专利名称：垂直极化单信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是垂直极化单信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，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：
随着科技的不断进步，高性能计算机的普及、先进的信号处理手段的运用使得单信道相关干涉测向成为可能，结合高性能单信道接收机，即可实现无线电监测与测向。目前，同类产品有德国R/S公司的DDF190型单信道系统，但其价格相当昂贵，且测向速度较慢(信号最短驻留时间为50ms)，无法满足国内需求。
发明内容
本发明的目的在于提出垂直极化单信道无线电监测测向固定站系统。针对上述问题，提出用一种单信道监测测向接收机，配合射频预处理器、大口径有源测向天线阵、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，采用单信道相关干涉仪测向体制，实现对垂直极化波的无线电通信信号进行监测监听、测向定位，而监测和测向可分时进行。
本发明的技术解决方案其结构是大基础干涉仪测向天线阵(垂直极化)的输出端接高、低端电旋开关的第一输入端；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；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三输入端相接；工业控制计算机的第一、第二、第三输出/入端分别与单信道监测测向接收机、监测测向控制器的输入/出端以及集线器的第一输入/出端对应相接；低端垂直极化监测天线、高端垂直极化监测天线的输出端分别与第二天线选择器的第一、第二输入端相接；第二天线选择器的输出端与射频预处理的第四输入端相接；集线器的第二、第三输入/出端分别与环境监控和遥控电源单元、网络的输出/入端相接；UPS的第一输出端、环境监控和遥控电源单元的输出端分别与工业控制计算机的第一、第二输入端相接；UPS的第二输出端与环境监控和遥控电源单元的输入端相接。
本发明的优点采用相关干涉仪测向体制，一对天线元同时采样，确保同步、快速、精确。采用九单元大口径有源测向天线阵，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。可兼容多种单信道监测测向接收机，监测和测向能分时进行，系统性价比高。
附图1是本发明实施例电原理框图。
附图2三功能RF放大器电原理框图附图3是垂直极化单信道无线电监测测向固定站系统中所用的测向天线阵示意图。
附图4是环境监控和遥控电源单元的结构框图。
附图5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6是本发明软件控制系统流程图。
图中的1是大基础干涉仪测向天线阵(垂直极化)、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是工业控制计算机、9是低端垂直极化监测天线、10是高端垂直极化监测天线、11是第二天线选择器、12是电池组或市、13是UPS、14是环境监控和遥控电源单元、15是集线器、16是网络。17是避雷针、18是九单元垂直极化有源测向天线阵1000MHz-3000MHz、19是九单元垂直极化有源测向天线阵200MHz-1000MHz、20是九单元垂直极化有源测向天线阵20MHz-200MHz。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。
具体实施例方式
对照附图1，其结构是大基础干涉仪测向天线阵(垂直极化)1的输出端接高、低端电旋开关2的第一输入端；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；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11的第三输入端相接；工业控制计算机8的第一、第二、第三输出/入端分别与单信道监测测向接收机6、监测测向控制器7的输入/出端以及集线器15的第一输入/出端对应相接；低端垂直极化监测天线9、高端垂直极化监测天线10的输出端分别与第二天线选择器11的第一、第二输入端相接；第二天线选择器11的输出端与射频预处理器5的第四输入端相接；集线器15的第二、第三输入/出端分别与环境监控和遥控电源单元14、网络16的输出/入端相接；UPS13的第一输出端、环境监控和遥控电源单元14的输出端分别与工业控制计算机8的第一、第二输入端相接；UPS13的第二输出端与环境监控和遥控电源单元14的输入端相接。
所述的垂直极化大基础干涉仪测向天线阵1，共分三层排列(对应三个频段)，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，整个垂直极化干涉仪测向天线阵共有27根天线振子，用于接收信号。最下层为A波段(20MHz～200MHz)，阵列最大直径3.0米，单元偶极子最长1.8米；在其上是B波段(200MHz～1000MHz)，阵列直径和偶极子长度都有所缩小；最上层是C波段(1000MHz～3000MHz)，阵列直径和偶极子长度再一次缩小。天线阻抗为50Ω，总高度(含避雷针)为4.8m。
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7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18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D4-6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D7-9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D10-12导通时，节点A的信号就可从辅助路输出(如图5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4的测向天线主辅路信号、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工业控制计算机8(ADVANTECHIPC-610)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。
工业控制计算机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。
低端垂直极化监测天线9和高端垂直极化监测天线10均为在水平面内无方向性的双锥无源全向天线，低端工作频率为20MHz～700MHz，高端工作频率为500MHz～3000MHz。输入阻抗50Ω，接口型式为N型插座。低端天线尺寸为直径1732mm；高度1223mm。高端天线尺寸为直径250mm；高度370mm。
第二天线选择器11，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。
电池组或市电12包括市电220VAC和蓄电池组(8节12V100AH)。
UPS 13为不间断电源，型号为APC 2200VA在线式。
权利要求
1.垂直极化单信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是大基础干涉仪测向天线阵(垂直极化)的输出端接高、低端电旋开关的第一输入端；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；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三输入端相接；工业控制计算机的第一、第二、第三输出/入端分别与单信道监测测向接收机、监测测向控制器的输入/出端以及集线器的第一输入/出端对应相接；低端垂直极化监测天线、高端垂直极化监测天线的输出端分别与第二天线选择器的第一、第二输入端相接；第二天线选择器的输出端与射频预处理器的第四输入端相接；集线器的第二、第三输入/出端分别与环境监控和遥控电源单元、网络的输出/入端相接；UPS的第一输出端、环境监控和遥控电源单元的输出端分别与工业控制计算机的第一、第二输入端相接；UPS的第二输出端与环境监控和遥控电源单元的输入端相接。
2.根据权利要求1所述的垂直极化单信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是所述的垂直极化大基础干涉仪测向天线阵，共分三层排列(对应三个频段)，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，整个垂直极化干涉仪测向天线阵共有27根天线振子，用于接收信号；最下层为A波段(20MHz～200MHz)，阵列最大直径3.0米，单元偶极子最长1.8米；在其上是B波段(200MHz～1000MHz)，阵列直径和偶极子长度都有所缩小；最上层是C波段(1000MHz～3000MHz)，阵列直径和偶极子长度再一次缩小，天线阻抗为50Ω，总高度(含避雷针)为4.8m。
3.根据权利要求1所述的垂直极化单信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，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18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，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。
4.根据权利要求1所述的垂直极化单信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是第一天线选择器是一个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。
5.根据权利要求1所述的垂直极化单信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是三功能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。
6.根据权利要求1所述的垂直极化单信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是射频预处理器分为高端和低端RF预处理器，工作频率分别为1000MHz～3000MHz和20MHz～1000MHz。
7.根据权利要求1所述的垂直极化单信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是低端垂直极化监测天线和高端垂直极化监测天线均为在水平面内无方向性的双锥无源全向天线，低端工作频率为20MHz～700MHz，高端工作频率为500MHz～3000MHz；输入阻抗50Ω，接口型式为N型插座；低端天线尺寸为直径1732mm；高度1223mm，高端天线尺寸为直径250mm；高度370mm。
8.根据权利要求1所述的垂直极化单信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，其特征是第二天线选择器是一种2∶1选择器，它对来自低端垂直极化监测天线和高端垂直极化监测天线的信号进行选择，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。
全文摘要
本发明是垂直极化单信道无线电监测和相关干涉测向固定站系统，包括大基础干涉仪测向天线阵、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、工业控制计算机、高、低端垂直极化监测天线、集线器、环境监控和遥控电源单元、UPS等。优点采用相关干涉仪测向体制，一对天线元同时采样，确保同步快速精确。九单元大口径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。宽带低噪声放大器具有放大、直通、衰减三种功能，可自动切换，扩大了接收信号的动态应用范围，兼容多种单信道监测测向接收机，监测和测向能分时进行，系统性价比高。
文档编号H04B17/00GK1885740SQ200610088298
公开日2006年12月27日 申请日期2006年7月10日 优先权日2006年7月10日
发明者俞文蕴 申请人:俞文蕴