基于谱估计的短波信号测向算法

针对短波沃森瓦特测向系统，提出了一种基于波束形成的测向算法，该算法将沃森瓦特接收机的三个通道输出进行线性组合，形成阵列测量矢量，采用最小方差无失真波束形成器进行空域滤波测向。与传统沃森瓦特算法相比，该方法充分利用了爱德考克天线的阵列孔径。计算机仿真表明，所提算法的测向精度优于传统算法。

短波的频率范围为1.5 MHz 到30 MHz， 该频段的无线电波可以被电离层反射或者散射， 可以用于长距离通信。短波可以用于大范围音频广播、天波超视距雷达、业余无线电通信、航空通信、海上通信等等[1] [2] [3] [4]。

短波测向系统主要有两类形态，一种是以大型圆阵为基础的固定站，采用干涉仪和空间谱体制，占地面积较大，空间谱体制可对多个同频信号同时测向；另一种是以爱德考克(Adcock)天线阵列为基础的小型可搬移站或者车载/舰载站，主要采用沃森瓦特(Watson-Watt)体制，使用机动灵活，主要缺点是精度相比大型固定站有所下降[5]。

沃森瓦特体制的发展迄今已有百年历史。

1919 年Adcock F 提出利用四个天线组成的阵列的机械旋转来进行幅度测向[6]。1925 至1926 年，Watson-Watt R 改进了Adcock F 的方法，通过观察示波器上的利萨如(Lissajous)图形的椭圆倾斜角来指示信号方向而不再需要机械旋转， 并提出增加第五个天线来实现去模糊[7]。随着现代数字信号处理技术的发展，现代沃森瓦特测向设备采用全数字的方式进行处理，其测向稳定度、精度、灵敏度都获得了显著提升， 其主要部件有爱德考克天线、三通道测向处理接收机等[8]。

本文着力于在不改变现代沃森瓦特测向设备软硬件技术体制的情况下，从信号处理的角度去提升其测向精度，将其角度估计问题转换成为波束形成问题，并采用多项式求根实现闭式求解。

2. 沃森瓦特测向设备原理 2.1. 爱德考克天线阵列 爱德考克天线阵列由五个单极子天线组成，其中一个天线(称为sensor 天线)放置在中心，用于解180度模糊，剩下四个天线每对沿着参考坐标轴放置，不失一般性，假设Y 轴沿着北–南(NS)方向，X 轴沿着东–西(EW)方向(图1)。

Figure 1. Diagram of an Adcock antenna 图1. Adcock 天线示意图