一种实时跟踪瞄准式无人机干扰器的制作方法

1.本实用新型属于反无人机技术领域，具体地说，涉及一种实时跟踪瞄准式无人机干扰器。


背景技术：

2.反无人机技术是利用无线电技术对无人机的通讯信号进行跟踪监测并采取相应的反制措施，通过使无人机的导航系统、定位系统、控制系统或通信系统中的一个或者多个失效，最终使无人机失去作战功能的技术。
3.无人机跟踪监测的手段主要有雷达监测、无线电信号监测、光电跟踪和声波识别等。
4.无人机反制措施主要有定向大功率干扰信号压制、激光打击和物理反制等。
5.无线电信号监测识别包括分析信号的频率、带宽、调制方式、跳频图样等参数，提取信号特征，利用接收到的信号分析出无人机的通信方式甚至识别出无人机的型号，但是监测一般是通过计算机软件对采集的数据进行分析，时间比较久，无法跟踪跳频。
6.定向大功率干扰信号压制所需发射的干扰压制信号干扰带宽较大，发射功率较高，干扰效率较低。


技术实现要素：

7.本实用新型针对现有技术的上述缺陷和需求，提出了一种实时跟踪瞄准式无人机干扰器，包括接收天线、发射天线、功放模块、捷变频模块、fpga单元、参考时钟信号模块；所述fpga单元包括数据处理单元、切换控制模块、接收模块、发射模块、本地干扰信号生成模块、转发干扰信号模块；本实用新型通过上述设置，利用接收到的无人机与遥控器之间一般为跳频信号的通信信号，快速检测出信号在频谱中的位置，根据检测到的情况选择本地干扰信号生成模块或转发干扰信号模块产生带宽较小且针对性强的干扰压制信号，对跳频信号在保持载波的时间内迅速实施干扰压制。
8.本实用新型具体实现内容如下：
9.本实用新型提出了一种实时跟踪瞄准式无人机干扰器，包括接收天线、发射天线、功放模块、捷变频模块、fpga单元、参考时钟信号模块；
10.所述fpga单元包括数据处理单元、切换控制模块、接收模块、发射模块、本地干扰信号生成模块、转发干扰信号模块；
11.所述数据处理单元连接接收模块、本地干扰信号生成模块、转发干扰信号模块、切换控制模块、捷变频模块；所述数据处理单元通过本地干扰信号生成模块、转发干扰信号模块与发射模块连接；所述数据处理单元通过切换控制模块与所述接收模块、发射模块控制连接；
12.所述接收模块和发射模块与所述捷变频模块连接；
13.所述参考时钟信号模块、功放模块、接收天线分别与所述捷变频模块连接；所述捷
变频模块通过功放模块与所述发射天线连接。
14.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述fpga单元采用zynq7045芯片。
15.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述捷变频模块采用adrv9009捷变频子卡。
16.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述fpga单元中的数据处理单元与所述捷变频模块之间采用spi串口进行配置连接。
17.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述fpga单元中的接收模块、发射模块与所述捷变频模块之间采用jesd204b接口进行连接。
18.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述捷变频模块的rx接口与所述接收天线连接。
19.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述捷变频模块的tx接口与所述功放模块连接，并通过功放模块与所述发射天线连接。
20.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述本地干扰信号生成模块中包括两路并行设置的dds芯片。
21.为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述转发干扰信号模块中设置有一个ram芯片。
22.本实用新型与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
23.（1）本实用新型可以实时跟踪处理接收信号，快速监测到无人机通信信号后立即瞄准干扰压制，发射所需的发射功率也较小；
24.（2）本实用新型同时具备了监测和干扰压制的功能；
25.（3）本实用新型体积小，重量轻。
附图说明
26.图1为本实用新型的模块示意简图；
27.图2为本实用新型系统的运行流程示意图；
28.图3为本实用新型选择发送干扰模式的示意图；
29.图4为本实用新型的归一化视频图；
30.图5为本实用新型最终参数也能的干扰信号的i路时域波形示例图；
31.图6为本实用新型产生的正交信号对应的频谱示意图；
32.图7为本实用新型切换收发干扰的示意图；
33.图8为本实用新型的设备机箱及接口的正向立体示意图；
34.图9为本实用新型的设备机箱及接口的背向立体示意图。
35.其中：1、电源开关，2、adrv9009外供参考时钟口，3、adrv9009发射口，4、adrv9009备用发射口，5、adrv9009接收口，6、adrv9009第一备用观测接收口，7、adrv9009外部本振输入口，8、adrv9009第二备用观测接收口，9、adrv9009备用接收口，10、jtag接口，11、串口接口，12、网线，13、电源线插口。
具体实施方式
36.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将结合本实用新型实施例
中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
37.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
38.实施例1：
39.本实施例提出了一种实时跟踪瞄准式无人机干扰器，如图1所示，包括接收天线、发射天线、功放模块、捷变频模块、fpga单元、参考时钟信号模块；
40.所述fpga单元包括数据处理单元、切换控制模块、接收模块、发射模块、本地干扰信号生成模块、转发干扰信号模块；
41.所述数据处理单元连接接收模块、本地干扰信号生成模块、转发干扰信号模块、切换控制模块、捷变频模块；所述数据处理单元通过本地干扰信号生成模块、转发干扰信号模块与发射模块连接；所述数据处理单元通过切换控制模块与所述接收模块、发射模块控制连接；
42.所述接收模块和发射模块与所述捷变频模块连接；
43.所述参考时钟信号模块、功放模块、接收天线分别与所述捷变频模块连接；所述捷变频模块通过功放模块与所述发射天线连接。
44.工作原理：fpga(现场可编辑逻辑门阵列)选用了xilinx公司生产的zynq7045芯片；
45.接收模块、发射模块、切换控制模块均在fpga中实现；
46.adrv9009是由adi公司生产的一款捷变频子卡，可以实现将接收的射频信号下变频至基带，也可以实现将基带信号直接上变频为射频信号；
47.adrv9009中内置本振支持范围从75mhz至6ghz，支持200mhz收发带宽；
48.adrv9009捷变频子卡通过spi(串行外设接口)配置，spi通过zynq7045实现；
49.adrv9009与zynq7045之间数据交互使用jesd204b协议；
50.adrv9009需要外供一个30.72mhz的时钟信号作为参考时钟；
51.adrv9009的接收口rx口需要外接一个接收天线；
52.adrv9009的发射口tx口需要外接功放和发射天线。
53.如图2所示，具体应用方法如下：
54.步骤1：将捷变频模块的发射端关闭，接收端打开，通过接收天线接收射频信号；
55.步骤2：通过捷变频模块将接收到的射频信号下变频至基带并进行采样率为h mhz的数据采集；
56.步骤3：使用捷变频模块将采样后的数据通过fpga单元的接收模块发送到fpga单元的数据处理模块中；
57.步骤4：fpga单元的数据处理模块将接收到的采样数据进行长度为d的快速傅里叶
变换fft处理；对经过快速傅里叶变换fft处理后得到的频谱信息，进行分析、筛选，得到当前无人机通信信号的信号信息；所述信号信息包括载波值、带宽大下；
58.步骤5：根据获取得到的信号信息结合实际情况分析，选择本地干扰信号生成模块或者转发干扰信号模块进行干扰信号的基带信号的生成；并将选择的本地干扰信号生成模块或转发干扰信号模块生成的干扰信号的基带信号通过fpga单元的发射模块发送到捷变频模块中进行上变频，通过上变频生成干扰信号的射频信号，并通过功放模块、发射天线发送到空中。
59.实施例2：
60.本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述本地干扰信号生成模块中包括两路并行设置的dds芯片。
61.工作原理：所述本地干扰信号生成模块生成的干扰信号为一个线性调频信号的具体生成方法为：采用两路并行的dds芯片进行所需的线性调频信号的生成；两片dds芯片的参数设置方法具体如下：
62.对于单独的一个dds芯片，定义生成一个线性调频信号的瞬时频率为freq[n]，起始频率为f0，频率改变的步进为f
δ
，步长为t，采样率记为fs；所述瞬时频率为freq[n]的计算公式如下：
[0063]
freq[n]=f0+f
δ
*mod(n,t)；
[0064]
其中mod(n,t)表示对n整除t取余数；
[0065]
则单独的一个dds芯片的归一化瞬时频率freq
norm
[n]的具体计算公式如下：
[0066]
freq
norm
[n]=[f0+f
δ
*mod(n,t)]/fs[0067]
则当采用两个并行的dds芯片进行线性射频信号的生成时：
[0068]
定义两片dds芯片分别为dds0芯片和dds1芯片，对应的归一化瞬时频率分别定义为freq
norm_0
[n]和freq
norm_1
[n]，具体计算公式如下：
[0069]
freq
norm_0
[n]=freq
norm_1
[n-1]+[f0+f
δ
*mod(2*n-1,t)]/fs[0070]
freq
norm_1
[n]=freq
norm_0
[n]+[f0+f
δ
*mod(2*n,t)]/fs[0071]
其中n》0，且
[0072]
freq
norm_0
[0]=0
[0073]
freq
norm_1
[0]=f0/fs[0074]
此时两个dds芯片对应的采样率为fs/2；
[0075]
设fpga中dds芯片的总的相位控制字位宽为n比特，那么dds0芯片对应的相位控制字phy
n_0
[n]表示为
[0076]
phy
n_0
[n]=mod[round(freq
norm_0
[n]*2^n),2^n]
[0077]
其中round(a)表示最接近a的整数；
[0078]
同理，dds1芯片的相位控制字phy
n_1
[n]可表示为：
[0079]
phyn_1[n]=mod[round(freqnorm_1[n]*2^n),2^n]。
[0080]
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
[0081]
实施例3：
[0082]
本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述转发干扰信号模块中设置有一个ram芯片。
[0083]
工作原理：采用转发干扰信号模块生成干扰信号的基带信号的具体操作为：在fpga单元的数据处理模块进行步骤4的快速傅里叶变换fft时，使用ram芯片对当前处理数据进行同步存储，并对当前接收的信号数据是否为无人机通信信号进行判断；若判断为当前接收的信号数据为无人机通信信号，则停止对ram芯片内数据的修改，并将ram芯片内存储的数据作为干扰信号通过发射天线发送到空中。
[0084]
本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
[0085]
实施例4：
[0086]
本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上，对于fpga单元的数据处理模块进行快速傅里叶变换fft的延时dfft进行计算，具体计算公式为：
[0087]
dfft = s + d / h；
[0088]
其中：h为捷变频模块的采样率，d为快速傅里叶变换fft的长度，s为数据处理模块进行快速傅里叶变换fft的运算延时。
[0089]
本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。
[0090]
实施例5：
[0091]
本实施例在上述实施例1-4任一项的基础上，如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，给出一个实施举例：
[0092]
如图2所示，上电初始化干扰器中先运行fpga的逻辑部分，初始化所有数字模块，然后通过spi配置adrv9009捷变频子卡，等待进入工作模式；
[0093]
进入工作模式：
[0094]
adrv9009的发射端关闭，接收端打开，adrv9009将接收天线接收的射频信号下变频至基带并进行数据采集，采样率为245.76mhz；
[0095]
数据处理实现fpga对adrv9009采集数据的接收，并对数据进行fft(快速傅里叶变换)处理，使用了长度为512点的fft；
[0096]
对fft得到的频谱信息进行分析、筛选，得到当前无人机通信信号的载波值，带宽大小等信息；
[0097]
adrv9009的接收端关闭，发射端打开，将对应发射干扰模式的基带信号上变频至射频，通过发射天线发送到空中；
[0098]
手动控制或者自动控制发射持续时间，发射持续时间结束后再次进入adrv9009发射端关闭，接收端打开。
[0099]
工作原理：
[0100]
无人机与遥控器间的通信信号属于跳频信号，需要在很短的时间内完成监测和干扰压制。本实用新型能够快速跟踪当前通信信号，识别出载波及带宽等信息，并根据所识别出的信息发射干扰信号，本实用新型干扰信号产生干扰的本质是让无人机无法正确解析通信信号，最终导致功能失灵。
[0101]
本实用新型工作原理分为两部分：接收部分和发射部分。
[0102]
接收部分利用天线接收空中的射频信号，利用adrv9009对射频信号进行下变频处理，内部本振配置为2.45ghz(可根据实际情况修改)，下变频后得到基带的正交数据，采样率为245.76mhz，对该数据实时进行512点的fft，fpga中fft的ip核此时的运算延时为6.548us，则512点数据长度产生的延时dfft为:
[0103]
dfft=6.584+512/245.76=8.6673(us)
[0104]
对fft的结果进行分析、筛选、选择干扰信号等处理过程的总耗时小于512个时钟周期，另外，adrv9009关闭接收打开发射至最终射频信号稳定时间小于5us，最终可以预计，接收无人机的通信信号到发射出干扰信号的用时小于16us。
[0105]
发射部分主要是控制干扰信号播放延时，另外，adrv9009发射关闭接收打开至接收数据稳定同样也小于5us。
[0106]
实际发送的干扰信号可以有两种选择。如图3所示，目前本干扰设备的干扰信号模式分为本地干扰源干扰模式和转发式干扰模式，每种模式都需要利用频谱分析后的结果进行配置。
[0107]
本地干扰源模式的干扰信号产生方式如下：
[0108]
本地干扰源生成的干扰信号为一个线性调频信号，由于adrv9009的输入数据结构要求，需要通过两路并行dds产生所需的线性调频信号
[0109]
单独一个dds生成一个线性调频信号的瞬时频率记为freq[n]，起始频率记为f0，频率改变的步进为fδ，步长为t，采样率记为fs，若线性调频信号的时频图为锯齿波，那么
[0110]
freq[n]=f0+fδ*mod(n,t)
[0111]
其中mod(n,t)表示对n整除t取余数。
[0112]
归一化瞬时频率freqnorm[n]为：
[0113]
freqnorm[n]=[f0+fδ*mod(n,t)]/fs
[0114]
对应的归一化时频图如图4所示，此时t=200，fδ=0.5，fs=245.76mhz，f0=10mhz。
[0115]
将上述freqnorm[n]用两片并行dds产生，不妨记两片dds为dds0和dds1，对应的归一化瞬时频率分别记为freqnorm_0[n]和freqnorm_1[n]，那么
[0116]
freqnorm_0[n]=freqnorm_1[n-1]+[f0+fδ*mod(2*n-1,t)]/fs
[0117]
freqnorm_1[n]=freqnorm_0[n]+[f0+fδ*mod(2*n,t)]/fs
[0118]
其中n》0，且
[0119]
freqnorm_0[0]=0
[0120]
freqnorm_1[0]=f0/fs
[0121]
此时两个dds对应的采样率为fs/2。设fpga中dds的相位控制字位宽为n比特，那么dds0对应的相位控制字phyn_0[n]可以表示为
[0122]
phyn_0[n]=mod[round(freqnorm_0[n]*2^n),2^n]
[0123]
其中round(a)表示最接近a的整数，同理，dds1的相位控制字phyn_1[n]可表示为
[0124]
phyn_1[n]=mod[round(freqnorm_1[n]*2^n),2^n]
[0125]
最终产生的干扰信号的i路时域波形如图5所示，正交信号对应的频谱如图6所示，图6中对应的基带干扰信号频率范围为15mhz~100mhz。图5为adrv9009采集的干扰信号的i路信号，横坐标表示按照245.76mhz采样的得到样本的编号，纵坐标表示adrv9009实际采集的信号的数字化幅度，其为标量值，没有单位。q路信号与i路信号正交，有一定的类似，以图5关于i路信号的作为参考即可。图6为adrv9009采集的图5的i路信号以及与图5相关的q路信号利用fft计算后得到的频谱。横坐标为频率，单位为mhz，纵坐标为数字化的幅度，幅度同样也是标量，没有单位。
[0126]
转发式干扰模式的干扰信号产生方式如下：
[0127]
在fpga接收数据进行fft处理时，同时使用一个存储大小合适的ram对当前数据进行同步存储，存储大小根据不同使用情景可以调整，当算法判决得到此时接收数据为无人机通信信号时，停止对ram数据的修改，并循环播放此时ram中的数据作为干扰信号。
[0128]
本实用新型通过收发切换完成实时跟踪瞄准式干扰，实时切换收发干扰的过程如图7所示。图中不同的跳频时隙对应了不同段的频带。如果使用大功率干扰压制，由于大功率干扰压制需要覆盖跳频的所有频带，假设跳频频带的个数为l，跳频频带的带宽大小均为b，那么大功率干扰压制需要的扫频带宽为b*l，当扫频功率相同，扫频步进相同，在相同时间内，本实用新型干扰的效率e可以表示为
[0129]
e = (b*l) / b = l
[0130]
即干扰效率提高了l倍。
[0131]
图8和图9为为实时跟踪瞄准式无人机干扰器设备的整体结构图。机箱设备上包括如下接口：电源开关1，adrv9009外供参考时钟口2，adrv9009发射口3，adrv9009备用发射口4，adrv9009接收口5，adrv9009第一备用观测接收口6，adrv9009外部本振输入口7，adrv9009第二备用观测接收口8，adrv9009备用接收口9，jtag接口10，串口接口11，网线12，电源线插口13。
[0132]
本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。
[0133]
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。