专利名称：双极化五信道无线电监测和超分辨率测向固定站系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是双极化五信道无线电监测和超分辨率测向固定站系 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：
在无线电管理中我们经常遇到受干扰的用户通信不允许中断(如机场 的通信导航频率、公众通信)，以及使用多基站发射设备(如寻呼、蜂窝公 众通信网)的情况，在同一信道同时出现多点发射信号时，常规的测向技 术难以分辨，经过研究，釆用空间谱估计超分辨率测向技术可解决多信号 同时测向(比如短波测向)的问题，在一定的条件下可区分由于多径引起 的相干信号，故可广泛用于城市的无线电测向，并在雷达、通信、声呐等 众多领域有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出双极化五信道无线电监测和超 分辨率测向固定站系统。采用双极化五单元的宽孔径测向天线系统、五信 道同步测向接收机，运用先进的空间谱估计超分辨率测向技术和DSP数字 信号处理技术，通过统计算法(MUSIC多信号分类法)来实现对垂直极化波 的无线电通信信号和水平极化波的广播电视信号的高分辨率测向。
本发明的技术解决方案其结构是垂直极化无源测向天线阵的输出端 与A电旋幵关单元的输入端对应相接，水平极化无源测向天线阵的输出端 与B电旋开关单元的第一输入端对应相接；A电旋开关单元的输出端与选择 器(10:5)的第一输入端对应相接，B电旋开关单元的输出端与选择器(10:5) 的第二输入端对应相接，选择器(10:5)的输出端与RF三功能放大器模块 的第一输入端对应相接，RF三功能放大器模块的输出端与监测测向选择器
的第一输入端对应相接；监测测向选择器的输出端与五信道监测测向接收 机的第一输入端对应相接；监测测向处理模块的第一输出端与RF三功能放 大器模块的第一输入端对应相接；监测测向处理模块的第二输出端与B电 旋开关单元的第二输入端对应相接，监测测向处理模块的第三输出端与选 择器(10:5)的第三输入端对应相接，监测测向处理模块的第四输出端与 RF三功能放大器模块的第二输入端对应相接，监测测向处理模块的第五输 出端与监测测向选择器的第二输入端对应相接；监测测向处理模块的第六 输出端与五信道监测测向接收机的第二输入端对应相接；五信道监测测向 接收机的输入/输出端与计算机系统的第一输出/输入端对应相接，计算机 系统的第二输出/输入端与监测测向处理模块的输入/输出端对应相接，垂 直极化监测天线的输出端与RF三功能放大器模块的第二输入端对应相接， 水平极化监测天线的输出端与RF三功能放大器模块的第三输入端对应相 接，RF三功能放大器模块的第一输出端与监测测向选择器的第三输入端对 应相接，RF三功能放大器模块的第二输出端与监测测向选择器的第四输入 端对应相接，电池组或市电的电源输出端与UPS的输入端对应相接，UPS的 的第一输出端与监测测向处理模块的输入端对应相接，UPS的的第二输出端 与环境监控和遥控单元的输入端对应相接，环境监控和遥控单元的输出端 与计算机系统的输入端对应相接，环境监控和遥控单元与集线器、网络串 接。
本发明的优点采用空间谱估计超分辨率测向技术和DSP数字信号处
理技术，运用先迸的统计算法(MUSIC多信号分类法)，可有效区分多个同 时出现的同信道信号，大大改善了系统处理带宽内空间信号的角度估计精 度、角度分辨力及其他相关参数精度；采用无源宽孔径大基础双极化测向 天线阵，很好地解决了各天线阵元间的互耦问题，排除了单元天线间的耦 合和相位模糊。采用了相位一致性好的五信道测向接收机及具有放大、直 通、衰减三种功能的低噪声放大器，扩大了接收信号的动态应用范围。采 用软件无线电技术，在不测向时，可转入多信道的不同频域、时域、调制 域的监测和信号分析，最充分地利用资源。系统实现了对垂直极化波的无
线通讯信号和水平极化波的广播电视信号的超分辨率监测测向。
附图1是本发明实施例电原理框图
附图2是电旋开关单元电原理示意图
附图3是RF三功能放大器电原理框图
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是环境监控和遥控单元的结构框图
附图6是双极化无源测向天线阵(固定站用)平面示意图
具体实施方式
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对照附图1，其结构主要包括垂直极化无源测向天线阵1、水平极化
无源测向天线阵2、 A电旋开关单元3、 B电旋开关单元4、选择器(10:5) 5、 RF三功能放大器模块A、测测向选择器7、五信道监测测向接收机8、 监测测向处理模块9、计算机系统IO、垂直极化监测天线ll、水平极化监 测天线12、 RF三功能放大器模块B、电池组或市电14、 UPS15、环境监控 和遥控单元16、集线器17、网络18。其中垂直极化无源测向天线阵1的信 号输出端与A电旋开关单元3的信号输入端对应相接，水平极化无源测向 天线阵2的信号输出端与B电旋开关单元4的第一信号输入端对应相接；A 电旋开关单元3的信号输出端与选择器(10:5) 5的第一信号输入端对应相 接，B电旋开关单元4的信号输出端与选择器(10:5) 5的第二信号输入端 对应相接，选择器(10:5) 5的信号输出端与RF三功能放大器模块6的第 一信号输入端对应相接，RF三功能放大器模块6的信号输出端与监测测向 选择器7的第一信号输入端对应相接；监测测向选择器7的信号输出端与 五信道监测测向接收机8的第一信号输入端对应相接；监测测向处理模块9 的第一信号输出端与RF三功能放大器模块13的第一信号输入端对应相接; 监测测向处理模块9的第二信号输出端与B电旋开关单元4的第二信号输
入端对应相接，监测测向处理模块9的第三信号输出端与选择器(10:5)
的第三信号输入端对应相接，监测测向处理模块9的第四信号输出端与RF 三功能放大器模块6的第二信号输入端对应相接，监测测向处理模块9的 第五信号输出端与监测测向选择器7的第二信号输入端对应相接；监测测 向处理模块9的第六信号输出端与五信道监测测向接收机8的第二信号输 入端对应相接；五信道监测测向接收机8的信号输入/输出端与计算机系统 10的第一信号输出/输入端对应相接，计算机系统10的第二信号输出/输入 端与监测测向处理模块9的信号输入/输出端对应相接，垂直极化监测天线 11的信号输出端与RF三功能放大器模块13的第二信号输入端对应相接， 水平极化监测天线12的信号输出端与RF三功能放大器模块13的第三信号 输入端对应相接，RF三功能放大器模块13的第一信号输出端与监测测向选 择器7的第三信号输入端对应相接，RF三功能放大器模块13的第二信号输 出端与监测测向选择器7的第四信号输入端对应相接，电池组或市电14的 电源输出端与UPS15的信号输入端对应相接，UPS15的的第一信号输出端与 监测测向处理模块9的信号输入端对应相接，UPS15的的第二信号输出端与 环境监控和遥控单元16的信号输入端对应相接，环境监控和遥控单元16 的信号输出端与计算机系统10的信号输入端对应相接，环境监控和遥控单 元16与集线器17、网络18串接。
所述的垂直极化无源测向天线阵1，参见图6，沿高度方向分四层排列， 分别对应四个频段；最下层天线阵的工作频段为20 160MHz，由五付长1.8 米、直径40mm的无源宽孔径垂直偶极子天线组成大基础圆形阵列，阵列直 径约3米；往上第二层是160 500MHz频段的天线阵，由五付长约0.6米、 直径16mm的无源宽孔径垂直偶极子天线组成大基础圆形阵列，阵列直径有 所缩小；第三层是500 1350MHz频段的天线阵，由五付长约0.3米、直径 16mm的无源宽孔径垂直偶极子天线组成大基础圆形阵列，阵列直径进一步 缩小；第四层是1350 3000MHz频段的天线阵，由五付长约0. 2米、直径 17mm的无源宽孔径垂直偶极子天线组成大基础圆形阵列，阵列直径再次縮 小；最上端安装有避雷针，天线总高度约5米，阻抗为50[omega]，接口为N型
插座。
所述的水平极化无源测向天线阵2，参见图6，沿高度方向分为两层排 列(分别对应两个频段)。下层为30 300MHz频段天线阵，由五付水平放置 的无源宽孔径正交偶极子天线(两个长约0.5米、直径16mm的偶极子成十 字状交叉组合而成)组成大基础圆阵，阵列直径约3米；上层为300 1300MHz 频段天线阵，由五付水平放置的无源宽孔径正交偶极子天线(两个长约0.3 米、直径16,的偶极子成十字状交叉组合而成)组成大基础圆阵，阵列直 径有所缩小，天线阻抗为50Q。
所述的A电旋开关单元3，用于垂直极化波信号。它受监测测向处理模 块9的控制和供电。工作频段为20 3000MHz，内部有SW-20/5-F电旋开关 和SPL-1/5功率分配器。它相当于一个高频电子开关，有20个信号输入端、 5个信号输出端、l个控制/供电端口、 l个自校信号输入端，它受控同时打 通某个频段的5路信号通道和自校信号通道。来自接收机(或外接)的自 校信号经SPL-1/5功率分配器后被分成5路，用于对20 160MHz频段或 160 500MHz频段或500 1350MHz或1350 3000MHz频段工作的系统进行 自校。其工作原理当控制电压V1、 V2加电，二极管D1 D3导通时，来 自天线1的信号就可传到节点A，当控制电压V2、 V3加电，二极管D4 D6 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D7 D9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D10 D12导通时，节点A的信号就可从辅助路输出。如图2所示。
B电旋开关单元4，用于水平极化波信号。它受监测测向处理模块9的 控制和供电。工作频段为30 1300MHz，内部有SW-10/5-F电旋开关和 SPL-l/5功率分配器。它相当于一个高频电子开关，有10个信号输入端、5 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 通某个频段的5路信号通道和自校信号通道。来自接收机(或外接)的自 校信号经SPL-1/5功率分配器后被分成5路，用于对30 300MHz频段或 300 1300MHz频段工作的系统进行自校。
选择器(10:5) 5是对从A电旋开关单元、B电旋开关单元输入的两组 共10路信号进行选择，从中选取1组共5路信号输出。它有10个输入端、 5个输出端和l个控制/供电端。
RF三功能放大器模块6，工作频率为20 3000腿z，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。由5个独立的低噪声 放大器组成，分别对来自选择器5的5路信号进行处理。它们各有1个控 帝iJ/供电端、1个输入端、1个输出端。三功能放大器的工作原理其由A 高频继电器、B高频继电器、放大电路、衰减电路和电源组成。高频继电器 的型号为RF303-12，放大器中的放大管型号为ERA-51SM。 +12V电源受软 件控制分别加到A高频继电器和B高频继电器上。当A高频继电器加电， 而B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，再经B 高频继电器的直通部分输出。即为"放大"。当A高频继电器不加电，而B 高频继电器加电时，输入信号经A高频继电器的直通部分后到达高频继电 器的衰减电路，经衰减后输出。即为"衰减"。当A高频继电器和B高频继 电器都不加电时，输入信号经A高频继电器和B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。
监测测向选择器7，对来自测向天线系统和监测天线系统的信号进行选 通，输出用于测向的5路信号或用于监测的4路信号到五信道监测测向接 收机8中。 '
五信道监测测向接收机8，对测向天线或监测天线所接收到的空中无线 电信号进行变频、采样、解调、解码以及A/D变换等，输出包括信号频率、 幅度、频偏、调制度、带宽、电平等信息的模拟或数字中频信号，再送到 计算机系统IO (ADVANTECHIPC-610)处理。本实施例中选用江西省九江市 713厂的J067数字式五信道监测测向接收机，进行五信道的监测和空间谱 估计超分辨率测向。其由五个板卡式接收机组成，采用PCI总线结构和模 块化设计， 一块板卡就是一个接收信道，板卡插在PCI插槽的19"标准机 箱内，用压条固定。当系统在测向时，五信道接收机同时工作，共用同一
本振源，相位一致性好，保证了空间谱估计超分辨率测向系统的高精度。
而当系统不测向时，又可通过软件自动切换到监测测量，用作对来自 监测天线的信号进行多信道分别处理，适应不同频域、调制域、时域的监 测测量，真正做到一机两用，充分利用资源。
监测测向处理模块9 (型号为DFC 050U是系统各部分控制驱动单元 和直流供电单元。处理模块通过并口与计算机系统通讯，接受计算机系统 的控制指令，实施对有关单元的控制。如对A电旋开关单元、B电旋开关 单元、选择器(10:5)、 RF三功能放大器模块、监测测向选择器、五信道监 测测向接收机等的控制，使系统按着软件程序对无线电信号进行监测和测 向。
计算机系统10为工业控制计算机(ADV認TECH IPC-610)，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。其作为应用软 件的载体，除了执行程序(包括存储、打印)夕卜，还对大量的数据、音频、 视频等进行处理，它通过对从天线阵元接收到的大量数据信息进行处理， 采用先进的统计算法一一多重信号分类(MUSIC)算法，从而得出信号的方 位。在空间谱估计超分辨率测向中，测量所有可能天线阵元接收到的信号 电压，生产测量协方差矩阵R，该矩阵用于分辨接收信号中的同信道分量。 MUSIC算法的过程为先计算协方差矩阵R，对R进行特征分解求出其特征值 和特征向量。根据特征值可以确定信号源的数量，利用由特征向量组成的 信号子空间和噪声子空间的正交关系，对两个子空间进行适当的处理，确 定无线电信号的来波方向。超分辨率测向使用内插方位值来计算多个方位 角，该值根据与测量协方差矩阵R生产的信号子空间最匹配的方位校准矢 量生成。
垂直极化监测天线11，包括ANT-BC-104低端监测天线和ANT-BC-105 高端监测天线两种，均为垂直放置的、在水平面内无方向性、在垂直面内 成八字形波瓣方向图的无源双锥全向天线。ANT-BC-104低端监测天线工作 频段为20 700MHz，可伸縮，最大直径约1.8米，最大高度约1.8米，
总重量约6Kg，阻抗50Q，接口型式为N型插齊；ANT-it)5高端监测天 线工作频段为500 3000MHz，直径约0. 3米，高度0.4米，总重量小于 4Kg，阻抗50Q，接口型式为N型插座。
水平极化监测天线12，是一种在垂直平面内无方向性、在水平面内成 八字形波瓣方向图的有源全向天线，它根据频段分为低端(20MHz 700MHz) 和高端(500MHz 3000MHz)两种。输入阻抗50Q,接口型式为N型插座。
RF三功能放大器模块13，工作频率为20 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。由4个独立的低噪声 放大器组成，分别对来自垂直极化监测天线和水平极化监测天线的4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。其工 作原理前面已有叙述，这里略。
电池组或巿电14包括市电220VAC和蓄电池组(8节12V100AH)。
UPS 15为不间断电源，型号为APC 3000VA在线式。
所述的环境监控和遥控单元16,由远程开关控制模块(接受控制指令 对系统设备上下电、计算机复位、空调启动等进行控制)、数据采集器(用 于现场220VAC的AD采集、读取设备上下电状况及电压数据等)、网络视频 服务器(型号为DS-6001HC,用于传输现场图像)、彩色摄像头(型号为三星 101)、电压传感器(型号为DYH28-14A,用于将220V交流电转化为5V的交 流电)、温湿度传感器(型号为JWSL-3W)、烟雾报警器(型号为BT-168A)、 红外报警器(型号为BT-922R)等部份组成。它通过NJ45接口与集线器17 相联，集线器再与有线/无线传输网络18相接。在控制中心软件(DESCO DF7.0)作用下，可对远程固定站进行遥控操作，包括开关机、接收控制中 心指令进行监测、监听、录音、测向或交汇定位，并将监测监听测向结果 回传到控制中心。此外，对远程站的工作状态、设备连接状态、环境状态 进行监测，并通过传输链路将环境、工作状态等监测数据和通过摄像头把 远程监视的图像送到控制中心进行监视。如有异常(含盗窃、火警等)将 及时报警。
对照图6，其中19是避雷针，20是五单元垂直极化无源测向天线阵 (1350MHz — 3000MHz)， 21是五单元垂直极化无源测向天线阵(50圆z — 1350MHz), 22是五单元水平极化无源测向天线阵(300MHz— l300MHz)， 23 是五单元垂直极化无源测向天线阵(160MHz — 500MHz), 24是五单元水平极 化无源测向天线阵(30MHz —300MHz), 25是五单元垂直极化无源测向天线 阵(20MHz —160MHz )。
权利要求
1、双极化五信道无线电监测和超分辨率测向固定站系统，其特征是垂直极化无源测向天线阵的输出端与A电旋开关单元的输入端对应相接，水平极化无源测向天线阵的输出端与B电旋开关单元的第一输入端对应相接；A电旋开关单元的输出端与选择器(10:5)的第一输入端对应相接，B电旋开关单元的输出端与选择器(10:5)的第二输入端对应相接，选择器(10:5)的输出端与RF三功能放大器模块的第一输入端对应相接，RF三功能放大器模块的输出端与监测测向选择器的第一输入端对应相接；监测测向选择器的输出端与五信道监测测向接收机的第一输入端对应相接；监测测向处理模块的第一输出端与RF三功能放大器模块的第一输入端对应相接；监测测向处理模块的第二输出端与B电旋开关单元的第二输入端对应相接，监测测向处理模块的第三输出端与选择器(10:5)的第三输入端对应相接，监测测向处理模块的第四输出端与RF三功能放大器模块的第二输入端对应相接，监测测向处理模块的第五输出端与监测测向选择器的第二输入端对应相接；监测测向处理模块的第六输出端与五信道监测测向接收机的第二输入端对应相接；五信道监测测向接收机的输入/输出端与计算机系统的第一输出/输入端对应相接，计算机系统的第二输出/输入端与监测测向处理模块的输入/输出端对应相接，垂直极化监测天线的输出端与RF三功能放大器模块的第二输入端对应相接，水平极化监测天线的输出端与RF三功能放大器模块的第三输入端对应相接，RF三功能放大器模块的第一输出端与监测测向选择器的第三输入端对应相接，RF三功能放大器模块的第二输出端与监测测向选择器的第四输入端对应相接，电池组或市电的电源输出端与UPS的输入端对应相接，UPS的的第一输出端与监测测向处理模块的输入端对应相接，UPS的的第二输出端与环境监控和遥控单元的输入端对应相接，环境监控和遥控单元的输出端与计算机系统的输入端对应相接，环境监控和遥控单元与集线器、网络串接。
2、 根据权利要求1所述的双极化五信道无线电监测和超分辨率测向固定站系统，其特征是所述的垂直极化无源测向天线阵，沿高度方向分四层 排列，分别对应四个频段；最下层天线阵的工作频段为20 160MHz，由五 付长1. 8米、直径40mm的无源宽孔径垂直偶极子天线组成大基础圆形阵列， 阵列直径3米；往上第二层是160 500MHz频段的天线阵，由五付长0.6 米、直径16mm的无源宽孔径垂直偶极子天线组成大基础圆形阵列，阵列直 径有所缩小；第三层是500 1350MHz频段的天线阵，由五付长0.3米、直 径16mm的无源宽孔径垂直偶极子天线组成大基础圆形阵列，阵列直径进一 步缩小；第四层是1350 3000MHz频段的天线阵，由五付长0. 2米、直径 17mm的无源宽孔径垂直偶极子天线组成大基础圆形阵列，阵列直径再次縮 小；最上端安装有避雷针，天线总高度5米，阻抗为50Q，接口为N型插 座。
3、 根据权利要求1所述的双极化五信道无线电监测和超分辨率测向固 定站系统，其特征是所述的水平极化无源测向天线阵，沿高度方向分为两层 排列，分别对应两个频段；下层为30 300MHz频段天线阵，由五付水平放 置的无源宽孔径正交偶极子天线，两个长0. 5米、直径16mm的偶极子成十 字状交叉组合组成大基础圆阵，阵列直径3米；上层为300 1300MHz频段 天线阵，由五付水平放置的无源宽孔径正交偶极子天线，两个长0.3米、 直径16mm的偶极子成十字状交叉组合组成大基础圆阵，阵列直径有所縮小， 天线阻抗为50Q。
4、 根据权利要求1所述的双极化五信道无线电监测和超分辨率测向固 定站系统，其特征是所述的A电旋开关单元，工作频段为20 3000MHz，内 部有SW-20/5-F电旋开关和SPL-1/5功率分配器，相当于一个高频电子开 关，有20个信号输入端、5个信号输出端、l个控制/供电端口、 l个自校 信号输入端。
5、 根据权利要求1所述的双极化五信道无线电监测和超分辨率测向固 定站系统，其特征是所述的B电旋开关单元，工作频段为30 1300MHz，内 部有SW-10/5-F电旋开关和SPL-1/5功率分配器，相当于一个高频电子开 关，有10个信号输入端、5个信号输出端、l个控制/供电端口、 l个自校 信号输入端。
6、 根据权利要求1所述的双极化五信道无线电监测和超分辨率测向固 定站系统，其特征是所述的选择器(10:5)是对从A电旋开关单元、B电旋 开关单元输入的两组共10路信号进行选择，从中选取1组共5路信号输出， 它有10个输入端、5个输出端和1个控制/供电端。
7、 根据权利要求1所述的双极化五信道无线电监测和超分辨率测向固 定站系统，其特征是所述的二个RF三功能放大器模块，工作频率为20 3000MHz。
8、 根据权利要求1所述的双极化五信道无线电监测和超分辨率测向固 定站系统，其特征是所述的垂直极化监测天线，包括ANT-BC-104低端监测 天线和ANT-BC-105高端监测天线两种，均为垂直放置，在水平面内无方向 性，在垂直面内成八字形波瓣方向图的无源双锥全向天线，ANT-BC-104低 端监测天线工作频段为20 700MHz，可伸缩，最大直径1.8米，最大高 度约1.8米，阻抗50Q，接口型式为N型插座；ANT-BC-105高端监测天线 工作频段为500 3000MHz，直径0.3米，高度0. 4米，阻抗50Q，接口 型式为N型插座。
9、 根据权利要求1所述的双极化五信道无线电监测和超分辨率测向固 定站系统，其特征是所述的水平极化监测天线，是一种在垂直平面内无方 向性、在水平面内成八字形波瓣方向图的有源全向天线，它根据频段分为 低端20MHz 70(MHz和高端:500MHz 3000MHz两种，输入阻抗50Q， 接口型式为N型插座。
全文摘要
本发明是双极化五信道无线电监测和超分辨率测向固定站系统，其结构包括垂直极化无源测向天线阵、水平极化无源测向天线阵、二个电旋开关单元、选择器(10:5)、二个RF三功能放大器模块、监测测向选择器、五信道监测测向接收机、监测测向处理模块、计算机系统、垂直极化监测天线、水平极化监测天线等。优点可有效区分多个同时出现的同信道信号，改善了系统处理带宽内空间信号的角度估计精度、角度分辨力及其他相关参数精度；采用无源宽孔径大基础双极化测向天线阵，解决了各天线阵元间的互耦问题，排除了单元天线间的耦合和相位模糊。系统实现了对垂直极化波的无线通讯信号和水平极化波的广播电视信号的超分辨率监测测向。
文档编号G01R31/00GK101363890SQ200810196488
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月10日 优先权日2008年9月10日
发明者俞惟铨 申请人:俞惟铨