CN109738858B - 无线电测向样本库自动采集系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线电测向样本库自动采集系统，其特征在于：包括上位机，所述上位机的信号发射控制端连接无线发射机构，所述上位机的信号采集端连接无线采集机构，所述上位机的角度控制端连接旋转机构。有益效果：本发明通过上位机设置基本参数，从而使上位机自动控制系统进行无线电测向样本库的样本采集，提高了无线电测向样本库的精度和可靠性。

Description

无线电测向样本库自动采集系统及其方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体地说，是一种无线电测向样本库自动采集系统及其方法。

背景技术

无线电测向是根据电磁波传播特性，使用仪器设备测定无线电波来波方向的过程。目前常用的无线电测向方法为相关干涉测向，相关干涉测向是通过测量不同天线单元在不同的波前位置所接收的信号之间的相位差，再将测得的相位差与已知某角度入射波的相位差(即样本)进行比较，经过相关运算和差值处理，从相关性最大的数据得出来波方向。即将测得的相位差数据与样本库中所有数据进行比较计算，找出最大相关值所对应的样本数据，该样本数据对应的角度即是测得信号的角度。

根据相关干涉侧向的原理，每套测向天线都有相应的原始相位样本库，该样本库包含所有无线频率点在所有方向上的相位差值。样本库中的样本数据越多，样本的精度越高，相应测向的准确性越高。

目前的测向样本库的构建过程主要是人为控制，样本库中的天线的角度、信号源的频率调节都是由工作人员根据经验手动控制，并且需要满足样本精度高的条件，则需要角度间隙越小越好，而人为控制很难达到上述要求，使样本库达不到稳定可靠的效果；并且人为天线角度，需要花费大量时间。

因此现有技术的缺陷在于：由人为控制采集出来的样本库达不到稳定可靠的效果，并且浪费时间。

发明内容

针对上述技术缺陷，本发明提供了一种无线电测向样本库自动采集系统及其方法，该方法对无线电测向样本库中各个样本进行自动采集，对样本库中的各个参数进行严格控制，消除了人为测量的主观性，使测得的样本精准，样本库稳定可靠。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种无线电测向样本库自动采集系统，其特征在于：包括上位机，所述上位机的信号发射控制端连接无线发射机构，所述上位机的信号采集端连接无线采集机构，所述上位机的角度控制端连接旋转机构；

其中所述无线发射机构包括信号源和发射天线，所述信号源用于生成无线信号，所述发射天线用于发射无线信号；

所述无线采集机构包括测向天线、接收机以及校正源，所述测向天线接收发射天线发射出的无线信号，所述接收机用于处理测向天线传回的无线信号，所述校正源用于检测线缆相位；

所述旋转机构包括步进电机和旋转台，所述步进电机的输出轴与所述旋转台相连，所述测向天线安装在该旋转台上；

所述上位机内设有无线电测向样本库，所述上位机用于设置无线电测向样本库的基本参数，并根据无线电测向样本库的基本参数控制所述信号源、接收机和步进电机工作。

采用上述方案，工作人员根据天线的测向需求，在上位机中设置无线电测向样本库的基本参数，使上位机中构建一个初始框架，并设置信号源、接收机和步进电机的工作参数，使系统中每个装置的参数严格把控，并由上位机根据无线电测向样本库的基本参数，精准控制信号源的频率和测向天线的方向，测向天线将测得的精准结果返回上位机保存。测向天线的方向控制由上位机向步进电机发送信号，步进电机带动旋转台旋转，使固定安装在旋转台上的测向天线旋转，从而改变方向。其中，校正源与接收机一体，为接收机内部的校正模块。

进一步地描述，所述基本参数至少包括：无线信号起始频率、无线信号终止频率、无线信号频率步长、旋转台起始角度、旋转台终止角度和旋转台角度步长。

采用上述方案，上位机根据无线电测向样本库的基本参数，可得出样本库所需采集的所有角度和所有频率点，由所有角度及每个角度下的所有频点构建成无线电测向样本库的基本框架，系统将采集到对应的角度和频率点上的样本放入对应位置，从而构成完整的无线电测向样本库。根据无线信号起始频率、无线信号终止频率和无线信号频率步长，为测向天线建立一个虚拟坐标系，测向天线的整个信号采集过程根据该虚拟坐标系依次进行。

实际采集中，无线电测向样本库的样本应根据实际需要来选择。样本数据越多，样本精度越高，相应测向准确度越高；但进行相关计算的次数越多，相关运算时计算时间越长，影响测向速度。样本取点的基本原则是天线孔径大的频段尽量多取，即频率步长要小；孔径小的频段可以少取，即频率步长可大。频率步长选择参考示例如下表：

频率段/MHz	频率步长/MHz
		20～50	1
50～100	2
		100～300	3
300～500	12
		500～1300	16
1300～3600	48

一种无线电测向样本库自动采集方法，其关键技术在于：构建旋转台旋转坐标系，并在所述上位机中搭建无线电测向样本库的初始框架，通过设定基本参数，对初始框架进行划分，得到无线电测向样本库的基本框架；

其中，所述基本参数至少包括：无线信号起始频率、无线信号终止频率、无线信号频率步长、旋转台起始角度、旋转台终止角度和旋转台角度步长；

在无线电测向样本库的基本框架中，无线信号起始频率到无线信号终止频率这一待测频段，根据无线信号频率步长分成了若干个频率点，旋转台起始角度和旋转台终止角度之间也平均分成了若干个角度，系统自动采集每个角度、每个频率点的样本。

其中无线电测向样本库自动采集的具体步骤为：

S1、上位机初始化信号源的初始输出频率F、初始输出功率P和旋转台的初始角度A；

S2、判断旋转台的初始角度A是否超过无线电测向样本库所需求的旋转台终止角度，是则结束，否则进入步骤S3；

S3、判断信号源的初始输出频率F是否超过无线电测向样本库所需求的无线信号终止频率点，是则将旋转台的旋转角度调到下一个角度，并返回步骤S2，否则进入步骤S4；其中下一个角度根据当前角度加上旋转台角度步长得到；

S4、所述上位机控制接收机的采集频率为信号源的当前输出频率，并判断无线采集机构在当前频率点下采集到的无线信号是否存在干扰信号，若存在，则将接收机的采集频率调整后返回步骤S4，否则进入步骤S5；

S5、调节校正源的功率，使信噪比在30～50dB范围内，获取线缆相位值，即该频率点下的初始相位λ₀，并保存到上位机中；

S6、所述上位机对采集到的无线信号进行信噪比计算，并根据信噪比控制信号源调节输出功率P的大小，使信噪比在30～50dB范围内；

S7、所述上位机读取所述无线采集机构采集到的无线信号当前相位，再根据步骤S5中的初始相位λ₀计算出天线相位λ，并保存到无线电测向样本库基本框架的相应位置中；

S8、所述上位机按照无线电测向样本库的基本参数，控制信号源的输出频率调到下一个频率点，并返回步骤S3。其中下一个频率点根据当前频率点加上无线信号频率步长得到。

上述方案中，天线的原始相位可根据设计尺寸通过几何运算计算出来，但在实际天线在生产过程和安装中会出现一定的偏差，为了更精准的采集样本库，步骤S4中，接收机采集频率的调整幅度为经验值，但不宜过大，大概以无线信号频率步长的10％进行调整；步骤5中利用校正源来获取线缆相位，即消除相位偏差，使采集结果更精准；天线相位λ等于采集到的当前相位减去初始相位λ₀的差值。

步骤S1中，所述信号源的初始输出频率F等于所述无线信号起始频率，所述信号源的输出功率P初始化为0dB，所述旋转台的初始角度A等于所述旋转台起始角度。

上述方案中，上位机分析采集完成的样本库，若发现有频率段或者角度缺失样本，将信号源的初始输出频率F和旋转台的初始角度A重新初始化为缺失样本处的参数，重新进行S1～S8的采样步骤。

步骤S4中，判断无线采集机构在当前频率点下采集到的无线信号是否存在干扰信号的方法为：

S41、所述上位机将无线采集机构的无线信号采集方式设为平均模式；

S42、所述上位机抽取所述无线采集机构采集到的m组FFT功率数据中功率值最大的一组FFT功率数据；

S43、在步骤S42中抽取出的一组FFT功率数据中，找出该组FFT功率数据中所有信噪比大于10dB的信号；

S44、判断所述所有信噪比大于10dB的信号中是否有任一信号落在以采集频率为中心、20倍分辨率的带宽内；若有，则有干扰信号，并进入步骤S45，否则进入步骤S46；

S45、对无线采集机构的采集频率进行调整，并返回步骤S42；

S46、所述上位机连续抽取所述无线采集机构采集到的n组相位数据，分别判断每组相位数据中心点的相位变化是否超过A₀度，A₀＝5，是则有干扰信号，返回步骤S42，否则结束。

采用上述方案，干扰信号一般有正弦干扰信号和调制干扰信号。当正弦干扰信号存在时，相位稳定，可通过判断FFT功率的方法进行识别，当调制干扰信号存在时，会造成相位的不稳定，可通过相位的稳定度的方法进行识别。在识别干扰信号的同时，通过调整采集频率消除干扰信号。

步骤S6中信号源的功率调节方法为：

S61、根据步骤S42中抽取的功率值最大的一组FFT功率数据，读取该组FFT功率数据的中心频率点的信号功率值P₀，计算底噪功率P₁；

S62、计算基波信号信噪比S/N＝P₀-P₁；

S63、判断信噪比S/N的大小是否在30～50dB范围内，是则结束，否则对信号源的输出功率P进行调整，并返回步骤S61。

上述方案中，信噪比即带宽范围内有用信号功率与噪声总功率的比值，在对数坐标系中，可以近视等于基波信号与底噪的差值。在AD采样过程中，当信噪比较小时，会引起相位的抖动。当分辨率一定时，接收机底噪是固定不变的，此时可调整信号源的功率来增加接收信号的信噪比。此时对输出功率P的调整为微调，微调幅度不宜过大。

有益效果：本发明通过上位机设置基本参数，从而使上位机自动控制系统进行无线电测向样本库的样本采集，提高了无线电测向样本库的精度和可靠性。

附图说明

图1为本发明的网络连接拓扑图；

图2为本发明的系统结构框图；

图3为无线电测向样本库的自动采集方法流程图；

图4为干扰信号的判断方法流程图；

图5为信号源功率调节方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明：

实施例：

如图1、图2所示，一种无线电测向样本库自动采集系统，其关键在于：包括上位机，所述上位机的信号发射控制端连接无线发射机构，所述上位机的信号采集端连接无线采集机构，所述上位机的角度控制端连接旋转机构；

其中所述无线发射机构包括信号源和发射天线，所述信号源用于生成无线信号，能提供各种频率、波形的信号，，所述发射天线用于发射无线信号；

所述无线采集机构包括测向天线、接收机以及校正源，所述测向天线接收发射天线发射出的无线信号，所述接收机用于处理测向天线传回的无线信号，所述校正源用于检测线缆相位。

本实施例中，信号源采用SMB-100A型号，发射天线采用的型号为OLP-50400，测向天线为九阵子天线TCX701，该九阵子天线每次采集8组数据给上位机，接收机为J630测向接收机。

所述旋转机构包括步进电机和旋转台，所述步进电机的输出轴与所述旋转台相连，所述测向天线安装在该旋转台上；所述旋转台包括底座和台面，底座固定，台面与底座之间通过旋转轴连接，旋转轴与所述步进电机的输出轴连接，当步进电机旋转，带动旋转轴从而使台面旋转，测向天线随台面变换角度。其中台面为圆形。所述上位机内设有无线电测向样本库，所述上位机用于设置无线电测向样本库的基本参数，并根据无线电测向样本库的基本参数控制所述信号源、接收机和步进电机工作。

本实施例中，所述基本参数选取为：无线信号起始频率300MHz、无线信号终止频率500MHz、无线信号频率步长12MHz、旋转台起始角度0度、旋转台终止角度360度和旋转台角度步长。为了保证样本的准确性，当旋转台角度步长为A’＝2度，则无线电测向样本库的测向精度为±A’/2＝±1度。

由于实际测试场地的限制，选取的无线距离应是测量误差控制在准确度评估允许的范围之内，发射天线离测向天线的最小距离为5λ，其中λ为最低测试频率波长。

为了保证样本的精确性，信号源的输出电平幅度与接收机的接收电平应保持基本相同，平坦度在2dB以内；通常接收电平在高于设备接收灵敏度30dB左右。

如图3所示，一种无线电测向样本库自动采集方法，其关键在于：构建旋转台旋转坐标系，并在所述上位机中搭建无线电测向样本库的初始框架，通过设定基本参数，对初始框架进行划分，得到无线电测向样本库的基本框架；

其中，所述基本参数至少包括：无线信号起始频率300MHz、无线信号终止频率500MHz、无线信号频率步长12MHz、旋转台起始角度0度、旋转台终止角度360度和旋转台角度步长2度；

其中无线电测向样本库自动采集的具体步骤为：

S1、上位机初始化信号源的初始输出频率F、初始输出功率P和旋转台的初始角度A；

所述信号源的初始输出频率F等于所述无线信号起始频率300MHz，所述信号源的输出功率P初始化为0dB，所述旋转台的初始角度A等于所述旋转台起始角度0度；

S2、判断旋转台的初始角度A是否超过无线电测向样本库所需求的旋转台终止角度，是则结束，否则进入步骤S3；

S3、判断信号源的初始输出频率F是否超过无线电测向样本库所需求的无线信号终止频率点，是则将旋转台的旋转角度调到下一个角度，并返回步骤S2，否则进入步骤S4；

S4、所述上位机控制接收机的采集频率为信号源的当前输出频率，并判断无线采集机构在当前频率点下采集到的无线信号是否存在干扰信号，若存在，则将接收机的采集频率调整后返回步骤S4，否则进入步骤S5；

其中，如图4所示，判断无线采集机构在当前频率点下采集到的无线信号是否存在干扰信号的方法为：

S41、所述上位机将无线采集机构的无线信号采集方式设为平均模式；

S42、所述上位机抽取所述无线采集机构采集到的8组FFT功率数据中功率值最大的一组FFT功率数据；

S43、在步骤S42中抽取出的一组FFT功率数据中，找出该组FFT功率数据中所有信噪比大于10dB的信号；

S44、判断所述所有信噪比大于10dB的信号中是否有任一信号落在以采集频率为中心、20倍分辨率的带宽内；若有，则有干扰信号，并进入步骤S45，否则进入步骤S46；

S45、对无线采集机构的采集频率进行调整，并返回步骤S42；

S46、所述上位机连续抽取所述无线采集机构采集到的8组相位数据，分别判断每组相位数据中心点的相位变化是否超过A₀度，是则有干扰信号，返回步骤S42，否则结束；

S5、调节校正源的功率，使信噪比在30～50dB范围内，获取线缆相位值，即该频率点下的初始相位λ₀，并保存到上位机中；

S6、所述上位机对采集到的无线信号进行信噪比计算，并根据信噪比控制信号源调节输出功率P的大小，其中，信噪比的范围为30～50dB；

如图5所示，其中信号源的功率调节方法为：

S61、根据步骤S42中抽取的功率值最大的一组FFT功率数据，读取该组FFT功率数据的中心频率点的信号功率值P₀，计算底噪功率P₁；其中信号功率值P₀即可读取的中心点的功率值，底噪功率为附近的平均功率值，即底噪功率P1＝(P_t1+P_t2+P_t3+P_t4+P_t5)/5；

S62、计算基波信号信噪比S/N＝P₀-P₁；

S63、判断信噪比S/N的大小是否在30～50dB范围内，是则结束，否则对信号源的输出功率P进行调整，并返回步骤S61；

S7、所述上位机读取所述无线采集机构采集到的无线信号当前相位，再根据步骤S5中的初始相位λ₀计算出天线相位λ，并保存到无线电测向样本库基本框架的相应位置中；

S8、所述上位机按照无线电测向样本库的基本参数，控制信号源的输出频率调到下一个频率点，并返回步骤S3。

工作原理：首先工作人员根据无线电测向样本库的需求，制定无线信号起始频率、无线信号终止频率、无线信号频率步长、旋转台起始角度、旋转台终止角度和旋转台角度步长等参数，并将其制成基本框架保存在上位机中，上位机根据基本框架中的参数数据，自动控制信号源生成相应频率的信号以及控制步进电机驱动旋转台旋转到相应的角度，逐渐采集完所有角度下所有频率的样本，并保存在基本框架的相应位置中，从而形成完整并且精准的无线电测向样本库。当存在某个角度段或者频段出错，未采集到合适样本时，可重新制定无线信号起始频率、无线信号终止频率、无线信号频率步长、旋转台起始角度、旋转台终止角度和旋转台角度步长等参数，只采集缺失部分的样本，避免重复采集并减少耗时。

Claims (4)

1.一种无线电测向样本库自动采集系统的采集方法，无线电测向样本库自动采集系统包括上位机，所述上位机的信号发射控制端连接无线发射机构，所述上位机的信号采集端连接无线采集机构，所述上位机的角度控制端连接旋转机构；

其中所述无线发射机构包括信号源和发射天线，所述信号源用于生成无线信号，所述发射天线用于发射无线信号；

所述无线采集机构包括测向天线、接收机以及校正源，所述测向天线接收发射天线发射出的无线信号，所述接收机用于处理测向天线传回的无线信号，所述校正源用于检测线缆相位；

所述旋转机构包括步进电机和旋转台，所述步进电机的输出轴与所述旋转台相连，所述测向天线安装在该旋转台上；

所述上位机内设有无线电测向样本库，所述上位机用于设置无线电测向样本库的基本参数，并根据无线电测向样本库的基本参数控制所述信号源、接收机和步进电机工作；

其特征在于：构建旋转台旋转坐标系，并在所述上位机中搭建无线电测向样本库的初始框架，通过设定基本参数，对初始框架进行划分，得到无线电测向样本库的基本框架；

其中，所述基本参数至少包括：无线信号起始频率、无线信号终止频率、无线信号频率步长、旋转台起始角度、旋转台终止角度和旋转台角度步长；

其中无线电测向样本库自动采集的具体步骤为：

S1、上位机初始化信号源的初始输出频率F、初始输出功率P和旋转台的初始角度A；

S2、判断旋转台的初始角度A是否超过无线电测向样本库所需求的旋转台终止角度，是则结束，否则进入步骤S3；

S3、判断信号源的初始输出频率F是否超过无线电测向样本库所需求的无线信号终止频率点，是则将旋转台的旋转角度调到下一个角度，并返回步骤S2，否则进入步骤S4；

S4、所述上位机控制接收机的采集频率为信号源的当前输出频率，并判断无线采集机构在当前频率点下采集到的无线信号是否存在干扰信号，若存在，则将接收机的采集频率调整后返回步骤S4，否则进入步骤S5；

S5、调节校正源的功率，使信噪比在30～50dB范围内，获取线缆相位值，即该频率点下的初始相位λ₀，并保存到上位机中；

S6、所述上位机对采集到的无线信号进行信噪比计算，并根据信噪比控制信号源调节输出功率P的大小，其中，信噪比的范围为30～50dB；

S7、所述上位机读取所述无线采集机构采集到的无线信号当前相位，再根据步骤S5中的初始相位λ₀计算出天线相位λ，并保存到无线电测向样本库基本框架的相应位置中；

S8、所述上位机按照无线电测向样本库的基本参数，控制信号源的输出频率调到下一个频率点，并返回步骤S3。

2.根据权利要求1所述的无线电测向样本库自动采集系统的采集方法，其特征在于：步骤S1中，所述信号源的初始输出频率F等于所述无线信号起始频率，所述信号源的输出功率P初始化为0dB，所述旋转台的初始角度A等于所述旋转台起始角度。

3.根据权利要求1所述的无线电测向样本库自动采集系统的采集方法，其特征在于：步骤S4中，判断无线采集机构在当前频率点下采集到的无线信号是否存在干扰信号的方法为：

S41、所述上位机将无线采集机构的无线信号采集方式设为平均模式；

S42、所述上位机抽取所述无线采集机构采集到的m组FFT功率数据中功率值最大的一组FFT功率数据；

S43、在步骤S42中抽取出的一组FFT功率数据中，找出该组FFT功率数据中所有信噪比大于10dB的信号；

S44、判断所述所有信噪比大于10dB的信号中是否有任一信号落在以采集频率为中心、20倍分辨率的带宽内；若有，则有干扰信号，并进入步骤S45，否则进入步骤S46；

S45、对无线采集机构的采集频率进行调整，并返回步骤S42；

S46、所述上位机连续抽取所述无线采集机构采集到的n组相位数据，分别判断每组相位数据中心点的相位变化是否超过A₀度，A₀＝5，是则有干扰信号，返回步骤S42，否则结束。

4.根据权利要求3所述的无线电测向样本库自动采集系统的采集方法，其特征在于：步骤S6中信号源的功率调节方法为：

S61、根据步骤S42中抽取的功率值最大的一组FFT功率数据，读取该组FFT功率数据的中心频率点的信号功率值P₀，计算底噪功率P₁；

S62、计算基波信号信噪比S/N＝P₀-P₁；

S63、判断信噪比S/N的大小是否在30～50dB范围内，是则结束，否则对信号源的输出功率P进行调整，并返回步骤S61。

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