文摘

机载信号情报(SIGINT)系统必须能够定位无线电信号来源。测向(DF)来支持此功能是一个重要因素。有一些实际问题,在设计的阵列配置DF系统机载信号情报系统。本文总结了实际的因素在设计的阵列配置DF系统机载信号情报。特别是,它侧重于四个领域:天线安装机载信号情报DF系统时考虑的因素从实用的角度来看,阵列配置方法对机载通信情报和电子情报和数值分析选择最优天线机载信号情报。

1。介绍

飞机信号情报(SIGINT)系统使用的是战略和战术来收集信号雷达和通讯系统。它通常分为通信情报(COMINT)和电子情报(ELINT)系统。因为信号情报系统需要能够找到敌人的信号的来源(1],测向(DF)来支持此功能是一个重要的要求,基本上在一个宽频率范围从20 MHz至40 GHz (2]。执行DF在这个频率范围宽,宽视野FOV,机载信号情报使用多个天线根据频率范围。例如,电子情报通常使用一种螺旋天线(3),能够使用一个刀片类型。此外,还有一些局限性在安装DF系统机载信号情报与有限的空间用于天线阵列和反射从飞机结构的影响4]。这些可能降低DF精度。

本文总结了实际的因素在设计天线阵列配置DF系统的机载信号情报。本文的概述如下。部分2简要提到的因素时要考虑选择机载信号情报天线。本节不专注于设计或天线本身的性能,而是在天线的选择因素需要用于配置的天线阵列信号情报系统。部分3介绍了设计时要考虑实际因素为机载COMINT DF阵列配置。首先,介绍了接收信号模型。设计和评估标准DF系统的简要描述。DF算法和阵列配置。

最后,校准方法。部分4介绍了DF阵列配置的必要因素需要考虑机载电子情报。因此,本节的重点是阵列间距没有角模棱两可,DF干涉仪DF系统的准确性,有些方法获取多个元素数组和模棱两可的概率比(信噪比)和基于信号阵列配置类型三元素数组。最后,它描述了计算电磁(CEM)建模与仿真需要准确估计测向天线阵的性能。的天线阵列可以有非常不同的阻抗和辐射模式,因为他们不同的安装位置和电磁环境平台。介绍了几种杰姆建模方法,最近开发了AntOpt软件,基于一个统一的几何绕射理论(UTD),简要地讨论了在这一节中。结果表明,计算结果从FEKO AntOpt同意这些,这是基于矩法和广泛用于计算电磁研究。

2。因素考虑机载信号情报天线从实用的观点

机载信号情报行动,信号宽频谱和未知的到达方向(DOA)必须收到一个天线,可以安装在飞机。因此,机载信号情报天线的一般要求是体积小型化,平面配置,相对较宽的频率范围内,适当的天线模式,适合航空操作的物理形状。换句话说,物理、电力和环境特点应用机载天线之前必须检查。有几种天线用于信号情报,可以安装在一架飞机。在实际意义上,在频带相对较低的情况下,可以使用钢丝式和刀片天线,而螺旋角、补丁和孔或槽天线可以使用中间和高频段(5]。在某些情况下,一个角落或抛物面反射器与一个合适的给料机被应用作为主要当高增益天线(方向性)需要远程或卫星通信。除了特殊情况的天线安装在飞机的垂直安定面,天线通常安装在皮肤上或下机身的飞机。这个安装环境,本文认为在天线选择三个因素:物理、电气和环境方面。

2.1。考虑的物理特性

不像在地面站天线安装的情况下,限制体积,重量和配置的天线是严格应用于机载系统的情况。一般来说,几兆赫的频率范围几十兆赫,钢丝式天线(常规使用6]。然而,估计线长度应该是太长时间飞机以外的安装在不改变或有辱人格的天线的性能。因此,这种类型的天线的使用是有限的,即使在一些实例中,使用它。当高功率传输,通常可以使用波导缝隙天线(7]。然而,由于大功率传输是不关心的,波导缝隙天线将被排除在外。天线反射器也有高增益的特点,但这是不可取的,因为它需要一个大型安装体积和曲面整流罩。此外,它是不适合使用的单一天线干涉仪阵列。

因此,机载天线通常局限于一个类型,可以与普通的相比相对小型的体积与一架飞机或一个辐射孔径。这意味着叶片、螺旋和喇叭天线成为首选天线基于物理方面。这些类型的天线相对容易安装在飞机的皮肤。可以得出结论,因此,它的形状和形式辐射平面在物理领域最重要的因素。

2.2。考虑电特性

物理特性后,有必要考虑电气特性如频率范围、模式和增益。首先,宽频带特性是必需的。一般来说,威胁的信号分布在一个非常广泛的射频频谱必须由一个接收和处理系统。因此,系统的天线必须覆盖频率范围。大多数信号情报系统的频带通常分为多个乐队(8]。虽然操作乐队分成几个乐队,天线必须还有一个多倍频程带宽。而螺旋(9]和喇叭天线满足这个标准,传统的单极或任何钢丝式天线从这个角度来说是不合适的。然而,一些航空叶片天线(10- - - - - -12)覆盖几十兆赫的频率范围数百兆赫或数百兆赫到几兆赫,虽然他们可以在低频段增益较低。这种模式也必须加以考虑。从任意方向接收信号的天线必须具有宽波束宽度,这意味着FOV的天线必须显示一个全向模式或中度模式曲线。刀片的模式基本上是全向天线,和螺旋角视场显示平滑模式曲线。一个常数获得无法维持在整个频段甚至在宽频带天线的情况下。一般来说,获得较低的频率范围相对较低,同时可以获得更高的收益相对较高的频率范围。例如,宽频带天线往往显示了一个获得负dBi值在低频段,而获得积极的dBi值出现在高频段(5]。系统设计的射频/数字过程板接收器更敏感或连接天线和接收机之间的电缆的长度是有严格限制的。

的偏振威胁也是一个因素需要考虑。因为通信发射器COMINT乐队通常有一个垂直极化和电子情报乐队的雷达操作与垂直和水平极化(8),叶片能够带天线和螺旋电子情报乐队的首选和通常使用的系统。

2.3。根据环境的特点

最后,必须执行调查的环境特征。事实上,一旦确定天线的物理特性和电气性能,环境特点的问题可以通过简单地选择一个来解决天线满足环境规范或要求供应商定制现有的天线,使其适合环境要求。在大多数情况下,前者是完成了。当一个适当的天线所需环境规范被选中时,必须考虑的因素,包括温度、湿度、海拔、振动和冲击13]。基本上,军方标准(14)使用的环境要求是应用于产品在军事系统中,尽管其他标准(15)可以应用在某些情况下,特别是对于一个非军事平台(飞机)。这是因为飞机作为平台是一个平民模型在这种情况下。标准的文档描述方法和步骤根据平台,使用,和条件下使用的产品。规范值,测试周期的持续时间和类型也记录。

在信号情报系统的情况下,这些值和其他因素必须根据类别选择信号情报系统安装在军用民用飞机平台。然后,天线可以选择从几个天线满足这些标准。例如,叶片天线的低温极限−54°C可以选择根据军事标准(方法501.3,proc。I和II)对天线安装在飞机的皮肤。

2.4。天线选择的系统性方法

除了前面提到的标准,一个系统性的方法所需的天线安装。在能够带相对应的频率范围,使用螺旋或角可以很受限制,因为合成天线应该是太大。此外,现有的叶片有天线,覆盖了频率范围,几乎全向模式(16]。因此,叶片天线通常是用作COMINT天线。另一方面,电子情报的乐队,螺旋和喇叭天线常用的系统,因为他们有适当的物理卷和表演(温和增加,适当的模式,等等)(17]。因此,可以得出结论,当干涉仪阵列配置,使用的刀片天线可以盈利了数组和数组中螺旋或喇叭天线将是有利的电子情报。出于这个原因,为机载天线,叶片选择天线能够操作和螺旋或喇叭天线是用于电子情报行动。

3所示。事实考虑为机载天线阵列的配置了

3.1。信号模型和实际问题

考虑一般的阵列配置天线元素。这样的一个数组的反应在理想情况下描述冲击信号。各向同性的,相互独立的天线元素。还假设源信号是窄带信号和调制是恒定在任何天线元素的传播延迟。让我们考虑一下th源信号,来自方位角和仰角 ,载波频率和复杂的调制函数 。然后,接收到的信号天线元素可以建模如下(18]: 在哪里代表所有天线元素的背景噪声和噪声组件的所有元素都是独立的。 占的传播延迟th天线元素和源信号。天线元素的数量 。虽然设计一个各向同性,点状,互相独立的天线阵永远不会意识到在实际DF系统中,可以使用简单的表达,只是介绍了获得预期的天线阵列的性能。因为我们假定各向同性元素,数组模式完全取决于空间安排。如果元素仍然是独立的,没有相互耦合,可以计算数组模式简单地乘以一个数组元素的模式在原点的因素占阵列配置(19]。

然而,在一般情况下,阵列因子和单个元素的模式是分不开的,因为我们需要考虑天线模式的扭曲源于DF组件和DF环境。一些实际效果如下。首先,天线位置的错位,这是可预见的安装天线时,可能会导致天线的变形模式。第二,宽容的天线电缆的相位精度和频率稳定的射频前端设计天线模式加重的主要原因。第三个影响是相互之间的耦合天线元素。这是著名的在高频率的元素组合在一起。第四个效应是天线元素的相互依存和DF平台。元素和平台之间的距离太近,忽视对天线的影响模式。第五效应引起的反射障碍DF平台,这意味着天线模式是干扰信号组件的组合的结果。最后,衍射造成的障碍在DF平台上,平台本身可能是扭曲的天线模式的原因之一。 Accordingly, the array pattern cannot be simply evaluated in practice but has to be discretized with respect to the frequency, azimuth, and elevation on a predefined grid.

3.2。设计标准

在设计宽带测向阵列时,通常有两个相互竞争的需求。一方面,一个狭窄的宽度的主光束模式是可取的数组实现DF精度高(20.]。这可以通过设计最大可能的光阑,即大元素间距。另一方面,大带宽的数组的实际利益,以达到良好的覆盖的频率范围21]。然而,随着频率的增加,天线元素的相对间距的波长变大,光栅叶增加,从而降低了DF性能。因此,合理的DF准确性和带宽之间的权衡是不可避免的。对于理想的阵列配置设计标准,如主波束宽度,带宽和定向增益必须被考虑。还应该指出的是,最终数组配置可能偏离最初的一个,因为安装限制DF平台安装在平台或不良干扰障碍。

总之,应该考虑以下评估标准来量化设计标准:主波束半功率波束宽度,距离旁瓣,定向获取关于一个各向同性天线元素,RMS DF精度,性能和带宽。

3.3。DF算法和阵列配置

密集信号场景是不可避免的在空中能够应用程序,因为扩展广播地平线。此外,观察到光谱的很大一部分包含各种信号来自多个方向相同的频率。这就是为什么地上稀缺的频率资源复用在足够的空间距离。古典DF算法是用来检测一个信号和交付DF结果只有最强的信号组件的多波发生率。然而,DF多波发病率可能扭曲,有时还会导致提供错误的结果。干涉仪和波束形成方法是经典的例子DF算法。超分辨率算法评估DF的结果为每个组件的信号混合,组件可能完全重叠的时间和频率(22]。信号的估计数字代表任何超分辨率DF算法不可分割的一部分。信号分离成不同的组件可以改善DF结果的准确性和后续信号的定位。

此外,超分辨率算法可以提供获得DF结果的本质特征微弱信号组件有强烈的信号分量叠加。星座DF阵列的性能也很重要,以及DF算法。通用阵列配置,应该考虑以下在设计天线阵列。(1)灵敏度:因为弱信号的具体利益,最低要求接收水平对于一个成功的DF评估决定。(2)带宽:如前所述,数组带宽和DF性能之间的权衡是不可避免的。(3)信号分离能力:这是密切相关的天线元素的数量,以及给定的阵列波束宽度。(4)信号相关性:大信号组件之间的相关性值降低DF的性能。理想是一个相关值为零。然而在实践中,接收到的信号的相关性值可能不是零。(5)RMS性能:一般来说,这一标准是最重要的参考点的DF准确性。 (6) Wild bearing percentage: The percentage of outliers is used as a reliability measure for the DF quality. In other words, the azimuth result with a deviation of more than a certain value from the true direction is defined as a wild bearing.

数组配置DF系统的性能是非常重要的,和一些例子进行了调查6,7,16]。在设计阵列配置中,两个或三个乐队通常分区覆盖频率范围广泛的兴趣。低频段阵列设计可能是基于一个v字形或人字形为了获得合理的大型天线孔径。所有的元素都被认为是安装在机身,可能在地平面。更好的孔径可以通过安装在垂直维度天线元素的翅膀。然而,这可能导致困难的阴影影响身体和颤动的飞机的翅膀。高频段阵列设计可能基于均匀圆阵列的方法。另一种可能是近,菱形天线元素的安排如果可用空间不均匀圆阵列的大小。

3.4。平台校准

安装的天线阵机载平台可能会导致重大的天线模式由于环境的变化在数组中。例如,各种障碍在数组等金属物体将会改变光束模式(23]。衍射和反射可能改变的阶段方面24]。需要校准措施在机载平台一般是众所周知的。因此,平台校准时最重要的任务之一是将天线阵列。平台校准测量的目的是收集知识信号由传感器阵列接收的电磁场,尽可能完整、准确。

最近,优越的模拟方法的可用性似乎已经启用的准确模拟平台安装天线的性能。然而,对于更准确的结果和DF性能更好,平台校准已经考虑。平台校准可以分类主要是模型校准和机上校准。模型校准数据测量在测量室或使用地面实地测量。天线阵列安装在一个模型。模型结构可以涵盖各式各样的物理实现。模型只能近似真实的平台在某些方面定性展示特征。它也可以为了一份真正的平台,是准确的。根据实际的平台和模型间的相似度,观察到的各种现象在机上测量可以解释和理解。机上测量获得的校准数据比地面mock-up-based测量更准确和实用。 The mock-up-based calibration data cannot include unexpected phenomena caused by small obstacles mounted on an airborne aircraft, and inflight propagation conditions are difficult to achieve with real-size mock-up measurements. This is because the mock-up is relatively close to the ground, which allows the signals to be influenced by various objects around it on the ground. The amount of frequency and azimuth characteristics of the received signals obtained in an actual flight is significantly smaller than the coverage in ground-based measurements.

实际飞行受到的约束最大传输信号强度,频率由电信监管机构权限,和不断变化的光谱环境。根据天气情况,飞机的态度可能严重动摇,从而防止获得所需的数据。定义和常数测量条件,例如一个常数在测量信噪比不能建立了机上测试。

因此,额外的努力是必要排除不良数据,包括理想的数据。所有DF测量应重复区分随机效应和稳定的现象。机上校准要复杂得多,比mock-up-based校准费时,且容易出错。应该注意的是,机上校准和mock-up-based校准维护必要的DF性能很重要。

4所示。天线阵列配置机载电子情报

4.1。干涉仪阵列配置DF系统三元素数组

机载电子情报使用腹部整流罩住房或pod类型附着在飞机身体收集无线电信号,可用于测向。

电子情报的干涉仪DF系统主要是由三个或研制出阵列根据所需的DF的准确性程度。数组配置三元素与两个不同的基线干涉仪在图所示1。数组可以根据信道用于分类阶段文献[25]。如果第一个通道是参考另一通道,数组叫做结束流程,如图1(一)。类似地,如果最后一个频道是参考其他频道,数组称为结束流程是正确的。最后,如果中间的通道是参考另一通道,数组叫做midphase,见图1 (b)。干涉仪测向系统通常使用多个基线达到DF精度高和解决角模棱两可。如图1最宽的基线, ,用于实现DF精度,另一个基线, ,用于解决角模棱两可。

当一个信号的波长到达一个角相对于数组,间隔两个元素之间的相位差通过取模操作表示为 在哪里 , 。阶段样本空间发现使用(2)如图2。每一行代表之间的关系和 ,和相位差的线之间的距离。如果和测量值与误差项吗为和 ,这些值对应于一个点 在样本空间。在没有测量误差( ),这一点将位于一个相位差。然而,不会躺在任何线的测量误差的存在。此外,如果测量误差大于模糊边界,DF误差可能会增加,DF性能退化。因此,最优条件解决歧义是每一行的阶段样本空间尽可能广泛的(26]。

4.2。DF干涉仪DF系统精度

为了满足需求,其中一个重要原因是DF准确性。理论均方根(RMS)角错误的信噪比(27- - - - - -29日]给出如下:

在(3),三元素的DF精度与两个不同的基线干涉仪是由最宽基线。此外,干涉仪DF系统机载电子情报进行测向在一个广泛的频率与单一阵列配置。计算的DF准确性三元素数组配置2 - 6 GHz的频率范围 ,阵列间距 和 (是一个6 GHz)波长和信噪比是20分贝。DF精度使用(3)如图3。如图3,DF精度提高频率的增加或角度接近零。

4.3。方法获取多个元素数组干涉仪DF系统

使用各种方法来获得多个元素的间距阵列的干涉仪DF系统。两个选择天线元素的位置可用:谐波二进制间距 ,在那里 或非调和间距(17]。谐波二进制间距可以简单地选择,但相位误差作为一个没有给定信噪比的函数。非调和二进制间距通常使用相互素数。McAulay [27)给三元素数组间距的比例如下: 在哪里和是整数,这一比率将一个整数。这种方法提供了相位误差的三元素数组。另一种方法来获取三元素数组间距提供了古德温(25]。数组的间距是 。相对素数 ,和阵列间距 。这种方法只适合间距与互质整数数组。示例天线阵间距的三元素数组使用方法与视场 给出了在表1。

4.4。概率的模糊性干涉仪DF系统有三个元素数组

DF系统一般来说,是不可能完全解决歧义的角度(26]。如图2如果测量误差很大,DF歧义可以发生。这可以获得使用模拟等算法的余弦函数(30.)、最小二乘和相关系数的方法来估计DOA (31日]。获得的概率模糊的另一种方法是使用通道对RMS相位误差的古德温(25]或相位差线之间的距离,在李的工作和吸引32]。前需要一个模拟只要选择阵列间距,但后者可以选择阵列间距满足需求基于模糊性的概率。模棱两可的概率的三元素干涉仪被李发现和吸引32)如下: 在哪里

模糊概率发现使用(5)如图4(32]。为了减少模糊概率,高信噪比和相位差之间的距离大行是必需的。此外,一个端点相位阵列配置比midphase配置。

4.5。由于飞机反射结构的影响

由于飞机结构(反射的影响4必须考虑)。当直接路径和间接路径信号反射等同时收到一个干涉仪阵列,它将测量这些信号的矢量和。如果直接路径信号不够比间接路径信号,DF精度可能会减少。最小化相位误差的影响由于间接路径信号最优阵列位置必须选择整个数值分析。部分5描述了数值分析用于选择数组位置详细电子情报。

5。计算电磁建模和分析

预测的测向天线阵的性能配置在前面的部分中进行讨论的环境中,从一个空中平台测向天线阵列是孤立的。在这种情况下,两个是假定的。首先,所有的天线阵列操作相同,其辐射模式是各向同性的。第二,直接波确定接收到的信号的大小和相位,而反映或绕射波天线和周围不存在平台。

然而在实践中,DF天线阵最终将被安装在一个平台,如飞机。如果平台包括在性能预测,这两个假设不会有效,但以下因素将是必要的。首先,所有的天线阵列的操作不应是相同的。由于平台的任意形状和天线之间间距不同,地面条件不同的天线可能会有所不同,他们的辐射模式和输入阻抗也可能不同(33- - - - - -35]。第二,反射和绕射波不再是微不足道的。各种金属的形状在这个平台上可以导致大量的反射和衍射的直接波,导致接收信号组成的直接波和单/多对每个天线反射和绕射波。因为这些因素显著增加的复杂性的分析设计DF系统,DF天线阵的性能预测在一个平台上可以使用杰姆进行建模和分析(36- - - - - -38]。

杰姆建模是非常有用的麦克斯韦方程来解决管理电磁辐射散射和耦合,在相对于对应的天线和对象。为了包括尽可能多的电磁影响的问题,建议全波方法的使用。各种全波方法可用,如矩量法(MoM),有限元方法(FEM),有限离散时间域法(FDTD) (39),和商业软件产品能在市场上找到。每个方法都有优点和缺点取决于分析应用程序。在开放边界问题像天线和雷达截面(RCS)分析,妈妈最好。另一方面,如果要分析的结构是足够大的波长相比,例如,大于成千的波长,可能是一个挑战,因为全波分析计算成本(内存和时间)显著增加。近似方法可能有效电大型建模问题和物理光学(PO)和统一的几何绕射理论(UTD)通常用于射线跟踪技术(40]。

图5显示了f - 16战斗机的杰姆模型及其相关UTD-based分析结果的一个例子一个接受点 。使用仿真软件AntOpt,最近开发的防御和开发署(ADD)和韩国先进科学与技术研究院(韩科院)。杰姆模型组成的非均匀有理b样条(NURBS)表面,而从飞机的3 d CAD数据转换从犀牛软件(441]。所有的表面都被认为是完美的电导体时电磁现象进行了分析。如果波信号入射方向图中所示,射线到达从AntOpt获得。红,蓝,绿线代表的直接反映,和绕射射线,分别和所有的射线导致了电场的大小和相位。收到AntOpt电场获得的结果在蓝色相比于商业软件FEKO [42)基于妈妈,如红色,如图所示6。分析了在2 GHz。如图所示,两个结果之间的相关性。计算时间被AntOpt和FEKO大约是2 h和18 h,分别。因此,使用发达AntOpt节约时间的优点,即使软件考虑造成的电磁影响飞机结构。

6。结论

本文提出应考虑实际因素,在设计的阵列配置DF系统机载信号情报。有许多因素要考虑在设计阵列配置,但本文主要提出了天线从实用的角度考虑因素,阵列配置空气能够和电子情报和数值分析的方法选择最优天线的位置。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。