CN107861095A - 一种单射频通道二维无线电测向系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于周期调制的单射频通道二维无线电测向系统，利用单刀四掷射频开关周期性地接通四个天线阵列，实现无线电信号的单通道接收。由于单刀四掷射频开关的周期性调制，接收的无线电信号中会产生基波分量与各阶次谐波分量。当无线电信号的入射方向发生变化时，其产生的基波分量与谐波分量也随之改变。而基波分量与谐波分量的值可利用傅里叶变换得出。这样，通过建立无线电信号入射方向与调制后的基波分量及谐波分量的数学关系，可以计算出信号的入射方向。本发明利用单个射频通道完成二维测向，其系统结构简单，算法复杂度低，能够测量同时到达的多个信号。
Description
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，特别涉及一种使用单射频通道实现对无线电进行二维测向的系统。
背景技术
无线电测向在移动通信、导航、电子侦察等领域均有着广泛的应用。典型的无线电测向方法包括比幅法(例如沃森瓦特测向机、爱德考克测向机)、比相法(例如相位干涉仪方法及相关干涉仪方法)、空间谱估计方法、时差估计方法等。这些方法均使用了多个射频通道，硬件结构复杂。另外，其测向精度受通道之间的幅相不一致性影响较大。
传统的单通道测向方法包括多普勒测向方法等。其不足之处在于为实现较高的测向精度，要求天线阵列的规模较大，且该方法难以对多个信号目标进行同时测向。中国专利(申请号201610461552.1)公开了一种多天线单通道的最优化比幅无线电测向系统，该系统利用最少三个天线单元，通过比幅方法及最优化方法进行测向。其不足之处是仅实现一维测向，且所使用的算法的复杂度较高。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种单射频通道二维无线电测向系统，该系统克服了现有技术的缺陷，简化了无线电测向设备的结构，降低可测向设备的成本。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种单射频通道二维无线电测向系统，包括：
天线阵列1，所述天线阵列1为四个，四个天线阵列1均布于同一圆周上，用于接收无线电信号；
单刀四掷射频开关2，与四个天线阵列1相连接，用于周期性切换接收射频通道到四个天线阵列1上；
低噪声放大器3，与单刀四掷射频开关2相连接，用于对接收到的无线电信号进行低噪声放大；
混频器4，用于将接收到的无线电信号从射频下变频至中频；
射频本振5，分别与混频器4和低噪声放大器3相连接，用于为混频器4提供本振参考信号；
低通滤波模块6，与射频本振5相连接，用于对混频后的信号进行滤波，并抑制经过混频器4后产生的高频信号；
模数转换模块7，与低通滤波模块6相连接，用于将下变频后的模拟信号转换为数字信号；
信号处理及控制模块8，用于控制单刀四掷射频开关2的状态，并对模数转换模块7得到的数字信号进行频谱分析，估计无线电入射方向。
优选地，还包括输出显示模块9，所述输出显示模块9与信号处理及控制模块8相连接，用于显示所估计出的无线电入射方向信息。
优选地，利用单刀四掷射频开关周期性地调制天线阵列1上无线电信号的接收。
优选地，所述单刀四掷射频开关的工作过程为：
设各天线阵列上接收的信号为载频为Fc的单频信号，由于单刀四掷射频开关的周期性调制，经单刀四掷射频开关后会产生载频为Fc的基波分量，以及载频为Fc±kFp的谐波分量；其中k为谐波的阶数，Fp为射频开关的切换频率。
优选地，设天线阵列接收的信号的带宽为B，为避免产生的谐波分量之间的信号混叠，应满足条件：Fp＞B。
优选地，所述信号处理及控制模块，包括单片机和信号处理单元；其中：
所述单片机用于控制信号处理单元；
所述信号处理单元通过输出逻辑电平控制单刀四掷射频开关在四个天线阵列上周期性地切换，并分析经周期调制后产生的基波分量与谐波分量的特征，计算无线电信号的入射方向。
优选地，所述信号处理单元通过输出逻辑电平控制单刀四掷射频开关在四个天线阵列上周期性地切换的方法为：
设Tp为一个调制周期，则接通第一个天线阵列的时间段为(0，Tp/4]，接通第二个天线阵列的时间段为(Tp/4，Tp/2]，接通第三个天线阵列的时间段为(Tp/2，3Tp/4]，接通第四个天线阵列的时间段为(3Tp/4，Tp]。
优选地，所述信号处理单元分析经周期调制后产生的基波分量与谐波分量的特征，计算无线电信号入射方向的方法为：
利用快速傅里叶变换方法对接收的中频信号进行频谱分析，再通过基波分量与第一次谐波分量计算信号的方位角和俯仰角；具体为，设单频无线电信号以方位角θ和俯仰角φ入射到天线阵列上，天线阵列的直径为D；经过单刀四掷射频开关及下变频后，在信号处理单元中计算出基波分量为Γ0，第一次谐波分量为Γ1；则：
其中，p、q均为实数，分别表示复数的实数部分和虚数部分，j为虚数单位，则无线电信号入射的方位角θ和俯仰角φ为：
其中，λ为入射信号的波长。
本发明的工作原理为：
利用单刀四掷射频开关周期性地接通四个天线阵列，实现无线电信号的单通道接收。由于单刀四掷射频开关的周期性调制，接收的无线电信号中会产生基波分量与各阶次谐波分量。当无线电信号的入射方向发生变化时，其产生的基波分量与谐波分量也随之改变。而基波分量与谐波分量的值可利用傅里叶变换得出。这样，通过建立无线电信号入射方向与调制后的基波分量及谐波分量的数学关系，可以计算出信号的入射方向。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明利用单个射频通道完成二维测向，其系统结构简单，算法复杂度低，能够测量同时到达的多个信号。
2、本发明针对雷达、通信、导航定位及电子战系统中的无线电测向问题，采用呈圆形分布的均匀天线阵列，以及在阵列的各天线阵列中周期切换的电子开关。通过分析周期调制后产生的信号的谐波特征，估计无线电的入射方向，尤其适用于需要硬件结构简单、算法复杂度低的无线电测向系统。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为单射频通道二维无线电测向系统的基本结构框图。
图2为用于接收信号的四个天线阵列以及单刀四掷开关的切换示意图。
图3为一个调制周期内，单射频通道接收到的信号的示意图。
图4为经过下变频后，接收信号的归一化功率谱图。
图中：1为天线阵列，2为单刀四掷射频开关，3为低噪声放大器，4为混频器，5为射频本振，6为低通滤波模块，7为模数转换模块，8为信号处理及控制模块，9为输出显示模块，101为第一个天线阵列，102为第二个天线阵列，103为第三个天线阵列，104为第四个天线阵列。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例提供了一种单射频通道二维无线电测向系统。
请参阅图1，图1给出了一种单射频通道二维无线电测向系统的具体实现方法，其构成包括：
圆形天线阵列1：四个天线阵列在圆周上呈均匀分布，用于接收远场的无线电信号；
单刀四掷射频开关2：用于周期性地接通四个天线阵列，并将接收信号馈入单射频接收通道。设各天线阵列上接收的信号为载频为Fc的单频信号，由于单刀四掷射频开关的周期性调制，经单刀四掷射频开关后会产生载频为Fc的基波分量，以及载频为Fc±kFp的谐波分量。其中k为谐波的阶数，Fp为射频开关的切换频率。设天线阵列接收的信号的带宽为B，为避免产生的谐波分量之间的信号混叠，应满足条件：Fp＞B。
接收射频通道：用于将接收的无线电信号进行低噪声放大，通过混频器、射频本振以及低通滤波器，将信号的载频搬移至中频，并通过模数转换器将得到的模拟中频信号转换为数字信号。如图1所示，接收射频通道主要由低噪声放大器3、射频本振4、混频器5、低通滤波器6、模数转换器7组成。
信号处理及控制模块：主要由单片机、DSP处理器或FPGA等具有控制及信号处理功能的信号处理单元组成。其通过输出逻辑电平控制单刀四掷射频开关在四个天线阵列上周期性地切换。设Tp为一个调制周期，则接通第一个天线阵列101的时间段为(0，Tp/4]，接通第二个天线阵列102的时间段为(Tp/4，Tp/2]，接通第三个天线阵列103的时间段为(Tp/2，3Tp/4]，接通第四个天线阵列104的时间段为(3Tp/4，Tp]。
信号处理及控制模块的另一功能是利用快速傅里叶变换等方法对接收的中频信号进行频谱分析，再通过基波分量与第一次谐波分量计算信号的方位角和俯仰角。设单频无线电信号以方位角θ和俯仰角φ入射到天线阵列上，天线阵列的直径为D。经过单刀四掷射频开关及下变频后，在信号处理及控制模块中计算出基波分量为Γ0，第一次谐波分量为Γ1。计算：
其中p，q为实数，则入射信号的方位角和俯仰角可通过下式计算：
其中，λ为入射信号的波长。
输出显示模块9：将信号处理及控制模块计算出的无线电入射方向信息输出至输出显示模块显示出来。
本实施例提供的单射频通道二维无线电测向系统，其工作过程是：当无线电信号从远场入射到天线阵列上时，控制单刀四掷射频开关在四个天线阵列上周期性地切换。经过单刀四掷射频开关后，射频信号馈入单射频接收通道，经过低噪声放大器、下变频器、低通滤波器后，射频信号的载波频率变换至中频。再由模数转换器对中频信号进行数字采样。在数字域内，由控制及信号处理模块进行频谱分析，得到信号中包含的基波分量与第一次谐波分量。最后，由前述的公式计算入射信号的方位角和俯仰角。
下面结合附图和具体实例对本实施例进一步详细描述。
具体实例1.正弦信号的二维测向
如图2所示，用于接收远场正弦信号的四个天线阵列均匀分布在圆周上，圆周的直径为15cm。当载波频率为1GHz正弦信号从远场以俯仰角50°，方位角-40°入射到阵列上时，单刀四掷开关控制四个天线阵列上的信号轮流进入接收射频通道。设单刀四掷开关的切换频率为1MHz，则在一个调制周期内，每个天线阵列接通的时间为0.25μs。
图3给出了经过单刀四掷开关调制后，在一个调制周期内，接收信号的波形示意图。从图中可以看出，当单刀四掷开关从一个天线阵列切换到另一个天线阵列时，接收信号的相位会发生一个突变。这是因为各天线阵列上接收的正弦信号的初始相位是不同的，其值与信号的入射方向有关。
接收信号经过单刀四掷开关进行周期调制后，进入单射频接收通道。经过低噪声放大器、混频器、低通滤波器和模数转换器后，在控制及信号处理模块中对其做快速傅里叶变换(FFT)，计算接收信号的频谱。假设接收信号的信噪比为0dB，射频本振的信号为970MHz，这样，经过下变频后，接收信号的中频为30MHz。如图4所示，由于单刀四掷开关的周期性调制，接收的信号中会产生基波分量与各次谐波分量，并且谐波分量之间的频率间隔等于调制频率(1MHz)。于是，经过下变频后，接收信号中存在载频为30MHz的基波分量，以及载频为30MHz±k·1MHz的各阶次谐波分量。取载频为30MHz的基波分量Γ0以及载频为31MHz的第一次谐波分量Γ1代入公式(1)中计算其比值：
于是，p＝0.044，q＝0.715，将其值代入公式(2)中可计算出入射信号的俯仰角为49.6°，方位角为-40.4°。
本实施例公开的基于周期调制的单射频通道二维无线电测向系统，针对雷达、通信、导航定位及电子战系统中的无线电测向问题，采用呈圆形分布的均匀天线阵列，以及在阵列的各天线单元中周期切换的电子开关。通过分析周期调制后产生的信号的谐波特征，估计无线电的入射方向。本实施例尤其适用于需要硬件结构简单、算法复杂度低的无线电测向系统。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (8)
1.一种单射频通道二维无线电测向系统，其特征在于，包括：
天线阵列(1)，所述天线阵列(1)为四个，四个天线阵列(1)均布于同一圆周上，用于接收无线电信号；
单刀四掷射频开关(2)，与四个天线阵列(1)相连接，用于周期性切换接收射频通道到四个天线阵列(1)上；
低噪声放大器(3)，与单刀四掷射频开关(2)相连接，用于对接收到的无线电信号进行低噪声放大；
混频器(4)，用于将接收到的无线电信号从射频下变频至中频；
射频本振(5)，分别与混频器(4)和低噪声放大器(3)相连接，用于为混频器(4)提供本振参考信号；
低通滤波模块(6)，与射频本振(5)相连接，用于对混频后的信号进行滤波，并抑制经过混频器(4)后产生的高频信号；
模数转换模块(7)，与低通滤波模块(6)相连接，用于将下变频后的模拟信号转换为数字信号；
信号处理及控制模块(8)，用于控制单刀四掷射频开关(2)的状态，并对模数转换模块(7)得到的数字信号进行频谱分析，估计无线电入射方向。
2.根据权利要求1所述的单射频通道二维无线电测向系统，其特征在于，利用单刀四掷射频开关(2)周期性地调制天线阵列(1)上无线电信号的接收。
3.根据权利要求2所述的单射频通道二维无线电测向系统，其特征在于，所述单刀四掷射频开关(2)的工作过程为：
设各天线阵列上接收的信号为载频为Fc的单频信号，由于单刀四掷射频开关的周期性调制，经单刀四掷射频开关后会产生载频为Fc的基波分量，以及载频为Fc±kFp的谐波分量；其中k为谐波的阶数，Fp为射频开关的切换频率。
4.根据权利要求3所述的单射频通道二维无线电测向系统，其特征在于，设天线阵列(1)接收的信号的带宽为B，为避免产生的谐波分量之间的信号混叠，应满足条件：Fp＞B。
5.根据权利要求1所述的单射频通道二维无线电测向系统，其特征在于，所述信号处理及控制模块(8)，包括单片机和信号处理单元；其中：
所述单片机用于控制信号处理单元；
所述信号处理单元通过输出逻辑电平控制单刀四掷射频开关在四个天线阵列上周期性地切换，并分析经周期调制后产生的基波分量与谐波分量的特征，计算无线电信号的入射方向。
6.根据权利要求5所述的单射频通道二维无线电测向系统，其特征在于，所述信号处理单元通过输出逻辑电平控制单刀四掷射频开关在四个天线阵列上周期性地切换的方法为：
设Tp为一个调制周期，则接通第一个天线阵列的时间段为(0，Tp/4]，接通第二个天线阵列的时间段为(Tp/4，Tp/2]，接通第三个天线阵列的时间段为(Tp/2，3Tp/4]，接通第四个天线阵列的时间段为(3Tp/4，Tp]。
7.根据权利要求5所述的单射频通道二维无线电测向系统，其特征在于，所述信号处理单元分析经周期调制后产生的基波分量与谐波分量的特征，计算无线电信号入射方向的方法为：
利用快速傅里叶变换方法对接收的中频信号进行频谱分析，再通过基波分量与第一次谐波分量计算信号的方位角和俯仰角；具体为，设单频无线电信号以方位角θ和俯仰角φ入射到天线阵列上，天线阵列的直径为D；经过单刀四掷射频开关及下变频后，在信号处理单元中计算出基波分量为Γ0，第一次谐波分量为Γ1；则：
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其中，p、q均为实数，分别表示复数的实数部分和虚数部分，j为虚数单位，则无线电信号入射的方位角θ和俯仰角φ为：
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其中，λ为入射信号的波长。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的单射频通道二维无线电测向系统，其特征在于，还包括输出显示模块(9)，所述输出显示模块(9)与信号处理及控制模块(8)相连接，用于显示所估计出的无线电入射方向信息。
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