CN100396140C - 多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统 - Google Patents

Abstract

本发明是多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，包括垂直极化大基础干涉仪测向天线阵、高、低端电旋开关、功率分配器、第一天线选择器、三功能RF放大器、双信道测向接收机、数字中频鉴相器、监测测向处理单元、工业控制计算机、低端垂直极化监测天线、高端垂直极化监测天线、第二天线选择器、监测接收机、蓄电池组、UPS、环境监控和遥控电源单元、集线器、网络。优点：一对天线元同时采样，确保同步、快速、精确。具有放大、直通、衰减三种功能的放大器，可自动切换，扩大了接收信号的动态应用范围，在接收强信号时，不容易因信号饱和而产生阻塞。而且监测和测向能同时进行，测向速度加快。系统精度高、灵敏度好、速度快、系统稳定、可靠性高。

Description

多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统

技术领域

本发明涉及的是多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，属于通信技术中的阵列信号数字处理测向技术领域。

背景技术

早期的监测测向系统采用的是比幅测向体制，它是通过比较天线阵上各单元天线接收到的信号幅度大小，来判别信号的方位。而这种方法由于承受周围恶劣电磁环境影响的能力较差，往往出现判断的信号方位不准确、测向精度不高、灵敏度较差、测向速度慢、易受干扰等现象。随着无线电频谱管理工作的深入，早期的监测设备和监测技术已不能适应时代发展的要求。为此，我公司瞄准世界先进技术，研发了多信道无线电监测和相关干涉仪测向固定站系统，率先填补了国内空白。

发明内容

本发明的目的在于针对早期无线电监测存在的缺陷，提出一种多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，对垂直极化波的无线电通信信号进行监测监听、测向定位；以提高测向速度、提高监测测向精度和灵敏度、增强抗干扰能力。

本发明的技术解决方案：其结构包括垂直极化大基础干涉仪测向天线阵、高、低端电旋开关、功率分配器、第一天线选择器、三功能RF放大器、双信道测向接收机、数字中频鉴相器、监测测向处理单元、工业控制计算机、低端垂直极化监测天线、高端垂直极化监测天线、第二天线选择器、监测接收机、电池组或市电、UPS、环境监控和遥控电源单元、集线器、网络。

所述的监测接收机用于无线电监测，双信道测向接收机用于无线电测向，可同时进行无线电监测和测向。

本发明的优点：一对天线元同时采样，确保同步、快速、精确。通过对天线阵接收到的信号幅度和相位信息进行相关运算，而获得信号的方位，从而提高了测向精度和灵敏度、增强了抗干扰能力。采用宽口径大基础测向天线阵，很好地解决了各天线阵元间的互耦问题，排除了单元天线间耦合和相位模糊。采用无源测向天线，可避免因有源放大器的线性失真而导致相关干涉仪测向天线空间相位特性曲线的畸变。采用了具有放大、直通、衰减三种功能的放大器，可自动切换，扩大了接收信号的动态应用范围，特别是在接收强信号时，不容易因信号饱和而产生阻塞。而且监测和测向能同时进行，测向速度加快。系统精度高、灵敏度好、速度快、系统稳定、可靠性高。

附图说明

附图1是本发明实施例电原理框图。

附图2多信道(或双信道)无线电监测和相关干涉仪测向固定站系统中所用的测向天线阵示意图。

附图3三功能RF放大器电原理框图

附图4是高、低端电旋开关电原理示意图(以一组电旋开关为例)。

附图5是功率分配器以1∶2分配器为例的结构框图。

附图6是环境监控和遥控电源单元的结构框图。

附图7是本发明软件控制系统流程图。

图中的1是大基础干涉仪测向天线阵(垂直极化)、2是高、低端电旋开关、3是功率分配器、4是第一天线选择器、5是三功能RF放大器、6是双信道测向接收机、7是数字中频鉴相器、8是监测测向处理单元、9是工业控制计算机、10是低端垂直极化监测天线、11高端垂直极化监测天线、12是第二天线选择器、13是监测接收机、14是电池组或市电、15是UPS、16是环境监控和遥控电源单元、17是集线器、18是网络、19是避雷针、20是五单元垂直极化无源测向天线阵：1350MHz-3000MHz、21是五单元垂直极化无源测向天线阵：500MHz-1350MHz、22是五单元垂直极化无源测向天线阵：160MHz-500MHz、23是五单元垂直极化无源测向天线阵：20MHz-160MHz。R₁、R₂、R₃是电阻、C₁、C₂、C₃是电容，D_1-12是二极管、V1-V7是监测测向控制器输出的电压；软件控制系统的流程图包括监测测向服务程序(dfNetServer)测向流程和监测测向服务程序(dfNetServer)运行流程。

具体实施方式

对照附图1，其结构包括大基础垂直极化干涉仪测向天线阵1、高、低端电旋开关2、功率分配器3、第一天线选择器4、三功能RF放大器5、双信道测向接收机6、数字中频鉴相器7、监测测向处理单元8、工业控制计算机9、低端垂直极化监测天线10、高端垂直极化监测天线11、第二天线选择器12、监测接收机13、电池组或市电14、UPS 15、环境监控和遥控电源单元16、集线器17、网络18。

它们间的连接关系：大基础垂直极化干涉仪测向天线阵1、高、低端电旋开关2、第一天线选择器4、三功能RF放大器5、双信道测向接收机6串接；高、低端电旋开关2的输出/入端与功率分配器3的输入/出端相接；双信道测向接收机6的第一输出端与数字中频鉴相器7的输入端相接，双信道测向接收机6的第二输出端与功率分配器3的第一输入端相接；数字中频鉴相器7的输出端与工业控制计算机9的第一输入端相接，工业控制计算机9的第一、第二、第三、第四输出端分别与双信道测向接收机6的第二输入端、监测测向处理单元8的输入端、监测接收机13的第一输入端、集线器17的第一输入端对应相接；监测测向处理单元8的第一、第二、第三、第四、第五、第六输出端分别与功率分配器3的第二输入端、第一天线选择器4的第二输入端、三功能RF放大器5的第二输入端、双信道测向接收机6的第三输入端、第二天线选择器12的第三输入端、监测接收机13的第二输入端对应相接；低端垂直极化监测天线10、高端垂直极化监测天线11的输出端分别与第二天线选择器12的第一、第二输入端对应相接；第二天线选择器12的输出端与监测接收机13的第三输入端相接；电池组或市电14与UPS15串接，UPS15第一输出端与工业控制计算机9的第二输入端相接，UPS15第二输出端与环境监控和遥控电源单元16相接，环境监控和遥控电源单元16的第二输出端与集线器17的第二输入端、网络18的输入端串接，环境监控和遥控电源单元16的第一个输出端接工业控制计算机9的第三输入端。

所述的垂直极化大基础干涉仪测向天线阵1，共分四层排列(对应四个频段)，沿高度方向排列，每层均由五付无源垂直偶极子天线组成圆型阵列，整个测向天线阵共有20根天线振子，用于接收信号。最下层为20MHz～160MHz波段，阵列最大直径3.0米，单元偶极子最长1.8米；在其上是160MHz～500MHz波段，阵列直径和偶极子长度都有所缩小；再往上是500MHz～1350MHz波段，阵列直径和偶极子长度进一步缩小；最上层是1350MHz～3000MHz波段，阵列直径和偶极子长度再一次缩小。天线阻抗为50Ω。

高、低端电旋开关2是根据频段分为低端电旋开关单元和高端电旋开关单元。它受监测测向处理器8的控制和供电。

其中低端电旋开关单元(型号为ANS 017L)的工作频率为20MHz～1350MHz，它相当于一个高频电子开关，它有15个信号输入端、2个信号输出端、1个控制/供电端口、1个自校信号输入端和1个自校信号输出端，它受控同时打通某两路信号通道(分为主路、辅路)和自校信号通道。

高端电旋开关单元的工作频率为1350MHz～3000MHz，型号为ANS 018L，它也是一个高频电子开关，它有5个信号输入端、2个信号输出端、1个控制/供电端口、1个自校信号输入端，它受控同时打通某两路信号通道(分为主路、辅路)和自校信号通道。其工作原理：当控制电压V1、V2加电，二极管D_1-3导通时，来自可搬移垂直极化相关干涉仪测向天线阵1的信号就可传到节点A，当控制电压V2、V3加电，二极管D_4-6导通时，自校信号就可传到节点A，当控制电压V4、V5加电，二极管D_7-9导通时，节点A的信号就可从主路输出；当控制电压V6、V7加电，二极管D_10-12导通时，节点A的信号就可从辅助路输出(如图4所示)；

对照附图5，功率分配器3，包括ALL 050L 1:2+1:5功率分配器和ALL 051L 1:5功率分配器两部分。ALL 050L功率分配器用于频率低端，是把接收机产生的自校信号先分成两路，其中一路又被分成5路，引入低端电旋开关，用于对20MHz～160MHz波段或160MHz～500MHz波或500MHz～1350MHz波段工作的系统进行自校；另一路自校信号传送到高端电旋开关盒中，再经1:5功率分配器后，送到高频电旋开关单元用于高频段系统的自校。

第一天线选择器4是一个4:2选择器，用于从高端电旋开关和低端电旋开关输出的2对主辅信号中选取1对主辅信号输出。它有4个输入端、2个输出端和1个控制/供电端。

三功能RF放大器5，由两个放大器组成，工作频率均为20MHz～3000MHz，具有放大、直通、衰减三种功能，在使用中根据实际需要由软件设定。两个放大器同时对来自天线选择器1的主辅路信号进行处理。它们各有1个控制/供电端、1个输入端、1个输出端。

该三功能放大器(如图3)由第一高频继电器、第二高频继电器、放大电路、衰减电路和电源组成，高频继电器(型号RF303-12)、放大器中的放大管(型号ERA-51SM)。+12V电源受软件控制分别加到第一高频继电器和第二高频继电器上。当第一高频继电器加电，而第二高频继电器不加电时，输入信号经放大电路后得到线性放大，再第二经高频继电器的直通部分输出。即为“放大”。当第一高频继电器不加电，而第二高频继电器加电时，输入信号经第一高频继电器的直通部分后到达第二高频继电器的衰减电路，经衰减后输出。即为“衰减”。当第一高频继电器和第二高频继电器都不加电时，输入信号经第一高频继电器和第二高频继电器的直通部分输出。

即为“直通”。故该放大器具有“直通、放大、衰减”三功能。

双信道测向接收机6，是对输入的两路主辅信号进行变频、解调、解码，输出包含信号相位和幅度特性的中频信号，再到数字中频鉴相器7处理。本实施例中选用日本Anritsu公司的RR509A双信道测向接收机，它的两个信道共用一个本振源，相位一致性好，从而保证了相关干涉仪测向系统的高精度，且系统灵敏度很高、稳定可靠。

数字中频鉴相器7的主要功能是检波出信号矢量电压中的相位信息，它由模拟乘法器(型号MC1596L)、移相器(有两种型号：PSCQ-2-0.455和PSCQ-2-21.4，分别用于对455KHz中频和21.4MHz中频信号进行处理)和放大电路(其中的放大管型号为C157C)等组成，对来自接收机的中频信号进行处理，输出信号的相位信息。再通过模数(A/D)变换转换成数字信号提供给计算机。

监测测向处理器8(型号为DFC 050L)是系统各部分控制驱动单元和直流供电单元。处理器通过串行口与工业控制计算机9(ADVANTECHIPC-610)通讯，接受计算机的控制指令，对功率分配器和高、低端电旋开关、第一天线选择器、三功能RF放大器、双信道测向接收机、第二天线选择器、监测接收机的控制，使系统按着软件程序对无线电信号进行监测和测向。

工业控制计算机9(ADVANTECH IPC-610)是作为应用软件的载体，除了执行程序(包括存储、打印)外，还对大量的数据、音频、视频等进行处理，它通过对大量采集的信息数据进行复杂的统计算法(如自相关算法、相位检波算法、HILBERT变换、FFT算法)，从而得出信号的方位。它具有运行速度快、容量大、稳定可靠、可扩展、抗震性能好等特点。

低端垂直极化监测天线10和高端垂直极化监测天线11均为在水平面内无方向性的双锥无源全向天线，低端工作频率为20MHz～700MHz，高端工作频率为500MHz～3000MHz。输入阻抗：50Ω，接口型式为N型插座。低端天线尺寸为：直径1732mm；高度1223mm。高端天线尺寸为：直径250mm；高度370mm。

第二天线选择器12，是一种2:1选择器，它对来自低端垂直极化监测天线10和高端垂直极化监测天线11的信号进行选择，从中选取1路监测信号送入监测接收机13(型号为RR511A)。它有2个信号输入端、1个信号输出端、1个控制端。

监测接收机13对输入的监测信号进行变频、解调、解码，输出包括信号频率、幅度、频偏、调制度、带宽、电平、频谱图像等信息，它通过RS232接口与计算机通讯，可对不同频域、调制域、时域的信号进行监测测量。本实施例中选用日本Anritsu公司的RR511A单信道监测接收机。

电池组或市电14包括市电220VAC和蓄电池组(8节12V100AH)。

UPS 15为不间断电源，型号为APC 2200VA在线式。

对照附图6，环境监控和遥控电源单元16，它由远程开关控制模块(接受控制指令对系统设备上下电、计算机复位、空调启动等进行控制)、数据采集器(用于现场220VAC的AD采集、读取设备上下电状况及电压数据等)、网络视频服务器(型号为DS-6001HC，用于传输现场图像)、彩色摄像头(型号为三星101)、电压传感器(型号为DYH28-14A，用于将220V交流电转化为5V的交流电)、温湿度传感器(型号为JWSL-3W)、烟雾报警器(型号为BT-168A)、红外报警器(型号为BT-922R)等部份组成。它通过NJ45接口与集线器17相联，集线器再与有线/无线传输网络18相接。在控制中心软件(DESCO DF7.0)作用下，可对远程固定站进行遥控操作，包括开关机、接收控制中心指令进行监测、监听、录音、测向或交汇定位，并将监测监听测向结果回传到控制中心。此外，对远程站的工作状态、设备连接状态、环境状态进行监测，并通过传输链路将环境、工作状态等监测数据和通过摄像头把远程监视的图像送到控制中心进行监视。如有异常(含盗窃、火警等)将及时报警。

Claims (10)

1.多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是大基础垂直极化干涉仪测向天线阵、高、低端电旋开关、第一天线选择器、三功能RF放大器、双信道测向接收机串接；高、低端电旋开关的输出/入端与功率分配器的输入/出端相接；双信道测向接收机的第一输出端与数字中频鉴相器的输入端相接，双信道测向接收机的第二输出端与功率分配器的第一输入端相接；数字中频鉴相器的输出端与工业控制计算机的第一输入端相接，工业控制计算机的第一、第二、第三、第四输出端分别与双信道测向接收机的第一输入端、监测测向处理单元的输入端、监测接收机的第一输入端、集线器的第二输入端对应相接；监测测向处理单元的第一、第二、第三、第四、第五、第六输出端分别与功率分配器的第二输入端、第一天线选择器的第二输入端、三功能RF放大器的第二输入端、双信道测向接收机的第三输入端、第二天线选择器的第三输入端、监测接收机的第二输入端对应相接；低端垂直极化监测天线、高端垂直极化监测天线的输出端分别与第二天线选择器的第一、第二输入端对应相接；第二天线选择器的输出端与监测接收机的第三输入端相接；电池组或市电与UPS串接，UPS第一输出端与工业控制计算机的第二输入端相接，UPS第二输出端与环境监控和遥控电源单元的输入端相接，环境监控和遥控电源单元的第二输出端与集线器的第二输入端、网络的输入端串接，环境监控和遥控电源单元的第一输出端接工业控制计算机的第三输入端。

2.根据权利要求1所述的多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是所述的大基础垂直极化干涉仪测向天线阵，共分四层排列，对应四个频段，沿高度方向排列，每层均由五付无源垂直偶极子天线组成圆型阵列，整个测向天线阵共有20根天线振子，最下层为20MHz～160MHz波段，阵列最大直径3.0米，单元偶极子最长1.8米；在其上是160MHz～500MHz波段，阵列直径和偶极子长度都有所缩小；再往上是500MHz～1350MHz波段，阵列直径和偶极子长度进一步缩小；最上层是1350MHz～3000MHz波段，阵列直径和偶极子长度再一次缩小，天线阻抗为50Ω。

3.根据权利要求1所述的多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是高、低端电旋开关是根据频段分为低端电旋开关单元和高端电旋开关单元，其中低端电旋开关单元的工作频率为20MHz～1350MHz，它有15个信号输入端、2个信号输出端、1个控制/供电端口、1个自校信号输入端和1个自校信号输出端，它受控同时打通某两路信号通道，分为主路、辅路和自校信号通道；高端电旋开关单元的工作频率为1350MHz～3000MHz，它有5个信号输入端、2个信号输出端、1个控制/供电端口、1个自校信号输入端，它受控同时打通某两路信号通道，分为主路、辅路和自校信号通道。

4.根据权利要求1所述的多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是功率分配器，包括ALL 050L 1:2+1:5功率分配器和ALL 051L1:5功率分配器两部分。

5.根据权利要求1所述的多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是第一天线选择器是一个4:2选择器，用于从高端电旋开关和低端电旋开关输出的2对主辅信号中选取1对主辅信号输出，它有4个输入端、2个输出端和1个控制/供电端。

6.根据权利要求1所述的多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是三功能RF放大器，由两个放大器组成，工作频率均为20MHz～3000MHz，两个放大器各有1个控制/供电端、1个输入端、1个输出端。

7.根据权利要求1所述的多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是数字中频鉴相器由模拟乘法器、移相器和放大电路组成。

8.根据权利要求1所述的多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是低端垂直极化监测天线和高端垂直极化监测天线均为在水平面内无方向性的双锥无源全向天线，低端工作频率为20MHz～700MHz，高端工作频率为500MHz～3000MHz；输入阻抗：50Ω，接口型式为N型插座；低端天线尺寸为：直径1732mm；高度1223mm；高端天线尺寸为：直径250mm；高度370mm。

9.根据权利要求1所述的多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是第二天线选择器是2:1选择器，它对来自低端垂直极化监测天线10和高端垂直极化监测天线的信号进行选择，从中选取1路监测信号送入监测接收机，它有2个信号输入端、1个信号输出端、1个控制端。

10.根据权利要求1所述的多信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是环境监控和遥控电源单元，它包括远程开关控制模块、数据采集器、网络视频服务器、彩色摄像头、电压传感器、温湿度传感器、烟雾报警器、红外报警器。

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