CN116299151A - 一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备及方法 - Google Patents

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CN116299151A CN202310182759.5A CN202310182759A CN116299151A CN 116299151 A CN116299151 A CN 116299151A CN 202310182759 A CN202310182759 A CN 202310182759A CN 116299151 A CN116299151 A CN 116299151A
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Abstract

本发明公开了一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备及方法，该设备包括定向天线ANT、采集模块M1和处理控制模块M2，定向天线ANT为单阵元天线，通过射频电缆连接所述采集模块M1的输入端RX，采集模块M1的控制输入端和数据输出端分别连接所述处理控制模块M2的输出端SPI和输入端IQ。本发明采用了功率统计模块，对捕获的N帧信号的功率按频率分布进行统计，将出现概率最大的功率和频率作为无人机图传信号的功率和频率值。该设计的思想是基于无人机图传信号与指控信号、偶发干扰等在带宽和时域上的不同特性。通过该方法，可以较好抑制无人机图传信号和偶发背景噪声干扰对无人机图传信号功率的测量，从而提高测向有效性。

Description

一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备及方法
技术领域
本发明属于无线电信号监测技术领域，具体涉及一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备及方法。
背景技术
无人机是一种利用无线电遥控设备控制的、不需人驾驶的飞机，能够用于航拍测绘、物资投递、城市管理等场景。另一方面，也时有发生无人机掉落伤人、扰乱正常秩序、窥探隐私、从事违法犯罪活动等情况，因此对无人机进行测向和反制具有十分重要的现实意义。
随着通信技术的快速发展，通信带宽持续扩展、频谱资源日益紧缺、信号特征越发多样。同时空间中存在着各种各样的有意或无意干扰，综合形成了异常复杂的电磁环境。如何从复杂的电磁环境中捕获目标信号是测向的重点和难点。无人机信号由指控跳频信号和宽带图传信号构成，两者在时域和频域上都是非平稳的。正是由于其非平稳特性，用传统比幅测向设备测量无人机信号时，可能存在信号错误捕获，从而造成测向错误的情形。另外传统比幅测向设备常采用天线阵，对不同方位的信号进行测量，需要使用多通道接收机或者射频切换开关，造成体积、功耗、成本等的浪费。
基于此，针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备具有广阔的市场前景。同时针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备相关产品或专利未见公开。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的第一个目的在于提供一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备，该设备硬件构成简单、比幅测向流程易于实现、测向操作方便，能够克服偶发背景噪声干扰，抑制无人机指控信号干扰。本发明的第二个目的在于提供一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向方法，该方法能够简单准确测量无人机图传信号功率，通过转动测向设备以确定接收功率最大方位即为无人机方位。
为达到上述第一个目的，本发明采用了下列技术方案：
一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备，包括定向天线ANT、采集模块M1和处理控制模块M2，所述定向天线ANT为单阵元天线，通过射频电缆连接所述采集模块M1的输入端RX，所述采集模块M1的控制输入端和数据输出端分别连接所述处理控制模块M2的输出端SPI和输入端IQ。
作为优选方案，所述采集模块M1包括接收通道M1a和模数转换器M1b，所述接收通道M1a为单通道射频接收机电路，所述输入端RX设置在接收通道M1a上，所述接收通道M1a的输出端IF连接所述模数转换器M1b输入端，所述模数转换器M1b的输出端产生同相和正交数字基带信号连接处理控制模块M2输入端I和Q。
本发明采用单阵元定向天线作为信号接收天线，配备单通道接收机即可完成信号接收，而信号处理和逻辑控制等功能模块都是在PL可编程逻辑和PS处理系统中实现，不需要传统比幅测向系统中的天线阵列、多通道接收机或者射频开关等部件，极大地简化了测向设备的硬件构成。
作为优选方案，所述处理控制模块M2包括FFT模块M2a、RAM控制器模块M2b、控制模块M2c、AXI交叉互连模块M2d、AXI驱动模块M2e、功率获取模块M2f、功率统计模块M2g、测向控制模块M2h、SPI驱动模块M2i和结果指示模块M2j，所述控制模块M2c根据单帧FFT完成指示信号Eop和AXI总线控制信号产生FFTEn和TTL信号，分别连接所述FFT模块M2a的复位输入端和所述结果指示模块M2j的TTL输入端，所述AXI驱动模块M2e通过AXI总线连接所述AXI交叉互连模块M2d的主机端口，所述AXI交叉互连模块M2d的两个从机端口分别连接所述RAM控制器M2b和所述控制模块M2c，所述RAM控制器M2b的时钟端口、使能端口、地址端口和数据端口分别连接所述FFT模块M2a对应端口，所述测向控制模块M2h的频率步进输出端口、采样次数输出端口和控制信号输出端口分别连接所述功率统计模块M2g、功率获取模块M2f和AXI驱动模块M2e的对应输入端口，当前功率输入端口和当前频率序号输入端口连接所述功率统计模块M2g对应输出端口，所述功率统计模块M2g瞬时功率输入端口和瞬时频率序号输入端口连接所述功率获取模块M2f对应输出端口，所述功率获取模块M2f的数据输入端口和数据输出端口连接所述AXI驱动模块M2e，所述SPI驱动模块M2i输出端口连接采集模块M1控制输入端口。
作为优选方案，所述FFT模块M2a包括FFT核M2a1和RAM模块M2a2，所述FFT核M2a1的功率谱密度输出端口、数据有效指示输出端口、频率序号输出端口、单帧FFT完成指示输出端口连接所述RAM模块M2a2对应端口。
作为优选方案，所述采集模块M1用于射频信号到中频信号的调理和模拟信号到数字信号的转换，所述接收通道M1a用于射频信号调理并变频为中频信号，所述模数转换器M1b用于模拟信号到同相正交数字基带信号IQ的转换。
作为优选方案，所述处理控制模块M2用于实现信号数字域比幅测向功能，所述FFT模块M2a对同相和正交数字基带信号IQ做快速傅里叶变换，获得信号各频率分量的功率谱密度和频率序号，并存储，所述RAM控制器M2b实现读RAM功能，所述AXI交叉互连模块M2d实现所述RAM控制器M2b、所述控制模块M2c和所述AXI驱动模块M2e之间的通信，所述控制模块M2c实现测向过程中相关模块的控制功能，所述AXI驱动模块M2e实现对挂载在AXI总线上设备的操作，所述功率获取模块M2f实现信号功率谱密度累加并求得信号瞬时功率和对应瞬时频率序号，所述功率统计模块M2g实现N组信号瞬时功率和瞬时频率数据的分布统计，求得信号当前功率和当前频率序号，所述测向控制模块M2h实现信号最大功率获取、测向结果判定和显示控制功能，所述结果指示模块M2j实现测向结果的指示，所述SPI驱动模块M2i实现SPI接口，配置采集模块M1。
本发明设计了功率获取模块M2f、功率统计模块M2g和测向控制模块M2h对功率谱密度进行处理，以准确获得无人机图传信号功率和频率。特别地，创造性的采用了功率统计模块M2g，对捕获的N帧信号的功率按频率分布进行统计，将出现概率最大的功率和频率作为无人机图传信号的功率和频率值。该设计的思想是基于无人机图传信号与指控信号、偶发干扰等在带宽和时域上的不同特性。通过该方法，可以较好抑制无人机图传信号和偶发背景噪声干扰对无人机图传信号功率的测量，从而提高测向有效性。
为达到上述第二个目的，本发明采用了下列技术方案：
一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向方法，包括如权利要求1-6任一所述的一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备，具体步骤如下：
1)、重置参数，配置采集模块M1，设定其工作频率和工作带宽；
2)、FFT模块M2a对输入同相数字基带信号I和正交数字基带信号Q做快速傅里叶变换，并保存各频率分量的功率谱密度值；
3)、功率获取模块M2f读取FFT模块M2a生成并保存的单帧功率谱密度，而后按无人机图传信号带宽对功率谱密度做滑动累加，求得图传信号瞬时功率和瞬时中心频率；
4)、再重复N-1次步骤2和步骤3，获得N-1组瞬时功率和瞬时频率参数；
5)、对总共获得的N组瞬时功率和瞬时频率参数，按频率做概率分布统计，取概率最大处瞬时功率和瞬时频率为无人机图传信号当前功率和当前频率；
6)、比较当前功率和最大功率，当当前功率大于最大功率时，更新最大功率为当前功率，否则保持最大功率不变；当最大功率与当前功率的差值小于Pth时，测向指示灯点亮，否则熄灭，其中Pth为设定的功率差值门限；
7)、重复步骤2～6对目标持续测向，同时沿固定方向转动定向天线ANT，当转动到θ1时指示灯熄灭，此时往反方向转动定向天线ANT，指示灯重新点亮，直至转动到θ2时指示灯再次熄灭，取方位角(θ1+θ2)/2为测向结果。
作为优选方案，在完成测向过程中，要求所述一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备按要求转动，从而使定向天线ANT也相应转动使其与目标相互接近、相互远离或完全对准。
作为优选方案，测向过程中要求对N次瞬时功率和瞬时频率按频率进行概率分布统计，以确定测量到信号中出现概率最大的信号功率和频率。
作为优选方案，根据测向精度要求，Pth参数是可设置的，Pth较小时，测向精度较高，但稳定性变差，反之则相反。
本发明在采用单天线、单通道的前提下，通过转动测向设备，即可快速、简便的测得目标无人机的方位角，操作方便，使用范围广泛。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明采用单阵元定向天线作为信号接收天线，配备单通道接收机即可完成信号接收，不需要传统比幅测向系统中的天线阵列、多通道接收机或者射频开关等部件，极大地简化了测向设备的硬件构成；
2.本发明创造性的采用了功率统计模块，对捕获的N帧信号的功率按频率分布进行统计，将出现概率最大的功率和频率作为无人机图传信号的功率和频率值。该设计的思想是基于无人机图传信号与指控信号、偶发干扰等在带宽和时域上的不同特性。通过该方法，可以较好抑制无人机图传信号和偶发背景噪声干扰对无人机图传信号功率的测量，从而提高测向有效性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备的结构示意图；
图2为本发明一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1
如图1所示，本实施例一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备，包括定向天线ANT、采集模块M1和处理控制模块M2，所述定向天线ANT为单阵元天线，通过射频电缆连接所述采集模块M1的输入端RX，所述采集模块M1的控制输入端和数据输出端分别连接所述处理控制模块M2的输出端SPI和输入端IQ。采集模块M1包括接收通道M1a和模数转换器M1b，所述接收通道M1a为单通道射频接收机电路，其输入端，即采集模块M1输入端RX连接定向天线ANT，输出端IF连接所述模数转换器M1b输入端，输出端产生同相和正交数字基带信号连接处理控制模块M2输入端I和Q。
本实施例采用单阵元定向天线作为信号接收天线，配备单通道接收机即可完成信号接收，而信号处理和逻辑控制等功能模块都是在PL可编程逻辑和PS处理系统中实现，不需要传统比幅测向系统中的天线阵列、多通道接收机或者射频开关等部件，极大地简化了测向设备的硬件构成。
本实施例处理控制模块M2包括FFT模块M2a、RAM控制器模块M2b、控制模块M2c、AXI交叉互连模块M2d、AXI驱动模块M2e、功率获取模块M2f、功率统计模块M2g、测向控制模块M2h、SPI驱动模块M2i和结果指示模块M2j，所述控制模块M2c根据单帧FFT完成指示信号Eop和AXI总线控制信号产生FFTEn和TTL信号，分别连接所述FFT模块M2a的复位输入端和所述结果指示模块M2j的TTL输入端，所述AXI驱动模块M2e通过AXI总线连接所述AXI交叉互连模块M2d的主机端口，所述AXI交叉互连模块M2d的两个从机端口分别连接所述RAM控制器M2b和所述控制模块M2c，所述RAM控制器M2b的时钟(Clk)、使能(En)、地址(Addr)和数据(Data)端口连接所述FFT模块M2a对应端口，所述测向控制模块M2h的频率步进(S)输出端口、采样次数(N)输出端口和控制信号(Ctrl)输出端口分别连接所述功率统计模块M2g、功率获取模块M2f和AXI驱动模块M2e的对应输入端口，当前功率(Powc)输入端口和当前频率序号(Idxc)输入端口连接所述功率统计模块M2g对应输出端口，所述功率统计模块M2g瞬时功率(Powi)输入端口和瞬时频率序号(Idxi)输入端口连接所述功率获取模块M2f对应输出端口，所述功率获取模块M2f的数据输入端口(RData)和数据输出端口(Wdata)连接所述AXI驱动模块M2e，所述SPI驱动模块M2i输出端口连接采集模块M1控制输入端口。
本实施例FFT模块M2a包括FFT核M2a1和RAM模块M2a2，所述FFT核M2a1的功率谱密度(Psd)输出端口、数据有效指示(Vld)输出端口、频率序号(Idx)输出端口、单帧FFT完成指示(Eop)输出端口连接所述RAM模块M2a2对应端口。
本实施例采集模块M1实现射频信号到中频信号的调理和模拟信号到数字信号的转换，所述接收通道M1a实现射频信号调理并变频为中频信号(IF)，所述模数转换器M1b实现模拟信号到同相正交数字基带信号IQ的转换。
本实施例处理控制模块M2实现信号数字域比幅测向功能，所述FFT模块M2a对同相和正交数字基带信号IQ做快速傅里叶变换，获得信号各频率分量的功率谱密度和频率序号，并存储，所述RAM控制器M2b实现读RAM功能，所述AXI交叉互连模块M2d实现所述RAM控制器M2b、所述控制模块M2c和所述AXI驱动模块M2e之间的通信，所述控制模块M2c实现测向过程中相关模块的控制功能，所述AXI驱动模块M2e实现对挂载在AXI总线上设备的操作，所述功率获取模块M2f实现信号功率谱密度累加并求得信号瞬时功率和对应瞬时频率序号，另有可设置的N参数，所述功率统计模块M2g实现N组信号瞬时功率和瞬时频率数据的分布统计，求得信号当前功率和当前频率序号，另有可设置的S参数，所述测向控制模块M2h实现信号最大功率获取、测向结果判定和显示控制功能，所述结果指示模块M2j实现测向结果的指示，所述SPI驱动模块M2i实现SPI接口，配置采集模块M1。
本实施例设计了功率获取模块M2f、功率统计模块M2g和测向控制模块M2h对功率谱密度进行处理，以准确获得无人机图传信号功率和频率。特别地，创造性的采用了功率统计模块M2g，对捕获的N帧信号的功率按频率分布进行统计，将出现概率最大的功率和频率作为无人机图传信号的功率和频率值。该设计的思想是基于无人机图传信号与指控信号、偶发干扰等在带宽和时域上的不同特性。通过该方法，可以较好抑制无人机图传信号和偶发背景噪声干扰对无人机图传信号功率的测量，从而提高测向有效性。
实施例2
如图2所示，本实施例提供了一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向方法，包括实施例1所述的一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备，具体步骤为：
1.重置参数，配置采集模块M1，设定其工作频率和工作带宽；2.FFT模块M2a对输入同相数字基带信号I和正交数字基带信号Q做快速傅里叶变换，并保存各频率分量的功率谱密度值；3.功率获取模块M2f读取FFT模块M2a生成并保存的单帧功率谱密度，而后按无人机图传信号带宽对功率谱密度做滑动累加，求得图传信号瞬时功率和瞬时中心频率；4.再重复N-1次步骤2和3，获得N-1组瞬时功率和瞬时频率参数；5.对总共获得的N组瞬时功率和瞬时频率参数，按频率做概率分布统计，取概率最大处瞬时功率和瞬时频率为无人机图传信号当前功率和当前频率；6.比较当前功率和最大功率，当当前功率大于最大功率时，更新最大功率为当前功率，否则保持最大功率不变；当最大功率与当前功率的差值小于Pth时，测向指示灯点亮，否则熄灭，其中Pth为设定的功率差值门限；7.重复步骤2～6对目标持续测向，同时沿固定方向转动定向天线ANT，当转动到θ1时指示灯熄灭，此时往反方向转动定向天线ANT，指示灯重新点亮，直至转动到θ2时指示灯再次熄灭，取方位角(θ1+θ2)/2为测向结果。
本实施例要求所述一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备按要求转动，从而使定向天线ANT也相应转动使其与目标相互接近、相互远离或完全对准。
本实施例根据测向精度要求，Pth参数是可设置的，Pth较小时，测向精度较高，但稳定性变差，反之则相反。
本实施例在采用单天线、单通道的前提下，通过转动测向设备，即可快速、简便的测得目标无人机的方位角，操作方便，使用范围广泛。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备，其特征在于，包括定向天线ANT、采集模块M1和处理控制模块M2，所述定向天线ANT为单阵元天线，通过射频电缆连接所述采集模块M1的输入端RX，所述采集模块M1的控制输入端和数据输出端分别连接所述处理控制模块M2的输出端SPI和输入端IQ。
2.根据权利要求1所述的一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备，其特征在于，所述采集模块M1包括接收通道M1a和模数转换器M1b，所述接收通道M1a为单通道射频接收机电路，所述输入端RX设置在接收通道M1a上，所述接收通道M1a的输出端IF连接所述模数转换器M1b输入端，所述模数转换器M1b的输出端产生同相和正交数字基带信号连接处理控制模块M2输入端I和Q。
3.根据权利要求1所述的一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备，其特征在于，所述处理控制模块M2包括FFT模块M2a、RAM控制器模块M2b、控制模块M2c、AXI交叉互连模块M2d、AXI驱动模块M2e、功率获取模块M2f、功率统计模块M2g、测向控制模块M2h、SPI驱动模块M2i和结果指示模块M2j，所述控制模块M2c根据单帧FFT完成指示信号Eop和AXI总线控制信号产生FFTEn和TTL信号，分别连接所述FFT模块M2a的复位输入端和所述结果指示模块M2j的TTL输入端，所述AXI驱动模块M2e通过AXI总线连接所述AXI交叉互连模块M2d的主机端口，所述AXI交叉互连模块M2d的两个从机端口分别连接所述RAM控制器M2b和所述控制模块M2c，所述RAM控制器M2b的时钟端口、使能端口、地址端口和数据端口分别连接所述FFT模块M2a对应端口，所述测向控制模块M2h的频率步进输出端口、采样次数输出端口和控制信号输出端口分别连接所述功率统计模块M2g、功率获取模块M2f和AXI驱动模块M2e的对应输入端口，当前功率输入端口和当前频率序号输入端口连接所述功率统计模块M2g对应输出端口，所述功率统计模块M2g瞬时功率输入端口和瞬时频率序号输入端口连接所述功率获取模块M2f对应输出端口，所述功率获取模块M2f的数据输入端口和数据输出端口连接所述AXI驱动模块M2e，所述SPI驱动模块M2i输出端口连接采集模块M1控制输入端口。
4.根据权利要求3所述的一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备，其特征在于，所述FFT模块M2a包括FFT核M2a1和RAM模块M2a2，所述FFT核M2a1的功率谱密度输出端口、数据有效指示输出端口、频率序号输出端口、单帧FFT完成指示输出端口连接所述RAM模块M2a2对应端口。
5.根据权利要求1所述的一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备，其特征在于，所述采集模块M1用于射频信号到中频信号的调理和模拟信号到数字信号的转换，所述接收通道M1a用于射频信号调理并变频为中频信号，所述模数转换器M1b用于模拟信号到同相正交数字基带信号IQ的转换。
6.根据权利要求1所述的一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备，其特征在于，所述处理控制模块M2用于实现信号数字域比幅测向功能，所述FFT模块M2a对同相和正交数字基带信号IQ做快速傅里叶变换，获得信号各频率分量的功率谱密度和频率序号，并存储，所述RAM控制器M2b实现读RAM功能，所述AXI交叉互连模块M2d实现所述RAM控制器M2b、所述控制模块M2c和所述AXI驱动模块M2e之间的通信，所述控制模块M2c实现测向过程中相关模块的控制功能，所述AXI驱动模块M2e实现对挂载在AXI总线上设备的操作，所述功率获取模块M2f实现信号功率谱密度累加并求得信号瞬时功率和对应瞬时频率序号，所述功率统计模块M2g实现N组信号瞬时功率和瞬时频率数据的分布统计，求得信号当前功率和当前频率序号，所述测向控制模块M2h实现信号最大功率获取、测向结果判定和显示控制功能，所述结果指示模块M2j实现测向结果的指示，所述SPI驱动模块M2i实现SPI接口，配置采集模块M1。
7.一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向方法，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备，具体步骤如下：
1)、重置参数，配置采集模块M1，设定其工作频率和工作带宽；
2)、FFT模块M2a对输入同相数字基带信号I和正交数字基带信号Q做快速傅里叶变换，并保存各频率分量的功率谱密度值；
3)、功率获取模块M2f读取FFT模块M2a生成并保存的单帧功率谱密度，而后按无人机图传信号带宽对功率谱密度做滑动累加，求得图传信号瞬时功率和瞬时中心频率；
4)、再重复N-1次步骤2和步骤3，获得N-1组瞬时功率和瞬时频率参数；
5)、对总共获得的N组瞬时功率和瞬时频率参数，按频率做概率分布统计，取概率最大处瞬时功率和瞬时频率为无人机图传信号当前功率和当前频率；
6)、比较当前功率和最大功率，当当前功率大于最大功率时，更新最大功率为当前功率，否则保持最大功率不变；当最大功率与当前功率的差值小于Pth时，测向指示灯点亮，否则熄灭，其中Pth为设定的功率差值门限；
7)、重复步骤2～6对目标持续测向，同时沿固定方向转动定向天线ANT，当转动到θ1时指示灯熄灭，此时往反方向转动定向天线ANT，指示灯重新点亮，直至转动到θ2时指示灯再次熄灭，取方位角(θ1+θ2)/2为测向结果。
8.根据权利要求7所述的一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向方法，其特征在于，在完成测向过程中，要求所述一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向设备按要求转动，从而使定向天线ANT也相应转动使其与目标相互接近、相互远离或完全对准。
9.根据权利要求7所述的一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向方法，其特征在于，测向过程中要求对N次瞬时功率和瞬时频率按频率进行概率分布统计，以确定测量到信号中出现概率最大的信号功率和频率。
10.根据权利要求7所述的一种针对静止或低慢速无人机的比幅测向方法，其特征在于，Pth参数是可设置的。
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