浅议空间谱估计测向技术实用化问题

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1、浅议空间谱估计测向技术的实用化问题    摘要：本文简单介绍了空间谱估计测向技术的发展历程和基本原理，详细探讨了其在实际应用中遇到的技术难题，并给出一种实用性较强的短波空间谱估计测向系统的设计思路。    关键词：空间谱估计测向MUSIC算法短波测向    1 引言    空间谱估计测向技术是近三十年来发展起来的一门新兴的测向处理技术，这种测向技术因为采用了先进的数字信号处理方法，具有传统测向体制无可比拟的技术优势，展现出良好的应用前景，成为国际无线电侦测领域的研究热点。    1979年美国人R.O.Schmidt提出著名的MUSIC（Mult

2、ipleSignalClassification多信号分类）算法，标志着空间谱估计测向进入了繁荣发展的阶段，经过三十年的发展，可以说其理论已经比较成熟，但是到目前为止见诸报道的在实用空间谱估计测向系统并不多，这不能不说是一个遗憾。尤其是近年来，随着无线电通信技术的不断发展，无线电测向技术有了长足进步，各生产厂家纷纷推出了各种新型无线电测向设备，但是从中很难见到空间谱估计测向设备的身影。    下表是目前见诸公开报道的国际上主流公司具有代表性的一些侦测产品，可见只有美国的DRS和以色列的Rafae两家公司采用了空间谱估计测向技术。        这

3、一局面反映了该技术在实际应用中还存在着许多问题，当前条件下如不解决这些问题，其实用效果会大大降低，其应用前景也不会像理论所示那样诱人。    本文首先从产品研制方面回顾国内外空间谱估计测向技术走过的历程，然后以MUSIC算法为代表简单介绍空间谱测向技术原理，其次分析其在实际应用中碰到的技术难题，最后给出一种实用性较强的短波空间谱估计测向系统的实现思路。希望能够借助本文，给空间谱估计测向技术一个客观的认识。    2国内外空间谱估计测向产品研制历程    国际上，最早的空间谱估计测向系统是美国TRW公司在1986年推出的ESL实验系统，它利用8元圆

4、阵，工作频段1.8GHz，阵列孔径为13个波长，该实验系统原理性验证了空间谱估计测向的多信号测向、抗多径干扰的能力。    1990年英国Plessey公司推出了SR-DF试验系统，阵列为5~8元均匀圆阵，工作频段68~72MHz，利用CPU执行信号处理运算，单次测向时间为2s，测向均方根误差为0.7°，多信号分辨能力为10°，约为三分之一阵列波束宽度，该试验系统进一步验证了空间谱估计测向的超分辨能力。    1991年美国Unisys国防公司推出了船载短波测向系统，工作频段3~30MHz，采用MUSIC算法，岸上测向均方根误差为3°，装船后的测

5、向误差为5°。    1994年美国Watkins-Johnson公司推出了WJ-9010短波测向设备，工作频段为1.5~30MHz，采用MUSIC算法，测向均方根误差小于1°，并具有多信号测向能力。    最近据说德国R&S公司也推出了具有超分辨测向能力的产品，作为其DDF0xE、DDF0xA的选件，但没有其应用效果的报道。    在国内，某大学在上世纪90年代完成了八阵元超短波测向实验系统，较为系统地进行了算法研究、系统设计、外场试验等工作。虽然实验系统的天线、接收机等硬件条件较差，但还是取得了令人鼓舞的实验效果。    值得一提的是2000

6、年左右，某工厂研制的短波空间谱估计测向系统，技术指标高，实用效果好，是国内第一套真正实用的空间谱估计测向系统，在空间谱估计测向技术发展上迈出了坚实的第一步。    3空间谱估计测向技术基本原理    空间谱估计测向与传统测向方法，具有如下的突出优点：    （1）多信号测向能力，既可以对不相关或部分相关的多个同频来波信号进行同时测向，也可以通过预处理对几个相干信号同时测向（抗多径测向能力）；    （2）测向分辨力高，突破了瑞利极限，能分辨出落入阵列同一波束内的多个信号（超分辨测向能力）；    （3）测向精度高，采用阵列信号处理方法，可以充分利

7、用复杂的数学工具，获得更高的测向精度；    （4）测向灵敏度高，在短数据低信噪比条件下亦能获得良好测向性能。    空间谱估计测向是在经典谱估计理论基础上发展起来的，是一种以多元天线阵结合现代数字信号处理技术为基础的新型测向技术。空间谱估计测向并不是从各天线元所收到信号幅度或相位的简明的数学公式上直接求出来波方向，相反，它充分利用了各阵元信号所含综合信息，通过统计处理方法来估计信号到达方向。    空间谱估计测向是根据各阵元的输出信号，来估计空间频率，进而求出来波方向等参数。实际上，各种谱估计方法都可以用于测向中，只要把搜索参数如频率变成空间频

8、率就可以了。    MUSIC算法得到空间谱并不是功率谱，只是信号方向向量与噪声子空间之间的“距离”。尽管如此，空间谱却能够在真实波达方