CN116381597A - 一种宽带单通道测向系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带单通道测向系统及实现方法，解决现有单通道测向技术在电子侦察设备中无法实现宽带、高概率、高精度、实时测向的需求。所述包括N个天线、N个电光转换单元，光波分复用器、前级光纤延迟线、光开关、光时域处理单元、光电探测器和信号处理单元，其中一个天线连接有功分器，功分器连接有宽带接收机。本发明通过将多个天线接收的射频信号调制到光波上，在宽带接收引导下处理多个调幅光信号，再由光电探测得到串行输出的多个射频脉冲信号，最后检测处理多个射频脉冲信号，完成入射信号的测向。本发明能够在大瞬时频率范围中实现对射频信号的有效截获和精确测向，在性能水平、实现架构等方面具有明显的优势。
Description
技术领域
本发明属于射频信号处理技术领域，具体涉及一种宽带单通道测向系统及实现方法。
背景技术
电子侦察设备必须通过接收和处理来自空间的射频信号实现对辐射源特性的分析和识别，从而获得精确的电磁频谱态势。由于雷达等辐射源为非配合对象，其频率、幅度、相位、脉冲宽度、重复周期等信号参数在宽瞬时频率范围中具有更加灵活的变化能力，对电子侦察设备的信号处理带来了很大的挑战。
在复杂电磁环境中，为了有效分选和识别辐射源，除了以上基本的信号参数外，信号方向也是非常重要的参数。对于传统的测向系统，多通道接收机通过比较和计算天线阵列接收的辐射源信号的幅度或相位，可以获得信号方向。由于受到高速模拟数字转换器和数字处理器的能力限制，目前单个测向通道的最大瞬时处理带宽不超过1GHz。为了实现更大瞬时频率范围（如2~18GHz）的工作能力，只能采用多个处理单元并行拼接来扩展单个测向通道的瞬时工作带宽，这时测向系统的复杂度、体积、重量、功耗、成本等相当高。当测向系统需要采用多个天线实时接收信号时，这种拼接式宽带测向方法在工程上根本无法应用。
基于多天线单通道测向技术已经在无线电监测领域被提出及应用，采用响应时间为几十纳秒的高速射频开关对多个天线按一定的周期时序在不同时间点进行切换，得到一路在时域上串行输出的合成信号，通过一个接收通道对合成信号进行处理，也能得到信号方向。无线电监测设备的瞬时带宽小（典型为60MHz）、信号持续时间长（几百微秒到几毫秒），因此对多个天线轮询切换不会造成信号丢失。由于电子侦察设备的接收对象是雷达信号，其具有频率分布未知、单个脉冲信号持续时间短、脉冲信号参数多变等特点，已有的单通道测向技术在电子侦察设备中无法实现宽带、高概率、高精度、实时测向的需求，严重影响对目标的准确截获和识别。
因此，本发明提供了一种宽带单通道测向系统及实现方法，以至少解决上述部分技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种宽带单通道测向系统及实现方法，以至少解决上述部分技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种宽带单通道测向系统，包括分别用于N个射频信号接收的N个天线、与N个天线一对一连接的N个电光转换单元、与N个电光转换单元连接的光波分复用器、与光波分复用器连接的前级光纤延迟线、与前级光纤延迟线连接的光开关、与光开关连接的光时域处理单元、与光时域处理单元连接的光电探测器、以及与光电探测器连接的信号处理单元，其中一个天线连接有功分器，功分器一个输出端连接电光转换单元、另一个输出端连接有宽带接收机，宽带接收机分别与光开关和信号处理单元连接。
进一步地，电光转换单元包括激光器、以及与激光器连接的光调制器，光调制器包括有射频信号输入端，射频信号输入端与天线连接。
进一步地，其特征在于，N个电光转换单元的N个激光器的波长不同。
进一步地，光时域处理单元包括光环形器，光环形器连接有串联的N级光纤光栅，每级光纤光栅连接有一个光纤延迟线。
进一步地，信号处理单元包括与光电探测器连接的射频前端、与射频前端连接的模拟数字转换器、以及和模拟数字转换器连接的数字信号处理器，宽带接收机分别与射频前端、模拟数字转换器和数字信号处理器连接。
一种宽带单通道测向系统的实现方法，包括以下步骤：
步骤S1、N个射频信号由N个天线一对一接收；
步骤S2、其中一个天线接收的射频信号经功分器均分为第一路和第二路：其中第一路与其他N-1个接收的射频信号一对一输入N个电光转换单元，得到N个不同波长的调幅光信号；第二路则输入宽带接收机进行处理，得到包含该射频信号基本参数的引导信息，引导信息分别输入光开关和信号处理单元；
步骤S3、N个不同波长的调幅光信号输入光波分复用器，叠加为一路合成光信号；
步骤S4、一路合成光信号经前级光纤延迟线延迟后输入光开关，在输入光开关的引导信息引导下，控制光开关闭合及断开，得到包含N个不同波长分量光脉冲的斩波光脉冲；
步骤S5、斩波光脉冲输入光时域处理单元，每个波长的分量光脉冲经过不同的延时和反射后，得到串行输出的N个不同波长的处理光脉冲；
步骤S6、N个处理光脉冲依次输入光电探测器，得到N个射频脉冲信号；
步骤S7、N个射频脉冲信号依次输入信号处理单元，在输入信号处理单元的引导信息引导下，得到N个射频脉冲信号的相位，基于N个射频脉冲信号的相位、以及N个天线之间的已知距离，计算出入射信号的方向。
进一步地，在所述步骤S2中，天线接收的射频信号进入对应电光转换单元的光调制器中，在对应激光器产生的激光作用下，转化为对应波长的调幅光信号。
进一步地，所述引导信息包括地址码1、时间码1、地址码2、时间码2和频率码，地址码1对应光开关，时间码1用于触发光开关的闭合及断开，地址码2对应信号处理单元，时间码2和频率码用于引导信号处理单元的频率变换、信号采样和频谱计算。
进一步地，在所述步骤S7中，N个射频脉冲信号依次输入射频前端，根据引导信息将射频脉冲信号依次搬移到固定的中频频段，输出满足功率要求的中频信号；中频信号输入模拟数字转换器，根据引导信息在合适的时间段采样，得到数字信号；数字信号输入数字信号处理器，基于引导信息对数字信号的实时频谱进行分析，得到射频脉冲信号的相位；利用N个射频脉冲信号的相位、以及N个天线之间的已知距离，计算出入射信号的方向。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出了一种宽带单通道测向系统及实现方法，通过将多个天线接收的射频信号调制到光波上，在宽带接收引导下采用光学技术对多个调幅光信号进行处理，再由光电探测得到串行输出的多个射频脉冲信号，最后通过对多个射频脉冲信号的实时检测处理，完成入射信号的测向。本发明能够在大瞬时频率范围中实现对射频信号的有效截获和精确测向，在性能水平、实现架构等方面具有明显的优势，对于电子侦察设备中宽带信号的方向测量具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明系统结构框图。
图2为本发明电光转换单元结构框图。
图3为本发明引导信息组成框图。
图4为本发明光时域处理单元结构框图。
图5为本发明处理光脉冲输出示意图。
图6为本发明射频脉冲信号输出示意图。
图7为本发明信号处理单元结构框图。
图8为本发明处理采集数据序列示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供的一种宽带单通道测向系统，包括N个天线、N个电光转换单元，光波分复用器、前级光纤延迟线、光开关、光时域处理单元、光电探测器和信号处理单元。其中一个天线与电光转换单元之间连接有功分器，功分器连接有宽带接收机。
首先，各电光转换单元将对应天线接收的射频信号进行光波调制，得到不同波长的调幅光信号。如图2所示，电光转换单元包括激光器、以及与激光器连接的光调制器，光调制器包括有用于接收射频信号的射频信号输入端，射频信号输入端与对应天线连接。光波调制具体为：激光器n发出的激光n输入光调制器n，天线n接收的射频信号n也输入至光调制器n，然后经激光n调制得到调幅光信号n。对于第n个电光转换单元，激光器n的波长为
，n=1,2,3,…,N，如此射频信号n经对应激光器n调制为波长为/>
的调幅光信号n。
特别地，其中一个天线接收的射频信号经功分器均分为第一路和第二路：第一路与其他N-1个接收的射频信号一对一输入N个电光转换单元，得到N个不同波长的调幅光信号；第二路则输入宽带接收机进行处理，得到包含该射频信号基本参数的引导信息，引导信息分别输入光开关和信号处理单元。宽带接收机采用数字瞬时测频或多通道数字信道化技术实现，可以根据需求在大瞬时频率范围如2~18GHz中工作，对输入射频信号进行接收和处理，以快速、低精度获得其基本参数，如到达时间、频率等。如图3所示，引导信息包括地址码1、时间码1、地址码2、时间码2和频率码，其中地址码1对应光开关，时间码1用于触发光开关的闭合及断开，地址码2对应信号处理单元，时间码2和频率码用于引导信号处理单元的频率变换、信号采样和频谱计算。
然后，N个不同波长的调幅光信号输入光波分复用器，叠加为一路合成光信号。光波分复用器各通道的波长与对应输入的调幅光信号的波长相同。
接着，一路合成光信号输入光开关进行合并斩波，为了保证系统对输入射频信号不丢失，前级光纤延迟线将合成光信号延迟一段时间，以补偿宽带快速测量、引导信息生成、光开关切换、频率变换等需要的时间，完成匹配接收功能。光开关接收引导信息，实时解析信息编码并进行响应，然后按照确定的时序对合成光信号进行高速闭合及断开，从而在光波域能够实现对多个射频信号同时斩波得到斩波光脉冲，斩波光脉冲包含不同波长且同一脉冲宽度的N个分量光脉冲。作为优选，光开关的切换时间为纳秒量级；脉冲宽度PW为确定时间PW，PW通常为200~300纳秒。
而后，斩波光脉冲再经过光时域处理单元，得到串行输出的N个处理光脉冲，N个处理光脉冲形成处理光脉冲序列。如图4所示，光时域处理单元包括光环形器，光环形器连接有串联的N级光纤光栅，每级光纤光栅连接有一个光纤延迟线。N个分量光脉冲进入光环形器，经过不同的光延迟线和光纤光栅反射后，再经过光环形器输出，得到N个串行输出的处理光脉冲，N个串行输出的处理光脉冲为N个时间完全相互错开的处理光脉冲，每个处理光脉冲的脉冲宽度均为PW。
对于第n个波长为
（n=1,2,3,…,N）的分量光脉冲，先经过光延迟线1、光纤光栅1、光延迟线2、光纤光栅2、…、光延迟线n、光纤光栅n后，在光纤光栅n处被反射，然后再经过光延迟线n、光纤光栅n-1、光延迟线n-1、…、光纤光栅2、光延迟线2、光纤光栅1、光延迟线1，最后通过光环形器输出为波长/>
的处理光脉冲。其中，光纤光栅n的反射波长/>
与输入分量光脉冲n的波长/>
相等，光延迟线n的延迟时间为/>
（n=1,2,3,…,N），图5为N个处理光脉冲的输出示意图。
经光时域处理单元处理后，得到的第n个波长为ln的处理光脉冲的延迟时间为：
为了保证相邻波长的处理光脉冲没有时间重叠，需要满足以下条件：
之后，包含N个处理光脉冲的处理光脉冲序列输入光电探测器，得到包含N个射频脉冲信号的射频脉冲信号序列，N个射频脉冲信号在时间上完全相互错开，每个射频脉冲信号的脉冲宽度均为PW。第n个射频脉冲信号对应天线n；第n个射频脉冲信号与第n-1个射频脉冲信号的时间间隔为
（n=2,3,…,N）。图6为N个射频脉冲信号的输出示意图。
最后，包含N个射频脉冲信号的射频脉冲信号序列输入信号处理单元，在引导信息引导下，信号处理单元得到N个射频脉冲信号的相位。如图7所示，信号处理单元包括与光电探测器连接的射频前端、与射频前端连接的模拟数字转换器、以及和模拟数字转换器连接的数字信号处理器，宽带接收机分别与射频前端、模拟数字转换器和数字信号处理器连接。
处理光脉冲序列输入射频前端，信号处理单元接收引导信息，实时解析信息编码并进行响应；射频前端根据引导信息，将射频脉冲信号搬移到固定的中频频段，输出满足功率要求的中频信号，中频信号的工作带宽与信号处理单元的瞬时带宽匹配，瞬时带宽通常设置为1GHz；中频信号输入模拟数字转换器，根据引导信息在合适的时间段采样，得到高精度的数字信号；数字信号再进入数字信号处理器，采用数字信道化或短时快速傅立叶变换完成对数字信号的实时频谱分析，得到N个射频脉冲信号的频率及相位参数，N个射频脉冲信号的相位分别为
；利用N个射频脉冲信号的相位、以及N个天线之间的已知距离，采用干涉仪相位比较方法计算出入射信号的方向，最后测量结果由数字信号处理器输出。干涉仪相位比较方法为常用方法，故不作赘述。
其中，模拟数字转换器采样得到的数字信号包含M个数据，针对N个射频脉冲信号，M个数据中划分出N个离散的数据子集，如图8所示。数据子集1对应第1个射频脉冲信号，数据子集1包含从第m1个到第m1+N0个数据；数据子集2对应第2个射频脉冲信号，数据子集2包含从第m2个到第m2+N0个数据；以此类推，数据子集N对应第N个射频脉冲信号，数据子集N包含从第mN个到第mN+N0个数据。每个数据子集的数据长度相等，均为N0个数据，N0优选为256或512。数字信号处理器对N个数据子集中的N0个数据连续处理，就可以实现对入射信号的测向功能。所述连续处理方法为上述的数字信道化或短时快速傅立叶变换。
本发明提出的方法显著拓展了现有电子侦察设备的技术途径和能力，具有瞬时带宽大、截获概率高、测量精度高、适应能力强、实现架构简便、体积小、重量轻等优点，对于宽带信号的高概率截获和精确测向具有重要的应用价值。
最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种宽带单通道测向系统，其特征在于，包括分别用于N个射频信号接收的N个天线、与N个天线一对一连接的N个电光转换单元、与N个电光转换单元连接的光波分复用器、与光波分复用器连接的前级光纤延迟线、与前级光纤延迟线连接的光开关、与光开关连接的光时域处理单元、与光时域处理单元连接的光电探测器、以及与光电探测器连接的信号处理单元，其中一个天线连接有功分器，功分器一个输出端连接电光转换单元、另一个输出端连接有宽带接收机，宽带接收机分别与光开关和信号处理单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽带单通道测向系统，其特征在于，电光转换单元包括激光器、以及与激光器连接的光调制器，光调制器包括有射频信号输入端，射频信号输入端与天线连接。
3.根据权利要求2所述的一种宽带单通道测向系统，其特征在于，N个电光转换单元的N个激光器的波长不同。
4.根据权利要求1所述的一种宽带单通道测向系统，其特征在于，光时域处理单元包括光环形器，光环形器连接有串联的N级光纤光栅，每级光纤光栅连接有一个光纤延迟线。
5.根据权利要求1所述的一种宽带单通道测向系统，其特征在于，信号处理单元包括与光电探测器连接的射频前端、与射频前端连接的模拟数字转换器、以及和模拟数字转换器连接的数字信号处理器，宽带接收机分别与射频前端、模拟数字转换器和数字信号处理器连接。
6.根据权利要求1-5所述的一种宽带单通道测向系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、N个射频信号由N个天线一对一接收；
步骤S2、其中一个天线接收的射频信号经功分器均分为第一路和第二路：其中第一路与其他N-1个接收的射频信号一对一输入N个电光转换单元，得到N个不同波长的调幅光信号；第二路则输入宽带接收机进行处理，得到包含该射频信号基本参数的引导信息，引导信息分别输入光开关和信号处理单元；
步骤S3、N个不同波长的调幅光信号输入光波分复用器，叠加为一路合成光信号；
步骤S4、一路合成光信号经前级光纤延迟线延迟后输入光开关，在输入光开关的引导信息引导下，控制光开关闭合及断开，得到包含N个不同波长分量光脉冲的斩波光脉冲；
步骤S5、斩波光脉冲输入光时域处理单元，每个波长的分量光脉冲经过不同的延时和反射后，得到串行输出的N个不同波长的处理光脉冲；
步骤S6、N个处理光脉冲依次输入光电探测器，得到N个射频脉冲信号；
步骤S7、N个射频脉冲信号依次输入信号处理单元，在输入信号处理单元的引导信息引导下，得到N个射频脉冲信号的相位，基于N个射频脉冲信号的相位、以及N个天线之间的已知距离，计算出入射信号的方向。
7.根据权利要求6所述的一种宽带单通道测向系统的实现方法，其特征在于，在所述步骤S2中，天线接收的射频信号进入对应电光转换单元的光调制器中，在对应激光器产生的激光作用下，转化为对应波长的调幅光信号。
8.根据权利要求6所述的一种宽带单通道测向系统的实现方法，其特征在于，所述引导信息包括地址码1、时间码1、地址码2、时间码2和频率码，地址码1对应光开关，时间码1用于触发光开关的闭合及断开，地址码2对应信号处理单元，时间码2和频率码用于引导信号处理单元的频率变换、信号采样和频谱计算。
9.根据权利要求6所述的一种宽带单通道测向系统的实现方法，其特征在于，在所述步骤S7中，N个射频脉冲信号依次输入射频前端，根据引导信息将射频脉冲信号依次搬移到固定的中频频段，输出满足功率要求的中频信号；中频信号输入模拟数字转换器，根据引导信息在合适的时间段采样，得到数字信号；数字信号输入数字信号处理器，基于引导信息对数字信号的实时频谱进行分析，得到射频脉冲信号的相位；利用N个射频脉冲信号的相位、以及N个天线之间的已知距离，计算出入射信号的方向。
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