CN205880195U - 无线电测向系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了无线电测向系统，包括天线阵列、射频通道、ADC模块、信号处理模块及运算电路，所述天线阵列与射频通道相连接，所述射频通道与ADC模块相连接，所述ADC模块与信号处理模块相连接，所述信号处理模块与运算电路相连接；所述射频通道内设置有第一射频通道和第二射频通道，所述天线阵列分别与第一射频通道和第二射频通道相连接，所述ADC模块分别与第一射频通道和第二射频通道相连接。

Description

无线电测向系统

技术领域

本实用新型涉及频谱分析等技术领域，具体的说，是无线电测向系统。

背景技术

将时域信号变换至频域加以分析的方法称为频谱分析。频谱分析的目的是把复杂的时间历程波形，经过傅里叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波和相位信息。

测试信号的频域分析是把信号的幅值、相位或能量变换以频率坐标轴表示，进而分析其频率特性的一种分析方法，又称为频谱分析。对信号进行频谱分析可以获得更多有用信息，如求得动态信号中的各个频率成分和频率分布范围，求出各个频率成分的幅值分布和能量分布，从而得到主要幅度和能量分布的频率值。

由时间函数求频谱函数的傅里叶变换公式就是将该时间函数乘以以频率为系数的指数函数之后，在从负无限大到正无限大的整个区间内，对时间进行积分，这样就得到了与这个时间函数对应的，以频率为自变量的频谱函数。频谱函数是信号的频域表示方式。根据上述傅里叶变换公式，可以求出常数(直流信号)的频谱函数为频域中位于零频率处的一个冲激函数，表示直流信号就是一个频率等于零的信号。与此相反，冲激函数的频谱函数等于常数，表示冲激函数含有无限多个、频率无限密集的正弦成分。同样的，单个正弦波的频谱函数就是频域中位于该正弦波频率处的一对冲激函数。

利用傅里叶变换的方法对信号进行分解，并按频率展开，使其成为频率的函数，进而在频率域中对信号进行研究和处理的一种过程，称为频谱分析。

北斗导航系统可发送高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时信息,是当今国民经济和国防建设不可或缺的重要空间基础设施。该系统在交通运输、电力、水利、渔业、农业、电信、测绘、森林防火以及减灾救灾等国民经济众多领域的应用非常广泛,已形成庞大的卫星导航产业；在军事领域中,卫星导航系统是实现武器平台精确导航定位和制导武器远程精确打击的关键支撑,是现代高技术信息化战争的重要保障。同时,由于卫星导航系统信号本身的特性,其到达地面的信号功率很微弱,到达地面的卫星导航系统信号功率一般在-160dBW左右；而按辐射源功率0.1W计算,使用1.5GHz频率发射则在1km处的干扰信号功率为-106dBW,比卫星导航系统到达地面的信号高40dB(10000倍)以上。卫星导航系统信号微弱,容易受到干扰。干扰将表现为受到干扰后,将直接影响到信号的捕获、跟踪、解调等,使用户机测距精度下降、误码率增高。影响整个卫星导航系统的服务性能.将严重影响我国卫星导航系统的正常运行,给国家造成损失。

目前我国北斗频段接收系统受到干扰的事件日益增多，所以我国面临的一个紧迫任务是要建立相适应的北斗频段干扰源定位系统，保护我国的信息安全。装备专业干扰定向监测设备；建立并完善北斗卫星导航频率干扰探测是目前的重点。

面对干扰源查找定位的难题，至今，国内外市场都还没有有效的满足定位的装备。目前，国内外定位主要为比幅测向定位，相位干涉测向定位和基于时差频差的定位，测向定位采取先测向然后交叉定位的方法。测向目前采取的是比幅法，该法具有测向精度不高的特点。而相位干涉仪具有模糊值和天线孔径限制的局限性。同时时差定位需要采用多站定位方式，站点多，便携性极差，设备多且造价高，具有一定的局限性，并不能有效的满足干扰源查找的需求。

面对市场的迫切需求，国内外针对干扰源测向定位设备，寻求新的有效方案解决这一困难问题。目前主要的装备趋势有：(1)设备定位高精度、(2)高灵敏度、(3)高抗扰度。而相关干涉体制技术优势具有上述特点。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供无线电测向系统，为进行无线电测向而设计出搭建的无线电测向用系统，能够改善测向定位机制，提供大带宽信号测向定位，高灵敏度高速扫描速度测向定位，提高测向精度，实时处理速度快，系统稳定性。

本实用新型通过下述技术方案实现：无线电测向系统，包括天线阵列、射频通道、ADC模块、信号处理模块及运算电路，所述天线阵列与射频通道相连接，所述射频通道与ADC模块相连接，所述ADC模块与信号处理模块相连接，所述信号处理模块与运算电路相连接。

进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置方式：所述射频通道内设置有第一射频通道和第二射频通道，所述天线阵列分别与第一射频通道和第二射频通道相连接，所述ADC模块分别与第一射频通道和第二射频通道相连接。

进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置方式：所述ADC模块内设置有第一ADC模块和第二ADC模块，所述第一ADC模块和第二ADC模块皆与信号处理模块相连接，所述第一射频通道连接第一ADC模块，所述第二射频通道连接第二ADC模块。

进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置方式：所述天线阵列采用5单元等间隔分布的天线阵列。

进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置方式：所述信号处理模块采用FPGA芯片搭建。

进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置方式：所述运算电路采用DSP芯片搭建。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本实用新型为进行无线电测向而设计出搭建的无线电测向用系统，能够改善测向定位机制，提供大带宽信号测向定位，高灵敏度高速扫描速度测向定位，提高测向精度，实时处理速度快，系统稳定性。

本实用新型具有先进的测向定位机制，相关干涉不需要对天线的最小孔径做限制，具有更强的抗多径失真能力，相关干涉只需要单或者双通道即可以；相对于传统的测向机制，测向速度快，高精度，高灵敏度和高抗干扰度等优点。

本实用新型具有大带宽信号测向定位功能，本系统宽带测向的实时带宽可以达到30MHZ，本系统结合高速信号处理器件FPGA、DSP短时间内完成多信道的信道化工作，其信道化分辨率可以达到30HZ，而且利用对多信道同时测向的优势，确定频率起止范围后，系统可以持续的进行扫描，同时，对于同一信道的信号，仰制度也是相当的高，一般同信道内信噪比相差3db的信号也能检测出来。

本实用新型基于高灵敏度高速扫描速度测向定位功能，测向灵敏度就是衡量监测测向定位设备对微弱信号的灵敏程度，测向天线获得准方位所需的最小场强可以低到0.2UV/m到1UV/m；同时利用先进的信号处理器可以使得扫描速度达到100GH/s以上。

本实用新型能够实现多样的信号识别和参数估计，对于基本的模拟数字通信信号都能有效的识别，具有多种信号盲估计的功能且精度高。同时对于跳频和扩频的干扰源信号具有识别和参数估计。

本实用新型具有高度的集成度和可选的DC供电选件，特别适亦移动和可搬移应用；高性能的接收机技术具有高达-115dBm的灵敏度和110dB的动态范围。

附图说明

图1为本实用新型的结构图。

图2为本实用新型所述天线阵列的测向天线组阵示意图。

具体实施方式

值得注意的是，本实用新型在实施时不可避免的会涉及到软件程序等内容，但在现有技术的各类软件程序即可满足本实用新型的使用，本实用新型不对软件程序做更改亦不做保护，只是为实现发明目的及功能而设计的硬件结构进行保护。

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

样本库的建立：

假设我们以5°等间隔测试方位来收集系统原始相位样本，在每一个测试方位的系统原始相位样本为 对照表形式如下：

测量方位与系统相位对照表

实际工程根据需要我们可以2度为间隔。假如说我们采集15组，每一组测向天线理论上所得的相位差应该等于或者等于pi.如果相差很大就应该舍去，最后的样本最好是通过加权平均求到。最后将数据统一到-pi到pi中。如果测得的频率不为整数可以用内插法求：

在实际工程中样本库的建立是建立在标准测试场的基础上。

实施例1：

无线电测向系统，如图1、图2所示，包括天线阵列、射频通道、ADC模块、信号处理模块及运算电路，所述天线阵列与射频通道相连接，所述射频通道与ADC模块相连接，所述ADC模块与信号处理模块相连接，所述信号处理模块与运算电路相连接。

在设计使用时，由天线阵列接收无线电信号，通过射频通道接收射频信号，进行信号变频滤波等处理，得到符合后端处理的中频模拟信号，中频模拟信号通过ADC模块进行信号模数转换得到数字中频信号，然后由信号处理模块完成对数字中频信号的信号处理工作，再通过运算电路完成数据相关运算(DDC、FFT等)并得到接收信号相位差，与内置样本数据库进行比较运算(该运算为数据相关运算的现有技术亦可实现)获取测向方向。

实施例2：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本实用新型，如图1、图2所示，特别采用下述设置方式：所述射频通道内设置有第一射频通道和第二射频通道，所述天线阵列分别与第一射频通道和第二射频通道相连接，所述ADC模块分别与第一射频通道和第二射频通道相连接。

在设计使用时，由天线阵列接收无线电信号，通过第一射频通道和第二射频通道接收射频信号，进行信号变频滤波等处理，得到符合后端处理的中频模拟信号，中频模拟信号通过ADC模块进行信号模数转换得到数字中频信号，然后由信号处理模块完成对数字中频信号的信号处理工作，再通过运算电路完成数据相关运算并得到接收信号相位差，与内置样本数据库进行比较运算(该运算为数据相关运算的现有技术亦可实现)获取测向方向。

所述射频通道，接收来自天线阵列内测向天线端输出的射频信号，进行指定信号的变频、滤波等信号处理工作；

所述ADC模块，将射频通道输出的中频模拟信号进行模数转换，得到数字中频信号，供后端信号处理使用。

实施例3：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本实用新型，如图1、图2所示，特别采用下述设置方式：所述ADC模块内设置有第一ADC模块和第二ADC模块，所述第一ADC模块和第二ADC模块皆与信号处理模块相连接，所述第一射频通道连接第一ADC模块，所述第二射频通道连接第二ADC模块。

实施例4：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本实用新型，如图1、图2所示，特别采用下述设置方式：所述天线阵列采用5单元等间隔分布的天线阵列。

所述天线阵列，完成信号接收。为基于对天线重量、体积、准确度等各方面指标的综合考虑，内部所设置的测向天线采用5单元等间隔分布。设5个天线元编号为T1到T5，天线孔径为d。所述天线阵列的测向天线组阵示意图如图2所示。

理论上五条基线上相应的相位差分别是：

${\mathrm{\φ}}_{1-3}=\frac{2*pi*D}{\mathrm{\λ}}\sin (\mathrm{\θ}+2/5*pi*4)......\left(1\right)$

${\mathrm{\φ}}_{2-4}=\frac{2*pi*D}{\mathrm{\λ}}\sin (\mathrm{\θ}+2/5*pi*3)......\left(2\right)$

${\mathrm{\φ}}_{3-5}=\frac{2*pi*D}{\mathrm{\λ}}\sin (\mathrm{\θ}+2/5*pi*2)......\left(3\right)$

${\mathrm{\φ}}_{4-1}=\frac{2*pi*D}{\mathrm{\λ}}\sin (\mathrm{\θ}+2/5*pi*1)......\left(4\right)$

${\mathrm{\φ}}_{5-2}=\frac{2*pi*D}{\mathrm{\λ}}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)......\left(5\right)$

在设计使用时，通过FFT法可以求得各个通道的相位差，通过FFT可以得到两路同频率的离散频谱，然后分别求出其在最大谱线处的相位值，即可求得的两路信号的相位值相减就可以得到两路信号的相位差。相位差与样本库中的相位差做相关比较得到最大的点即为测向的方向。

实施例5：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置方式：所述信号处理模块采用FPGA芯片搭建；由FPGA进行FFT等所需复杂算法的信号处理；FPGA优选Xilinx V5SX95T，其具有高集成度、高性能、高性价比。

实施例6：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置方式：所述运算电路采用DSP芯片搭建；由DSP完成对数据信号进行分析、运算、样本库存放比较计算等工作，最终求取测向方向，SP芯片优选资源丰富、实时处理速度快、高性能、高性价比的芯片，优选使用TMS320C6455。

在多单元圆阵中，我们选取一些天线对，假如射入一个确定的空间来波，

通过天线对就可以得到相应的相位差，这些相位差值由天线对的相对位置来决定。假设我们标准场预先得到的空间方向对应的系统相位样本库写成矢量形式就是Φ_i＝(φ_1i,φ_2i,φ_3i,......φ)^T,i＝1,2,...n，对于一个实际信号得到的相位样本为复矢量Φ，Φ＝(φ₁,φ₂,φ₃,...........φ_m)；Φ分别与Φ_i进行相关运算，在进行相关运算有两种常用的相关运算：

${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{{\mathrm{\Φ}}^T\mathrm{\Φ}}{{\[{\mathrm{\Φ}}^T\mathrm{\Φ}\]}^{1/2}{\[{{\mathrm{\Φ}}_i}^T{\mathrm{\Φ}}_i\]}^{1/2}},i=1,2,3...n$

所求到的最大值相对应的原始相位样本代表的方位值就是实际入射角的方向角。

第二种方法是以原始相位的余弦和正弦作为样本与实际测到的做相关运算：

${\mathrm{\ρ}}_i=\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}cos({\mathrm{\Φ}}_{ji}-{\mathrm{\Φ}}_j),i=1,2,3...n$

第一种方法因为有相位的跳变，同时第二种方法可以避免鉴相时的三角运算，优选选择第二种方法。

求出来最大值对应的就是要测的方向。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.无线电测向系统，其特征在于：包括天线阵列、射频通道、ADC模块、信号处理模块及运算电路，所述天线阵列与射频通道相连接，所述射频通道与ADC模块相连接，所述ADC模块与信号处理模块相连接，所述信号处理模块与运算电路相连接。

2.根据权利要求1所述无线电测向系统，其特征在于：所述射频通道内设置有第一射频通道和第二射频通道，所述天线阵列分别与第一射频通道和第二射频通道相连接，所述ADC模块分别与第一射频通道和第二射频通道相连接。

3.根据权利要求2所述无线电测向系统，其特征在于：所述ADC模块内设置有第一ADC模块和第二ADC模块，所述第一ADC模块和第二ADC模块皆与信号处理模块相连接，所述第一射频通道连接第一ADC模块，所述第二射频通道连接第二ADC模块。

4.根据权利要求1或2或3所述无线电测向系统，其特征在于：所述天线阵列采用5单元等间隔分布的天线阵列。

5.据权利要求4所述无线电测向系统，其特征在于：所述信号处理模块采用FPGA芯片搭建。

6.根据权利要求4所述无线电测向系统，其特征在于：所述运算电路采用DSP芯片搭建。

7.根据权利要求1或2或3或6所述无线电测向系统，其特征在于：所述信号处理模块采用FPGA芯片搭建。

8.根据权利要求1或2或3或5所述无线电测向系统，其特征在于：所述运算电路采用DSP芯片搭建。