CN106452623B

CN106452623B - 一种宽带瞬态复杂电磁频谱监测仪

Info

Publication number: CN106452623B
Application number: CN201611116187.7A
Authority: CN
Inventors: 马凯学; 胡建全; 孔令旭; 牟首先
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2019-06-18
Anticipated expiration: 2036-12-07
Also published as: CN106452623A

Abstract

本发明公开了一种宽带瞬态复杂电磁监测仪，包括：天线系统，接收复杂电磁目标信号；多通道接收系统，对接收到的复杂电磁目标信号进行放大和信号分级并行处理；多通道低频窄带接收系统，对多通道接收系统提供的低频窄带信号做相应频谱扫描和检测处理；并行协同处理系统，协调分配天线系统、多通道接收系统和多通道低频接收系统三者的工作，该检测仪可以实现超宽频带范围内对电磁频谱的实时监测。

Description

一种宽带瞬态复杂电磁频谱监测仪

技术领域

本发明涉及空间复杂电磁频谱监测技术领域，具体涉及一种宽带瞬态复杂电磁频谱监测仪。

背景技术

传统的电磁频谱监测系统可分为：1、单信道超外差接收机：一次只能接收一个信号，通过本振信号在整个频段内来回的调谐实现全频段监测，速度慢，实时性极差，受限于本振信号，逐个信道实现超宽带扫描可能性几乎为零；2、模拟多信道接收机：模拟端并行多路，同时接收，无需本振信号来回调谐，所以实时性很好，其缺点是模拟通道带宽固定，灵活性低，体积巨大，成本昂贵；3、宽中频超外差接收机：宽频带同时接收频谱范围内多个信号，实时性相对较好，后端一般配合数字信号处理，其窄带监测系统的动态范围较小。

随着科学技术的进步和无线通信的迅猛发展，无线电监测系统需要对更宽频带内的电磁频谱进行实时监测。而传统的监测系统存在监测频带窄和实效性差等问题，无法满足新的应用场景和技术要求。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提出了一种宽带瞬态复杂电磁监频谱测仪，可实现在超宽频带范围内对电磁频谱的实时监测。

本发明通过下述技术方案实现：

一种宽带瞬态复杂电磁频谱监测仪，包括：

天线系统，接收复杂电磁目标信号；

多通道接收系统，对接收到的复杂电磁目标信号进行放大和信号分级并行处理；

多通道低频接收系统，对多通道接收系统提供的信息做相应频谱扫描和检测处理；

并行协同处理系统，协调分配天线系统、多通道接收系统和多通道低频接收系统三者的工作。

现有的电磁频谱监测过程都是在一定的频段范围内从低到高依次进行扫描来实现对特定频段内的电磁频谱的监测。由于扫描速度有限，在对很宽的频带范围进行监测时，从低频到高频扫描一次的时间会比较长，无法实现超宽频带范围内对电磁频谱的实时监测。本方案的思路在于：以瞬态窄脉冲和宽谱高速复杂电磁目标的信息获取和侦测为目标，通过频域多通道接收和并行协同处理系统的协同处理，实现系统的超宽频带和电磁频谱的实时监测。即采用多通道接收系统进行信道化处理，将宽带范围内的电磁频谱分成较窄的多路信号，对于各路中的窄带频谱可以在极短的时间内完成一次扫描监测；其次，每一时刻各路通道都并行接收信号和扫描监测，即实现在同一时刻并行地对很宽的频带进行监测。简而言之就是前端并行接收，后端并行协同处理，提高监测速率。

作为优选，所述天线系统包括多个天线，各天线接收的频率范围不同且各天线接收的频率范围构成一连续频带，这些天线共同实现对所监测的带宽范围内电磁信号的接收。

进一步的，所述天线包括超宽带天线和/或定位天线。

作为优选，所述多通道接收系统包括低噪声放大器和连接在低噪声放大器输出端的多路并行接收前端电路，所述接收前端电路包括前端预处理电路和连接在前端预处理电路输出端的超外差接收机，所述前端预处理电路将所接收的信号处理到超外差接收机的工作频段。

作为优选，所述接收前端电路包括依次连接的滤波器、可变增益放大器和超外差接收机。在天线接收的电磁频谱中，有部分信号落在超外差接收机的工作频率范围，滤波器将该频段信号选出后，经可变增益放大器进行放大，直接送入超外差接收机进行处理。

作为优选，所述前端预处理电路包括依次连接的滤波器、下变频电路、中频滤波器、可变增益放大器和超外差接收机。在天线接收的电磁频谱中，有部分信号在超外差接收机的工作频率范围之外，先经滤波器将特定频段的信号选出，然后通过下变频电路将信号下变频到超外差接收机的工作频率范围。为了滤除在变频处理过程中产生的高次谐波等杂波信号，所有经过变频处理的信号都要经过中频滤波器进行滤波。此外为了保证最终输入超外差接收机的信号的强度，所有信号在输入超外差接收机之前都要借助可变增益放大器进行增益补偿。

进一步的，在处理与下变频电路的本振信号相近的电磁频谱时，为了避免镜频干扰和本振泄露到中频输出端，所述前端预处理电路还包括连接在滤波器和下变频电路之间的上变频电路。将信号从低噪声放大器输出端选出后先进行上变频处理，然后再下变频到超外差接收机的工作频率范围，避免镜频干扰和本振泄露到中频输出端。

进一步的，前端预处理电路还包括为下变频电路和上变频电路提供本振信号的本振电路。

进一步的，所述本振电路包括频率参考源，所述频率参考源的输出信号经倍频、混频、和分频中至少一种方式产生各高频段处理电路的混频器的本振信号。本方案进一步的对变频器的本振信号进行改进，各高频段处理电路的混频器的本振信号采用统一的频率参考源为基准，利用倍频、混频、和分频中至少一种方式产生各高频段处理电路的混频器的本振信号。通过这种方式，其可实现各个通道的特性同步，同时实现超低相位噪声的本振源。这将有助于提升监测的幅度和相位精度，减小系统因为温度、器件特性等变化带来各通道内性能的不平衡性。

进一步的，所述超外差接收机中，经接收机处理和模数装换后得到的数字信号首先下变频到I/Q基带信号。数字下变频后的I/Q基带信号分为三路，一路直接传输到数字宽带存储设备，为离线分析提供数据包，同时，将数据交给信息分析软件处理数据。第二路用于显示随时间变化的频谱图，即瀑布图。信号通过可调带宽数字滤波器，经过带宽数字信道化处理，获得实时高分辨率瀑布图。此外，相关数据被送达信号分析系统，信号分析系统自动监测信号，将测量结果发送给信号处理单元。第三路用于对特定信号的解调，信号处理单元根据第二路的监测结果对相应信号进行解调存储。为了实现整个接收频段或部分接收频段实时频谱图显示，数字端综合处理所有数据，将各通道频谱数据进行拼接整合，最后显示所需频段瀑布图。

作为优选，所述并行协同处理系统包括并行处理与显示单元、系统校准协同处理单元和云网络接入与资源共享单元。并行处理与显示单元协调分配天线系统、多通道接收系统和多通道低频接收系统三者的工作，实时处理前端宽带接收系统中并行通道的不同信息，负责各并行通道之间协同工作，将所有数据合理存储以便快速地在后续监测处理过程中提取；系统校准单元完成前期系统所有通道的校准工作；云网络接入与资源共享单元完成后续对于数据进行上传至云网络以便于网络层面的协同处理，获取更多的监测信息和更高的监测精度。

本发明与现有技术相比，至少具有如下的优点和有益效果：

本发明的电磁监测仪的前端采用频分并行的接收体制，通过频分、时分混合设计的概念实现宽频带范围内对电磁信号的实时监测，其可将现有监测设备的监测速率和监测带宽成倍的提升。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构的多通道接收系统的原理图，即为n通道，n为大于等于1的整数。

图2为多通道接收系统的本振电路的原理图，即以15路为例。

图3为监测接收机数字端整体结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种宽带瞬态复杂电磁监测仪，包括天线系统、多通道接收系统、多通道低频接收系统和并行协同处理系统，多通道接收系统对接收到的复杂电磁目标信号进行放大和信号分级并行处理；多通道低频接收系统对多通道接收系统提供的信息做相应频谱扫描和检测处理；并行协同处理系统协调分配天线系统、多通道接收系统和多通道低频接收系统三者的工作。

实施例2

为了便于对上述实施例的理解，现以10MHz-51.2GHz范围内的电磁频谱监测为例来说明。需要说明的是，本方案可以实现的监测范围不仅限于10MHz-51.2GHz，在更宽的范围都是可行的，基于本思想实现的更宽范围内的电磁频谱监测系统也在本方案的保护范围内。

由于系统覆盖侧向、追踪、定标及接收等不同功能，同时也面向不同的应用场景，在天线配套方面将提供多种选择方案。从频带覆盖上，天线系统包括多个天线，各天线接收的频率范围不同且各天线接收的频率范围构成一连续频带，按照最大覆盖能力即9kHz-3.2GHz和3.2-51.2GHz分别研发对应的超宽带天线，同时也根据面向不同应用进行频带划分，针对0.9-3GHz、3-18GHz、18-26.5GHz、26.5-40GHz和40-51.2GHz分别配套不同的天线；从方向性来说，为适应不同的接收角度覆盖范围，采用配置定向及全向性天线，可选择的定向宽带和超宽带天线包括LPDA、Vivaldi和TEM喇叭等，定向窄带天线包括八木天线、微带天线等，宽带全向天线包括盘锥、双锥及相关变形，而窄带全向天线则主要是单极及偶极振子；从极化方面考虑，为适应不同极化的信号，最大限度通过极化匹配提高接收增益，将同时配套不同极化的天线。天线包括超宽带天线、定位天线。

为了兼容当前产品的监测范围，在多通道接收系统中选用的超外差接收机的工作频率范围为9kHz～3.2GHz，而本振信号的参考源为F₀＝3.2GHz，下变频电路和上变频电路分别采用上变频器和下变频器实现。多通道接收系统包括9kHz～51.2GHz的低噪声放大器、多路并行连地接在低噪声放大器输出端的接收前端电路和连接在接收前端电路上的超外差接收机。如图1所示，此时f＝51.2GHz，n＝16，F₀＝3.2GHz。接收前端电路借助于滤波器将9kHz到51.2GHz的信号分成16路信号。其中第一路的带宽范围为9kHz～3.2GHz，其余通道的带宽均为3.2GHz。由于第一通道的频率范围为9kHz～3.2GHz，该频率范围正好是超外差接收机的工作频率范围，所以第一通道的信号在经过滤波器选频，经由可变增益放大器进行补偿后直接输入到超外差接收机进行处理，此处需要说明的是超外差接收机并未在附图中体现；而第二通道接收的信号频率范围为3.2GHz～6.4GHz，其范围和本振信号F₀～2F₀的频率范围接近，如果直接将信号进行下变频到超外差接收机的工作范围，那么下变频器输出端的中频滤波器就不能将本振信号滤除。此外，还会存在严重的镜频干扰。所以，在实际处理中，先将第二通道的信号进行上变频处理，然后再下变频到超外差接收机的工作频率范围，而下变频后得到的中频信号中会包含少量泄漏的本振信号和高次谐波等，所以要先经过中频滤波器滤除杂波信号。再经过可变增益放大器进行增益补偿，最后将信号输入超外差接收机进行处理；对于其它通道的信号，如第三通道6.4GHz～9.6GHz等，则不存在第一和二通道的问题。所以，借助滤波器选出信号后，经过下变频器直接变频到超外差接收机的工作频率范围，然后经过中频滤波和增益补偿分别输入超外差接收机进行处理。而数字处理终端参照各模拟通道接收幅度相位校准信息，对所接收到的信号根据各路接收通道的特点进行补偿处理，同时对接收到的所有信号统一起来进行并行处理和显示。该部分设计分成两步进行：第一步开发9kHz～51.2GHz的超宽带低噪声放大器和混频器等功能电路芯片和模块，设计实现多通道接收系统，再将这些独立的通道集成起来实现系统功能；第二步，将整个多通道接收系统包括低噪声放大器和多路并行连接在低噪声放大器输出端的接收前端电路集成系统级芯片(SOC，System on chip)，高稳定性小体积地实现功能。在整个系统的规划中，充分考虑各个通道的频率规划和各个通道之间的信号隔离强度。

多路并行接收前端电路对信号的变频处理中用到的本振信号原理图如图2所示。电路采用统一的高精度频率参考源生成3.2GHz的本振信号源基准，再利用倍频、混频和分频的方式产生各个所需频率的本振信号。通过这种方式实现各个通道的特性同步，同时实现超低相位噪声的本振源，这些都将有助于提升监测的幅度和相位精度，也将减小系统因为温度、器件特性等变化带来各通道内性能的不平衡性。

经接收机处理和模数装换后得到的数字信号首先下变频到I/Q基带信号。数字下变频后的I/Q基带信号分为三路。一路I/Q基带信号通过10Gbit局域网结构直接传输到数字宽带存储设备，并为离线分析提供数据包，并交给信息分析软件处理数据，该操作主要针对于截获战术通信中的调频信号。第二路用于显示随时间变化的频谱图，即瀑布图。信号通过可调带宽数字滤波器，然后经过带宽数字信道化处理，获得实时高分辨率瀑布图。同时，将数据送达信号分析系统，信号分析系统自动监测信号，将测量结果发送给信号处理单元。第三路用于对特定信号的解调，信号处理单元根据第二路的监测结果对相应信号进行解调存储。数字端综合处理所有数据，将各通道频谱数据进行拼接整合，以实现整个接收频段或部分接收频段实时频谱图显示。

并行协同处理系统一方面是要负责所有16路分频信道以及3.2GHz通带内的各路时分信道的协同工作，这个分系统完成前期所有通道的系统校准工作，同时将所有数据合理储存以便快速地在后续检测处理过程中快速提取。此外，该分系统完成后续数据上传至云网络以便于网络层面的协同处理，获取更多的监测信息和更高的监测精度。为了使获取的信息能够以视频信息实时显示或者以数据的形式上传至云网络，系统结构采用普适性的数据并行计算框架，将已存储在分布式系统中的数据和动态输入的监测数据，按照相应的处理算法分到多个节点进行并行处理，通过合理的数据分配和任务调度，缩短学习时间，实现数据传输的高效能表达。

本发明采用新型多通道按照频分并行的接收体制，通过频分、时分混合设计的概念实现宽带宽和瞬态复杂电磁信号的监测，通过全频带并行处理监测技术，实现模拟前端双模式和数字后端信道化的并行处理，以显著提升处理速度，提高接收灵敏度和动态范围；系统将能够实现将现有监测设备的监测速率和监测频谱宽带成倍提升，实施例2是10倍以上，同时兼容未来低频段检测设备监测速率大幅提升的发展趋势，可广泛应用于电子对抗、设点天文和民用电磁频谱监测。其瞬态高速的跟踪特性可以用于对军用快速跳频电台和对于一些诸如太阳耀斑的瞬态脉冲信号的监测和分析。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种宽带瞬态复杂电磁频谱监测仪，其特征在于，包括：

天线系统，接收复杂电磁目标信号；

多通道接收系统，对接收到的复杂电磁目标信号进行放大和信号分级并行处理，所述多通道接收系统包括低噪声放大器和连接在低噪声放大器输出端的多路并行接收前端电路，多路并行的各接收前端电路均包括前端预处理电路和连接在前端预处理电路输出端的超外差接收机，所述前端预处理电路将接收的信号处理到超外差接收机的工作频段；

2.根据权利要求1所述的一种宽带瞬态复杂电磁频谱监测仪，其特征在于：所述天线系统包括多个天线，这些天线共同实现对所监测的带宽范围内电磁信号的接收。

3.根据权利要求1或2所述的一种宽带瞬态复杂电磁频谱监测仪，其特征在于：所述天线包括超宽带天线和/或定位天线。

4.根据权利要求1所述的一种宽带瞬态复杂电磁频谱监测仪，其特征在于：所述前端预处理电路包括依次连接的滤波器、下变频电路、中频滤波器、可变增益放大器。

5.根据权利要求4所述的一种宽带瞬态复杂电磁频谱监测仪，其特征在于：所述前端预处理电路还包括连接在滤波器和下变频电路之间的上变频电路。

6.根据权利要求5所述的一种宽带瞬态复杂电磁频谱监测仪，其特征在于：所述前端预处理电路还包括为下变频电路和上变频电路提供本振信号的本振电路。

7.根据权利要求6所述的一种宽带瞬态复杂电磁频谱监测仪，其特征在于：所述本振电路包括频率参考源，所述频率参考源的输出信号经倍频、混频、和分频方式产生各高频段处理电路中混频器所需要的本振信号。

8.根据权利要求1所述的一种宽带瞬态复杂电磁频谱监测仪，其特征在于：所述前端预处理电路包括依次连接的滤波器、可变增益放大器。

9.根据权利要求1所述的一种宽带瞬态复杂电磁频谱监测仪，其特征在于：所述并行协同处理系统包括并行处理与显示单元、系统校准协同处理单元和云网络接入与资源共享单元。