，经过计算可以求出来波方向。39通信对抗原理3.7到达时差测向1）时差测向的基本原理从两副基线间距为d的天线上测得的一个信号到达时间的差值中，可获得到达方向的信息。时差测向的原理如图所示：

40通信对抗原理3.7到达时差测向1）时差测向的基本原理设入射信号以方位角

和俯仰角

到达天线阵列，天线阵元1与阵元2、阵元3的间距为d，以天线阵元1作为参考，它和阵元2、3的时间差为：

(2.4-42)式中c为光速。若阵元间距d的单位为m，时间的单位为ns，则有:

(2.4-43)当测向系统对天线口径的要求d/λ≤0.5时，时间差与工作频率无关。由上式可得水平和俯仰到达角分别为：

(2.4-44)41通信对抗原理3.7到达时差测向2）相关法时间差测量设天线1接收信号的是x(t)，天线2接收的同一个信号为x(t-)，其中τ是由于波程差引起的延时。两者的相关函数为

(2.4-44)相关函数的峰值所对应的时间τ将是这两个信号之间的时间差。如果忽略噪声的影响，理论上求得的时差将不存在误差。但由于噪声的影响，会引起时差测量误差，利用相关法计算信号的时间差的精度极限为

（2.4-45）其中，E为信号的能量；N0为单位带宽内的噪声功率；B为信号的均方根等效带宽。这就表明，信号的带宽越宽，信号的时间长度越长，信噪比越高，可能获得的时间差的精度将越高。43通信对抗原理3.9通信辐射源定位技术通信测向和通信定位一般又称作“无线电测向和无线电定位”。测向是指利用无线电测向设备测定从测量点观察目标（辐射源）所处位置的水平方向的过程。它与一般的通信侦察所不同的是：在测向的时候我们感兴趣的只是目标信号的来波（入射波）方向，而不是信号的本身。通过多个不同位置的测向设备测量信号来波方向，可确定目标位置，该过程叫做定位。当然，也可以利用其他方法进行定位，如时差定位、频差定位等。

44通信对抗原理3.9.1测向定位技术1)单站定位单站定位也称做垂直三角定位。主要是在短波波段，通过测量电离层反射波的方位和仰角，再根据电离层高度计算目标位置的定位技术。如图2.4-14所示，已知测向站D的坐标为（XD，YD），电离层高度为H，测得的方位角为θ、仰角为β之后，按照三角函数的关系就可以很方便地计算出目标T的地理位置坐标（XT，YT）。ZXβθHY测向站D目标台T电离层45通信对抗原理3.9.1测向定位技术2)多站交叉定位－双站双站定位也称为双站交叉定位，是通信对抗领域中确定目标位置最常用也是最基本的方法。因为两个测向站的地理位置是已知的，两测向站测得的目标的方位角θ1和θ2也是已知的，两条方位线的交点就是目标辐射源的地理位置，其坐标（XT，YT）可通过计算求得。

2NNABCD测向站1测向站2

1

246通信对抗原理3.9.1测向定位技术2)多站交叉定位－双站如果测向站的地理位置是准确无误的，两测向站的示向也是没有误差的，那么定位就是准确的一个点。但事实上测向误差是不可避免的，所以示向线不会是一条线，而是一个区域。交会点变成了四边形ABCD（见图2.4-15所示），这个四边形所包围的区域就叫定位模糊区。模糊区越大，定位误差就越大。据分析和实际测量得到的结论是：定位误差的大小与测向误差、定位距离和测向站的部署有关。当测向站的测向误差越小，两测向站与目标距离的平方和越小，定位误差就越小；而若两测向站与目标的夹角为90度时，定位误差最小。47通信对抗原理3.9.1测向定位技术2)多站交叉定位－多站由位于不同位置的三个或三个以上的测向站对目标辐射源进行测向，然后交会定位的方法称为多站定位。以三站定位为例，如果三个测向站的测向结果都没有误差，那么三条示向线肯定会交于一点，这个点就是目标的真实位置。但是，测向误差总是不可避免，所以三条示向线不能保证只相交于一点，而是如图所示。测向站1测向站3测向站248通信对抗原理3.9.1测向定位技术3)多站交叉定位－多站假设方位误差呈高斯分布，那么三个测向点方位的随机分布产生一个椭圆型的不定区域。随机方位误差被定义为标准偏差或均方根误差。区域的大小、位置和椭圆概率由若干个因子确定，如测向方位、方位范围和标准偏差等。为简便起见，通常按目标位于这个椭圆内的特定概率等级，通过换算，用等效误差圆半径来描述椭圆位置估算值，这个描述被称为圆概率误差（CEP）。多站定位的准确程度比双站定位有明显提高。49通信对抗原理3.9.2时差定位技术时差（TDOA）定位是测量同一目标辐射的信号到达三个或多个已知位置的定