2m波段最大幅度匹配測向算法研究

馬爾卓　夏靖坤

摘要：在無線電測向運動中，傳統的測向機是靠人耳來分辨信號源的方位。對于2 m波段測向機來說，當受到噪聲影響時會導致主瓣和后瓣難以分清，從而影響測向的準確性。在此基礎上，文章提出一種最大幅度匹配算法。原理是先使用嵌入式的加速度傳感器（MEMS）保持天線的水平，然后在保證天線陣元數目相同的情況下，通過將實際測得的數據和理想的天線方向圖在對應位置的抽樣點進行互相關匹配，得到互相關曲線，從而判斷出信號源的方位。實驗結果表明，最大幅度匹配算法能有效的替代人耳來辨別信號源的方位。

關鍵詞：無線電測向 ?最大幅度匹配 ?嵌入式 ?互相關

Research on the Maximum Amplitude Matching Direction Finding Algorithm in the 2m Band

MA Erzhuo ?XIA Jingkun

（Shenyang Ligong University， Shenyang， Liaoning Province， 110159 China）

Abstract：In radio direction finding motion， the traditional direction finder relies on the human ear to distinguish the direction of signal sources. For a 2 m band direction finder， it is difficult to distinguish the main lobe from the back lobe when it is affected by noise， which affects the accuracy of direction finding. On this basis， this paper proposes a maximum amplitude matching algorithm. Its principle is to first use the embedded ?accelerometer of the MEMS to keep the level of the antenna， and then obtain the cross-correlation curve by the cross-correlation matching of the actual measured data and the ideal antenna pattern at the corresponding sampling points under the condition of ensuring the same number of antenna array elements， so as to determine the orientation of signal sources. Experimental results show that the maximum amplitude matching algorithm can effectively replace the human ear to identify the orientation of signal sources.

Key Words： Radio direction finding;? Maximum amplitude matching; Embedded; Cross-correlation

無線電通信技術具有造價成本低，設備靈活度高，產品適應性強等諸多優點^[1]。在通信設備中，還可以集成微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS，MEMS）在感知能力方面為無線電通信技術提供了巨大的應用前景，使其在諸多領域中得到了快速的發展^[2]。為了增強對有限頻譜資源利用的有效性、可靠性和通信時的流暢性，無線電監測以及測向是不可或缺的，其地位和影響將隨著時代的發展而發展^[3]。

無線電測向技術是使用接收天線接收來自輻射源通過交變電流產生的電磁波，并根據電磁波傳播時的特點來判斷電磁波的準確來波方向^[4]。

傳統無線電測向機依靠人耳分辨信號源方向，而當測向過程受到障礙物或環境的干擾時，會產生旁瓣或后瓣從而影響對信號源方位的判斷。針對這種情況，文章提出一種最大幅度匹配算法，以算法來代替人耳，提高無線電測向的準確度。

1 傳統無線電測向技術

傳統無線電測向技術包括幅度比較式測向法、相位干涉儀測向法、多普勒測向法和空間譜估計測向法等。

幅度比較式測向技術的測向原理是通過利用測向陣列和天線的固定方向特征，測量來自于多個方位的信號的振幅，最終得到了來自于信號的方向^[5]。該技術能夠有效地避免多徑效應帶來的誤差，從而實現準確可靠的目標定位和測量。幅度比較式測向技術的特點是系統比較簡單、體積較小、質量較輕、價格低廉、測向原理形象直觀^[6]。

相位干涉儀測向法是指從同一輻射源到接收天線陣中每個單位之間的相位差值的測定，從而確定輻射源的來向^[7]。干涉儀的測向根據來自各個方位的電波經過測向天線陣后，在空間上各測向天線所接收到的相位并不相同，因此彼此之間的相位差也會有很大差別，通過確定來波的相位及相位差來判斷來波方向，干涉儀測向可測仰角，具有很好的測向靈敏度、測向精度、測向速度、抗失真的能力^[8]。

在2 m波段測向技術中，有單向法和單項—雙向法。單向法也叫主瓣一次測向法。當在耳機中收聽到信號時，轉動天線360°，依靠尖銳的主瓣方向圖可以明確地辨別出信號源的方位。

單向—雙向法多用于主瓣不夠尖銳的二元八木天線或要求方向線很準確的近距離測向中。在2 m波段標準距離測向中，首先使用單向法確定信號源的大致方位，其次將天線垂直立起，通過調整反射器的位置使其失去反射的作用。這時，只有有源振子起作用，天線的方向圖是單個有源振子的八字形方向圖，這種方向圖與磁性天線方向圖類似，其小音點的信號強度變化率大，方向性也十分明顯，這種單、雙向配合使用的測向方法可以有效提高測向的準確性。

傳統無線電測向的缺點是依賴人耳來辨別方向。當測向機受環境和障礙物干擾時，導致主瓣和后瓣難以分清，即兩個方向上的聲音大小相似。此時依靠人耳難以辨別方向，可以通過最大幅度匹配算法來解決這個問題。

2 最大幅度匹配測向的具體實現

2.1 天線的傾斜角度與測向影響

在測向過程中，影響測向結果的因素有很多，例如障礙物干擾、天線放置不水平等。其中天線放置不水平，會直接影響測向機的測向精度。為了確保天線水平，需要使用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）加速度傳感器^[9]。MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現智能化的特點。

在以Arduino開發板為核心的電路板上集成MPU6050傳感器。MPU6050是6軸運動處理傳感器，它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器DMP。使用它就是為了得到待測物體（如四軸飛行器、平衡小車）x、y、z軸的傾角（俯仰角Pitch、翻滾角Roll、偏航角Yaw）。通過I2C讀取到MPU6050的6個數據（三軸加速度AD值、三軸角速度AD值）經過姿態融合后就可以得到 Pitch、Roll、Yaw角。MPU6050采用壓電效應的工作原理，在三維空間中獲取天線當前三維位置的值，通過讀取這些數據，可以確定天線在三維空間中的姿態。圖1為MPU6050的引腳圖。

2.2 最大幅度匹配算法

最大幅度匹配算法的基本思想是將所有實際測量得到的數據與理想天線方向圖在各個位置的抽樣點通過互相關匹配，從而能夠由匹配所得的結果估測來波方向。圖3為最大幅度匹配的流程示意圖。

3 實驗測試

本次實驗通過MATLAB對2 m波段天線方向圖進行仿真，實驗所用的天線是八木天線，是由一個有源振子、一個無源反射器和若干個無源引向器平行排列而成的端射式天線。在理想的條件下，八木天線的方向圖接近橢圓形。在進行測向時，八木天線具有良好的單方向性，在其方向圖最大幅度出音面很大。在2 m波段的測向過程中，理想的方向圖形狀是一個正橢圓，而在實驗中，理想狀況下方向圖并不是正橢圓，在沒有噪聲干擾時是一個主瓣較尖銳的橢圓，后面可能有兩個或多個平滑的旁瓣。

首先繪制出2 m波段的理想方向圖。然后結合在實際測向中可能遇到的干擾對理想方向圖加噪聲，如圖4所示。

在實際測量過程中，實測方向圖與理想的方向圖一定會存在偏差。并且在實際測量時，由于受到外界電磁信號的干擾和自用空間傳播衰耗的影響，信號源所發射的信號與到達天線口面處的信號強度是不同的。同時外界由手機發射的電磁波信號也會對測向造成干擾。所以在真實的無線電測向運動過程中實測方向圖疊會加噪聲干擾并與正北方向成一定角度。

先設定一個理想的來波方向，其初始相位為。在真實的測向運動中，會受到多種因素的干擾，可以根據實際測出的方向圖來假設一個可能的來波方向范圍。假設來波方向在0°～120°之間。從0°開始逆時針旋轉，每隔20°將理想的方向圖與實際測得的方向圖求互相關。根據實驗數據，將每個角度的互相關曲線進行對可以發現，互相關曲線中峰值的幅度越大，實際方向圖的相位就越靠近理想方向圖，當兩者相位恰好相同時，互相關曲線在橫坐標為0處取得峰值。

旁瓣的數量的變化也會導致互相關曲線的變化，通過改變天線陣元的數目來控制旁瓣的數量，并觀察旁瓣數量不同時互相關曲線的變化。若方向圖旁瓣數量為M，天線陣元數目為N，則M=N-2。圖6為陣元數目分別為4、6、8、10時對應的方向圖。

圖7為比較陣元數目分別為4、6、8、10時，對應的方向圖旁瓣數量、理想方向圖與實際方向圖的互相關曲線。可以看出，旁瓣越多，相關曲線在最大值處越尖銳。對于實際測得的天線方向圖，旁瓣越少，后瓣越小，天線方向圖才越理想。因此可以根據圖7的互相關曲線的結果來判斷天線方向圖的旁瓣數量，最大幅度匹配的結果也有助于天線的選擇。

4 結語

實驗結果表明，在保證天線水平的前提下，在實測方向圖與理想方向圖的互相關函數中，當峰值的橫坐標為零時，實測方向圖與理想方向圖的指向角相同，這樣可以通過理想方向圖判斷出來波方向。面對噪聲干擾嚴重的測向環境，當人耳難以分辨出主瓣和旁瓣時，應用最大幅度匹配算法能有效的解決這個問題。

參考文獻

[1] 柏會凱，姚鵬，杜吉慶. 無線電通信技術及其運用研究[J]. 無線互聯科技，2022，19（1）：5-6.

[2] 李哲. 基于MEMS 傳感器技術的數字式傾角儀的研究[D]. 天津：天津大學，2008.

[3] 程霞. 超短波無線電通信抗干擾技術的發展趨勢[J].電子元器件與信息技術，2022，6（2）：207-208.

[4] KHAN S，WONG K T.A Six-Component Vector SensorComprising Electrically Long Dipoles and Large Loops—To Simultaneously Estimate Incident SourcesDirections-of-Arrival and Polarizations[J]. IEEETransactions on Antennas and Propagation，2020，68（8）：6355-6363.

[5] 劉利軍. 淺論無線電測向技術及其應用[J]. 中國高新技術企業，2009（7）：7-8.

[6] 汪兵，趙耀東，鄭坤，等. 同時同頻多源信號對比幅測向的影響分析[J]. 電子信息對抗技術， 2020， 35（3）：12-17.

[7] 韋卓. 基于單站干涉儀測向法的未知輻射源定位技術[J]. 艦船電子工程，2022，42（7）：159-161.

[8] 葛青林，王瑩瑩，元鋒剛. 基于MUSIC 算法的多陣元干涉儀通信測向技術研究[J]. 艦船電子工程，2022，42（1）：53-56.

[9] 潘兆馬，王珣，袁焦，等.MEMS 加速度傳感器的工程振動監測系統設計[J]. 傳感器與微系統，2021，40（4）：86-89.

[10] 朱曉丹，朱偉強，陳卓，等. 基于方向圖匹配的單天線波束掃描測角方法[J]. 航天電子對抗， 2017， 33（4）：11-16.