CN1877357B

CN1877357B - 特宽频带无线电信号监测测向系统

Info

Publication number: CN1877357B
Application number: CN200610088300A
Authority: CN
Inventors: 俞文蕴
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2026-07-10
Also published as: CN1877357A

Abstract

本发明是特宽频带无线电信号监测测向系统，包括干涉仪测向天线阵，高、低端电旋开关、天线选择器、三功能RF放大器、射频预处理器、单信道监测测向接收机、监测测向控制器、PC机、监测天线、频谱分析仪。优点：采用了宽频带监测天线组合，对1MHz-40GHz特宽频带的军用无线通讯和雷达信号进行监测，直观显示。对20MHz-3000MHz频段的无线电信号进行相关干涉测向，一对天线元同时采样，确保同步、快速、精确。九单元小尺寸低轮廓有源测向天线阵，解决了各天线阵元间的互耦和相位模糊问题。对射频信号进行相位/幅度/相位转换与存储。具有放大、直通、衰减三功能，实现分时监测和测向，系统性价比高，适用范围广。

Description

特宽频带无线电信号监测测向系统

技术领域

本发明涉及的是特宽频带(1MHz-40GHz)无线通讯和雷达信号监测测向系统，属于通信技术中的阵列信号数字处理测向技术领域。

背景技术

超短波无线电监测测向技术日臻成熟，但短波和微波频段的无线电监测还是个空白，如何利用成熟技术拓展到短波和微波频段，从而实现对1MHz-40GHz特宽频带内的军用无线通讯和雷达信号进行监测，成为当前无线电监测领域一个迫切需要解决的新课题。

发明内容

本发明的目的在于提出特宽频带(1MHz-40GHz)军用无线通讯和雷达信号监测测向系统。提出采用一种单信道监测测向接收机，配合射频预处理器、小尺寸低轮廓有源测向天线阵、监测天线、软件无线电和DSP技术、小信号提取和白噪声相消技术，实现对特宽频带(1MHz-40GHz)内的无线电信号进行监测和对20MHz-3000MHz频段内的无线电信号进行测向。

本发明的技术解决方案：其结构包括干涉仪测向天线阵，高、低端电旋开关、第一天线选择器、三功能RF放大器、射频预处理器、单信道监测测向接收机、监测测向控制器、PC机、监测天线、第二天线选择器、频谱分析仪、蓄电池、UPS。它们间的连接关系：干涉仪测向天线阵的输出端与，高、低端电旋开关的第一输入端相接，高、低端电旋开关的第一、第二、第三、第四输出端与第一天线选择器的第一、第二、第三、第四输入端对应相接；第一天线选择器的第一、第二输出端与三功能RF放大器的第一、第二输入端对应相接，三功能RF放大器的第一、第二输出端与射频预处理器的第一、第二输入端对应相接；射频预处理器的输出端与单信道监测测向接收机的第一输入端相接；PC机的第一、第二、第三、第四输出/入端与单信道监测测向接收机、监测测向控制器、频谱分析仪、路由器的输入/出端对应相接；监测测向控制器的第一、第二、第三、第四、第五、第六输出端分别与高、低端电旋开关的第二输入端、第一天线选择器的第五输入端、三功能RF放大器的第三输入端、射频预处理器的第三输入端、单信道监测测向接收机的第二输入端、第二天线选择器的第二输入端对应相接；监测天线的输出端与第二天线选择器的第一输入端对应相接，第二天线选择器的输出端与频谱分析仪的输入端相接；GPS、电子罗盘的输出端分别与PC机的第一、第二输入端相接，车头方位指示器的输入端接PC机的输出端。

本发明的优点：采用了宽频带监测天线组合，可对1MHz-40GHz特宽频带的军用无线通讯和雷达信号进行监测，并可通过频谱分析仪直观显示.可对20MHz-3000MHz频段的无线电信号进行相关干涉测向，一对天线元同时采样，确保同步、快速、精确.采用九单元小尺寸低轮廓有源测向天线阵，很好地解决了各天线阵元间的互耦问题，排除了单元天线间耦合和相位模糊.采用了射频预处理器，对射频信号进行相位/幅度/相位转换与存储.采用了宽带低噪声放大器技术，具有放大、直通、衰减三种功能的放大器，可自动切换，扩大了接收信号的动态应用范围，特别是在接收强信号时，不容易因信号饱和而产生阻塞.可兼容多种单信道接收机，实现分时监测和测向，系统性价比高，适用范围广.

附图说明

附图1是本发明实施例电原理框图。

附图2是高、低端电旋开关电原理示意图(以一组电旋开关为例)。

附图3是三功能RF放大器电原理框图。

附图4是功率分配器以1∶2分配器为例的结构框图。

附图5是特宽频带用垂直极化单信道无线电监测和相关干涉仪测向系统中所用的测向天线阵示意图。

附图6是本发明软件控制系统流程图。(同样为DESCO DF7.0)

图中的1是干涉仪测向天线阵，2是高、低端电旋开关、3是第一天线选择器、4是三功能RF放大器、5是射频预处理器、6是单信道监测测向接收机、7是监测测向控制器、8是PC机、9是监测天线(监测天线(按频段分为：10KHz-20MHz、20MHz-300MHz、300MHz-3GHz、3GHz-18GHz、18GHz-40GHz)、10是第二天线选择器、11是频谱分析仪、12是蓄电池、13是UPS、14是逆变电源、15是市电、16是车头方位指示器、17是GPS、18是电子罗盘、19是路由器。20是九单元垂直极化有源测向天线阵：1000MHz-3000MHz、21是天线罩、22是九单元垂直极化有源测向天线阵：20MHz-1000MHz。R₁、R₂、R₃是电阻、C₁、C₂、C₃是电容，D_1-12是二极管、V1-V7是监测测向控制器输出的电压；软件控制系统的流程图包括监测测向服务程序(dfNetServer)测向流程和监测测向服务程序(dfNetServer)运行流程。

图中的1是干涉仪测向天线阵，2是高、低端电旋开关、3是第一天线选择器、4是三功能RF放大器、5是射频预处理器、6是单信道监测测向接收机、7是监测测向控制器、8是PC机、9是监测天线(按频段分为：10KHz-20MHz、20MHz-300MHz、300MHz-3GHz、3GHz-18GHz、18GHz-40GHz)、10是第二天线选择器、11是频谱分析仪、12是蓄电池、13是UPS、14是逆变电源、15是市电、16是车头方位指示器、17是GPS、18是电子罗盘、19是路由器。R₁、R₂、R₃是电阻、C₁、C₂、C₃是电容，D_1-12是二极管、V1-V720MHz-300MHz、300MHz-3GHz、3GHz-18GHz、18GHz-40GHz)、10是第二天线选择器、11是频谱分析仪、12是蓄电池、13是UPS、14是逆变电源、15是市电、16是车头方位指示器、17是GPS、18是电子罗盘、19是路由器。R₁、R₂、R₃是电阻、C₁、C₂、C₃是电容，D_1-12是二极管、V1-V7是监测测向控制器输出的电压；软件控制系统的流程图包括监测测向服务程序(dfNetServer)测向流程和监测测向服务程序(dfNetServer)运行流程。

具体实施方式

对照附图1，其结构包括干涉仪测向天线阵1，高、低端电旋开关2、第一天线选择器3、三功能RF放大器4、射频预处理器5、单信道监测测向接收机6、监测测向控制器7、PC机8、监测天线9(按频段分为：10KHz-20MHz、20MHz-300MHz、300MHz-3GHz、3GHz-18GHz、18GHz-40GHz)、第二天线选择器10、频谱分析仪11、蓄电池12、UPS 13、逆变电源14、市电15、车头方位指示器16、GPS 17、电子罗盘18、路由器19。

它们间的连接关系：干涉仪测向天线阵1的输出端与高、低端电旋开关2的第一输入端相接，高、低端电旋开关2的第一、第二、第三、第四输出端与第一天线选择器3的第一、第二、第三、第四输入端对应相接；第一天线选择器3的第一、第二输出端与三功能RF放大器4的第一、第二输入端对应相接，三功能RF放大器4的第一、第二输出端与射频预处理器5的第一、第二输入端对应相接；射频预处理器5的输出端与单信道监测测向接收机6的第一输入端相接；PC机8的第一、第二、第三、第四输出/入端与单信道监测测向接收机6、监测测向控制器7、频谱分析仪11、路由器19的输入/出端对应相接；监测测向控制器7的第一、第二、第三、第四、第五、第六输出端分别与高、低端电旋开关2的第二输入端、第一天线选择器3的第五输入端、三功能RF放大器4的第三输入端、射频预处理器5的第三输入端、单信道监测测向接收机6的第二输入端、第二天线选择器10的第二输入端对应相接；监测天线9的输出端与第二天线选择器10的第一输入端对应相接，第二天线选择器10的输出端与频谱分析仪11的输入端相接；GPS 17、电子罗盘18的输出端分别与PC机的第一、第二输入端相接，车头方位指示器16的输入端接PC机的输出端。

所述的干涉仪测向天线阵1，为小尺寸低轮廓有源测向天线阵，共分两层(对应两个频段)，沿高度方向排列，每层均由九单元有源(每个天线带有一个平衡放大器)垂直偶极子天线组成圆型阵列。下层为A波段(20MHz～1000MHz)，阵列最大直径1.0米，单元偶极子长度0.27米；上层是B波段(1000MHz～3000MHz)，阵列最大直径0.38米，单元偶极子长度0.185米。天线阻抗为50Ω。接口为N型插座。测向天线的总重量约35kg(包括安装在天线下面的高低端电旋开关、选择器等)，全部天线都被天线罩所覆盖，天线罩的高度为0.39米。

高、低端电旋开关2根据频段分为低端电旋开关单元和高端电旋开关单元。它受监测测向控制器的控制和供电。其中低端电旋开关单元的工作频率为20MHz～1000MHz，内部包括ANS 019L低端电旋开关和ALL 052L 1∶2+1∶9功率分配器。它相当于一个高频电子开关，它有9个信号输入端、2个信号输出端、1个控制/供电端口、1个自校信号输入端和1个自校信号输出端，它受控同时打通某两路信号通道(分为主路、辅路)和自校信号通道。ALL 052L功率分配器是把自校信号先分成两路，其中一路又被分成9路，引入低端电旋开关，用于对20MHz～200MHz波段或200MHz～1000MHz波工作的系统进行自校；另一路自校信号传送到高端电旋开关盒中，再经1∶9功率分配器后，送到高频电旋开关单元用于高频段系统的自校。高端电旋开关单元的工作频率为1000MHz～3000MHz，内部包括ANS 020L高端电旋开关和ALL 053L 1∶9功率分配器。它也是一个高频电子开关，它有9个信号输入端、2个信号输出端、1个控制/供电端口、1个自校信号输入端，它受控同时打通某两路信号通道(分为主路、辅路)和自校信号通道。

其工作原理：当控制电压V1、V2加电，二极管D1-3导通时，来自可搬移垂直极化相关干涉仪测向天线阵1的信号就可传到节点A，当控制电压V2、V3加电，二极管D_4-6导通时，自校信号就可传到节点A，当控制电压V4、V5加电，二极管D_7-9导通时，节点A的信号就可从主路输出；当控制电压V6、V7加电，二极管D_10-12导通时，节点A的信号就可从辅助路输出(如图2所示)；

第一天线选择器3是一个4∶2选择器，用于对从高端电旋开关和低端电旋开关输出的2对主辅信号中选取1对主辅信号输出。它有4个输入端、2个输出端和1个控制/供电端。

三功能RF放大器4包括两个宽频带低噪声放大器，工作频率为20MHz～3000MHz，具有放大、直通、衰减三种功能，在使用中根据实际需要由软件设定。分别对来自第一天线选择器的主、辅路信号进行处理。它们各有1个控制/供电端、1个输入端、1个输出端。放大器由第一高频继电器、第二高频继电器、放大电路、衰减电路和电源组成，高频继电器(型号RF303-12)、放大器中的放大管(型号ERA-51SM)。+12V电源受软件控制分别加到第一高频继电器和第二高频继电器上。当第一高频继电器加电，而第二高频继电器不加电时，输入信号经放大电路后得到线性放大，再第二经高频继电器的直通部分输出。即为“放大”。当第一高频继电器不加电，而第二高频继电器加电时，输入信号经第一高频继电器的直通部分后到达第二高频继电器的衰减电路，经衰减后输出。即为“衰减”。当第一高频继电器和第二高频继电器都不加电时，输入信号经第一高频继电器和第二高频继电器的直通部分输出。即为“直通”。故该放大器具有“直通、放大、衰减”三功能。

射频预处理器5(型号为RFP006)是根据相关干涉测向的原理，对来自三功能放大器的测向天线主辅路信号、第二选择器的监测天线信号进行一系列相关预处理。分为高端和低端RF预处理器，工作频率分别为1000MHz～3000MHz和20MHz～1000MHz。其中包括功率分配、相位变换、信号合成、高频开关等部件，将信号的相位信息转化为幅度信息后，再经适当的数字运算后转变成相位信息。由于信号的两次变化，一般该处理单元均与有源天线阵配合使用。在本系统中我们大量采用了数字信号处理(DSP)技术和DSP器件，通过Hilbert变换和数字运算，检测出相关信号的相位差。为避免复杂的时域处理，用FFT和IFFT运算取代复杂的积分运算，实现数字Hilbert变换，从而大大提高了运算速度，使得测向速度提高到现在的20ms。

单信道监测测向接收机6，具有监测和测向双重功能。对来自射频预处理器的监测(测向)信号进行处理变频、解调、解码(可对不同频域、调制域、时域的信号进行监测测量)，输出包含频率、幅度、频偏、调制度、带宽、电平、频谱图像等的数字监测信息和包含信号相位和幅度特性的数字测向信号。它通过串口与计算机通讯。本实施例中选用以色列Tadiran公司的TSR 2040单信道监测/测向接收机，进行单信道监测和单信道相关干涉仪测向。该接收机采用PCI总线结构和模块化设计，一块模板就是一个接收通道，模板可插在带有PCI插槽的工控计算机内，上下用压条固定，构成当代最先进的嵌入式接收机计算机组合的虚拟仪器平台。

监测测向控制器7(型号为DFC 050L)是系统各部分控制驱动单元和直流供电单元。处理器通过串行口与PC机进行通讯，接受计算机的控制指令，对高低端电旋开关、第一选择器、三功能RF放大器、射频预处理器、单信道监测测向接收机、第二选择器等进行控制，使系统按着软件程序对无线电信号进行监测和测向。

PC机8(ADVANTECH IPC-610)是作为应用软件的载体，除了执行程序(包括存储、打印)外，还对大量的数据、音频、视频等进行处理，它通过对大量采集的信息数据进行复杂的统计算法(如自相关算法、相位检波算法、HILBERT变换、FFT算法)，从而得出信号的方位。它具有运行速度快、容量大、稳定可靠、可扩展、抗震性能好等特点。

监测天线9，它按照频段分为五种：10KHz-20MHz(利用车顶平台制成)、20MHz-300MHz(型式为有源单极子垂直极化监测天线)、300MHz～3000MHz(型式为一种在水平面内无方向性的有源双锥全向天线，尺寸为：底部直径248mm；高度318mm.)、3GHz-18GHz(型号为WANT004R，圆极化，尺寸为直径165mm×200mm高，增益为2dB，VSWR＜3)、18GHz-40GHz(型号为WANT005R，圆极化，尺寸为直径155mm×180mm高，增益为2dB，VSWR＜3).输入阻抗均为50Ω，接口型式均为N型插座.

第二天线选择器10，是一种2∶1选择器，它对来自低端垂直极化监测天线9和高端垂直极化监测天线10的信号进行选择，从中选取1路监测天线信号送入射频预处理器。它有2个信号输入端、1个信号输出端、1个控制端。

频谱分析仪11，型号为MS2661C，日本Anritsu公司生产。

蓄电池12由4节12V100AH的电池组成。

UPS 13为不间断电源，型号为APC 1000VA在线式。

逆变电源14的型号为S1500-212。是将载车发动机富余的12VDC电能转化为220VAC电，经UPS后给系统供电。

车头方位指示器16是在液晶显示屏上实时显示相对于车头的信号方位，以便驾驶员及时掌握信号出现的方向，为快速查找信号提供便利。它通过串口与PC机相连。

GPS 17即全球定位系统(Global Positioning System)，它是由空间卫星、地面监控和用户设备三部分组成的，广泛地应用于各类导航定位系统中。GPS接收机是一个接收GPS卫星信号并实时计算出所处位置坐标的设备。GPS用于移动监测站中，其用途是随时确定移动车的地理位置(经、纬度)，并把数据提供给计算机。在电子地图上实时显示当前位置，同时为显示测向方位和交叉定位提供数据。

本系统采用美国GARMIN公司的GPS 12XL(美洲豹)GPS接收机。GPS 12XL采用并行12通道接收体制，灵敏度高。

电子罗盘18是为移动监测站提供实时的参考方位数据，并把数据传输给计算机。本系统采用美国KVH公司的C100型电子罗盘。

Claims

1.特宽频带无线电信号监测测向系统，用于对1MHz-40GHz内的无线电信号进行监测和对20MHz-3000MHz频段内的无线电信号进行测向，其特征是干涉仪测向天线阵的输出端与高、低端电旋开关的第一输入端相接，高、低端电旋开关的第一、第二、第三、第四输出端与第一天线选择器的第一、第二、第三、第四输入端对应相接；第一天线选择器的第一、第二输出端与三功能RF放大器的第一、第二输入端对应相接，三功能RF放大器的第一、第二输出端与射频预处理器的第一、第二输入端对应相接；射频预处理器的输出端与单信道监测测向接收机的第一输入端相接；PC机的第一、第二、第三、第四输出/入端分别与单信道监测测向接收机、监测测向控制器、频谱分析仪、路由器的输入/出端对应相接；监测测向控制器的第一、第二、第三、第四、第五、第六输出端分别与高、低端电旋开关的第二输入端、第一天线选择器的第五输入端、三功能RF放大器的第三输入端、射频预处理器的第三输入端、单信道监测测向接收机的第二输入端、第二天线选择器的第二输入端对应相接；监测天线的输出端与第二天线选择器的第一输入端对应相接，第二天线选择器的输出端与频谱分析仪的输入端相接；GPS、电子罗盘的输出端分别与PC机的第一、第二输入端相接，车头方位指示器的输入端接PC机的输出端。

2.根据权利要求1所述的特宽频带无线电信号监测测向系统，其特征是所述的干涉仪测向天线阵为小尺寸低轮廓有源测向天线阵，共分两层，对应两个频段，沿高度方向排列，每层均由九单元有源垂直偶极子天线组成圆型阵列，下层为A波段20MHz～1000MHz，阵列最大直径1.0米，单元偶极子长度0.27米；上层是B波段1000MHz～3000MHz，阵列最大直径0.38米，单元偶极子长度0.185米，天线阻抗为50Ω，接口为N型插座，每个天线带有一个平衡放大器。

3.根据权利要求1所述的特宽频带无线电信号监测测向系统，其特征是高、低端电旋开关根据频段分为低端电旋开关单元和高端电旋开关单元，其中低端电旋开关单元的工作频率为20MHz～1000MHz，内部包括ANS 019L低端电旋开关和ALL 052L 1∶2+1∶9功率分配器，它有9个信号输入端、2个信号输出端、1个控制/供电端口、1个自校信号输入端和1个自校信号输出端，高端电旋开关单元的工作频率为1000MHz～3000MHz，内部包括ANS 020L高端电旋开关和ALL 053L 1∶9功率分配器，它有9个信号输入端、2个信号输出端、1个控制/供电端口、1个自校信号输入端。

4.根据权利要求1所述的特宽频带无线电信号监测测向系统，其特征是第一天线选择器是一个4∶2选择器，它有4个输入端、2个输出端和1个控制/供电端。

5.根据权利要求1所述的特宽频带无线电信号监测测向系统，其特征是放大、直通、衰减三功能RF放大器包括两个宽频带低噪声放大器，工作频率为20MHz～3000MHz，它们各有1个控制/供电端、1个输入端、1个输出端；放大器包括第一高频继电器、第二高频继电器、放大电路、衰减电路和电源。

6.根据权利要求1所述的特宽频带无线电信号监测测向系统，其特征是监测天线，它按照频段分为五种：10KHz-20MHz、20MHz-300MHz、300MHz～3000MHz、3GHz-18GHz、18GHz-40GHz五种；输入阻抗均为50Ω，接口型式均为N型插座。