CN114442030A - 一种超宽带来波信号测频测向接收机 - Google Patents

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陈佳文
左宇
薛昭艺
杨涛
彭浩
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Abstract

本发明公开了一种超宽带来波信号测频测向接收机，属于无源定位领域。该接收机包括多路天线通道、硬件采样驱动模块以及解算上位机；每个天线通道包括宽带天线和高速AD芯片。本发明通过采用多个天线及高速AD芯片对来波信号进行解算，宽带接收机中高速AD芯片的采样率取决于来波信号的最高频率，因此对高速的AD芯片采样率有更高要求。本发明相较于传统的宽带接收机的测试方法，不需要对本振对来波信号进行下变频及滤波，既节省了成本，又降低了接收回路的功耗，使得本方案的适用性大大提高。另外，相比于传统宽带接收机，得益于天线的高增益及高速AD的高采样率，本发明可以有效减小测频侧向的误差，从而可以更加准确的对来波信号进行分析。

Description

一种超宽带来波信号测频测向接收机
技术领域
本发明属于无源定位领域，涉及一种超宽带来波信号测频测向接收机。
背景技术
无线电测频和测向技术是在研究电磁波传播性质的基础上发展的一种测量目标方位的技术，通过测量电磁波的来波方向与坐标轴的夹角来确定信号源的位置。在声纳、移动通信、地球物理勘探、抢险救灾等诸多生活、科研领域中发挥重要的作用。特别是在雷达导航，天文观测中，使用快速高精度、高识别率的无源被动定位技术进行监视和远程精确测量已成为一种重要技术和发展趋势。
为了实现对信号的宽频带接收和高截获，电子侦测系统往往采用宽频带设计。对于高频信号，波长λ非常小，由于天线阵元设计物理尺寸的影响，小于半波长的天线基线不可实现，导致相位差测量存在模糊，且基线越长，相位差测量模糊数越大，无模糊测角范围越小。但是，为了保证一定的测向精度，又希望有尽可能长的基线。因此，宽频带侦测阵列一般采用多基线体制，且存在无模糊测角范围和测向精度的矛盾。另外，传统的测向接收机很难拓宽检测的频域，且一般不提供测频功能。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出了一种超宽带来波信号测频测向接收机，其目的在于解决无源定位领域中针对超宽带来波信号正确测频和测向的问题，减小了模糊测角范围和测向精度的矛盾，并且降低了信号处理复杂度，有效提高了信号处理地实时性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超宽带来波信号测频测向接收机，包括多路天线通道、硬件采样驱动模块以及解算上位机；
所述天线通道，包括宽带天线和高速AD芯片；
所述硬件采样驱动模块，基于FPGA实现，用于给各路所述高速AD芯片提供采样参考时钟、对各路高速AD芯片进行同步处理、控制天线通道采样时段和将各路高速AD芯片处理结果打包传给上位机。
上电后，所述硬件采样驱动模块向各路天线通道内的高速AD芯片提供采样参考时钟以完成各路高速AD芯片的时钟同步；当上位机向硬件采样驱动模块发起采样开始信号，硬件采样驱动模块向各路高速AD芯片提供复位同步信号，以完成硬件采样驱动模块与各路高速AD芯片的数据同步；各路高速AD芯片在规定的采样时段内对宽带天线接收的来波信号进行模数转换并将采样结果传给硬件采样驱动模块，硬件采样驱动模块对各路采样结果进行汇总打包并上传至上位机；最后上位机对采样结果的数据文件进行基于FFT(快速傅里叶变换)的测频算法处理和基于干涉仪测向的测向算法处理，得到来波信号的频率和方向角信息。
进一步地，一种超宽带来波信号测频测向接收机的工作过程，具体步骤如下：
步骤一、初始时，所有天线通道、硬件采样驱动模块处于关闭状态，上位机输出结果为零；
步骤二、接收机上电，硬件采样驱动模块向各路天线通道内的高速AD芯片发送参考时钟REF_CLK，并等待各路高速AD芯片的PLL配置完成且锁定；
步骤三、上位机向硬件采样驱动模块发起采样开始信号；
步骤四、硬件采样驱动模块向各路天线通道内的高速AD芯片发送同步复位信号Sync，实现天线通道间数据采集和同步处理；
步骤五、各天线通道内的高速AD芯片向硬件采样驱动模块提供采样时段内的来波信号模数转换结果；
步骤六、硬件采样驱动模块将各路高速AD芯片的模数转换结果与同一PRBS码对齐，完成数据同步，并将各路模数转换结果进行汇总，一并打包成上位机所对应的格式文件，作为当前采样数据文件保存至上位机；
步骤七、在上位机上对采样数据文件进行拆解，并依据FFT原理依次求出各通道采样到的来波信号频率以及采样时刻当前通道的绝对相位，然后将各通道求出的频率均值作为测得的来波信号频率；
步骤八、依据各通道绝对相位，在上位机上求得当前采样时刻各基线对应的模糊相位差；
步骤九、采用相位差解模糊方法，在上位机上对各基线模糊相位差进行解模糊处理，最终得到各基线对应的真实相位差；
步骤十，依据干涉仪测向原理，在上位机上求出当前来波信号的方位角。
超宽带来波信号测频测向接收机中，由于采用了多个天线及高速AD芯片对来波信号进行解算，宽带接收机中高速AD芯片的采样率取决于来波信号的最高频率，因此对高速的AD芯片采样率有更高要求。这种方式较于传统的宽带接收机的测试方法，不需要对本振对来波信号进行下变频及滤波，既节省了成本，又降低了接收回路的功耗，使得本方案的适用性大大提高。另外，相比于传统宽带接收机，得益于天线的高增益及高速AD的高采样率，本发明可以有效减小测频侧向的误差，从而可以更加准确的对来波信号进行分析。
附图说明
图1为本发明的超宽带来波信号测频测向接收机实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1所示，本发明的一种超宽带来波信号测频测向接收机，包括四个天线通道、硬件采样驱动模块以及解算上位机；每根天线通道包括一根宽带天线(1～18GHz)和一块高速AD芯片(AAD01S040G)；硬件采样驱动模块基于FPGA实现，用于给各路高速AD芯片提供采样参考时钟、对各路高速AD芯片进行同步处理、控制天线通道采样时段和将各路高速AD芯片处理结果打包传给上位机。
上电后，硬件采样驱动模块向各路天线通道内的高速AD芯片提供采样参考时钟以完成各路高速AD芯片的时钟同步，当上位机向硬件采样驱动模块发起采样开始信号，硬件采样驱动模块向各路高速AD芯片提供复位同步信号，以完成硬件采样驱动模块与各路高速AD芯片的数据同步，各路高速AD芯片在规定的采样时段内对天线接收的来波信号进行模数转换并传给硬件采样驱动模块，硬件采样驱动模块对各路结果进行汇总打包并上传至上位机，最后在上位机上对采样数据文件进行基于FFT的测频算法处理和基于干涉仪测向的测向算法处理，得到来波信号的频率和方向角信息。
进一步地，一种超宽带来波信号测频测向接收机的工作过程，具体步骤如下：
步骤一、初始时，所有天线通道、硬件采样驱动模块处于关闭状态，上位机输出结果为零；
步骤二、接收机上电，硬件采样驱动模块向各路天线通道内的高速AD芯片发送参考时钟REF_CLK，并等待各路高速AD芯片的PLL配置完成且锁定；
步骤三、上位机向硬件采样驱动模块发起采样开始信号；
步骤四、硬件采样驱动模块向各路天线通道内的高速AD芯片发送同步复位信号Sync，实现天线通道间数据采集和同步处理；
步骤五、各天线通道内的高速AD芯片向硬件采样驱动模块提供采样时段内的来波信号模数转换结果；
步骤六、硬件采样驱动模块将各路高速AD芯片的模数转换结果与同一PRBS码对齐，完成数据同步，并将各路模数转换结果进行汇总，一并打包成上位机所对应的格式文件，作为当前采样数据文件保存至上位机；
步骤七、在上位机上对采样数据文件进行拆解，并依据FFT原理依次求出各通道采样到的来波信号频率以及采样时刻当前通道的绝对相位，然后将各通道求出的频率均值作为测得的来波信号频率；
步骤八、依据各通道绝对相位，在上位机上求得当前采样时刻各基线对应的模糊相位差；
步骤九、采用相位差解模糊方法，在上位机上对各基线模糊相位差进行解模糊处理，最终得到各基线对应的真实相位差；
步骤十，依据干涉仪测向原理，在上位机上求出当前来波信号的方位角。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所作的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种超宽带来波信号测频测向接收机，其特征在于，包括多路天线通道、硬件采样驱动模块以及解算上位机；
所述天线通道，包括宽带天线和高速AD芯片；
所述硬件采样驱动模块，基于FPGA实现，用于给各路所述高速AD芯片提供采样参考时钟、对各路高速AD芯片进行同步处理、控制天线通道采样时段和将各路高速AD芯片处理结果打包传给上位机；
上电后，所述硬件采样驱动模块向各路天线通道内的高速AD芯片提供采样参考时钟以完成各路高速AD芯片的时钟同步；当上位机向硬件采样驱动模块发起采样开始信号，硬件采样驱动模块向各路高速AD芯片提供复位同步信号，以完成硬件采样驱动模块与各路高速AD芯片的数据同步；各路高速AD芯片在规定的采样时段内对宽带天线接收的来波信号进行模数转换并将采样结果传给硬件采样驱动模块，硬件采样驱动模块对各路采样结果进行汇总打包并上传至上位机；最后上位机对采样结果的数据文件进行基于FFT的测频算法处理和基于干涉仪测向的测向算法处理，得到来波信号的频率和方向角信息。
2.如权利要求1所述的一种超宽带来波信号测频测向接收机，其特征在于，所述接收机的工作过程，具体步骤如下：
步骤一、初始时，所有天线通道、硬件采样驱动模块处于关闭状态，上位机输出结果为零；
步骤二、接收机上电，硬件采样驱动模块向各路天线通道内的高速AD芯片发送参考时钟REF_CLK，并等待各路高速AD芯片的PLL配置完成且锁定；
步骤三、上位机向硬件采样驱动模块发起采样开始信号；
步骤四、硬件采样驱动模块向各路天线通道内的高速AD芯片发送同步复位信号Sync，实现天线通道间数据采集和同步处理；
步骤五、各天线通道内的高速AD芯片向硬件采样驱动模块提供采样时段内的来波信号模数转换结果；
步骤六、硬件采样驱动模块将各路高速AD芯片的模数转换结果与同一PRBS码对齐，完成数据同步，并将各路模数转换结果进行汇总，一并打包成上位机所对应的格式文件，作为当前采样数据文件保存至上位机；
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步骤八、依据各通道绝对相位，在上位机上求得当前采样时刻各基线对应的模糊相位差；
步骤九、采用相位差解模糊方法，在上位机上对各基线模糊相位差进行解模糊处理，最终得到各基线对应的真实相位差；
步骤十，依据干涉仪测向原理，在上位机上求出当前来波信号的方位角。
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