CN113466783B - 一种监测频段可扩展的九通道超短波测向系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测频段可扩展的九通道超短波测向系统，属于无线电监测和通信对抗技术领域。该系统包括九通道一体化天线、宽带测向接收机、GPS/北斗设备以及监控终端。九通道一体化天线将接收的射频信号送至宽带测向接收机；宽带测向接收机对输入的射频信号进行本振混频，将射频信号转换为中频信号，经数字采样、滤波与快速傅里叶变换后，再对其进行监测分析，完成监测信号的侦察、监测与测向；GPS/北斗设备为系统提供定位、校时。本发明具有监测频段覆盖范围宽、监测频段和测向通道数目可灵活配置、测向精度高、测向灵敏度高、抗干扰能力强、测向扫描速度高、具备组网定位能力等优点，具有较强的应用推广价值。

Description

一种监测频段可扩展的九通道超短波测向系统

技术领域

本发明涉及无线电监测和通信对抗技术领域，特别涉及一种监测频段可扩展的九通道超短波测向系统。

背景技术

无线电监测是对无线电信号进行侦察、监测、测向与定位。通信对抗是建立在频谱监测基础上，对无线电信号进行进一步的识别并采取通信干扰措施，在阻止、破坏或削弱敌方通信系统的同时又要保护己方通信联络畅通。这其中涉及了九通道一体化天线设计与实现技术、数字波束合成技术、宽带监测与测向信道化技术、监测频段扩展技术、复杂电磁环境下信号测向与实现等关键技术。

当前，公开文献中国内外学者对于此领域的研究主要集中在测向通道数目较少或监测频段范围固定且较窄的设备系统，研究内容较为单一。尚未见集九通道一体化天线设计与实现技术、数字波束合成技术、宽带监测与测向信道化技术、监测频段扩展技术、复杂电磁环境下信号测向与实现技术于一体的监测频段可扩展的九通道超短波测向系统。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种监测频段可扩展的九通道超短波测向系统。该系统具有监测频段覆盖范围宽、监测频段可扩展、测向精度高、测向灵敏度高、抗干扰能力强、测向扫描速度高、具备组网定位能力等优点。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种监测频段可扩展的九通道超短波测向系统，包括宽带测向接收机和监控终端，还包括九通道一体化天线；

所述九通道一体化天线包括有源偶极子天线、有源环天线、无源偶极子天线、平面螺旋天线和双锥天线；所述有源偶极子天线、有源环天线、无源偶极子天线均包括9个阵列单元；所述平面螺旋天线包括8个阵列单元，双锥天线包括一个阵列单元；所述双锥天线、平面螺旋天线和无源偶极子天线从上至下依次排布；所述有源偶极子天线与有源环天线均沿直径为920mm的圆周均匀排布，两者等间隔排开；所述无源偶极子天线沿直径为450mm的圆周均匀排布，并与有源环天线相对；所述平面螺旋天线沿直径为235mm的圆周均匀排布；所述双锥天线在平面螺旋天线阵上方；

所述宽带测向接收机用于对监测频段的超短波信号进行本振混频、变频、数字采样处理及分析，实现对超短波信号的频谱监测、信号扫描测向、跳频截获和指定信号的解调解码；宽带测向接收机的射频信号变频单元上还设有用于连接微波变频模块的对外接口；宽带测向接收机的本振单元上还设有用于连接微波本振模块的对外接口；

所述九通道一体化天线将接收的射频信号输送至宽带测向接收机；宽带测向接收机对输入的射频信号进行本振混频，将射频信号转换为中频信号，经数字采样、滤波与快速傅里叶变换后，再对其进行监测分析，完成监测信号的侦察、监测与测向；信号侦察、监测和测向结果通过网络交换机送入监控终端进行显示与存储。

进一步的，还包括GPS或北斗设备，用于向宽带测向接收机输出GPS信号或北斗标准时间和秒脉冲信号，通过网络交换机进行统一校时。

进一步的，所述宽带测向接收机包括本振单元、射频信号变频单元、数字采样处理单元、控制单元、信号监测分析单元、参考源及采样时钟单元和自校源单元；

所述自校源单元用于向射频信号变频单元提供测向所需的自校信号；

所述本振单元包括超短波一本振模块、超短波二本振模块、超短波一本振分路模块和超短波二本振分路模块；其中，超短波一本振模块和超短波二本振模块均用于接收参考源模块产生参考信号，并分别输出6路本振信号；超短波一本振分路和超短波二本振分路模块分别接收超短波一本振和超短波二本振模块输出的一路本振信号，并分别将其扩展成6路本振分路信号。

所述参考源及采样时钟单元包括参考源模块和采样时钟模块。参考源模块产生参考信号，分别为超短波一本振及超短波二本振模块提供参考源同步信号；采样时钟模块产生时钟信号为数字采样处理单元提供采样时钟；

所述射频信号变频单元包括9个超短波变频模块，接收本振信号后，超短波变频模块将射频信号进行滤波、变频处理，并输出多个模式可选的中频/带宽信号；

所述数字采样处理单元包括数字采样处理模块；数字采样处理模块接收中频信号并进行A/D采样、数字滤波、FFT处理，完成数字信号检测、频谱扫描监测、测向IQ数据预处理和数字波束合成；

所述信号监测分析单元用于对监测频段范围内信号进行固定频率监测、宽带测向、定频测向、频段扫描测向、离散信道扫描与测向、跳频截获和指定信号协议的解调解码；

所述控制单元用于产生包括但不限于本振单元、射频信号变频单元和数字采样处理单元的同步控制控制信号。

本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明的九通道一体化天线由5种天线，36个阵元组成，测向精度更高。

2、本发明的监测频率覆盖20MHz～8GHz的较宽频段，通过增加微波本振和微波变频模块即可方便的将频段扩展至20MHz～18GHz。

3、本发明的宽带测向接收机测向通道数目可灵活配置，通过配置超短波变频模块数目，即可方便的实现5通道或3通道宽带测向功能。

4、本发明能够提供1kHz～80MHz不少于30种的测向带宽，能够根据设置的频率分辨率，灵活选择合适的扫描带宽(最大80MHz)对预置频段内所有信号进行测向。

5、本发明具备相关干涉仪、空间谱估计和比幅比相3种测向体制，与不同配置的测向带宽/频率分辨率灵活组合，测向精度高。

附图说明

图1是本发明实施实例的系统组成框图；

图2是图1中九通道一体化天线的结构示意图；

图3是图1中宽带测向接收机的原理框图。

图中：1、有源偶极子天线阵列单元，2、无源偶极子天线阵列单元，3、有源环天线阵列单元，4、平面螺旋天线阵列单元，5、双锥天线阵列单元。

具体实施方式

下面，通过具体实施方式对本发明内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

一种监测频段可扩展的九通道超短波测向系统，包括宽带测向接收机和监控终端，还包括九通道一体化天线；

所述九通道一体化天线包括有源偶极子天线、有源环天线、无源偶极子天线、平面螺旋天线和双锥天线；所述有源偶极子天线、有源环天线、无源偶极子天线均包括9个阵列单元；所述平面螺旋天线包括8个阵列单元，双锥天线包括一个阵列单元；所述双锥天线、平面螺旋天线和无源偶极子天线从上至下依次排布；所述有源偶极子天线、有源环天线、无源偶极子天线和平面螺旋天线四者的阵列单元围绕同一圆心圆周阵列，其中有源偶极子天线和有源环天线的阵列单元位于同一圆周上且间隔排布，无源偶极子天线的阵列单元位于有源偶极子天线和有源环天线围成的区域内；

所述宽带测向接收机用于对监测频段的超短波信号进行本振混频、变频、数字采样处理及分析，实现对超短波信号的频谱监测、信号扫描测向、跳频截获和指定信号的解调解码；宽带测向接收机的射频信号变频单元上还设有用于连接微波变频模块的对外接口；宽带测向接收机的本振单元上还设有用于连接微波本振模块的对外接口；

所述九通道一体化天线将接收的射频信号输送至宽带测向接收机；宽带测向接收机对输入的射频信号进行本振混频，将射频信号转换为中频信号，经数字采样、滤波与快速傅里叶变换后，再对其进行监测分析，完成监测信号的侦察、监测与测向；信号侦察、监测和测向结果通过网络交换机送入监控终端进行显示与存储。

进一步的，还包括GPS或北斗设备，用于向宽带测向接收机输出GPS信号或北斗标准时间和秒脉冲信号，通过网络交换机进行统一校时。

进一步的，所述宽带测向接收机包括本振单元、射频信号变频单元、数字采样处理单元、控制单元、信号监测分析单元、参考源及采样时钟单元和自校源单元；

所述自校源单元用于向射频信号变频单元提供测向所需的自校信号；

所述本振单元包括超短波一本振模块、超短波二本振模块、超短波一本振分路模块和超短波二本振分路模块；其中，超短波一本振模块和超短波二本振模块均用于接收参考源模块产生的参考信号，并分别输出6路本振信号；超短波一本振分路和超短波二本振分路模块分别接收超短波一本振和超短波二本振模块输出的一路本振信号，并分别将其扩展成6路本振分路信号。

所述参考源及采样时钟单元包括参考源模块和采样时钟模块。参考源模块产生参考信号，分别为超短波一本振及超短波二本振模块提供参考源同步信号；采样时钟模块产生时钟信号为数字采样处理单元提供采样时钟；

所述射频信号变频单元包括9个超短波变频模块，接收本振信号后，超短波变频模块将射频信号进行滤波、变频处理，并输出多个模式可选的中频/带宽信号；

所述数字采样处理单元包括数字采样处理模块；数字采样处理模块接收中频信号并进行A/D采样、数字滤波、FFT处理，完成数字信号检测、频谱扫描监测、测向IQ数据预处理和数字波束合成；

所述信号监测分析单元用于对监测频段范围内信号进行固定频率监测、宽带测向、定频测向、频段扫描测向、离散信道扫描与测向、跳频截获和指定信号协议的解调解码；

所述控制单元用于产生包括但不限于本振单元、射频信号变频单元和数字采样处理单元的同步控制控制信号。

下面为一更具体的实施例，

本实施例包括：九通道一体化天线、宽带测向接收机、GPS/北斗设备以及监控终端。

所述九通道一体化天线由有源偶极子天线、有源环天线、无源偶极子天线、平面螺旋天线及双锥天线5种天线组成。其中，有源偶极子天线、有源环天线及无源偶极子天线各包括9个阵元，平面螺旋天线包括8个阵元，双锥天线包括1个阵元。有源偶极子与有源环天线均沿直径为920mm的圆周均匀排布，两者等间隔排开；无源偶极子沿直径为450mm的圆周均匀排布，并与有源环天线相对；平面螺旋天线沿直径为235mm的圆周均匀排布；双锥天线在平面螺旋天线阵上方。

所述宽带测向接收机为1套宽带测向接收机，包括1个本振单元、1个射频信号变频单元、1个数字采样处理单元、1个控制单元、1个信号监测分析单元、1个参考源及采样时钟单元以及1个自校源单元。用于利用参考源信号、采样时钟信号和控制信号，对监测频段的超短波信号进行本振混频、变频、数字采样处理及分析，实现对超短波信号的频谱监测、信号扫描测向、跳频截获、指定信号解调解码等功能。

所述本振单元由2个本振模块和2个本振分路模块组成。其中，本振模块包括1个超短波一本振模块和1个超短波二本振模块，本振模块接收参考源及采样时钟单元提供的100MHz参考源信号，分别各输出6路，共12路的本振信号；本振分路模块包括1个超短波一本振分路模块和1个超短波二本振分路模块，本振分路模块分别接收超短波一本振和超短波二本振模块输出的1路本振信号，并分别将其扩展成6路，共12路的本振分路信号。

所述射频信号变频单元由9个超短波变频模块组成。超短波变频模块将20MHz～8GHz的射频信号进行滤波、变频处理，输出153.6MHz或140MHz的中频信号。

所述数字采样处理单元由2个数字采样处理模块组成。利用1路采样时钟信号，每个数字采样处理模块将射频信号变频单元输入的5路中频信号进行A/D采样、数字滤波、FFT处理，并完成数字信号检测、频谱扫描监测、测向IQ数据预处理和数字波束合成；2个数字采样处理模块共完成10路中频信号的数字采样处理。

所述控制单元由1个控制模块组成。控制模块根据PCIe×42.0总线产生各种控制信号，包括本振单元、射频信号变频单元和数字采样处理单元的同步控制等信号。

所述信号监测分析单元由1个信号监测分析模块组成。用于实现对监测频段范围内的固定频率监测、宽带测向、定频测向、频段扫描测向、离散信道扫描与测向、跳频截获、指定信号协议的解调解码等功能。

所述参考源及采样时钟单元由1个参考源模块和1个采样时钟模块组成。其中，参考源模块为射频信号变频单元提供100MHz的参考信号；采样时钟模块为系统提供204.8MHz的采样时钟信号。

所述自校源单元由1个自校源模块组成。为射频信号变频单元提供测向所需的自校信号，对各变频模块之间的信号相位进行校准。

所述GPS/北斗设备由1套GPS/北斗接收机和天线组成。其为系统内各设备提供GPS/北斗标准时间和秒脉冲信号，实现设备统一校时。

所述监控终端包括1台服务器和1个笔记本计算机操作席位。其中，服务器用于对监测数据进行存储、备份，支撑操作席位对数据的查询分析等；操作席位用于向宽带测向接收机下发信号监测、分析、测向等指令，并显示信号的监测分析结果。监控终端、宽带测向接收机、九通道一体化天线以及GPS/北斗设备之间通过网络交换机实现连接。

此外，本发明系统中的宽带测向接收机还包括背板和二次电源。

所述背板包括1个主板槽位、4个数字槽位和26个模拟槽位，数字板卡和主板之间通过PCIe总线互联，模拟部件和监控模块之间采用SPI总线互联。控制、LAN、USB、SATA、VGA、串口、GPS/北斗等接口通过背板上的自定义插座向外扩展。

所述二次电源适应80～264V的交流输入，输出+12V直流电源，额定输出功率400W，工作温度-30℃～+70℃，具有通断电控制。

图1是本发明的系统组成框图。在实施过程中，GPS/北斗设备输出GPS/北斗标准时间和秒脉冲信号，通过网络交换机为系统内各设备统一校时。九通道一体化天线将接收的20MHz～8GHz射频信号送入宽带测向接收机；宽带测向接收机对射频信号进行本振混频，将射频信号转换为中频信号，中频信号经数字采样滤波与FFT变换后进行信号监测分析，以完成对被监测信号的侦察、监测与测向；信号侦察与监测测向结果通过网络交换机送入监控终端进行显示与存储。GPS/北斗设备采用北京七维航测工业级别的SDI-TimeNAV，内置被动式天线；网络交换机和监控终端采用市售交换机、服务器和笔记本计算机。

图2是本发明九通道一体化天线模型示意图。九通道一体化天线由有源偶极子天线、有源环天线、无源偶极子天线、平面螺旋天线及双锥天线5种天线组成。其中，有源偶极子天线、有源环天线及无源偶极子天线各包括9个阵元，平面螺旋天线包括8个阵元，双锥天线包括1个阵元。有源偶极子与有源环天线均沿直径为920mm的圆周均匀排布，两者等间隔排开；无源偶极子沿直径为450mm的圆周均匀排布，并与有源环天线相对；平面螺旋天线沿直径为235mm的圆周均匀排布；双锥天线在平面螺旋天线阵下方。在实施过程中，有源偶极子和有源环天线接收20MHz～1350MHz频率范围内信号；无源偶极子天线接收800MHz～2000MHz频率范围内信号；平面螺旋和双锥天线天线接收2GHz～18GHz频率范围内信号。

图3是图1中宽带测向接收机原理框图。包括自校源单元、参考源及采样时钟单元、本振单元、射频信号变频单元、数字采样处理单元、信号监测分析单元、控制单元、背板和二次电源。在实施过程中，用于利用参考源信号、采样时钟信号和控制信号，对监测频段的超短波信号进行本振混频、变频、数字采样处理及分析，实现对超短波信号的频谱监测、信号扫描测向、跳频截获、指定信号解调解码等功能。

自校源单元由1个自校源模块组成。在实施过程中，其产生20MHz～8GHz频率范围内的自校信号，为射频信号变频单元提供测向所需的自校信号，对各变频模块之间的信号相位进行校准。

参考源及采样时钟单元包括参考源模块和采样时钟模块。在实施过程中，参考源模块产生2路100MHz参考信号，分别为超短波一本振及超短波二本振模块提供参考源同步信号；采样时钟模块产生1路204.8MHz的时钟信号为数字采样处理单元提供采样时钟。

本振单元包括1个超短波一本振模块、1个超短波二本振模块、1个超短波一本振分路模块和1个超短波二本振分路模块。在实施过程中，超短波一本振和超短波二本振模块接收参考源模块产生的100MHz参考信号，并分别输出6路，共12的本振信号；超短波一本振分路和超短波二本振分路模块分别接收超短波一本振和超短波二本振模块输出的1路本振信号，并分别将其扩展成6路，共12路的本振分路信号。

射频信号变频单元包括9个超短波变频模块。在实施过程中，利用本振信号，超短波变频模块将20MHz～8GHz的射频信号进行滤波、变频处理，并输出153.6MHz/80MHz、153.6MHz(或140MHz)/20MHz、153.6MHz(或140MHz)/1MHz三种模式可选的中频/带宽信号；中频输出带宽可提供80MHz、20MHz和1MHz三种模式。

数字采样处理单元由2个数字采样处理模块组成。在实施过程中，利用204.8MHz的采样时钟信号，每个数字采样处理模块可接收5路中频信号并进行A/D采样、数字滤波、FFT处理，完成数字信号检测、频谱扫描监测、测向IQ数据预处理和数字波束合成；2个数字采样处理模块共完成10路中频信号的数字采样处理；其中，全景扫描速度：≥250GHz/s(RBW＝25kHz)，在1kHz～80MHz频率范围提供不少于30种的测向带宽。

信号监测分析单元由1个信号监测分析模块组成。在实施过程中，用于对20MHz～8GHz频率范围内信号进行固定频率监测、宽带测向、定频测向、频段扫描测向、离散信道扫描与测向、跳频截获、指定信号协议的解调解码等功能；其中，测向灵敏度：≤10μV/m，在20MHz～3GHz和40MHz～1300MHz频率范围，达到测向精度：≤2°(RMS，垂直极化20MHz～3GHz，水平极化40MHz～1300MHz)，在3GHz～8GHz频率范围，达到测向精度：≤3°(RMS，垂直极化3GHz～8GHz)。

控制单元由1个控制模块组成。在实施过程中，控制模块根据PCIe×42.0总线产生各种控制信号，为本振单元、射频信号变频单元和数字采样处理单元等单元提供同步控制信号。

背板包括1个主板槽位、4个数字槽位和26个模拟槽位，数字板卡和主板之间通过PCIe总线互联，模拟部件和监控模块之间采用SPI总线互联。在实施过程中，控制、LAN、USB、SATA、VGA、串口、GPS/北斗等接口通过背板上的自定义插座向外扩展。

二次电源采用明纬工业级AC/DC电源RPS-400-12-SF，额定输出功率400W，工作温度-30℃～+70℃，具有通断电控制功能。在实施过程中，其适应80～264V的交流输入，输出+12V直流电源。

本发明系统的优点包括：

(1)九通道一体化天线阵列孔径为920mm的圆阵，由5种天线，36个阵元组成，测向精度高；

(2)监测频率覆盖20MHz～8GHz的较宽频段，通过增加微波本振和微波变频模块即可方便的将频段扩展至20MHz～18GHz；

(3)宽带测向接收机测向通道数目可灵活配置，通过配置超短波变频模块数目，即可方便的实现5通道或3通道宽带测向功能；

(4)提供1kHz～80MHz不少于30种的测向带宽，能够根据设置的频率分辨率，灵活选择合适的扫描带宽(最大80MHz)对预置频段内所有信号进行测向；

(5)具备相关干涉仪、空间谱估计和比幅比相3种测向体制，与不同配置的测向带宽/频率分辨率灵活组合，测向精度高；

(6)可根据实际应用情况对宽带测向接收机的监测频段和测向通道数目进行灵活配置，有效节约实施成本。

综上，本发明实现了一种监测频段可扩展的九通道超短波测向系统，其性能可靠、配置灵活、使用便携，在通信对抗和无线电监测领域具有较强的推广应用价值。

Claims (3)

1.一种监测频段可扩展的九通道超短波测向系统，包括宽带测向接收机和监控终端，其特征在于，还包括九通道一体化天线；

所述九通道一体化天线包括有源偶极子天线、有源环天线、无源偶极子天线、平面螺旋天线和双锥天线；所述有源偶极子天线、有源环天线、无源偶极子天线均包括9个阵列单元；所述平面螺旋天线包括8个阵列单元，双锥天线包括一个阵列单元；所述双锥天线、平面螺旋天线和无源偶极子天线从上至下依次排布；所述有源偶极子天线与有源环天线均沿直径为920mm的圆周均匀排布，两者等间隔排开；所述无源偶极子天线沿直径为450mm的圆周均匀排布，并与有源环天线相对；所述平面螺旋天线沿直径为235mm的圆周均匀排布；所述双锥天线在平面螺旋天线阵上方；

所述宽带测向接收机用于对监测频段的超短波信号进行本振混频、变频、数字采样处理及分析，实现对超短波信号的频谱监测、信号扫描测向、跳频截获和指定信号的解调解码；宽带测向接收机的射频信号变频单元上还设有用于连接微波变频模块的对外接口；宽带测向接收机的本振单元上还设有用于连接微波本振模块的对外接口；

所述九通道一体化天线将接收的射频信号输送至宽带测向接收机；宽带测向接收机对输入的射频信号进行本振混频，将射频信号转换为中频信号，经数字采样、滤波与快速傅里叶变换后，再对其进行监测分析，完成监测信号的侦察、监测与测向；信号侦察、监测和测向结果通过网络交换机送入监控终端进行显示与存储。

2.根据权利要求1所述的一种监测频段可扩展的九通道超短波测向系统，其特征在于，还包括GPS或北斗设备，用于向宽带测向接收机输出GPS信号或北斗标准时间和秒脉冲信号，通过网络交换机进行统一校时。

3.根据权利要求1所述的一种监测频段可扩展的九通道超短波测向系统，其特征在于，所述宽带测向接收机包括本振单元、射频信号变频单元、数字采样处理单元、控制单元、信号监测分析单元、参考源及采样时钟单元和自校源单元；

所述自校源单元用于向射频信号变频单元提供测向所需的自校信号；

所述本振单元包括超短波一本振模块、超短波二本振模块、超短波一本振分路模块和超短波二本振分路模块；其中，超短波一本振模块和超短波二本振模块均用于接收参考源模块产生的参考信号，并分别输出6路本振信号；超短波一本振分路模块和超短波二本振分路模块分别接收超短波一本振和超短波二本振模块输出的其中一路本振信号，并分别将其扩展成6路本振分路信号；

所述参考源及采样时钟单元包括参考源模块和采样时钟模块；参考源模块产生参考信号，分别为超短波一本振及超短波二本振模块提供参考源同步信号；采样时钟模块产生时钟信号为数字采样处理单元提供采样时钟；

所述射频信号变频单元包括9个超短波变频模块，接收本振信号后，超短波变频模块将射频信号进行滤波、变频处理，并输出多个模式可选的中频/带宽信号；

所述数字采样处理单元包括数字采样处理模块；数字采样处理模块接收中频信号并进行A/D采样、数字滤波、FFT处理，完成数字信号检测、频谱扫描监测、测向IQ数据预处理和数字波束合成；

所述信号监测分析单元用于对监测频段范围内信号进行固定频率监测、宽带测向、定频测向、频段扫描测向、离散信道扫描与测向、跳频截获和指定信号协议的解调解码；

所述控制单元用于产生包括但不限于本振单元、射频信号变频单元和数字采样处理单元的同步控制控制信号。

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