专利名称：多天线单元信号分析处理及测向系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及信号分析处理和无线信号测向领域，具体说涉及一种实现该分析处理方法和/或信号源测向方法的系统。
背景技术：
目前，主要是利用单一全向天线对各频点处信号的幅度、场强、电平大小等参数进行测量实现对电磁环境的信号分析，这样测到的值是各个信号叠加的结果，无法分清信号的组成与结构，也就很难确定是否存在同频干扰和多径干扰，以及干扰的频率范围和干扰的强度。目前的测向方法根据体制的不同，性能差异较大。其中一些测向方法只能给出单一示向度，如相位测向、大音点测向等，另一些方法能给出多个示向度，如单天线旋转测向、 空间谱估计。但是电磁空间信号存在很大的复杂性，同频信号、多径信号的存在，以及信号本身的频谱变化和传播衰落使得现有测向技术体制面临巨大困境，其测向精度及可靠性随着电磁环境的复杂程度急速下降。现有测向技术体制中空间谱估计的方法虽然能在一定程度上解决这些问题，但由于其对于模型的敏感性及处理能力受天线单元数量限制，在较复杂电磁环境下的应用也受到很大限制，而且空间谱估计的天线阵列体积较大，不利于实现便携式测向。幅度测向中有一种双信道比幅测向方法，利用两副正交的艾德考克天线接收电势的比值确定来波方向，并利用信道均衡技术消除信道增益不一致的影响。但是，这种实现方式不论从实现成本还是实际效果来看都是不可取的。首先，实现多信道均衡将付出很高的成本代价，另外，在技术效果上存在很多缺陷，一方面，利用接收电势做比值很容易因受到噪声和多径信号的影响而很不稳定，另一方面，利用该比值估算方位将由于多径信号的存在而出现固有的偏差。
实用新型内容本实用新型的目的在于解决现有测向方法无预先分析处理而出现测向不准确的技术问题，提供一种能够分析信号的组成和干扰强度的多天线单元信号分析处理及测向系统。本实用新型采用的技术方案如下一种多天线单元信号分析处理及测向系统，包括天线单元、接收单元和数据处理单元，所述天线单元包括至少二副天线，所有天线中至少有一副是定向天线，各定向天线的指向可相对独立调整；所述数据处理单元包括第一、第二统计分析单元、比值计算单元和分析测向单元，一定向天线接收到的信号通过所述接收单元输入至第一统计分析单元，进行在一定长度时间窗口内的短时统计分析，另一天线同步接收到的信号通过所述接收单元输入至第二统计分析单元，进行在一定长度时间窗口内的短时统计分析；第一和第二统计分析单元得到的短时统计分析值输入至比值计算单元，比值计算单元得到的比值输入至分析测向单元。[0007]优选地，所述天线单元包括由一副定向天线和一副全向天线构成的双天线组合。优选地，所述天线单元还包括用于安装其一双天线组合中定向天线的支架，以及用于保持双天线组合中两幅天线在不同的水平面上、并使二者之间保持一定的距离的防耦合支架。优选地，所述接收单元还包括混频电路和受控于所述数据处理单元的锁相环路， 输入至接收单元的各信号先输入至所述混频电路进行逐级下变频，形成与各自相对应的基带信号，各基带信号再输入至数据处理单元进行短时统计分析。本实用新型的有益效果为通过分析信号的组成和结构，为信号处理和信号测向提供可靠依据；通过对信号源准确可信的测向定位促进对电磁环境的更好认识。
图1为本实用新型所述分析处理及测向系统采用双通道接收模式的原理框图；图2为本实用新型所述分析处理及测向系统采用单通道快速切换接收模式的原理框图；图3为图1所示天线单元的一种结构示意图；图4示出了根据本实用新型所述分析处理方法的一次信号分析数据；图5示出了根据本实用新型所述分析处理方法的另一次信号分析数据；图6示出了根据本实用新型所述测向方法的一次信号源测向数据，其中，该次信号测向采用了方向性较弱的天线；图7示出了根据本实用新型所述测向方法的另一次信号源测向数据，其中，该次信号测向采用了方向性较强的天线。
具体实施方式
本实用新型的分析处理方法和测向方法主要根据定向天线的方向图以及多天线的组合运用来实现。
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作详细描述。如图1和2所示，本实用新型的分析处理及测向系统包括天线单元1，接收单元2， 数据处理单元3和显示单元4，所述天线单元1包括至少二副天线，分别为第一天线11和第二天线12，所述天线中至少有一副是定向天线，在本实施例中，至少该第一天线11为定向天线，该定向天线的指向可相对独立调整，即可以使其指向固定，也可以使其旋转(以一定速度改变其指向)；所述数据处理单元3对天线单元的至少包含一个定向天线的双天线组合各自测得的信号数据进行同步分析处理；所述显示单元4用于显示数据处理单元分析处理的结果。该天线单元1较典型的配置为(1) 一副全向天线和一副定向天线，这种组合的特点是既能用于信号分析这种静态的应用，即单次分析中不需要旋转天线的应用，又能用于信号测向的动态应用，即需要旋转天线的应用；同时，该种配置并不会过多增加天线单元1 的体积和重量，因此可采用便携式应用形式，当然也可用于车载和固定站等形式；( 两副可旋转的定向天线，其中，一副定向天线为主旋转天线，用于实现各种角速度的旋转，另一副为辅助旋转天线，用于辅助测量，这种组合也可以再添加一副全向天线，主要用于车载或固定站。[0021]为了能更好地实现信号分析处理与测向功能，该天线单元1中每个定向天线的指向应该可以相对独立调整，且可以由数据处理单元3计算出定向天线的最佳指向。定向天线旋转时，要尽量围绕天线的中心进行，这样可以减小旋转引起的信号相移，从而避免给信号分析和测向带来模型偏差。由于一般的天线形状都具有对称性，所以天线的中心一般指天线的对称中心线。该接收单元2如图1所示，一般有两个以上接收通道，并包含一个同步控制电路， 使得可以同步测量各天线单元的信号参数，在本实施例中采用二副天线，可以对应配置二个接收通道，分写为对应第一天线11的第一接收通道21和对应第二天线12的第二接收通道22，当然，也可以采用如图2所示的单通道，通过单通道的快速切换，在同步电路控制下实现两天线信号的近似同步接收。接收单元包括混频电路和受控于该数据处理单元3的锁相环路，该数据处理单元3在开始分析时向锁相环路发出本振信号相位锁定信号，以便在数据分析开始后，使本振信号的频率和相位保持不变。在此，由于本振信号是用于对采样数据进行下变频的，如果信号采集时锁相环路继续工作，本振信号频率和相位可能发生漂移， 导致信号接收特性随时间变化从而影响信号分析的稳定性以及信号源测向的数值模型求解。以下就两副可旋转定向天线的配置进行说明。利用上述分析处理、测向系统进行信号源测向之前，先对相应频段信号进行信号处理分析，初步判断同频异源信号的有无及大概数量，本实用新型的对信号分析处理的过程如下首先，旋转第一天线11，纪录一频点处的电场强度采样值等指标，初步判断来波的可能方向，并从中筛选出两个可能的同频异源信号的来波方向；然后，将第一和第二天线朝向这两个信号的来波方向，并尽量避免相互影响；最后，通过数据处理单元3对两路天线信号的分析处理，判断是否存在多径信号和同频异源信号，并利用频谱结构差异和信号幅度的变化差异对多径信号和同频异源信号进行区分，利用信号幅度的差异对直达信号和多径信号进行区分，初步判定信号的组成和结构。如果对各个可能来波方向逐一进行判别都没有发现同频异源信号时，可判断空间中此处无同频异源信号或同频异源的干扰信号极小。 数据处理单元3主要是根据到达定向天线的不同来波方向信号的增益由定向天线的方向性函数决定这一特性进行分析处理。下面对数据处理单元3的分析处理方法进行详细介绍。同频异源信号的差异主要表现在频谱结构和频谱变化规律，其中，该频谱结构包括中心频率、频带宽度和频谱形状等；该频谱变化规律主要指信号各频率分量幅度和相位随时间的变化。在分析处理时，设定信号都采用基带或基带调制信号，不分析其高频调制及解调过程。针对每次筛选出两个可能的同频异源信号的来波方向的方式，设空间中存在两个同频异源信号f\(t) *f2(t)，并且这两个信号到达本实用新型所述系统都存在多径信号。信号1(0的直达信号、各多径信号到达主旋转天线(第一天线11)的衰减因子分别为κη、 ‘...!^，时延分别为！^^！^…！^，入射角分别为θη、θ12... θ lm，到达辅助旋转天线(第二天线12)的衰减因子分别为K' n、K' 12...K' lm，时延分别为T' n、T' 12...T' lm，入射角分别为θ ‘ η、θ ‘ 12. . . θ ‘ lm。信号f2(t)的直达信号、各多径信号到达主旋转天线的衰减因子分别为K21、K22... Kai，时延分别为T21、T22... T2n，入射角分别为θ21、θ22... θ2η，到达辅助旋转天线的衰减因子分别为K' 21、Κ' 22...Κ' 2η，时延分别为T' 21、Τ' 22...Τ' 2η， 入射角分别为θ' 21、θ' 22. . . θ ' 2η。这里信号f\(t)、f2(t)的多径信号数量分别为m-1、 n-1, m, η均为大于等于1的自然数。在短时统计分析方法采用短时傅里叶变换时，本实用新型的分析处理方法的具体步骤如下步骤1 保持主旋转天线和辅助旋转天线各自固定指向一定的角度，并大致指向可能的来波方向；其中，二副天线具有不同的方向性，所谓不同方向性可能是两副天线的方向性函数不同(这样任何时候下其方向性都不同)，也可能是两副天线的方向性函数相同， 但是天线的指向不同；步骤2 对二副固定天线同步接收的信号分别作短时统计分析，得到二者的短时统计分析值在一频点处的幅度谱比值，在此，可以根据两副固定天线单元同步接收的信号的短时统计分析值的大小共同确定所述幅度谱比值的有效性。下面分析采用的短时统计分析方法是时间窗口内的短时傅立叶频谱计算值，当然对某些应用也可以采用其他统计值， 如时间窗口内电压随时间的积分测量值，小波变换等。对信号做短时统计分析的时间窗口需要有一定的长度，这个长度要大于所有主要多径信号中最长的时延，对于如图2所示的单信道时间切换的实现方式，所述时间窗口的长度还要大于信道切换的时间间隔。如果时间窗口的长度不能满足上述要求，所述信号短时统计分析值的比值在没有同频异源信号干扰的情况下也可能发生急剧的波动。以多径信号的影响为例说明，对天线信号进行加窗处理时，时延不同的信号数据之间除了存在不同时延以外，在边缘处信号也有差异，例如，对于时间窗口(t1; t2)，直达信号的数据为Ψια) U1 < t < t2)，则延时为Ttl的多径信号数据为Vl(t) U^TciCtCt2+τ。)。因此，实际上存在且只存在多径信号时，由于时间窗口内存在相异数据，所述幅度谱比值随时间也会有一定的波动，这也说明现有技术的双信道比幅测向方法利用两副天线测得的实时电压值 (相当于时间窗口长度为0)做比值是不可取的，因为可能受多径信号的影响而剧烈波动。 根据多径时延的一般分布，我们认为时间窗口长度一般要大于等于3微秒，否则信号短时统计分析值比值的稳定性会受到严重影响。时间窗口长度越大，越有利于减小多径信号对所述比值稳定性的影响。但是，时间窗口太长会导致数据长度过长，从而增大后续数据处理的难度，因此一方面时间窗口不能太长，另一方面，应该对信号进行充分的降频之后再进行数据统计分析，最好能在采样率最低的基带进行。例如对于频带宽度为300kHz的已调信号，可以通过模拟或数字的滤波、混频方法先将信号频带搬移到OHz至300kHz的位置，再对信号进行统计分析。另外，统计分析采用短时傅立叶变换时，多径时延T对应产生的相移，这给模型分析带来很多困难，同时也使所述信号短时统计分析值的比值随时间波动增大，但是降频到基带处理时，若多径时延也不太大，则该项通常都接近于1，从而简化了信号模型，同时能减小多径时延对比值波动的影响，这里所指基带宽度不超过信号带宽。设主旋转天线和辅助旋转天线的方向性函数分别为树0)和ξ ( θ )，则主旋转天线和辅助旋转天线测得信号的短时傅立叶频谱Gjjit，τ)和&(>4，τ)可以分别近似表
示为
权利要求1.一种多天线单元信号分析处理及测向系统，包括天线单元、接收单元和数据处理单元，其特征在于所述天线单元包括至少二副天线，所有天线中至少有一副是定向天线，各定向天线的指向可相对独立调整；所述数据处理单元包括第一、第二统计分析单元、比值计算单元和分析测向单元，一定向天线接收到的信号通过所述接收单元输入至第一统计分析单元，进行在一定长度时间窗口内的短时统计分析，另一天线同步接收到的信号通过所述接收单元输入至第二统计分析单元，进行在一定长度时间窗口内的短时统计分析；第一和第二统计分析单元得到的短时统计分析值输入至比值计算单元，比值计算单元得到的比值输入至分析测向单元。
2.根据权利要求1所述的多天线单元信号分析处理及测向系统，其特征在于所述天线单元包括由一副定向天线和一副全向天线构成的双天线组合。
3.根据权利要求1所述的多天线单元信号分析处理及测向系统，其特征在于所述天线单元还包括用于安装其一双天线组合中定向天线的支架，以及用于保持双天线组合中两幅天线在不同的水平面上、并使二者之间保持一定的距离的防耦合支架。
4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的多天线单元信号分析处理及测向系统，其特征在于所述接收单元还包括混频电路和受控于所述数据处理单元的锁相环路，输入至接收单元的各信号先输入至所述混频电路进行逐级下变频，形成与各自相对应的基带信号， 各基带信号再输入至数据处理单元进行短时统计分析。
专利摘要本实用新型公开了一种多天线单元信号分析处理及测向系统，涉及信号分析处理和无线信号测向领域，其包括天线单元，该天线单元至少有一副是定向天线，数据处理单元包括第一、第二统计分析单元、比值计算单元和分析测向单元，一定向天线和另一天线各自接收到的信号分别通过所述接收单元输入至第一和第二统计分析单元，进行在一定长度时间窗口内的短时统计分析，二者得到的短时统计分析值输入至比值计算单元，比值计算单元得到的比值输入至分析测向单元，分析测向单元获得的结果输入至显示单元进行显示。本实用新型的系统通过分析信号的组成和结构，为信号处理和信号测向提供可靠依据；通过对信号源准确可信的测向定位促进对电磁环境的更好认识。
文档编号G01S3/14GK202066959SQ20102069268
公开日2011年12月7日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年1月18日
发明者周靖博, 张登科, 洪浩, 郭建光, 黄艳 申请人:张登科