一种新型的伪多普勒测向系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种新型的伪多普勒测向系统及方法。包括三维伪多普勒天线阵列、天线组合器、天线切换器、及切换器控制单元、信号接收器及计算单元；利用多个天线单元及天线单元组合构成的虚拟天线单元之间的高速切换进行空间辐射信号的接收，并利用三维空间中天线单元和虚拟天线单元构成的三个相互垂直面上相位中心点的变化获得接收到的信号的伪多普勒特征，以此特征来获得低频信号的相位偏移量并得到辐射信号的三维空间波达方向。本发明专利技术利用较少的天线单元可得到更多天线单元才能达到的测向精度，同时只利用一路接收电路进行测量，具有成本低、结构简单的优点。

A New Pseudo-Doppler Direction Finding System and Method

【技术实现步骤摘要】
一种新型的伪多普勒测向系统及方法
本专利技术属于无线电
中无线电信号测向方法，具体涉及一种新型的伪多普勒测向系统及方法。
技术介绍
近年来随着现代无线通信技术的发展，无线通信设备数量及频谱覆盖密度都显著増加。越来越多的基础设施开始依赖无线通信，因此一些突发或恶意的信号干扰可能会对用户造成巨大的财产损失；恐怖分子及反动势力也会利用无线信号进行联络或散布言论，威胁人民群众的人身及财产安全。因此无线信号源定位技术作为无线电监测的关键技术，在干扰源定位、违法信号侦测、可疑信号跟踪等领域起着至关重要的作用。软件定义无线电是一种无线电通信系统，其中通常在硬件中实现的组件(例如解调器、滤波器、放大器等)用计算机上的软件来实现。软件定义无线电的概念并不新鲜，它的起源可以追溯到19世纪70年代。长期以来，计算机执行此任务的速度太慢。近年来随着软件定义无线电硬件的价格不断下降，软件定义无线电已经获得了许多人的欢迎，其应用可以在许多领域中找到。软件定义无线电接收器的主要目的是将所需频率转换为中频，然后通过高速A/D转换器将其转换为数字数据。该过程的结果是数字信息流，通过其正弦和余弦分量的值表示原始无线电信号。无线通信的发展和普及使得相关监测部门对信源定位技术和设备的要求大大提高，我们可充分利用伪多普勒天线低成本、高灵活性的特点，使这一技术在更多场合发挥更大的作用。因此研究一套基于软件无线电技术以及RTL-SDR接收机的廉价、便携的无线信号定位装置是有其重大意义的。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术提供了一种新型的伪多普勒测向系统及方法，在增加设备稳定性的同时提高了测量精度。本专利技术利用多个天线单元及天线单元组合构成的虚拟天线单元之间的高速切换进行空间辐射信号的接收，并利用三维空间中天线单元和虚拟天线单元构成的三个相互垂直面上相位中心点的变化获得接收到的信号的伪多普勒特征，以此特征来获得低频信号的相位偏移量并得到辐射信号的三维空间波达方向。天线单元和虚拟天线单元通过天线切换器按一定的频率将各个轴面上的天线顺序切换，并联通射频接收电路，通过处理接收到的信号获得切换频率信号的相位变化值，并利用此结果来计算各个轴面上的波达方向角度来得到三维空间的波达方向。本专利技术的技术方案如下：一、一种新型的伪多普勒测向系统包括三维伪多普勒天线阵列、天线组合器、天线切换器、切换器控制单元、信号接收器和计算单元，三维伪多普勒天线阵列通过同轴线连接至天线组合器的输入端，天线组合器的输出端连接至天线切换器的输入端，天线组合器和天线切换器均连接至切换器控制单元，天线切换器的输出端通过同轴线连接至信号接收器，信号接收器通过USB接口连接至计算单元；所述三维伪多普勒天线阵列包括多个对称布置在三个轴面上的全向天线单元，三个轴面两两垂直围成球状阵列，三个轴面分别为三个圆盘的周面，每个圆盘沿周面均布有多个全向天线单元，且相邻两个圆盘的重合位点均设有一个全向天线单元；所有全向天线单元分别连接至天线组合器的输入接口；所述天线组合器设有多个分别与三维伪多普勒天线阵列的全向天线单元一一对应的的输入接口；天线组合器设有多个分别与天线切换器输入接口一一对应的输出接口；每个天线组合器的输出接口的输入为天线组合器输入接口中的一路或两路的组合，通过切换器控制单元控制每个输出接口每个时刻的输出。相邻两个所述的全向天线单元之间的距离小于三维伪多普勒天线阵列接收到的无线电信号波长的二分之一。多个全向天线单元经天线组合器输出多个全向天线单元及多个全向天线单元组合后构成的虚拟天线单元的信号至天线切换器。所述切换器控制单元为单片机，用于控制天线切换器中全向天线单元和虚拟天线单元之间的顺序切换，天线切换器每次仅输出一个全向天线单元的信号或两个全向天线单元的合成信号至信号接收器。所述的信号接收器为软件无线电接收机RTL-SDR，将从天线切换器接收的信号下变频到基带，通过USB接口输出数字化的采样信号至计算单元。二、采用上述系统的一种新型的伪多普勒测向方法三维伪多普勒天线阵列接收空间辐射信号，三维伪多普勒天线阵列中每一轴面的多个全向天线单元通过天线组合器输出多个全向天线单元及多个全向天线单元组合后构成的虚拟天线单元的信号，多个全向天线单元和虚拟天线单元通过天线切换器进行高速切换，天线切换器将高速切换获得的信号输出至计算单元，接收到的信号依次经计算单元中有限冲激响应带通滤波器、频率调制解调器、带通滤波器提取后得到包含波达方向信息的频率波形，将频率波形与天线切换器切换频率相同的正弦波信号进行相位差比较得到每一轴面的波达方向，并以此获得空间辐射信号在三维空间的波达方向。本专利技术的有益效果：1)本专利技术利用较少的天线单元可得到更多天线单元才能达到的测向精度，同时只利用一路接收电路进行测量，具有成本低、结构简单的优点。2)最初的多普勒天线由一个围绕中心做机械圆周运动的全向天线构成。本专利技术的伪多普勒天线由多普勒天线改进而来，将若干根全向天线均匀排布在圆盘周边，通过依次接通每根天线的信号接收来模拟单根天线的机械圆周运动，使设备不再需要机械运动装置，且可模拟高速转动，在增加设备稳定性的同时提高了测量精度。并且由于同一时刻只有一个天线元被接通，因此具有单通道测向的优势，大大节约了设备成本。附图说明图1为本专利技术系统模块示意图；图2为本专利技术三维伪多普勒天线阵列示意图；图3为本专利技术天线组合器示意图；图4为本专利技术天线切换器示意图；图5为本专利技术计算单元的信号处理流程图；图6(a)为多普勒天线阵列接收信号的示意图，图6(b)为三维伪多普勒天线阵列其中一个轴面(X-Y平面)接收信号的示意图。图中：三维伪多普勒天线阵列(1)；天线组合器(2)；天线切换器(3)；切换器控制单元(4)；信号接收器(5)；计算单元(6)。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。本专利技术的工作原理如下：对于以一定角度到达伪多普勒天线阵列1的平面波，每个天线单元相对于其他天线单元会接收到稍微延迟或提前的信号。天线单元间的切换使接收到的信号产生相位阶跃不连续，而相位阶跃不连续会产生频率调制解调器的脉冲。这些脉冲本质上是连续正弦信号上的采样点，周期等于所有天线单元的切换所需的时间。经过一定的标定，根据采样正弦信号与正弦波信号的相位差可以得到入射波的到达角，正弦波信号的频率与天线切换器的三维切换周期的倒数相等。多普勒效应使得接收信号的相位包含了方位信息，最初的多普勒天线由一个围绕中心做机械圆周运动的全向天线构成。伪多普勒天线是由多普勒天线改进而来，将若干根全向天线均匀排布在圆盘周边，通过依次接通每根天线的信号接收来模拟单根天线的机械圆周运动，使设备不再需要机械运动装置，且可模拟高速转动。接着通过信号接收器5将接收到的信号从USB接口输出到计算单元6，在计算单元6通过软件进行信号处理。信号经过频率调制解调器、带通滤波器后提取出与波达方向相关的频率波形，通过对比相位差即可得到波达方向。如图1所示，本专利技术包括三维伪多普勒天线阵列1、天线组合器2、天线切换器3、切换器控制单元4、信号接收器5以及计算单元6。三维伪多普勒天线阵列1的天线A至天线F分别连接至天线组合器2的接口G至接口L；天线组合器2的接口M至接口T分别连接至天线切换器3的RF1至本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型的伪多普勒测向系统，其特征在于：包括三维伪多普勒天线阵列(1)、天线组合器(2)、天线切换器(3)、切换器控制单元(4)、信号接收器(5)和计算单元(6)，三维伪多普勒天线阵列(1)通过同轴线连接至天线组合器(2)的输入端，天线组合器(2)的输出端连接至天线切换器(3)的输入端，天线组合器(2)和天线切换器(3)均连接至切换器控制单元(4)，天线切换器(3)的输出端通过同轴线连接至信号接收器(5)，信号接收器(5)通过USB接口连接至计算单元(6)；所述三维伪多普勒天线阵列(1)包括多个对称布置在三个轴面上的全向天线单元，三个轴面两两垂直围成球状阵列，三个轴面分别为三个圆盘的周面，每个圆盘沿周面均布有多个全向天线单元，且相邻两个圆盘的重合位点均设有一个全向天线单元；所有全向天线单元分别连接至天线组合器的输入接口；所述天线组合器(2)设有多个分别与三维伪多普勒天线阵列(1)的全向天线单元一一对应的的输入接口；天线组合器(2)设有多个分别与天线切换器(3)输入接口一一对应的输出接口；每个天线组合器(2)的输出接口的输入为天线组合器(2)输入接口中的一路或两路的组合，通过切换器控制单元(4)控制每个输出接口每个时刻的输出。...

【技术特征摘要】
1.一种新型的伪多普勒测向系统，其特征在于：包括三维伪多普勒天线阵列(1)、天线组合器(2)、天线切换器(3)、切换器控制单元(4)、信号接收器(5)和计算单元(6)，三维伪多普勒天线阵列(1)通过同轴线连接至天线组合器(2)的输入端，天线组合器(2)的输出端连接至天线切换器(3)的输入端，天线组合器(2)和天线切换器(3)均连接至切换器控制单元(4)，天线切换器(3)的输出端通过同轴线连接至信号接收器(5)，信号接收器(5)通过USB接口连接至计算单元(6)；所述三维伪多普勒天线阵列(1)包括多个对称布置在三个轴面上的全向天线单元，三个轴面两两垂直围成球状阵列，三个轴面分别为三个圆盘的周面，每个圆盘沿周面均布有多个全向天线单元，且相邻两个圆盘的重合位点均设有一个全向天线单元；所有全向天线单元分别连接至天线组合器的输入接口；所述天线组合器(2)设有多个分别与三维伪多普勒天线阵列(1)的全向天线单元一一对应的的输入接口；天线组合器(2)设有多个分别与天线切换器(3)输入接口一一对应的输出接口；每个天线组合器(2)的输出接口的输入为天线组合器(2)输入接口中的一路或两路的组合，通过切换器控制单元(4)控制每个输出接口每个时刻的输出。2.根据权利要求1所述的一种新型的伪多普勒测向系统，其特征在于：相邻两个所述的全向天线单元之间的距离小于三维伪多普勒天线阵列(1)接收到的无线电信号波长的二分之一。3.根据权利要求1所述的一种新型的伪多普勒测向...

【专利技术属性】
技术研发人员：林溥靖，皇甫江涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33