多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向系統的製作方法
2023-10-10 00:28:19
本實用新型涉及無線電測向技術領域，更具體地說涉及一種多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向系統。
背景技術：
一方面，社會的發展促使無線電事業迅速發展，無線電測向技術作為無線電監測、技術偵查和電子對抗的一項重要的技術手段，已得到業界越來越多的關注。根據測向原理的不同，測向體制可分為幅度法、相位法、都卜勒法、時間差法和空間譜估計法等。
幅度法測向系統由於其結構簡單、性能穩定等優點而被廣泛運用於無線電測向領域。幅度法按幅度信息利用方式的不同，可細分為最大信號法（也稱大音點法）、最小信號法（也稱小音點法）和幅度比較法；按接收通道數量的不同，可細分為單通道和多通道兩種；按接收天線數量的不同，可細分為單天線和多天線兩種。對於多通道幅度法測向系統，系統要求每個波束天線和其接收通路都有著嚴格一致的幅度特性；而基於單接收通道的幅度法測向系統降低了各通道幅度特性不一致對系統測向性能的影響，其測向精度可得到大幅度提高，但時效性不如多通道幅度法測向系統。
目前已有的幅度法測向技術分別具有以下缺陷：
1、最大信號法測向雖然測向靈敏度高，但測向精確度不高，測向速度慢。因為一方面，定向天線的方向圖在最大增益角度附近變化平緩，對角度變化不敏感；另一方面，需要大量的天線方位角-信號強度數據對，才能得出最大信號所在的天線方位角。
2、最小信號法雖然測向精確度較高，但測向靈敏度不高，測向速度慢。因為一方面，定向天線的方向圖在最小增益角度附近變化陡峭，但此處天線增益低；另一方面，需要大量的天線方位角-信號強度數據對，才能得出最大信號所在的天線方位角。
3、已有的幅度比較法，幅度的比較由電路實現，對部件的一致性要求高，調試難度大，且只能進行實時測向。
第二方面，隨著無線電技術的迅猛發展，高速跳頻、擴頻、時分復用、複雜調製等新技術得到越來越廣泛的應用，短脈衝信號、掃頻幹擾等各種低截獲概率信號日益增多，利用傳統技術手段進行無線電信號監測面臨諸多困難，難以對瞬態信號和不同瞬時發射概率的同頻信號進行測向。而數字螢光頻譜技術合理解決快速傅立葉變換（FFT）頻譜速度快而人眼觀察速度有限的瞬時頻譜幅度分布頻次分析顯示技術，可以在瞬時間內累積大量的頻譜圖，累積效果用位圖顏色顯示，顏色對應規則一般是紅色、橙色、黃色等暖色表明發生頻次（即出現概率）較高，黑色、藍色、淺藍色等冷色表明發生頻次較低，還可以使用其它幅度等級方案。這樣就能將快速的、隱秘的信號變化過程用瞬時頻譜幅度分布頻次的形式展現出來，能夠偵測各種瞬態信號、同頻信號，滿足複雜電磁環境下的無線電監測工作需要。典型的產品有美國泰克公司生產的H500/H600型可攜式實時頻譜分析儀和RSA6100A系列實時頻譜分析儀、德國羅德與施瓦茨公司生產ESMD型監測接收機、美國是德科技公司生產的9020/9030型頻譜分析儀配置RTSA選件等等。利用數字螢光頻譜數據進行測向，就能夠解決瞬態信號和不同瞬時發射概率的同頻信號的測向難題，但傳統的測向方法大都不適用數字螢光頻譜。成都點陣科技有限公司對此作了有益的探索，2011年將數字螢光頻譜技術用於其DZM-80型可攜式監測測向系統中，震驚美國，導致美國泰克公司的H600型實時頻譜儀對中國的禁運。從本質上說，成都點陣科技有限公司當時採用的仍然是最大信號法，申請了申請號為201110209773.7的「利用瞬時頻譜幅度分布頻次數據的無線電測向方法」發明專利，由於在主權利項表述得創新性不夠，未獲得專利權。
第三方面，最優化方法也稱做運籌學方法，是近幾十年形成的，它主要運用數學方法研究各種系統的優化途徑及方案，目的在於針對所研究的系統，求得一個合理運用各子系統能力的最佳方案，發揮和提高系統的效能及效益，最終達到系統的最優目標。在工業、農業、交通運輸、商業、國防、建築、通信、政府機關等各部門各領域的實際工作中，人們經常會遇到求函數的極值或最大值最小值問題，這一類問題就是最優化問題，而求解最優化問題的數學方法被稱為最優化方法，它主要解決最優生產計劃、最優分配、最佳設計、最優決策、最優管理等求函數最大值、最小值問題。但迄今尚未用於無線電測向領域。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術的缺陷，本實用新型將最優化方法引入無線電測向領域，提供了一種多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向系統，本實用新型採用至少三付已知方向特徵的定向天線接收無線電信號，並對接收到的無線電信號進行處理，通過最優化方法進行測向。本實用新型的目的在於：解決現有技術中測向靈敏度、精確度和測向速度不能兼顧的問題，提出了一種兼有高靈敏度、高精確度，對部件的一致性要求不高，能夠快速的測向的幅度測向系統及方法；同時還能夠滿足最優化計算所需數據，可以對測量結果進行最優化計算，快速地進行測向。
為了解決上述現有技術中存在的問題，本實用新型是通過下述技術方案實現的：
多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向系統，其特徵在於：包括
至少三付已知方向特徵的且定單向的定向天線；
用於控制多付定向天線與監測接收設備之間連通的電控射頻開關；
用於接收定向天線接收到的無線電信號，並分別將接收到的無線電信號的幅頻特徵處理為螢光頻譜數據的監測接收設備；
用於與監測接收設備連接，並處理監測接收設備測得的螢光頻譜數據，進行無線電測向的微處理器；
所述監測接收設備與微處理器建立雙向通信連接。
所述定向天線為對數周期天線、八木天線、喇叭天線、雙脊喇叭天線和複合環天線中的一種或多種的組合。
多付定向天線均相同，任意兩付定向天線之間的夾角不大於定向天線的主波束寬度。
多付定向天線不相同，任意兩付相鄰定向天線之間的夾角不大於兩付定向天線主波束寬度的平均值。
無線電測向系統還包括用於與微處理器連接，測量定向天線所指方位角的電子羅盤；所述電子羅盤與微處理器雙向通信連接。
所述監測接收設備為無線電接收機、掃頻頻譜儀或FFT頻譜儀。
適用於本實用新型多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向系統的測向方法可以是：
多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向方法，其特徵在於：
通過至少三付已知方向特徵的且定單向的定向天線，接收無線電信號；
通過電控射頻開關控制多付定向天線與監測接收設備之間的連通，多付定向天線輪流與監測接收設備連通，定向天線將接收到的無線電信號傳輸至監測接收設備中；
通過監測接收設備接收定向天線接收到的無線電信號，並將接收到的無線電信號的幅頻特徵處理為螢光頻譜數據；
通過微處理器接收監測接收設備測得的螢光頻譜數據並進行分析，獲得不同方位角上特定頻率和特定瞬時概率的實測信號強度；
在微處理器中進行最優化建模，以無線電信號方位角為決策變量，以不同方位角上實測信號強度與根據該方位角上的定向天線的方向特徵推算的信號強度之間偏差的累積量為目標函數，建立無約束非線性規劃模型；
通過微處理器進行優化計算，求解特定頻率上特定瞬時概率的信號來波方向，使得偏差累積量最小的信號方位角即是信號來波方向。
所述無約束非線性規劃模型為最小二乘法模型或最小距離法模型。
所述最小距離法模型包括最小曼哈頓距離模型、最小歐式距離模型或最小切比雪夫距離模型。
與現有技術相比，本實用新型所帶來的有益的技術效果表現在：
1、本實用新型公開的測向系統，兼有最大信號法、最小信號法和已有幅度比較法的優點，充分利用了定向天線的所有方向特性，測向靈敏度高，測向精確度也高，而且對部件的一致性要求不高；為最優化計算提供數據支撐，不僅能夠實時測向，也能夠利用存儲的數據事後測向。
2、本實用新型還提供了一種多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向方法，本實用新型公開的測向方法可以達到實時測向，本實用新型的測向方法兼有最大信號法、最小信號法和已有幅度比較法的優點，充分利用了定向天線的所有方向特性，測向靈敏度高，測向精確度也高，而且對部件的一致性要求不高；為最優化計算提供數據支撐，不僅能夠實時測向，也能夠利用存儲的數據事後測向。
3、可以適用於本實用新型測向系統的測向方法，以信號方位角為決策變量，以不同方位角上特定頻率的實測信號強度與根據定向天線的天線特性推算的信號強度之間偏差的累積量為目標函數，建立無約束非線性規劃模型；並通過微處理器進行最優化計算，求解特定頻率上的信號來波方向，使得偏差累積量最小的信號方位角即是信號來波方向，實現了無線電信號的實時測向，與現有技術相比本實用新型方法的效果表現在：首創利用數字螢光頻譜的固定天線無線電測向，解決了瞬態信號和同頻信號的快速測向問題。傳統的固定天線無線電測向方法，包括幅度比較法、相位法、都卜勒法、時間差法和空間譜估計法等，利用電子線路實現，無法利用數字螢光頻譜數據，也就無法實現固定天線無線電測向。本發明的測向方法，在微處理器中以最優化方法進行測向運算，所以能夠實現利用數字螢光頻譜的固定天線無線電測向。
附圖說明
圖1為本實用新型系統結構示意圖。
具體實施方式
實施例1
作為本實用新型一較佳實施例，參照說明書附圖1，本實施例公開了：
多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向系統，包括：
至少三付已知方向特徵的且定單向的定向天線；
用於控制多付定向天線與監測接收設備之間連通的電控射頻開關；
用於接收定向天線接收到的無線電信號，並分別將接收到的無線電信號的幅頻特徵處理為螢光頻譜數據的監測接收設備；
用於與監測接收設備連接，並處理監測接收設備測得的螢光頻譜數據，進行無線電測向的微處理器；
所述監測接收設備與微處理器建立雙向通信連接。
實施例2
作為本實用新型又一較佳實施例，參照說明書附圖1，本實施例公開了：
多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向系統，包括：
至少三付已知方向特徵的且定單向的定向天線；
用於控制多付定向天線與監測接收設備之間連通的電控射頻開關；
用於接收定向天線接收到的無線電信號，在本實施例中，監測接收設備分別將接收到的每付定向天線的無線電信號的幅頻特徵處理為螢光頻譜數據；
用於與監測接收設備連接，並處理監測接收設備測得的螢光頻譜數據，進行無線電測向的微處理器；
所述監測接收設備與微處理器建立雙向通信連接；
所述定向天線為對數周期天線、八木天線、喇叭天線、雙脊喇叭天線和複合環天線中的一種或多種的組合。在本實施例中多付定向天線可是全部都是對數周期天線或者全部都是八木天線或者全部都是喇叭天線或者全部都是雙脊喇叭天線或者全部都是複合環天線；也可以是多付定向天線分別採用不同類型的天線。
實施例3
作為本實用新型又一較佳實施例，參照說明書附圖1，本實施例公開了：
多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向系統，包括：
至少三付已知方向特徵的且定單向的定向天線；
用於控制多付定向天線與監測接收設備之間連通的電控射頻開關；
用於接收定向天線接收到的無線電信號，在本實施例中，監測接收設備分別將接收到的每付定向天線的無線電信號的幅頻特徵處理為螢光頻譜數據；
用於與監測接收設備連接，並處理監測接收設備測得的螢光頻譜數據，進行無線電測向的微處理器；
所述監測接收設備與微處理器建立雙向通信連接；
所述定向天線為對數周期天線、八木天線、喇叭天線、雙脊喇叭天線和複合環天線中的一種。在本實施例中多付定向天線可是全部都是對數周期天線或者全部都是八木天線或者全部都是喇叭天線或者全部都是雙脊喇叭天線或者全部都是複合環天線；多付定向天線均相同，任意兩付定向天線之間的夾角不大於定向天線的主波束寬度。
在本實施例中，也可以是多付定向天線分別採用不同類型的天線，多付定向天線不相同，任意兩付相鄰定向天線之間的夾角不大於兩付定向天線主波束寬度的平均值。
在本實施例中天線個數需滿足N≥CEIL（360/S），且N≥3，就能夠準確測向，S表示天線主波束寬度。
實施例4
作為本實用新型又一較佳實施例，參照說明書附圖1，本實施例公開了：
多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向系統，包括：
4付已知方向特徵的且定單向的定向天線；
用於控制多付定向天線與監測接收設備之間連通的電控射頻開關；
用於接收定向天線接收到的無線電信號，在本實施例中，監測接收設備分別將接收到的每付定向天線的無線電信號的幅頻特徵處理螢光頻譜數據；
用於與監測接收設備連接，並處理監測接收設備測得的螢光頻譜數據，進行無線電測向的微處理器；
所述監測接收設備與微處理器建立雙向通信連接；
所述定向天線為對數周期天線、八木天線、喇叭天線、雙脊喇叭天線和複合環天線中的一種。在本實施例中多付定向天線可是全部都是對數周期天線或者全部都是八木天線或者全部都是喇叭天線或者全部都是雙脊喇叭天線或者全部都是複合環天線；多付定向天線均相同，任意兩付定向天線之間的夾角不大於定向天線的主波束寬度；
在本實施例中，也可以是多付定向天線分別採用不同類型的天線，多付定向天線不相同，任意兩付相鄰定向天線之間的夾角不大於兩付定向天線主波束寬度的平均值；
無線電測向系統還包括用於與微處理器連接，測量定向天線所指方位角的電子羅盤；所述電子羅盤與微處理器雙向通信連接；所述監測接收設備包括無線電接收機、掃頻頻譜儀或FFT頻譜儀。採用的監測接收設備與處理無線電信號幅頻特徵後的數據相匹配。
實施例5
適用於本實用新型多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向系統的測向方法可以是：多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向方法，
通過至少三付已知方向特徵的且定單向的定向天線，接收無線電信號；
通過電控射頻開關控制多付定向天線與監測接收設備之間的連通，多付定向天線輪流與監測接收設備連通，定向天線將接收到的無線電信號傳輸至監測接收設備中；
通過監測接收設備接收定向天線接收到的無線電信號，並將接收到的無線電信號的幅頻特徵處理為螢光頻譜數據；
通過微處理器接收監測接收設備測得的螢光頻譜數據並進行分析，獲得不同方位角上特定頻率和特定瞬時概率的實測信號強度；
在微處理器中進行最優化建模，以無線電信號方位角為決策變量，以不同方位角上實測信號強度與根據該方位角上的定向天線的方向特徵推算的信號強度之間偏差的累積量為目標函數，建立無約束非線性規劃模型；
通過微處理器進行優化計算，求解特定頻率上特定瞬時概率的信號來波方向，使得偏差累積量最小的信號方位角即是信號來波方向。
實施例6
適用於本實用新型多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向系統的測向方法可以是：多天線單通道的最優化比幅螢光頻譜無線電測向方法，
通過4付已知方向特徵的且定單向的定向天線，接收無線電信號；
通過電控射頻開關控制4付定向天線與監測接收設備之間的連通，4付定向天線輪流與監測接收設備連通，定向天線將接收到的無線電信號傳輸至監測接收設備中；
通過監測接收設備接收定向天線接收到的無線電信號，並將接收到的無線電信號的幅頻特徵處理為螢光頻譜數據；
通過微處理器接收監測接收設備測得的螢光頻譜數據並進行分析，獲得不同方位角上特定頻率和特定瞬時概率的實測信號強度；
在微處理器中進行最優化建模，以無線電信號方位角為決策變量，以不同方位角上實測信號強度與根據該方位角上的定向天線的方向特徵推算的信號強度之間偏差的累積量為目標函數，建立無約束非線性規劃模型；在本實施例中，建立的無約束非線性規劃模型，可以是通過最小二乘法建立的最小二乘法模型，也可以是通過最小距離法建立的最小距離法模型；通過最小距離法建立模型時，還可以建立最小曼哈頓距離模型，也可以建立最小歐式距離模型，還可以建立最小切比雪夫距離模型；
通過微處理器進行優化計算，求解特定頻率上特定瞬時概率的信號來波方向，使得偏差累積量最小的信號方位角即是信號來波方向。