双极化单信道全数字无线电监测测向移动站系统

摘要

本发明是双极化单信道全数字无线电监测测向移动站系统，包括垂直极化干涉仪测向天线阵、水平极化干涉仪测向天线阵、垂直极化监测天线、水平极化监测天线、第一电旋开关单元、第二电旋开关单元、第一选择器、第一个三功能RF放大器、第二个三功能RF放大器、射频预处理器、单信道监测测向接收机、PC机、监测测向处理器、第二选择器、第一个RF放大器、第n个RF放大器、逆变电源、车头方位指示器、GPS、电子罗盘、打印机、路由器。优点：采用复合型有源双极化干涉仪测向天线阵，很好地解决了各天线阵元间的互耦问题。一对天线元同时采样，确保同步、快速、精确。采用射频预处理器对射频信号进行相位/幅度/相位转换与存储。具有放大、直通、衰减功能的放大器，自动切换，扩大接收信号的动态应用范围，测向精度和灵敏度高、稳定可靠、性价比优。

说明书

技术领域

本发明涉及的是双极化单信道全数字无线电监测测向移动站系统，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

随着无线电管理工作的深入，一些低端用户市场需要经济实惠型的监测设备，于是出现了以德国R/S公司的DDF190型系统为代表的、运用单信道接收机来实现监测测向的系统。然而他们只是垂直极化的系统，而没有双极化系统，并且价格昂贵。只能对模拟通信信号进行监测的设备已不再能满足数字通信信号监测的需求。

发明内容

本发明的目的在于提出双极化单信道全数字无线电监测测向移动站系统。采用了单信道监测测向接收机，结合射频预处理器、复合型有源双极化干涉仪测向天线阵、垂直极化监测天线、水平极化监测天线、软件无线电和DSP技术、小信号提取和白噪声相消技术，运用单信道相关干涉仪测向体制来实现对垂直极化和水平极化的无线电信号进行监测测向。

本发明的技术解决方案：其结构主要包括垂直极化干涉仪测向天线阵、水平极化干涉仪测向天线阵、垂直极化监测天线、水平极化监测天线、第一电旋开关单元、第二电旋开关单元、第一选择器、第一个三功能RF放大器、第二个三功能RF放大器、射频预处理器、单信道监测测向接收机、PC机、监测测向处理器、第二选择器、第一个RF放大器、第n个RF放大器、逆变电源、车头方位指示器、GPS、电子罗盘、打印机、路由器。

所述的监测测向接收机除了用于无线电监测外还可用于单信道相关干涉仪测向，监测和测向可分时进行。

本发明的优点：采用复合型有源双极化干涉仪测向天线阵，在同一套测向天线阵元组合中同时包容了两种极化的单信道测向天线阵，很好地解决了各天线阵元间的互耦问题。一对天线元同时采样，确保同步、快速、精确。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。选用了具有宽带中频输出和快速扫描的接收设备，并在系统中特别采用了DSP技术和解调技术，加强了对数字信号的监测和对数字信号的特征分析，满足无线通信向宽带数字化方向发展的需求。系统可兼容各种监测接收机，如以色列Tadiran公司的TSR2040接收机、日本Anritsu公司的RR511A型接收机、德国R/S公司ESMB数字接收机、EB200监测接收机、法国THALES公司TRC8021监测接收机等，其监测性能指标完全符合国际电联(ITU)推荐标准。系统具有测向精度和灵敏度高、稳定可靠、性价比优等特点。

附图说明：

附图1是本发明实施例电原理框图

附图2是三功能RF放大器电原理框图

附图3是双极化单信道无线电监测和相关干涉仪测向移动站系统中所用的测向天线阵示意图。

附图4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5是软件控制系统的流程图。

图中的A是垂直极化干涉仪测向天线阵、B是水平极化干涉仪测向天线阵、C是垂直极化监测天线、D是水平极化监测天线、1是第一电旋开关单元、2是第二电旋开关单元、3是第一选择器、4是UPS、5是第一个三功能RF放大器、6是第二个三功能RF放大器、7是射频预处理器、8是单信道监测测向接收机、9是PC机、10是监测测向处理器、11是第二选择器、12是第一个RF放大器、13是第n个RF放大器、14是路由器、15是电池组或市电、16是车头方位指示器、17是打印机、18是电子罗盘、19是GPS。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、23是九单元水平极化有源测向天线阵：20MHz-1000MHz。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，其结构主要包括垂直极化干涉仪测向天线阵A、水平极化干涉仪测向天线阵B、垂直极化监测天线C、水平极化监测天线D、第一电旋开关单元1、第二电旋开关单元2、第一选择器3、UPS、第一个三功能RF放大器5、第二个三功能RF放大器6、射频预处理器7、单信道监测测向接收机8、PC机9、监测测向处理器10、第二选择器11、第一个RF放大器12、第n个RF放大器13、路由器14、电池组或市电15、车头方位指示器16、打印机17、电子罗盘18、GPS。

它们间的连接关系：垂直极化干涉仪测向天线阵A、水平极化干涉仪测向天线阵B、垂直极化监测天线C、水平极化监测天线D将天线接收的信号分别与第一电旋开关单元1、第二电旋开关单元2、第一个RF放大器12、第n个RF放大器13的第一信号输入端对应相接；第一电旋开关单元1和第二电旋开关单元2的第一、第二输出端分别对应接入第一选择器3的四个输入端；第一个RF放大器12和第n个RF放大器13的信号输出端与第二选择器11的第一、第二输入端对应相接；第一选择器3的第一个输出端与第一个三功能RF放大器5的第一输入端相接，第一选择器3的第二个输出端与第二个三功能RF放大器6的第一输入端相接；第一个三功能RF放大器5的输出端与射频预处理器7的第一个输入端相接，第二个三功能RF放大器6的输出端与射频预处理器7的第二个输入端相接，第二选择器11的输出端与射频预处理器7的第三个输入端相接；射频预处理器7的输出端对应接入单信道监测测向接收机8的输入端；单信道监测测向接收机8的第一个输入/出端与PC机9的第一个输出/输入端相接，单信道监测测向接收机8的第二个输入/出端与监测测向处理器10的第一个输出/入端对应相接，监测测向处理器10的第二个输出/入端与PC机9的第二个输入/出端对应相接；PC机9的第三个输入/出端与路由器的输出/入端对应相接；监测测向处理器10的第一个输出端分别与第一电旋开关单元1的第二输入端、第二电旋开关单元2的第二输入端、第一选择器3的第五输入端、第一个三功能RF放大器5的第二输入端、第二个三功能RF放大器6的第二输入端、射频预处理器7的第四输入端相接；监测测向处理器10的第二个输出端分别与第一个RF放大器12的第二输入端、第n个RF放大器13的第二输入端、第二选择器11的第三输入端相接；电池组或市电15与UPS串接，UPS第一输出端与工业控制计算机9的第一输入端相接，工业控制计算机9的第一、第二输出端分别与车头方位指示器16、打印机17相接，工业控制计算机9的第二、第三输入端与电子罗盘18、GPS19的输出端相接。

所述的垂直极化干涉仪测向天线阵A，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。

水平极化干涉仪测向天线阵B，由九付水平放置的加载环天线组成圆阵。与垂直极化A波段测向天线阵在同一水平面上，工作频率为20MHz～1000MHz，阵列直径约0.7米，接口型式为N型插座，天线阻抗为50Ω。

第一电旋开关单元1根据频段分为低端电旋开关单元和高端电旋开关单元。它受监测测向处理器10的控制和供电。它用于垂直极化波信号。第一电旋开关单元1中分高、低端电旋开关单元，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～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。

第二电旋开关单元2用于水平极化波信号，工作频率为30MHz～1300MHz。其结构、工作过程同第一电旋开关单元1。

第一选择器3是对从第一电旋开关1、第二电旋开关2输入的两对主辅信号进行选择，从中选取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。

第一个三功能RF放大器5和第二个三功能RF放大器6，其工作频率均为20MHz～3000MHz，具有放大、直通、衰减三种功能，由软件设定。两个放大器同时对来自第一选择器3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。该三功能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7(型号为RFP006)是根据相关干涉测向的原理，对来自第一个和第二个三功能放大器的测向天线信号、第二选择器11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8，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。

监测测向处理器10(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工业控制计算机9(ADVANTECH IPC-610)通讯，接受计算机的控制指令，对第一、二电旋开关单元、第一选择器、两个三功能RF放大器、射频预处理器、监测测向接收机、第二选择器、第一RF放大器、第n个RF放大器等进行控制，使系统按着软件程序对无线电信号进行监测和测向。

PC机9(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。

第二选择器11是2∶1选择器，它对来自第一个RF放大器12的垂直极化监测信号和来自第n个放大器13的水平极化监测信号进行选择，从中选取1路监测信号送入第三选择器7。它有2个信号输入端、1个信号输出端、1个控制端。

第一个RF放大器12是一种双功能放大器，具有放大、直通双功能(与三功能放大器相比，取消了衰减功能部分)，对来自垂直极化监测天线C的信号进行放大。其工作频率为20MHz～3000MHz，由软件设定。它有1个控制/供电端、1个输入端、1个输出端。该双功能放大器由高频继电器(型号为RF303-12)、放大电路(其中放大管的型号为ERA-51SM)和电源组成。当+12V电源受软件控制加到高频继电器上时，输入信号经放大电路后输出，即为“放大”。当不加电时，输入信号经高频继电器的直通部分输出，即为“直通”。

第n个RF放大器13是对来自水平极化监测天线D的信号进行放大。(其结构和功能与RF放大器12相同)

垂直极化监测天线C按照频段分为两种，低频端(20MHz～300MHz)为有源单极子监测天线；高频端(300MHz～3000MHz)为一种在水平面内无方向性的有源双锥全向天线，天线尺寸为：底部直径248mm；高度318mm。输入阻抗：50Ω，接口型式为N型插座。

水平极化监测天线D是一种水平放置的有源加载环型天线，直径0.8米，附着在天线罩上，输入阻抗50Ω。

电池组或市电14包括市电220VAC和蓄电池组(4节12V100AH)。

UPS 15为不间断电源，型号为APC 1000VA在线式。

逆变电源的型号为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。

打印机为日本CANON公司的BJC-85。