CN108414966B - 一种基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统，天线阵列模块与射频开关模块相连接，射频开关模块与射频接收通道模块相连接，射频接收通道模块与时频信号处理模块相连接，时频信号处理模块与输出显示模块相连接，数字控制模块同时与射频开关模块和时频信号处理模块相连接。同时提供一种基于时间调制的宽带线性调频信号测向方法。本发明针对通信、雷达等应用中宽带线性调频信号的测向问题，通过高速切换的射频开关模块对宽带来波信号滤波并在时域划分为多个子带信号，通过对各个子带信号的时频谱分析，实现对来波方向的测定。本发明具有成本低，结构简单和算法复杂度低的特点，可广泛应用于宽带通信和电子对抗等领域。

Description

一种基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统及方法

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，具体是一种基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统及方法，实现对宽带线性调频信号测向功能。

背景技术

测向技术广泛应用于雷达，声呐和无线通讯等领域，传统的测向方法(比幅比相法，多普勒频移法，到达时差估计和空间谱估计等方法)存在着或硬件结构复杂、成本高，或计算度复杂，或估计精度低等问题。

经过检索发现，申请号为：201310317954.0的中国专利申请《单通道无线电单通单通线电测向系统》，其提出了一种灵巧的单通道测向方法，其利用单刀双掷开关对来波进行周期性的调制，使来波信号以载频为中心产生多次谐波信号，通过基波与谐波信号之间一一对应的关系，实现对来波方向的估计。其不足之处在于该测向方法要求来波信号的带宽不能大于开关切换的频率，否则调制后的信号中基波与谐波分量将会产生混叠，从而严重恶化估计误差。

但是在实际应用中线性调频信号作为一种大时宽带宽积的扩频信号，广泛应用于通信、雷达、声纳、地质探测和医学成像等领域。如在雷达中，为增加雷达的探测距离，同时保持一定的距离分辨力，通常采用线性调频信号以获得大时宽带宽积；在无线通信中，利用线性调频信号及时变滤波来进行系统识别；在地质探测中，利用地震信号中的线性调频分量来研究地质层的吸收及散射情况。

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

本发明针对现有技术中存在的不足，提供了一种基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统及方法，该系统是一种基于时间调制天线阵系统，该系统及方法通过使用射频开关对来波信号在时频域自适应滤波，解决了目前该类型测向技术中来波信号带宽受到调制频率限制的缺点，无需带通滤波器组等硬件，实现了对于宽带线性调频信号的测向功能。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统，包括天线阵列模块、射频开关模块、射频接收通道模块、数字控制模块、时频信号处理模块和输出显示模块，所述天线阵列模块与射频开关模块相连接，所述射频开关模块与射频接收通道模块相连接，所述射频接收通道模块与时频信号处理模块相连接，所述时频信号处理模块与输出显示模块相连接，所述数字控制模块同时与射频开关模块和时频信号处理模块相连接；其中：

天线阵列模块包括两阵元印刷偶极子天线阵列单元1，阵列单元间距为半波长，接收入射的线性调频信号，即入射信号；

射频开关模块包括单刀双掷开关2，周期性切换选择不同阵元的入射信号，将入射信号在时频域滤波并划分为多个子带信号，并对多个子带信号进行周期性调制；

射频接收通道模块包括依次连接的低噪声放大器3、射频本振单元5、低通滤波器6和模拟数字转换器7以及与射频本振单元5相连接的混频器4；射频接收通道模块放大入射信号强度，并将射频信号下变频至中频后转换为数字信号；

时频信号处理模块包括计算数字信号时频特征的算法单元8，将采样后的数字信号进行时频算法分析，计算滤波后子带信号间时频关系以及调制后的谐波关系，并计算入射信号的来波入射方向；

输出显示模块包括显示器9，将计算出的来波入射方向信息显示出来；

数字控制模块包括可编程逻辑芯片单元10，控制射频开关模块的切换，并提供时序给时频信号处理模块的算法分析作为时间基准。

优选地，所述射频开关模块进行周期切换，对接收到的入射信号进行时频域滤波并调制，使得馈入射频接收通道模块的入射信号被划分为多个子带信号，且每个子带信号同时伴随着相应的谐波成分。

优选地，所述射频开关模块的切换频率f_p与接收线性调频信号的调频斜率μ之间满足如下关系：

优选地，所述数字控制模块通过可编程逻辑芯片单元实现对射频开关模块的控制，并且将控制时序提供给时频信号处理模块，给时频信号处理模块的算法分析提供时间基准，使得在时频分析中准确的搜寻到不同子带信号的基波和相应谐波的频点。

优选地，所述时频信号处理模块在不同子带信号中得到入射信号的来波入射方向，其方法的具体计算关系为：

其中，m是第m个子带信号的序号，c为光在真空中传播的速度，B为线性调频信号的带宽，μ为调频斜率，T_p为射频开关模块的调制周期，d为天线阵列模块的阵列单元间距，a_m1为第m个子带信号的一次谐波，a_m0为第m个子带信号的基波；

通过对每个子带信号的来波入射方向进行估计，综合平均加权之后得到入射信号的来波入射方向为：

其中，M为整个线性调频信号划分的子带信号数量。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于时间调制的宽带线性调频信号测向方法，包括以下步骤：

步骤S1，将天线阵列模块接收到的线性调频信号通过射频开关模块进行自适应滤波和周期性的调制；滤波后将宽带线性调频信号分为多个子带信号，假设第m个子带信号的频率为f₀+f_m，其中f₀为线性调频信号的载频，f_m＝mT_pμ为第m个周期时线性调频信号的频移量，T_p为射频开关模块调制的周期，μ为线性调频信号的调频斜率，f_p＝1/T_p为射频开关模块的调频斜率，经过傅里叶变换，第k次谐波的分量的频率为f₀+f_m+kf_p，射频开关模块切换频率f_p与接收线性调频信号的调频斜率μ之间满足如下关系：

步骤S2，将调制后的线性调频信号通过低噪声放大器放大，通过混频器下变频，通过低通滤波器抑制高频分量，再经过模拟数字转换器转换为数字信号；

步骤S3，将转换后的数字信号输入时频信号处理模块，通过数字控制模块提供的时序作为时间基准，搜寻到不同子带信号的基波和相应谐波的频点；从不同子带信号中得到入射信号的来波入射方向，通过下述表达式计算关系得到：

其中，m是第m个子带信号的序号，c为光在真空中传播的速度，B为线性调频信号的带宽，d为天线阵列模块的阵列单元间距，a_m1为第m个子带信号的一次谐波，a_m0为第m个子带信号的基波；

通过对每个子带信号的来波入射方向进行估计，综合平均加权之后得到入射信号的来波入射方向为：

其中，M＝T/T_p为整个线性调频信号划分的子带信号数量。

优选地，还包括如下步骤：

步骤S4，将步骤S3中计算所得到的结果在输出显示模块中显示出来。

本发明的基本原理为：利用高速射频开关周期性的接通各个天线阵阵元，独立的将天线阵元上的接入信号馈入射频通道。由于线性调频信号的时频变化特性，不同调制周期内馈入射频通道的信号频率依次平移，而平移量只与开关的调制周期相关，与来波信号的载频无关，由此实现射频开关对来波信号时频域自适应滤波并将宽带线性调频信号划分为多个独立的子带信号的过程。同时，由于射频开关的周期性调制，每个独立的子带信号在频域上都会产生谐波分量。通过数字控制模块提供的时间基准，在时频信号处理模块可以判断出傅里叶变换后得出的每个子带的基波分量和谐波分量的频点。当来波信号的入射角度发生变化时，每个子带上的基波分量和谐波分量的对应关系也会发生变化，由于入射角度与基波和谐波变化关系是一一对应的，即可求出不同子带上的来波信息，最后通过加权平均即可得到整个宽带线性调频信号的来波方向。

本发明在实现线性调频信号测向的过程中，通过使用时间调制阵列中自带的射频开关实现了宽带信号的自适应滤波功能，并利用周期性调制产生的谐波与原有基波的关系计算得到来波方向。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1、利用射频开关实现了对线性调频信号的自适应滤波功能，避免了使用滤波器等硬件组件，减少了系统的复杂度并节约了成本；

2、在时频信号处理模块中，通过引入数字控制信号作为时间基准，可以准确的搜寻到调制信号的基波和谐波分量频点，从而突破了原有测向技术中射频开关对于来波信号带宽的限制，实现了时间调制阵列的宽带线性调频信号测向的功能。

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为基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统的基本结构框图。

图2为射频开关的切换示意图。

图3为接收信号的时域波形。

图4为接收信号的归一化时频谱图。

图5为接收信号不同子带的频谱图

图6为信噪比为0dB时系统测向的均方根误差。

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基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统，包括天线阵列模块、射频开关模块、射频接收通道模块、时频信号处理模块、输出显示模块和数字控制模块，其中射频接收通道模块包括低噪声放大器3，混频器4，射频本振单元5，低通滤波器6和模拟数字转换器7。所述天线阵列模块的印刷偶极子天线阵列单元1与射频开关模块的单刀双掷开关(高速射频开关)2相连接，所述单刀双掷开关与低噪声放大器相连接，所述低噪声放大器与混频器相连接，所述混频器分别与射频本振和低通滤波器相连接，所述低通滤波器和模拟数字转换器相连接，所述模拟数字转换器与时频信号处理模块的算法单元8相连接，所述时频信号处理模块与输出显示模块的显示器9相连接，所述数字控制模块的可编程逻辑芯片单元(FPGA)10分别与单刀双掷开关和时频信号处理模块相连接。

本实施例提供的基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统，其测向方法，包括以下步骤：

步骤S1，将天线阵列模块接收到的线性调频信号通过射频开关模块进行自适应滤波和周期性的调制。滤波后将宽带线性调频信号分为多个子带信号，假设第m个子带信号的频率为f₀+f_m，其中f₀为线性调频信号的载频，f_m＝mT_pμ为第m个周期时信号的频移量，T_p为射频开关模块调制的周期，μ为线性调频信号的调频斜率，f_p＝1/T_p为射频开关模块的调频斜率，经过傅里叶变换，射频开关模块第k次谐波的分量的频率为f₀+f_m+kf_p,射频开关模块切换频率f_p与接收线性调频信号的调频斜率μ之间满足如下关系：

步骤S2，将调制后的线性调频信号通过低噪声放大器放大，通过混频器下变频，通过低通滤波器抑制高频分量，再经过模拟数字转换器转换为数字信号；

步骤S3，将转换后的数字信号输入时频信号处理模块，通过数字控制模块提供的时序作为时间基准，搜寻到不同子带信号的基波和相应谐波的频点。从不同子带信号中得到入射信号来波入射方向可以通过下述表达式计算关系得到：

其中，m是第m个子带信号的序号，c为光在真空中传播的速度，B为线性调频信号的带宽，d为天线阵列模块的阵列单元间距，a_m1为第m个子带信号的一次谐波，a_m0为第m个子带信号的基波。通过对每个子带信号的来波入射方向进行估计，综合平均加权之后可以得到入射信号的来波入射方向为

其中，M＝T/T_p为整个线性调频信号划分的子带信号数量。

还包括如下步骤：

步骤S4，将步骤S3中计算所得到的结果在输出显示模块中显示出来。

下面结合附图对本实施例的实施实例进一步描述。

如图1所示，在实施实例中，所述基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统由天线阵列模块(包括两阵元印刷偶极子天线阵列单元1)、射频开关模块(包括单刀双掷开关2)、射频接收通道模块(包括低噪声放大器3、混频器4、射频本振单元5、低通滤波器6、模拟数字转换器7)、时频信号处理模块(包括算法单元8)、输出显示模块(包括显示器9)和数字控制模块(包括FPGA 10)组成。

实例，宽带线性调频信号测向

当载频为f₀＝2GHz，带宽为B＝20MHz，时长T＝200μs的线性调频信号以方位角15^°入射到天线阵列模块上时，所述的天线阵阵元间距(即阵列单元间距)d＝λ/2＝15cm，λ＝c/f₀为入射信号的波长，c为电磁波在真空中传播的速度，所述的射频开关模块周期性打开与闭合时序图如图2所示，其调制周期为T_p＝1μs，调制频率f_p＝1MHz，在一个调制周期内，每个天线阵列单元接通时间为0.5μs，整个线性调频信号划分的子带信号数量M＝T/T_p＝200。

图3分别给出了调制的时序信号(a)、入射线性调频信号(b)和经过射频开关调制后的线性调频信号(c)的时域波形，并且分别在情况1：t＝20μs(d)和情况2：t＝180μs(e)时的三种波形的细节图，从图中可以看出相同时间段内，在情况1和情况2两个不同时刻截取的信号频率不同，越靠近后端信号的频率越大，说明信号本身的频率是时变的。但是同时也可以看出，由于信号频率相对于时间呈现线性变化的趋势，那么在相同的时间段内，信号变化的范围即带宽是相同的。由此，说明了射频开关在对信号进行周期性调制的同时，也对来波信号在时频域上进行滤波，将宽带的来波信号自适应的划分为多个带宽相同的子带信号。同时在(d)和(e)中也可以看出，当射频开关连接的通路从一个单元切换到另外一个单元时，由于各天线单元上的相位不同，接收的信号会发生突变，由此，接收的信号可以展开为傅里叶级数的表达形式。

接收信号经过高速射频开关调制后，进入射频通道。经过20dB低噪声放大器对其功率进行放大，同时本振信号的频率为1.99G，这样经过下变频后，接收信号的载频将为10M。经过低通滤波器滤波，模数转换器转换后，接收信号将被传送至时频信号处理模块。图4为当下变频后的信号传送至时频信号处理模块时的时频能量图，可以看出，20M带宽的线性调频信号在1M调制频率的射频开关调制下并没有产生混叠的现象，可以看出基波信号保持着理想的时频线性关系，同时由于开关调制所产生的谐波信号也对应的保持着线性关系，同时在线性调频信号的不同频率上，基波与谐波的比值也保持一致。

图5为不同子带信号被调制后的归一化频谱图，其中(a)、(b)、(c)分别对应的子带信号序号为m＝1、m＝101、m＝200，可以看出不同的子带归一化频谱的形状几乎相同，变化的只有其中心载频。而不同的子带中需要根据数字控制模块提供的时序信息来判断频谱中基波和谐波的准确位置，从而实现对来波信号的测向。

所述基于时间调制的宽带线性调频信号测向结果如图6所示，在信噪比为0dB的环境里，来波入射角度从-65°到65°以5°渐变，通过对应图2中提供的开关脉冲作为时间基准，并据此计算图5中所示的基波和谐波的比例关系，得出测向的结果。可以看出所述发明具有较好的测向性能，在所设置的测向范围内，均方根误差在0.15°到0.4°之间，平均均方根误差为0.2°。

本实施例提供的一种基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统及方法，针对通讯、雷达等应用中宽带线性调频信号的测向问题，通过高速切换的射频开关模块对宽带来波信号滤波并在时域划分为多个子带信号，通过对各个子带信号的时频谱分析，实现对来波方向的测定。本实施例具有成本低，结构简单和算法复杂度低的特点，可广泛应用于宽带通信和电子对抗等领域。

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 (6)

1.一种基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统，其特征在于，包括天线阵列模块、射频开关模块、射频接收通道模块、数字控制模块、时频信号处理模块和输出显示模块，所述天线阵列模块与射频开关模块相连接，所述射频开关模块与射频接收通道模块相连接，所述射频接收通道模块与时频信号处理模块相连接，所述时频信号处理模块与输出显示模块相连接，所述数字控制模块同时与射频开关模块和时频信号处理模块相连接；其中：

天线阵列模块包括两阵元印刷偶极子天线阵列单元(1)，阵列单元间距为半波长，接收入射的线性调频信号，即入射信号；

射频开关模块包括单刀双掷开关(2)，周期性切换选择不同阵元的入射信号，将入射信号在时频域滤波并划分为多个子带信号，并对多个子带信号进行周期性调制；

射频接收通道模块包括依次连接的低噪声放大器(3)、射频本振单元(5)、低通滤波器(6)和模拟数字转换器(7)以及与射频本振单元(5)相连接的混频器(4)；射频接收通道模块放大入射信号强度，并将射频信号下变频至中频后转换为数字信号；

时频信号处理模块包括计算数字信号时频特征的算法单元(8)，将采样后的数字信号进行时频算法分析，计算滤波后子带信号间时频关系以及调制后的谐波关系，并计算入射信号的来波入射方向；

输出显示模块包括显示器(9)，将计算出的来波入射方向信息显示出来；

数字控制模块包括可编程逻辑芯片单元(10)，控制射频开关模块的切换，并提供时序给时频信号处理模块的算法分析作为时间基准；

所述数字控制模块通过可编程逻辑芯片单元实现对射频开关模块的控制，并且将控制时序提供给时频信号处理模块，给时频信号处理模块的算法分析提供时间基准，使得在时频分析中准确的搜寻到不同子带信号的基波和相应谐波的频点。

2.根据权利要求1所述的基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统，其特征在于，所述射频开关模块进行周期切换，对接收到的入射信号进行时频域滤波并调制，使得馈入射频接收通道模块的入射信号被划分为多个子带信号，且每个子带信号同时伴随着相应的谐波成分。

3.根据权利要求1所述的基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统，其特征在于，所述射频开关模块的切换频率f_p与接收线性调频信号的调频斜率μ之间满足如下关系：

4.根据权利要求1所述的基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统，其特征在于，所述时频信号处理模块在不同子带信号中得到入射信号的来波入射方向，其方法的具体计算关系为：

其中，m是第m个子带信号的序号，c为光在真空中传播的速度，B为线性调频信号的带宽，μ为调频斜率，T_p为射频开关模块的调制周期，d为天线阵列模块的阵列单元间距，a_m1为第m个子带信号的一次谐波，a_m0为第m个子带信号的基波；

通过对每个子带信号的来波入射方向进行估计，综合平均加权之后得到入射信号的来波入射方向为：

其中，M为整个线性调频信号划分的子带信号数量；f₀为线性调频信号的载频。

5.一种基于时间调制的宽带线性调频信号测向方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，将天线阵列模块接收到的线性调频信号通过射频开关模块进行自适应滤波和周期性的调制；滤波后将宽带线性调频信号分为多个子带信号，假设第m个子带信号的频率为f₀+f_m，其中f₀为线性调频信号的载频，f_m＝mT_pμ为第m个周期时线性调频信号的频移量，T_p为射频开关模块调制的周期，μ为线性调频信号的调频斜率，f_p＝1/T_p为射频开关模块的调频斜率，经过傅里叶变换，射频开关模块第k次谐波的分量的频率为f₀+f_m+kf_p，射频开关模块切换频率f_p与接收线性调频信号的调频斜率μ之间满足如下关系：

步骤S2，将调制后的线性调频信号通过低噪声放大器放大，通过混频器下变频，通过低通滤波器抑制高频分量，再经过模拟数字转换器转换为数字信号；

步骤S3，将转换后的数字信号输入时频信号处理模块，通过数字控制模块提供的时序作为时间基准，搜寻到不同子带信号的基波和相应谐波的频点；从不同子带信号中得到入射信号的来波入射方向，通过下述表达式计算关系得到：

其中，m是第m个子带信号的序号，c为光在真空中传播的速度，B为线性调频信号的带宽，d为天线阵列模块的阵列单元间距，a_m1为第m个子带信号的一次谐波，a_m0为第m个子带信号的基波；

通过对每个子带信号的来波入射方向进行估计，综合平均加权之后得到入射信号的来波入射方向为：

其中，M＝T/T_p为整个线性调频信号划分的子带信号数量；T为时长。

6.根据权利要求5所述的基于时间调制的宽带线性调频信号测向方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤S4，将步骤S3中计算所得到的结果在输出显示模块中显示出来。

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