单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向系统及方法，涉及无线电测向技术领域。本发明将最优化方法引入无线电测向领域，提供了一种单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向系统及方法，本发明采用一付已知方向特征的和定单向的定向天线接收无线电信号，并对接收到的无线电信号进行处理，通过最优化方法进行测向。解决了现有技术中测向灵敏度、精确度和测向速度不能兼顾的问题，提出了一种兼有高灵敏度、高精确度，对部件的一致性要求不高，能够快速的测向的幅度测向系统及方法；同时还提供了一种能够满足最优化计算所需数据的测向系统，可以对测量结果进行最优化计算，较快速地进行实时测向，并可利用存储的数据进行事后测向。
【专利说明】
单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及无线电测向技术领域，更具体地说涉及一种单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向系统及方法。【背景技术】
[0002]—方面，社会的发展促使无线电事业迅速发展，无线电测向技术作为无线电监测、 技术侦查和电子对抗的一项重要的技术手段，已得到业界越来越多的关注。根据测向原理的不同，测向体制可分为幅度法、相位法、多普勒法、时间差法和空间谱估计法等。
[0003]幅度法测向系统由于其结构简单、性能稳定等优点而被广泛运用于无线电测向领域。幅度法按幅度信息利用方式的不同，可细分为最大信号法(也称大音点法)、最小信号法 (也称小音点法)和幅度比较法;按接收通道数量的不同，可细分为单通道和多通道两种;按接收天线数量的不同，可细分为单天线和多天线两种。对于多通道幅度法测向系统，系统要求每个波束天线和其接收通路都有着严格一致的幅度特性;而基于单接收通道的幅度法测向系统降低了各通道幅度特性不一致对系统测向性能的影响，其测向精度可得到大幅度提高，但时效性不如多通道幅度法测向系统。
[0004]目前已有的幅度法测向技术分别具有以下缺陷:1、最大信号法测向虽然测向灵敏度高，但测向精确度不高，测向速度慢。因为一方面， 定向天线的方向图在最大增益角度附近变化平缓，对角度变化不敏感;另一方面，需要大量的天线方位角-信号强度数据对，才能得出最大信号所在的天线方位角。
[0005]2、最小信号法虽然测向精确度较高，但测向灵敏度不高，测向速度慢。因为一方面，定向天线的方向图在最小增益角度附近变化陡峭，但此处天线增益低；另一方面，需要大量的天线方位角-信号强度数据对，才能得出最大信号所在的天线方位角。
[0006]3、已有的幅度比较法，幅度的比较由电路实现，对部件的一致性要求高，调试难度大，且只能进行实时测向。
[0007]第二方面，随着无线电技术的迅猛发展，高速跳频、扩频、时分复用、复杂调制等新技术得到越来越广泛的应用，短脉冲信号、扫频干扰等各种低截获概率信号日益增多，利用传统技术手段进行无线电信号监测面临诸多困难，难以对瞬态信号和不同瞬时发射概率的同频信号进行测向。而数字荧光频谱技术合理解决快速傅里叶变换(FFT)频谱速度快而人眼观察速度有限的瞬时频谱幅度分布频次分析显示技术，可以在瞬时间内累积大量的频谱图，累积效果用位图颜色显示，颜色对应规则一般是红色、橙色、黄色等暖色表明发生频次 (即出现概率)较高，黑色、蓝色、浅蓝色等冷色表明发生频次较低，还可以使用其它幅度等级方案。这样就能将快速的、隐秘的信号变化过程用瞬时频谱幅度分布频次的形式展现出来，能够侦测各种瞬态信号、同频信号，满足复杂电磁环境下的无线电监测工作需要。典型的产品有美国泰克公司生产的H500/H600型便携式实时频谱分析仪和RSA6100A系列实时频谱分析仪、德国罗德与施瓦茨公司生产ESMD型监测接收机、美国是德科技公司生产的9020/ 9030型频谱分析仪配置RTSA选件等等。利用数字荧光频谱数据进行测向，就能够解决瞬态信号和不同瞬时发射概率的同频信号的测向难题，但传统的测向方法大都不适用数字荧光频谱。成都点阵科技有限公司对此作了有益的探索，2011年将数字荧光频谱技术用于其 DZM-80型便携式监测测向系统中，震惊美国，导致美国泰克公司的H600型实时频谱仪对中国的禁运。从本质上说，成都点阵科技有限公司当时采用的仍然是最大信号法，申请了申请号为201110209773.7的“利用瞬时频谱幅度分布频次数据的无线电测向方法”发明专利，由于在主权利项表述得创新性不够，未获得专利权。
[0008]第三方面，最优化方法也称做运筹学方法，是近几十年形成的，它主要运用数学方法研究各种系统的优化途径及方案，目的在于针对所研究的系统，求得一个合理运用各子系统能力的最佳方案，发挥和提高系统的效能及效益，最终达到系统的最优目标。在工业、 农业、交通运输、商业、国防、建筑、通信、政府机关等各部门各领域的实际工作中，人们经常会遇到求函数的极值或最大值最小值问题，这一类问题就是最优化问题，而求解最优化问题的数学方法被称为最优化方法，它主要解决最优生产计划、最优分配、最佳设计、最优决策、最优管理等求函数最大值、最小值问题，包括线性规划、整数规划、非线性规划、动态规划和智能优化方法等。但迄今尚未用于无线电测向领域。
【发明内容】
[0009]为了克服上述现有技术的缺陷，本发明将最优化方法引入无线电测向领域，提供了一种单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向系统及方法，本发明采用一付已知方向特征的定向天线接收无线电信号，并对接收到的无线电信号进行处理，通过最优化方法进行测向。本发明的目的在于:解决现有技术中测向灵敏度、精确度和测向速度不能兼顾的问题， 提出了一种兼有高灵敏度、高精确度，对部件的一致性要求不高，能够快速的测向的幅度测向系统及方法；同时还提供了一种能够满足最优化计算所需数据的测向系统，可以对测量结果进行最优化计算，快速地进行测向。
[0010]为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的:单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向系统，其特征在于:包括一付用于手动或自动旋转的、已知方向特征的和定单向的定向天线；用于接收定向天线接收到的无线电信号，并将接收到的无线电信号的幅频特征处理为荧光频谱数据的监测接收设备；用于与监测接收设备连接，并处理监测接收设备测得的荧光频谱数据，进行无线电测向的微处理器；用于与微处理器连接，并在微处理器的控制下与定向天线以相同方向相同角速度转动的，测量定向天线所指向方位角的电子罗盘；所述定向天线与监测接收设备通信连接，所述监测接收设备与微处理器双向通信连接，所述电子罗盘与微处理器双向通信连接，所述电子罗盘与定向天线固定连接，并随定向天线以相同角速度转动。
[0011]所述定向天线包括对数周期天线、八木天线、喇叭天线、双脊喇叭天线或复合环天线。
[0012]所述监测接收设备包括荧光频谱无线电接收机或荧光频谱仪。
[0013]单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向方法，其特征在于:通过一付已知方向特征的且定单向的定向天线，接收无线电信号；通过电子罗盘测量定向天线指向的方位角；通过监测接收设备接收定向天线接收到的无线电信号，并将接收到的无线电信号的幅频特征处理为荧光频谱数据；通过微处理器接收电子罗盘测量的定向天线指向的方位角和监测接收设备测量的荧光频谱数据，获得不同方位角上特定频率和特定瞬时概率的实测信号强度；在微处理器中，采用最优化方法进行建模，以信号方位角为决策变量，以不同方位角上特定频率的实测信号强度与根据定向天线的天线特性推算的信号强度之间偏差的累积量为目标函数，建立无约束非线性规划模型；通过微处理器进行最优化计算，求解特定频率上特定瞬时概率的信号来波方向，使得偏差累积量最小的信号方位角即是信号来波方向。
[0014]所述定向天线进行测量的方位角的数量N满足N彡CEIU360 + S)，且N彡3,任意2个相邻方位的夹角不大于S，其中S表示定向天线的主波束宽度。
[0015]所述无约束非线性规划模型为最小二乘法模型或最小距离法模型。
[0016]所述最小距离法模型包括最小曼哈顿距离模型、最小欧式距离模型或最小切比雪夫距离模型。
[0017]所述定向天线的旋转方式为手动旋转式或自动旋转式。
[0018]对于连续发射或者发射概率高的信号，在微处理器上以自动测量方式接收无线电信号。
[0019]对于发射概率低的信号，在微处理器上以人工确认测量的方式接收无线电信号， 以确保接收到有效数据。
[0020]与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在:1、本发明公开的测向系统，兼有最大信号法、最小信号法和已有幅度比较法的优点，充分利用了定向天线的所有方向特性，测向灵敏度高，测向精确度也高，而且对部件的一致性要求不高;为最优化计算提供数据支撑，不仅能够实时测向，也能够利用存储的数据事后测向。
[0021]2、本发明还提供了一种最优化比幅荧光频谱无线电测向方法，本发明公开的测向方法可以达到实时测向，本发明的测向方法兼有最大信号法、最小信号法和已有幅度比较法的优点，充分利用了定向天线的所有方向特性，测向灵敏度高，测向精确度也高，而且对部件的一致性要求不高;为最优化计算提供数据支撑，不仅能够实时测向，也能够利用存储的数据事后测向。
[0022]3、本发明的测向方法，以信号方位角为决策变量，以不同方位角上特定频率和特定瞬时概率的实测信号强度与根据定向天线的天线特性推算的信号强度之间偏差的累积量为目标函数，建立无约束非线性规划模型;并通过微处理器进行最优化计算，求解特定频率上的信号来波方向，使得偏差累积量最小的信号方位角即是信号来波方向，实现了无线电信号的实时测向，与现有技术相比本发明方法的效果表现在:测向速度比传统的最大信号法和最小信号法快。因为对于长发信号，采用连续转动天线的方式时，定向天线不必旋转满360°，可以缺省定向天线主波束宽度和120°两者中的最小角度，就能够准确测向；对于发射概率低的信号，以人工确认测量的方式接收无线电信号时，只需要定向天线进行测量的方位角的数量N满足N多CEIU360 + S)，且N多3,任意2个相邻方位的夹角不大于S，其中S表示定向天线的主波束宽度，就能够准确测向。【附图说明】[0〇23]图1为本发明系统结构不意图。【具体实施方式】
[0024] 实施例1作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了:单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向系统，包括:一付用于手动或自动旋转的、已知方向特征的和定单向的定向天线；用于接收定向天线接收到的无线电信号，并将接收到的无线电信号的幅频特征处理为荧光频谱数据的监测接收设备；用于与监测接收设备连接，并处理监测接收设备测得的荧光频谱数据，进行无线电测向的微处理器；用于与微处理器连接，并在微处理器的控制下与定向天线以相同方向相同角速度转动的，测量定向天线所指向方位角的电子罗盘；所述定向天线与监测接收设备通信连接，所述监测接收设备与微处理器双向通信连接，所述电子罗盘与微处理器双向通信连接，所述电子罗盘与定向天线固定连接，并随定向天线以相同角速度转动。[〇〇25] 实施例2作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了:单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向系统，包括:一付用于手动或自动旋转的、已知方向特征的和定单向的定向天线；用于接收定向天线接收到的无线电信号，并将接收到的无线电信号的幅频特征处理为荧光频谱数据的监测接收设备；用于与监测接收设备连接，并处理监测接收设备测得的荧光频谱数据，进行无线电测向的微处理器；用于与微处理器连接，并在微处理器的控制下与定向天线以相同方向相同角速度转动的，测量定向天线所指向方位角的电子罗盘；所述定向天线与监测接收设备通信连接，所述监测接收设备与微处理器双向通信连接，所述电子罗盘与微处理器双向通信连接，所述电子罗盘与定向天线固定连接，并随定向天线以相同角速度转动；在本实施例中，定向天线可以是对数周期天线，也可以是八木天线，还可以是喇叭天线，还可以是双脊喇叭天线，还可以是复合环天线。
[0026] 实施例3作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了:单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向系统，包括:一付用于手动或自动旋转的、已知方向特征的和定单向的定向天线；用于接收定向天线接收到的无线电信号，并将接收到的无线电信号的幅频特征处理为荧光频谱数据的监测接收设备；用于与监测接收设备连接，并处理监测接收设备测得的荧光频谱数据，进行无线电测向的微处理器；用于与微处理器连接，并在微处理器的控制下与定向天线以相同方向相同角速度转动的，测量定向天线所指向方位角的电子罗盘；所述定向天线与监测接收设备通信连接，所述监测接收设备与微处理器双向通信连接，所述电子罗盘与微处理器双向通信连接，所述电子罗盘与定向天线固定连接，并随定向天线以相同角速度转动；在本实施例中，定向天线可以是对数周期天线，也可以是八木天线，还可以是喇叭天线，还可以是双脊喇叭天线，还可以是复合环天线；在本实施例中监测接收设备可以是荧光频谱无线电接收机，也可以是荧光频谱仪。
[0027]实施例4作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了:单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向方法，通过一付已知方向特征的且定单向的定向天线，接收无线电信号;通过电子罗盘测量定向天线指向的方位角;通过监测接收设备接收定向天线接收到的无线电信号，并将接收到的无线电信号的幅频特征处理为荧光频谱数据;通过微处理器接收电子罗盘测量的定向天线指向的方位角和监测接收设备测量的荧光频谱数据，获得不同方位角上特定频率和特定瞬时概率上的实测信号强度;通过微处理器进行最优化建模，以信号方位角为决策变量，以不同方位角上特定频率和特定瞬时概率上的实测信号强度与根据定向天线的天线特性推算的信号强度之间偏差的累积量为目标函数，建立无约束非线性规划模型;通过微处理器进行最优化计算，求解特定频率上特定瞬时概率的信号来波方向，使得偏差累积量最小的信号方位角即是信号来波方向。
[0028]实施例5作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了:单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向方法，通过一付已知方向特征的且定单向的定向天线，接收无线电信号;通过电子罗盘测量定向天线指向的方位角;通过监测接收设备接收定向天线接收到的无线电信号，并将接收到的无线电信号的幅频特征处理为荧光频谱数据;通过微处理器接收电子罗盘测量的定向天线指向的方位角和监测接收设备测量的荧光频谱数据，获得不同方位角上特定频率和特定瞬时概率上的实测信号强度;通过微处理器进行最优化建模，以信号方位角为决策变量，以不同方位角上特定频率和特定瞬时概率上的实测信号强度与根据定向天线的天线特性推算的信号强度之间偏差的累积量为目标函数，建立无约束非线性规划模型;通过微处理器进行最优化计算，求解特定频率上特定瞬时概率的信号来波方向，使得偏差累积量最小的信号方位角即是信号来波方向；在本实施例中，定向天线旋转的角度不需要满足360°，只需要满足360 °-S或者240°中较大一个幅度范围，就可以满足无线电测向；在本实施例中，定向天线在设定范围内旋转进行测量的方位角的数量需要满足N多CEIU360 + S)，且N多3,且任意2个相邻方位的夹角不大于S，其中S表示定向天线的主波束宽度。[〇〇29] 实施例6作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了:单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向方法，通过一付已知方向特征的且定单向的定向天线，接收无线电信号;通过电子罗盘测量定向天线指向的方位角;通过监测接收设备接收定向天线接收到的无线电信号，并将接收到的无线电信号的幅频特征处理为荧光频谱数据;通过微处理器接收电子罗盘测量的定向天线指向的方位角和监测接收设备测量的荧光频谱数据，获得不同方位角上特定频率和特定瞬时概率上的实测信号强度;通过微处理器进行最优化建模，以信号方位角为决策变量，以不同方位角上特定频率和特定瞬时概率上的实测信号强度与根据定向天线的天线特性推算的信号强度之间偏差的累积量为目标函数，建立无约束非线性规划模型;通过微处理器进行最优化计算，求解特定频率上特定瞬时概率的信号来波方向，使得偏差累积量最小的信号方位角即是信号来波方向；在本实施例中，定向天线旋转的角度不需要满足360°，只需要满足360 °-S或者240°中较大一个幅度范围，就可以满足无线电测向；在本实施例中，定向天线在设定范围内旋转进行测量的方位角的数量需要满足N多CEIU360 + S)，且N多3,且任意2个相邻方位的夹角不大于S，其中S表示定向天线的主波束宽度；在本实施例中，建立的无约束非线性规划模型，可以是通过最小二乘法建立的最小二乘法模型，也可以是通过最小距离法建立的最小距离法模型;通过最小距离法建立模型时， 还可以建立最小曼哈顿距离模型，也可以建立最小欧式距离模型，还可以建立最小切比雪夫距离模型。
[0030] 实施例7作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向方法，本实施例是在实施例5或6上作出的进一步的补充，在本实施例中，定向天线的旋转方式可以是手动式旋转，也可以是自动式旋转，自动式旋转可以是电动旋转;而测量方式根据无线电信号的不同，可以采用不同的测量方式，对于连续发射或者发射概率高的信号，在微处理器上以自动测量方式接收无线电信号；对于发射概率低的信号，在微处理器上以人工确认测量的方式接收无线电信号，以确保接收到有效数据。
【主权项】
1.单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向系统，其特征在于:包括一付用于手动或自动旋转的、已知方向特征的和定单向的定向天线；用于接收定向天线接收到的无线电信号，并将接收到的无线电信号的幅频特征处理为 荧光频谱数据的监测接收设备；用于与监测接收设备连接，并处理监测接收设备测得的荧光频谱数据，进行无线电测 向的微处理器；用于与微处理器连接，并在微处理器的控制下与定向天线以相同方向相同角速度转动 的，测量定向天线所指向方位角的电子罗盘；所述定向天线与监测接收设备通信连接，所述监测接收设备与微处理器双向通信连 接，所述电子罗盘与微处理器双向通信连接，所述电子罗盘与定向天线固定连接，并随定向 天线以相同角速度转动。2.如权利要求1所述的单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向系统，其特征在于:所述 定向天线包括对数周期天线、八木天线、喇叭天线、双脊喇叭天线或复合环天线。3.如权利要求1所述的单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向系统，其特征在于:所述 监测接收设备包括荧光频谱无线电接收机或荧光频谱仪。4.单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向方法，其特征在于:通过一付已知方向特征的且定单向的定向天线，接收无线电信号；通过电子罗盘测量定向天线指向的方位角；通过监测接收设备接收定向天线接收到的无线电信号，并将接收到的无线电信号的幅 频特征处理为荧光频谱数据；通过微处理器接收电子罗盘测量的定向天线指向的方位角和监测接收设备测量的荧 光频谱数据，获得不同方位角上特定频率和特定瞬时概率的实测信号强度；在微处理器中，采用最优化方法进行建模，以信号方位角为决策变量，以不同方位角上 特定频率的实测信号强度与根据定向天线的天线特性推算的信号强度之间偏差的累积量 为目标函数，建立无约束非线性规划模型；通过微处理器进行最优化计算，求解特定频率上特定瞬时概率的信号来波方向，使得 偏差累积量最小的信号方位角即是信号来波方向。5.如权利要求4所述的单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向方法，其特征在于:所述 定向天线进行测量的方位角的数量N满足N多CEIU360 + S)，且N多3,任意2个相邻方位的夹 角不大于S，其中S表示定向天线的主波束宽度。6.如权利要求4所述的单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向方法，其特征在于:所述 无约束非线性规划模型为最小二乘法模型或最小距离法模型。7.如权利要求6所述的单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向方法，其特征在于:所述 最小距离法模型包括最小曼哈顿距离模型、最小欧式距离模型或最小切比雪夫距离模型。8.如权利要求4或5所述的单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向方法，其特征在于: 所述定向天线的旋转方式为手动旋转式或自动旋转式。9.如权利要求4所述的单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向方法，其特征在于:对于 连续发射或者发射概率高的信号，在微处理器上以自动测量方式接收无线电信号。10.如权利要求4所述的单天线最优化比幅荧光频谱无线电测向方法，其特征在于:对于发射概率低的信号，在微处理器上以人工确认测量的方式接收无线电信号，以确保接收 到有效数据。
【文档编号】G01S3/20GK105954708SQ201610461562
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】白宇军, 邱承跃
【申请人】成都点阵科技有限公司