基于谐波特征分析的时间调制阵列测向研究

Radio direction finding plays a key role in information perception, and has an extensive application in the military and civil fields. Conventional direction finding methods, such as the amplitude-comparison method, the phase interferometer method and the spatial spectrum estimation method, cannot satisfy the high accuracy and low system complexity in the meanwhile. In this context, this program aims a novel kind of high accuracy direction finding method with a single RF channel. The method to be researched is based on the time modulated array, which is the hot topic in the regions of antenna and array in recent years. The high direction finding accuracy can be implemented by establishing the relationship among the direction, the generated harmonic characteristic matrix, and received harmonic components after the time modulation. On the basis of existing works, this program will be carried on as follows. First, the theoretical lower bound of the proposed direction finding method should be deduced. Second, the relationship between the direction finding accuracy and the related factors, such as the time modulation sequences and the selected harmonics, should be researched in detail. The method to choose the related parameters to improve the direction finding accuracy should be established. In addition, the influence of the non-ideal characteristic of modulation devices on the direction finding accuracy should be analyzed and the compensation method should be researched. In a word, this program will perfect the theory of the direction finding method with time modulated array by the harmonic characteristic analysis and will promote the high accuracy direction finding method with low complexity to the practical application in engineering.

无线电测向在信息感知中占有重要地位，在军民领域均有着广泛的应用前景。传统的无线电测向方法，例如比幅法、相位干涉仪方法、空间谱估计方法等，不能同时满足测向精度、系统复杂度的要求。在此背景下，本项目拟研究一种单射频通道、高精度的无线电测向方法。该方法基于近年来天线与阵列领域的研究热点——时间调制阵列，通过建立信号的入射方向与时间调制产生的谐波特征矩阵、接收到的谐波向量之间的数学关系来进行高精度无线电测向。在已有的工作基础上，本项目拟分析该方法的测向误差的理论下界，研究调制时序、谐波阶数等参数对测向精度的影响，并建立测向精度约束条件下的各参数的分配体系。进一步的，本项目拟研究调制器件的非理想特性对测向精度的影响及补偿方法。总之，本项目拟通过上述研究内容完善基于谐波特征分析的时间调制阵列测向的基本理论，并推动这种低硬件和算法复杂度、高精度的无线电测向方法走向实际的工程应用。

本项目主要围绕基于谐波特征分析的时间调制阵列测向展开研究。时间调制阵列，又称四维天线，是近年来国际天线与转播领域的热点研究内容，其具有简洁的结构以及灵活的控制，且可应用于低成本相控阵、无线电测向、保密通信等多个技术领域。本项目研究的基于时间调制阵列的单通道测向体制与方法，与现有多通道无线电测向方法相比，具有明显的优势。. 本项目研究内容主要包括基于谐波特征分析的单通道无线电测向、基于时间调制阵列的单通道空间谱估计测向，以及调制器件的非理想特性、对阵列测向的影响及补偿方法。其中，本项目揭示了时间调制阵列接收的谐波特征与信号入射方向、调制时序之间的定量数学关系，通过构建谐波特征方程，实现了单通道无线电测向。针对同频、相干信源测向难度，本项目揭示了时间调制阵列接收谐波中蕴含的阵列空域信息，通过最小二乘等方法，从接收谐波中恢复阵列信号，从而在单通道架构下，实现了高精度、超分辨率的空间谱估计测向，并采用空间平滑方法实现了对相干信源的分辨。本项目研究了调制开关的上升/下降特性，对调制开关的开关包络进行拟合，补偿了器件非理想特性对谐波特征矩阵以及最终的测向结果的影响。上述研究内容均通过实验进行验证，并开发了S波段、八单元时间调制阵列测向原理样机及显控软件。. 与传统的比幅、比相、空间谱估计测向方法相比，本项目研究的时间调制阵列测向方法具有简单的结构、简洁的信号处理，并具备理论坚实、方法明确、应用灵活等特点。该研究成果拓展了时间调制阵列的应用范围，丰富了无线电测向的方法类型，在无线电频谱管理、电子侦察等领域有着广泛的应用前景。.本项目的研究成果入选2020年上海航天军科委成果展，并得到上海航天-上海交大的联合资助，研制载荷应用于某新技术试验卫星。该载荷将于2023年下半年发射，并开展在轨应用验证。本项目资助发表IEEE TAP期刊3篇，IEEE AWPL期刊3篇，培养博士生1、硕士生2名。