CN110290457A - 一种应用于无人机及飞控源探测定位的时间选择阵列系统 - Google Patents

一种应用于无人机及飞控源探测定位的时间选择阵列系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种应用于无人机及飞控源探测定位的时间选择阵列系统，属于无人机探测技术领域。包括：测向站点及地面管控中心，其中测向站点包括时间选择阵列天线模块、射频链路模块及数字信号处理模块；时间选择阵列天线模块包括天线单元和功率分配链路；射频链路包括混频器、功率放大器、滤波器、数模转换器ADC器件；数字信号处理模块包括信号重排，FFT变换，频谱分析及多重信号分类算法模块；中心站点接收测向站点的测向结果，解算无人机及飞控源的方位。本发明采用时间选择阵列，通过捕获无人机及飞控源的飞控图传信号，确定无人机及飞控源的位置信息；利用信号重排的方式，解决调制天线阵列在进行多用户分类算法时所产生的虚假谱峰。

Description

一种应用于无人机及飞控源探测定位的时间选择阵列系统
技术领域
本发明属于无人机探测技术领域，涉及无人机探测技术，具体涉及一种应用于无人机探测的时间调制阵列测向系统。
背景技术
随着无人机在空中活动量的飞速发展，国内外关于无人机系统安全和管制工作纷纷展开。航空发达国家均将无人机系统综合到国家空域系统列为国家级优先任务，无人机系统安全是公众安全和空中运输领域关切的焦点。尤其是近年来无人机“黑飞”现象严重，威胁人民生命财产安全的现象已多次发生，针对无人机尤其是民用无人机的探测及反制成为各国各相关机构企业研究的热点。
民用级无人机具有“低、慢、小”的特点，其电磁波反射面小，红外特征低，飞行速度慢，对探测设备来说是一个不小的挑战。传统的雷达探测、红外探测等手段不仅成本高昂，且探测效果并不理想。而被动式无源侦测手段，是针对此类无人机的十分重要的探测手段之一。其原理是通过侦测无人机的数传图传信号方位，来实现无人机的发现及定位。其中较常见的是利用阵列天线进行无人机信号的波达角(Direction of Arrival,DOA)估计，估计其来波方向，从而实现对无人机的探测。
基于调制天线的DOA估计算法，利用调制阵列天线所产生的接收信号的谐波分量，来进行DOA估计。主要的方法有比幅测向法、扫描法、基于谐波分量的多重信号分类MUSIC(Multiple Signal Classification)算法等。其中基于谐波分量的MUSIC算法对调制天线的接收信号进行时频转换，得到其各次谐波分量，采用MUSIC算法实现DOA估计。但此方法具有诸多弊端，首先该方法产生了虚假谱峰，严重削弱天线阵列测向能力，现有基于时间调制阵列谐波分量的波达角MUSIC估计方法，会存在虚假谱峰，极大的限制了该方法在全向范围内测向；同时，波达方向越接近虚假谱峰，其测向精度越差；甚至在虚假谱峰附近已经完全无法分辨出信号谱峰。上述问题限制了传统基于时间调制阵列TMA(Time ModulatedArray，TMA)的谐波分量的MUSIC方法在实际工程中的应用。
发明内容
本发明为了解决上述时间选择阵列的虚假谱峰及多用户分类能力差，难以应用于实际系统中的问题，提出了一种应用于无人机及飞控源探测定位的时间选择阵列系统。
本发明应用于无人机及飞控源探测定位的时间选择阵列系统，包括位于地面的测向站点及中心站点。其中测向站点包括时间选择阵列天线模块、射频链路模块及数字信号处理模块。
所述的时间选择阵列天线模块包括N个天线单元和一个功率分配器，N为正整数；相邻的两个天线单元间距小于半个载波波长；每个天线单元都通过一个单刀单掷开关连接功率分配器；当单刀单掷开关导通时，对应的天线单元被选中，选中的天线单元所接收的射频模拟信号传输到功率分配器中；功率分配器将输入的各路射频模拟信号线性求和，合并为一路射频模拟信号输出给射频链路模块。
所述的射频链路模块包括功率放大器、混频器、滤波器及模数转换器，对输入的射频模拟信号依次进行功率放大、变频、滤波和模数转换，输出数字信号给数字信号处理模块。
所述的数字信号处理模块产生N路开关控制信号发送给时间选择阵列天线模块，以控制单刀单掷开关的通断来选择天线单元；所述的数字信号处理模块对输入的数字信号根据开关控制信号进行分离重组，重组为s1(n),s2(n),…,sN(n)，si(n)代表第i个天线单元接收的数字信号，再对重组后的各组数字信号时频转换得到谐波分量，对谐波分量采用多重用户分类算法，计算多重信号的波达角。
所述的数字信号处理模块将计算的信号的波达角和信号频谱发送给中心站点，中心站点根据波达角解算无人机及飞控源的方位，并将信号频谱的实时分析结果，显示给用户。
所述的数字信号处理模块，所产生的N路开关控制信号的基频大于无人机信号带宽，天线单元的开关在每个调制周期内依次导通，且每个时刻只有一路开关导通。
本发明的优点及其带来的有益效果在于：
(1)本发明利用时间选择天线阵列检测无人机及飞控人员的飞控图传信号，利用信号重排手段，充分利用无人机与非空人员之间互传的无线电信号特征，提高无人机探测的精度及多重信号分类能力。
(2)本发明中的信号重排过程，将天线接收到的数字信号分离为多路，有效的避免了调制天线在进行多用户分类算法时产生的虚假谱峰，大大的扩展了有效测向角度的范围，提高了系统的分辨概率及精度。
附图说明
图1为本发明的用于无人机及飞控源探测定位的时间选择阵列系统整体示意图；
图2为本发明系统的测向站点的组成示意图；
图3为本发明的开关控制信号的方波示意图。
图中：
100、测向站点；200、中心站点；110-时间选择阵列天线模块；120-射频链路模块；
130-数字信号处理模块；121-功率放大器；122-混频器；123-滤波器；124-模数转换器ADC。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。
本发明设计了一种应用于无人机及飞控源定位的时间选择阵列系统，采用时间选择阵列，通过捕获无人机及飞控源的飞控图传信号，确定无人机及飞控源的位置信息；利用信号重排的方式，解决调制天线阵列在进行多用户分类时所产生的虚假谱峰。
如图1所示，本发明提供的应用于无人机及飞控源探测定位的时间选择阵列系统，包括测向站点100及中心站点200两部分。测向站点100实时侦测无线电信号，当“黑飞”无人机进入到指定空域时，测向站点100计算无人机射频模拟信号的DOA，即无人机的方位角；测向站点100将计算得到的DOA结果实时传回中心站点200，中心站点200接收测向站点100的测向结果，实时地显示到显控界面上，实现人机交互，目标轨迹追踪，参数调整，告警，方位显示等功能。
如图2所示，为本发明中测向站点100的组成，测向站点100包括时间选择阵列天线模块110，射频链路模块120及数字信号处理模块130。时间选择阵列天线模块110包括N个天线单元和一个功率分配器，N为正整数。相邻的两个天线单元间距小于半个载波波长，每个天线单元都通过一个单刀单掷开关连接功率分配器。当单刀单掷开关导通时，对应的天线单元所接收的无线电射频模拟信号将传输到功率分配器中。相反，当单刀单掷开关断开时，表示未选择对应的天线单元，对应的天线单元所接收的无线电射频模拟信号不会传输到功率分配器中。
时间选择阵列天线模块110通过线缆与数字信号处理模块130连接，数字信号处理模块130产生N路开关控制信号，快速控制单刀单掷开关的通断来选择天线单元。
被选中的天线单元的单刀单掷开关闭合，相应天线单元接收的射频模拟信号都输入到功率分配器中，多路射频模拟信号在功率分配器中合并为一路射频模拟信号。功率分配器主要起到将各路射频模拟信号线性求和，合路后的射频模拟信号传送至射频链路模块120中的功率放大器121进行放大。
射频链路模块120包括功率放大器121、混频器122、滤波器123及模数转换器ADC124，射频链路模块120将输入的合路射频模拟信号依次进行功率放大，变频，把射频模拟信号搬移到中频，再滤除噪声，最后模数转换为数字信号s(n)。
如图2所示，经过功率分配器合路后的射频模拟信号经功率放大器121放大后，再经过混频器122进行下变频，下变频后获得中频模拟信号，再经过滤波器123进行低通滤波，对滤波后的中频模拟信号通过模数转换器ADC 124进行采样得到相应的数字信号s(n)，并输出给数字信号处理模块130。
无人机的飞控图传信号入射到天线时，单刀单掷开关对天线阵列上的每个天线单元进行周期性调制，即选通，将选通的天线单元所接收到的射频模拟信号，经过功率分配器合为一路，通过射频(RF)链路依次发送给功率放大器121、混频器122、滤波器123及模数转换器124。相较于传统的天线阵列，由于时间调制阵列TMA(Time Modulated Array)只需要一路信号处理链路，简化了无人机测向系统的硬件。
当射频模拟信号变至中频模拟信号时，由调制天线产生的各阶频率分量得以保留，即s(n)中保留了天线单元接收信号后，经过周期性选通开关后所产生的新的频率分量。
数字信号处理模块130将经模数转换后的数字信号进行信号重排、快速傅氏变换FFT(Fast Fourier Transformation)、频谱分析及多重信号分类等处理。数字信号处理模块130主要由现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array,FPGA)实现。FPGA产生周期性的开关控制信号，即方波，来控制单刀单掷开关周期性的导通和断开。如图3所示，为本发明的开关控制信号的方波示意图，其基频(1/TM)大于无人机信号带宽，每路信号占空比为1/N，每个单刀单掷开关有一路控制信号，在对应的信号周期内导通，例如第一个开关在信号方波位于τ1,on-τ1,off时导通。通过时间选择阵列天线模块110，可以减少射频通道的数量，相较于传统基于天线阵列的无人机探测方法，该方法仅需要一路射频通道，从而极大地降低了硬件复杂度、体积、功耗及成本。尤其是城市中的无人机管控需要大规模布站的场景中，具有一定实际价值。天线开关在每个调制周期内依次导通，且每个时刻只有一路开关导通。
如图2所示，以天线调制的开关控制信号为参考，数字信号处理模块130将数字信号s(n)分离重组为多组数字信号s1(n),s2(n),…,sN(n)，其中N为TMA的天线单元个数，n为采样点的时序标号。将每组数字信号通过时频转换，得到各组信号的谐波分量f1(q),f2(q),…,fN(q)，其中fi(q)为第i根天线接收信号si(n)的各阶谐波分量，q为谐波数，即当q＝0时为基频分量，当q＝1时为高于基频的一次谐波，当q＝-1时为低于基频的一次谐波分量，以此类推。对谐波分量采用多重用户分类算法，计算多重信号的波达角。
测向站点100将FPGA计算得到的来波方向结果以及FPGA计算得到的信号频谱s1(n),s2(n),…,sN(n)实时传送至中心站点200。据各个测向站点100估计出的无人机飞控图传无线电射频模拟信号的波达角DOA，由中心站点200根据波达角解算无人机及飞控源的方位；传回的信号频谱实时的显示在中心站点200的软件界面上，可以支持区域频谱监视等功能的实现。
本发明将时间选择阵列天线模块应用于无人机及飞控源探测定位中，相较于传统的线性天线阵列，该方案极大的简化了硬件结构；避免了传统均匀直线阵列中，射频链路间的幅相不一致的缺点。通过对重组的各组信号的谐波分量采用多重用户分类算法，解决了传统调制天线阵列在多用户分类算法中的虚假谱峰，提高了多重信号的分辨概率。

Claims (2)

1.一种应用于无人机及飞控源探测定位的时间选择阵列系统，包括位于地面的测向站点及中心站点；其特征在于，所述的测向站点包括时间选择阵列天线模块、射频链路模块及数字信号处理模块；
所述的时间选择阵列天线模块包括N个天线单元和一个功率分配器，N为正整数；相邻的两个天线单元间距小于半个载波波长；每个天线单元都通过一个单刀单掷开关连接功率分配器；当单刀单掷开关导通时，对应的天线单元被选中，选中的天线单元所接收的射频模拟信号传输到功率分配器中；功率分配器将输入的各路射频模拟信号线性求和，合并为一路射频模拟信号输出给射频链路模块；
所述的射频链路模块包括功率放大器、混频器、滤波器及模数转换器，对输入的射频模拟信号依次进行功率放大、变频、滤波和模数转换，输出数字信号s(n)给数字信号处理模块；
所述的数字信号处理模块产生N路开关控制信号发送给时间选择阵列天线模块，以控制单刀单掷开关的通断来选择天线单元；所述的数字信号处理模块对输入的数字信号根据开关控制信号进行分离重组，重组为s1(n),s2(n),…,sN(n)，si(n)代表第i个天线单元接收的数字信号，再对重组后的各组数字信号时频转换得到谐波分量，对谐波分量采用多重用户分类算法，计算多重信号的波达角；
所述的数字信号处理模块将计算的信号的波达角和信号频谱发送给中心站点，中心站点根据波达角解算无人机及飞控源的方位，并将信号频谱的实时分析结果，显示给用户。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的数字信号处理模块，所产生的N路开关控制信号的基频大于无人机信号带宽，天线单元的开关在每个调制周期内依次导通，且每个时刻只有一路开关导通。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110221242A (zh) * 2019-05-20 2019-09-10 北京航空航天大学 一种基于时间调制阵列的无人机侦测方法
CN110677183A (zh) * 2019-10-31 2020-01-10 广州众翔信息科技有限公司 一种快速切换型天线控制器
CN111224739A (zh) * 2020-01-20 2020-06-02 黄凯 一种功率放大装置及无人机管控设备
CN117134794A (zh) * 2023-10-26 2023-11-28 天津云圣智能科技有限责任公司 一种通信链路的切换方法、图传设备及无人机

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120014418A1 (en) * 2010-07-19 2012-01-19 Ahmad Suhail Salim Multi-configuration adaptive layered steered space-time coded system and method
CN104011558A (zh) * 2011-12-28 2014-08-27 Hrl实验室有限责任公司 编码的孔径波束分析方法和设备
CN108414966A (zh) * 2018-01-09 2018-08-17 上海交通大学 一种基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统及方法
CN109471068A (zh) * 2018-11-06 2019-03-15 浙江大学 基于射频阵列信号doa估计的无人机定位系统和方法
CN109765520A (zh) * 2018-12-26 2019-05-17 西华大学 一种基于时间调制阵列谐波波束扫描的波达角估计方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120014418A1 (en) * 2010-07-19 2012-01-19 Ahmad Suhail Salim Multi-configuration adaptive layered steered space-time coded system and method
CN104011558A (zh) * 2011-12-28 2014-08-27 Hrl实验室有限责任公司 编码的孔径波束分析方法和设备
CN108414966A (zh) * 2018-01-09 2018-08-17 上海交通大学 一种基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统及方法
CN109471068A (zh) * 2018-11-06 2019-03-15 浙江大学 基于射频阵列信号doa估计的无人机定位系统和方法
CN109765520A (zh) * 2018-12-26 2019-05-17 西华大学 一种基于时间调制阵列谐波波束扫描的波达角估计方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHONG HE: "Direction Finding by Time Modulated Linear Array", 《IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION》 *
QUN CHEN: "A Novel SDMA Uplink Method Based on Time-Modulated Array for UAV Communications", 《2018 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMMUNICATION SYSTEMS》 *
雷亚杰: "基于压缩感知的时间调制阵列的DOA估计", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110221242A (zh) * 2019-05-20 2019-09-10 北京航空航天大学 一种基于时间调制阵列的无人机侦测方法
CN110221242B (zh) * 2019-05-20 2021-07-02 北京航空航天大学 一种基于时间调制阵列的无人机侦测方法
CN110677183A (zh) * 2019-10-31 2020-01-10 广州众翔信息科技有限公司 一种快速切换型天线控制器
CN111224739A (zh) * 2020-01-20 2020-06-02 黄凯 一种功率放大装置及无人机管控设备
CN111224739B (zh) * 2020-01-20 2023-05-02 北京历正科技有限责任公司 一种功率放大装置及无人机管控设备
CN117134794A (zh) * 2023-10-26 2023-11-28 天津云圣智能科技有限责任公司 一种通信链路的切换方法、图传设备及无人机
CN117134794B (zh) * 2023-10-26 2024-01-19 天津云圣智能科技有限责任公司 一种通信链路的切换方法、图传设备及无人机

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