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基于瓦特森—瓦特测向体制的短波监测系统.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于瓦特森—瓦特测向体制的短波监测系统pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含电子科技大学硕士学位论文基于瓦特森瓦特测向体制的短波监测系统姓名:陈瞻申请学位级别:硕士专业:计算机应用技术指导教师:唐雪飞摘要摘要本文结合自行研制符等。

电子科技大学硕士学位论文基于瓦特森瓦特测向体制的短波监测系统姓名:陈瞻申请学位级别:硕士专业:计算机应用技术指导教师:唐雪飞摘要摘要本文结合自行研制的新型短波监测设备对短波传播理论、无线电测向技术、数字信号处理理论和软件无线电理论等进行了深入研究并将其应用于设备中。首先对无线电测向理论进行了研究比较了现有的小基础测向设备为了进一步提高测向精度和速度提出了一种新型的短波监测设备的研制设想并对本文的研究重点做了介绍。其次提出了短波监测设备的技术要求和总体设计框图并从软硬件两方面(重点是从软件方面)对研制过程进行了陈述对DSP选型、频段扫描、信道扫描、信号测向和信号分析等做了说明。其中本文对利用瓦特森一瓦特技术实现方位信息的提取和信号分析做了较详尽的描述并对由环境引起的误差修正做了说明。近场和远场实验的结果表明所设计的样机达到了性能指标要求。关键词:瓦特森一瓦特无线电测向信号分析示向度AbstractAbstraotCombinedwiththenewlydevelopedShortwaveMonitorandMeterageSXstemthepapergivesathoroughinvestigationonshortwavediffusetheory,radiodirectiondetectingtechnology,DSPtheory,SoftwareRadiotheory,ect.Firstly,thepaperstudiesradiodirectionfindingtheory,andmakescomparisonamongtheexistingdirectionfindingsystems.Italsoputsforwardtheideasofanadvancedshortwavemonitorandmeteragesystemtosatisfyrequirementandintroducestheresearchemphasisofthepaper.Secondly,itprovidesthetechnologicalrequirementandthewholedeviceframe.Theprocessofdevelopmentisillustratedbysoftwareandhardware(emphasisonsoftware).ItalsoprovidestheintroductionofDSP,frequencyScanchannelscanradiodirectionfindingandsignalanalysisect.Inthispaper,thecollectingofazimuthinformationbasedonWatsonwattandsignalanalysisareintroducedindetail.Themodificationofazimuththatisatthebottomofenvironmenterrorisprovided.Theresultofexperimentindicates:thedesignedprototypecomestotherequirementoftechnicalfeatures.Keyword:Watsonwatt.radiodirectionfinding,signalanalysis,azimuthⅡ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名:日期:矽多年/月柏关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名:导师签日期:第一章绪论.研究背景第一章绪论无线电监测的核心目标是在全国或全世界的无线电通信和其他无线电业务领域内以最合理、最公平、最有效和最经济的方式地使用、利用或保护有限的无线电频谱资源使得各种无线电通信网和各无线电台站能够经济、有效地在各种无线电环境下不受干扰地正常工作为国家的经济建设、国防建设服务保障人民的生命和财产安全提高人们的物质和精神的生活水平推动国家社会与经济的发展和科学技术的进步。然而随着无线电通信业务的高速发展无线电技术应用日益广泛人们对无线电频谱的需求越来越高。有限的无线电频谱资源日趋紧张无线电干扰事件也越来越严重在一些地区非法电台严重干扰了当地正常的无线电通信敌台更是危害国家安全。flf频谱监测是进行频谱管理的重要手段。一方面保护合法用户的应有权益另一方面对非法用户即时定位并监测获取该信号源的工作参数和具体位置坐标为无线电管理提供依据。良好的频谱监测技术可以确保无线电通信网络的正常运行。在大多数情况下它是在非最佳环境和未知环境下进行的这就对加强频谱监测技术提出了更高的要求。无线电测向在无线电导航定位、城市无线电通信管理、电子对抗等领域内是非常重要的技术手段具有不可替代的地位。无线电铡向的主要任务是测定正在工作的无线电通信发射源的方向和位置针对比较感兴趣的无线电频谱进行方向标定。无线电测向也是无线电侦察的一个重要组成部分。通过测向获得的位置情报可以了解敌方指挥机关位置、实力分布、编制情况、火力部署探查敌方特工人员活动分析敌人意图。正因为如此各国军方不惜花费重金研制和购买先进的无线电测向设备。【】【】年月国家无线电管理委员会需要增设若干个短波监测站各相关研究所以及军工厂为争取该项目进行合作开发。现已完成无线电监测和测向系统体制样机研制并取得了较大的技术进步下一步将进入工程应用。在“十五”规划中无线电电子科技大学硕士学位论文委员会将加大投入以加强无线电管理技术设施建设。此外在公安、铁路、交通、海关、边防、部队等单位有非常广阔的应用前景。因此该项目极具推广应用价值。频谱管理需要行政管理与科学技术相结合才能保证无线电通信设备不产生有害干扰有效的进行工作并服务于用户。其目标就是使频谱发挥最大效益而干扰最小。.监测内容()ITuR(国际电信联盟)SM中规定的频率测量()ITURSM中规定的场强测量()rruRSMl中规定的频谱占用度测量和鉴别f)lTURSM中规定的带宽测量()信号的来波方位.系统工作原理f)系统组成通常一个测向监测站系统由四部份组成:天馈线单元、接收机单元、数据处理单元、数据处理终端。对于接收机单元来讲现有多个专业仪表厂家进行批量生产可以直接采购使用。本系统使用厂的三信道接收机该接收机可以实现宽窄带跳变。数据处理终端主要完成对接收机的信号采集、采集信号预处理、信号测向、信号分析以及数据管理。关健的核心部份是天馈线单元和数据处理单元。国外对这方面的资料报道很少。国内对此报道大多见于高校的理论研究关于工程方面较少。这也是本文讨论的主要内容。国外采用瓦特森一瓦特测向体制进行信号测向的比例较大国内多采用干涉仪和角度计体制。空间谱估计法测向还是国内外重点研究的课题。()系统功能该站作为车载式无线电测向监测站系统而言首先必须具备独立进行工作的能力先进行.MHz到MHz的全频段信号搜索如发现感兴趣的信号即可进行详细的监测包括包括其频率、带宽、调制方式场强等指标。对信号源还可进行测向两个或多个监测站协同工作还可以实现对信号源定位。通常是采用两站交叉进行定位即利用两站测得的不同示向度在平面交叉其交点即为信号源的位置但如果存在干第一章绪论扰时则定位精度就会严重下降也可采用三站或多站定位。()系统原理三信道接收机通过三根米长的同轴电缆与天线单元相连数据处理终端通过数据采集卡同时采集接收机的三个信道的数据三块DSP板完成三个信道数据的滤波和快速傅立叶变换(FFr)软件提取DSP数据利用瓦特森一瓦特测向体制完成来波方位的测量利用软件无线电和信号与系统的相关理论完成信号频率、带宽、调制方式的测量利用交汇定位原理对信号定位。.国内外研究现状及趋势从文献资料可知无线电通信测向的发展和真正使用是在二十世纪初。经过一个多世纪的发展从民用到军用从陆地到海上、空中从窄带到宽带从固定到移动等其发展变化之大速度之快令人刮目相看。长距离通信中的猝发信号及短波通信中的自适应选频和自动线路建立目前已经成熟并获得广泛应用这实质上是一种无任何规则的频率跳变会给无线电测向带来麻烦。目前一些比较先进的电台都设计有猝发工作方式必要时即可起动猝发传输。这种猝发通信的长度通常为毫秒毫秒有的达几秒。潜艇通信为了减小被发现的可能性也常常采用猝发通信。流星余迹通信也是一种自然形成的猝发通信。随着这些信号的大量出现对其测向的研究工作在各国积极开展起来、并取得一定的进展出现了一批能够对跳频电台进行捕获和测向的设备主要有以下三种办法:守候测向法用快速搜索接收机或频谱分析仪提供跳频电台出现次数较多的频率用响应速度大于跳变速度的测向机等在该频率上。待跳频电台重新出现在该频率上时对其测向.。这种方法是跳频电台刚出现不久提出的方法。快速搜索测向这是一种侦测合一的方法即搜索与测向相结合是目前国际上进展较大的一种方法。有相当一批设备上市其中比较重要的有:PA。ZS.双通道相关干涉仪WJ/多通道相关干涉仪测向机TRC大基础干涉仪ESl双通道干涉仪G一双通道干涉仪SDS.准多普勒测向机DFP宽带测向机第一幸绪论扰时则定位精度就会严重下降也可采用三站或多站定位。r系统原理三信道接收机通过三根米长的同轴电缆与天线单元相连数据处理终端通过数据采集卡同时采集接收机的三个信道的数据三块DSP板完成三个信道数据的滤波和快速傅立叶变换(删软件提取DSP数据利用瓦特森一瓦特测向体制完成来波方位的测量利用软件无线电和信号与系统的相关理论完成信号频牢、带宽、调制方式的测量利用交}L定位原那对信号定位。.国内外研究现状及趋势从文献资料可知无线电通信测向的发展和真正使用是在二十世纪初。经过一个多世纪的发展从民用到军用从陆地到海上、空中从窄带到宽带从固定到移动等其发展变化之大速度之快令人刮目相看。长距离通信中的猝发信号及短波通信中的自适应选频和自动线路建立目前已经成熟并获得广泛应用这实质上是一种无任何规则的频率跳变会给无线电测向带来麻烦。目前’些比较先进的电台都设计有猝发工作方式必要时即可起动猝发传输。这种猝发通信的长度通常为毫秒一毫秒有的这几秒。潜艇通信为了减小被发现的可能性也常常采用猝发通信。流星余迹通信也是一种自然形成的猝发通信。随着这些信号的大量出现对其测向的研究工作在各国积极开展起来、并取得一定的进展出现了一批能够对跳颠电台进行捕获和测向的设各主要有以下三种办法:守候测向法用快速搜索接收机或频谱分析仪提供跳频电台出现次数较多的频率用响应速度大于跳变速度的测向机等在该频率上。待跳频电台重新出现在该频率上时对其测向.。这种方法是跳频电台刚出现不久提出的方法。快速搜索测向这是一种侦测合一的方法即搜索与测向相结台是目前国际上进展较大的一种方法。有相当一批设备上市其中比较重要的有:PA,ZS.敢通道相关干涉仪WJ/多通道相关干涉仪测向机TRC大基础干涉仪ESl双通道干涉仪G一双通道干涉仪SDS.准多普勒测向机DFP宽带测向机道干涉仪G一双通道下涉仪.SDS.准多普勒测向机DFP宽带测向机电子科技大学硕士学位论文SIGMA截收、测向、监听和分析系统。西方主要发达资本主义国家均有跳频测向机问世足见跳频电台测向已获得一定程度的解决。所用的测向方法大部分是瓦特森一瓦特和干涉仪体制。德国三家公司均采用瓦特森一瓦特体制。美英法等均采用干涉仪测向机同时采用先进的数字信号处理技术。多普勒体制仅能对跳速在跳秒以下的跳频信号测向。在对跳频信号测向的能力方面对于跳/秒以下的跳频信号测向已获得解决。采用新一代接收机一些厂家正在开发研制采用新一代接收机的测向机弗有少量产品出现。数字式快速傅立叶(Fflr)接收机和压缩接收机等引入测向机中将会使跳频台测向走上一个新台阶其每次取向时间可达到零点几个纳秒。据报道德国Telefuken系统技术公司研制出VKP多信道测向机工作频段MHzMHz可同时监视其中MHz带宽对其中信道中的所有信号可同时进行截获和测向非常适合于猝发信号和扩频信号的测向。从上面的介绍可以看出对于中低速的跳频及猝发信号的测向问题在国外已获得一定程度的解决。但是今后战术跳频电台的应用会大量增加世纪跳频通信将统治战术通信市场。跳频网台在战场通信中将占据主导地位而且跳速进一步提高各种扩频方式将组合采用。当然跳频测向还面临不少难题这也是今后战术无线电测向所面对的一个主要问题。在无线电管理方面国外的应用研究报道主要集中在站系统的应用而对如何提高系统的精度、灵敏度、测向时间等方面的资料不多。国外有几家公司研制的系统如德国的R/S公司、法国的n{MsON.csF公司、日本的ANRITSU公司且大都基于传统的测向系统。国内在无线电监测方面的研究相对较晚导致大多数用户整套进口国外设备费用高昂建站后的维护保养费用也很高。更为关键的是核心技术一直都被国外厂家掌握没有自主知识产权。因此进行国产化就必须紧跟时代潮流脚踏实地重新赢得市场份额。.本文的主要研究内容本文丰要就建立一个无线电监测测向站进行研究和设计提出了移动式基于瓦特第一章绪论森一瓦特测向体制的车载监测系统的设计方案。该方案设计指标如下:测向体制:适用范围:频率范围:测向灵敏度:测向准确度:瓦特森一瓦特体制测定近距离地波信号的方位.MHZ一MHZpv/m(平均值)。(RMS)信号最短持续时间:毫秒平均取向时间:连续工作时间:测向信号类型:测向工作方式:.秒也秒小时AM、CW、SSB、FM等本地、遥控测向测向天线:交叉环天线为了达到指标要求本文研究的主要内容包括:.测向体制的研究瓦特森一瓦特测向体制出现于年它能提供瞬时到达角信息出现之初并未引起人们的重视。由于该技术是对扩频跳频传输最有效的测向技术它的实际瞬时测向能力再加上有效的扫频接收机可提供对跳频信号的截收和测向能力。因此本文提出的方案在设备制造方面减小许多困难使得系统成本大为下降软件上优化设计可以做到投资小见效快。.为提高测向的速度和精度对DSP芯片的选择做了研究。.为提高接收机的扫描速度对软件控制接收机进行频段扫描和信道扫描做了研究。.利用软件无线电理论对软件实现信号测向和信号分析进行了深入研究。.样机进行了近场和远场试验对试验结果进行分析对如何减少场地误差进行了研究。在以上方面中l、、是本文研究的重点。本文的最后部分对该样机设计过程中采用的技术路线做了总结指出其中的不足为后续产品的进一步完善和优化提出改进措施及思路并对短波监测系统的未来发展做了展望。电子科技大学硕士学位论文第二章测向定位基础知识.短波通信的特点与发展概况自从马可尼(Marconi)于年首次进行无线电通信获得成功以来短波通信就此诞生。无线电波是通过开放性的自然空间和地球传输的地面、海洋、大气层、地球自身的电磁场以及宇宙都将影响无线电波的传输特性。短波波长较长为米~米相应的频率较低为.MHz~MHz。这个频段无线电波的传播主要有两种形式:地波和天波。地波传播的特点是波在行进过程中受地表面导电率。和相对介电常数£的影响产生衰减。一般。和e越大损耗越小因此在海面上地波传输的距离将远比陆地传输的距离远。地波传输的损耗将随频率的升高而增大。一般情况下在发射功率不是特别大时传输的距离只能达到几十千米。因此短波地波的传输形式一般不宜用作无线电广播和远距离陆地通信而多用于海上通信和近距离的陆地无线电通信。因为地表面导电性能在短时间内变化小故地波传播特性稳定可靠基本上与昼夜和季节变化无关。天波是依靠电离层的一次或者多次反射而实现远距离通信的。通常一次反射传输的最大地面距离可达千米多次反射可传输上万千米甚至作环球传播。电离层是地球高层大气的一部分从地面约千米开始一直延伸到约千米的高度。在此区域内存在着大量的自由电子和离子它们能使无线电波改变速度发生折射、反射和散射产生极化面旋转并吸收其能量。大气的电离主要由太阳辐射中的紫外线和x射线所引起太阳高能带电粒子和银河宇宙射线也对大气电离产生重要影响。由于太阳辐射穿透大气层不同区域的能力不同以及太阳辐射的昼夜、季节变化使电离层按电子密度分布的不同在高度和纬度上存在明显得差别形成了不同的密度层。电离层大致分为三层:离地面千米~千米为D层离地面千米~千米为E层离地面千米~千米为F层F层白天分裂为F和F层晚上合并成F层。【】第二章测向定位基础知识短波通信工作频率低元器件要求低技术成熟制造简单设备体积小价格便宜在商业、交通、工业、邮政等国民经济各个部门和军事领域中得到广泛的应用。短波通信设备目标小架设容易机动性强不易被摧毁即使遭到破坏也容易更换修复。又由于其造价相对较低可以大量装备所以系统顽存性强。卫星通信同样具有远距离通信的能力而且容量大传输可靠曾经挤占了很多短波通信的传统领地。虽然从总体上看卫星通信有点突出得到了用户的广泛认同近十多年的多次高技术局部战争也现实地显示了卫星通信在指挥部队控制、支持高技术兵器方面的重要作用但是也暴露了其轨道不能保密、地面接收系统庞大、易受攻击且一旦遭到破坏短期内系统很难修复等弱点。作战中保持一条炸不断、打不烂的指挥通信线是争取战争胜利的决定性因素之一。短波通信又迎来了它的又一个高速发展阶段。地波传输的研究也取得了重大进展解决了平面、球面、海面、陆地以及考虑地表面粗糙度的传播分析方法研究了大气尘埃对地波场强的影响:提出了非齐次球形地面与人造建筑地面上地波损耗计算方法CCIR于年发布了典型地形条件下地波传播曲线实际测量和理论计算有相当好的一致。实时信道估计(RTCE)技术和自适应频率选择是最近十几年来最热门的短波通信新技术。年代中期微型计算机技术的发展促进了实时信道估计和频率选择与通信系统合而为一实现了从信道参数测量链路质量分析到自动链路建立的频率自适应的基本功能。未来将在增加自适应控制器的功能、优选信道估计参数、提高链路质量分析性能和方法等方面继续发展。在军事通信中抗干扰性能是系统研制者和使用者最关注的问题之一是关系到设备在复杂作战环境中有没有生存能力的重大问题。因此现代军用短波通信系统中几乎无一例外地采用了跳频技术。高的跳速、宽的跳频带宽意味着强的抗窄带跟踪式干扰和抗宽频带阻塞式干扰的能力。要实现高速跳频需要解决一系列的关键技术。其中最主要的是高质量高跳速的频率综合技术、高速自动天线调谐技术、宽带高效天线以及跳频码的选择和同步技术等。现已研制成功了跳秒、跳频带宽达MHz的高速电台。电子科技大学硕士学位论文.短波测向基础知识无线电测向是指以无线电测向机(RDF)为手段确定无线电波源方向的一类测向。无线电测向机是一种测量射频能量到达方向(DOA)的无源装置。无线电测向机是一种接收系统它从经过的电磁波中吸收能量提取到达方向的信息。如图一台无线电测向机由四个基本功能单元组成。天线用于吸收电磁能量并将其转换成一个含有到达方向信息的信号。接收机将该信号转换、放大和处理成中频或基带信号接收机后处理器进一步对该信号进行处理提取到达角(AOA)信息。测向信息处理读出显示单元用于准备到达角基本数据并传输给测向信息的用户。从几个到达方向上入射的射频信县具有方向性特点的天线用于射频/中频/基带处理的接收机测向信息读出显示测向信息的后接收处理图测向处理的几个功能单元。.无线电测向的发展历史本文主要讨论范围局限于小孔径无线电测向。小孔径无线电测向是一门不断发展的学科它是赫兹、马可尼、齐纳克在本世纪初研究定向天线的直接成果。年布朗通过旋转一对相距半波长但又互相连接的垂直天线获得了定向辐射。年斯通提出利用布朗研究的旋转阵列获取到达方向信息。年马可尼做了一次测向试验测出距岸哩的H.MS.Furious号船上发出的信号。马可尼采用的辐射系统是紧靠地面悬垂的几根长约五分之一波长的水平天线。布朗和马可尼的试验也许是世界上首次无线电测向。自从年Pickard和Deforest开始潜心探索环形天线时人们开始认识到垂直环形测向天线的优点。Pickard用环形天线所做的野外测向试验确定第二章测向定位基础知识了垂直环形天线在测向天线中的统治地位。通过环形天线测向机人们很快发现:对于水平极化的电离层传播信号使用这种天线的测向机容易产生很大的误差。年hdock天线研制出来了该天线由两根反相连接的垂直天线组成这种天线大大减少了水平极化天波信号所引起的误差。第一次大战期间真空电子管接收机问世使用了这种接收机后无线电溯向的性能显著提高。年又出现了重要的小孔径测向技术瓦特森一瓦特测向技术它能提供瞬时到达角信息。两个交叉环形天线的输出直接加到阴极射线示波器的相对板极上从而得到了两环形天线的两个正弦特性曲线函数的瞬时和。年这种技术与双信道幅度与相位平衡接收机结合后性能大大提高产生了第一台真正的瞬时测向机。第一代小孔径测向机于年投入使用主要工作在.Mttz至MHz的频段。在第一代时期对电离层传播的研究与对技术和硬件的开发齐头并进重点在探索水平极化的电离层传播信号天地波合成传播模式、多径干扰、天波横向偏移、电离层传播不规则等因素引起的小孔径测向误差。此外还对非最佳测向场地条件所引起的误差进行了大量的分析和试验。人们尝试了无数种减少误差的方法但多数方法的效果非常有限。第二次世界大战促进了VHF/u}lF小孔径测向技术的迅速发展同时也为军用小孔径测向机提供了广阔的应用市场。这些系统在各种各样的条件下工作后显示出其军事应用的优点同时也暴露出其固有的局限性。这些局限性被大量地记载下来为战后对中孔径和大孔径测向机研究提供了理论基础。大战期间无线电测向网络得到了广泛的应用。举个有名的例子:美国海军测向网络测出了使用高频通信的德军潜艇位置。另外在第二次世界大战期间测向寻的技术也达到了实用并被广泛用于飞机、船只和人员。五十年代中期人们对小孔径测向技术的研究开发不断加强重点在于找出电离层引起的性能上的基本局限性。人们利用电离层探测装置获得的数据来测试一些试验系统同时还针对苛刻的舰载场地条件对传统的小孔径测向机作新的设计。降低单环测向误差的技术也在这时期问世并通过了测试。越南战争中越军使用的是水平极化、准垂直入射的高频(HF)电离层传播进行通信。准垂直入射信号(NVIS)传输产生水平极化信号这不利于小孔径测向。采用正交双基线交叉环阵列对付准垂直入射信号信号的效果也不太理想。电子科技大学硕士学位论文越南战争中越军采用的猝发通信方式给小孔径非瞬时测向造成了很大的压力现实明显地提出了对瞬时测向或快速电子扫描的要求并刺激了这些技术的发展。HF和VHF频段扩频调制技术的应用对瞬时或准瞬时测向提出了更迫切的要求。到达角信息成了扩频信号分选的主要判别依据。进入九十年代小孑L径测向机的设计和开发取得了重大的进展。测向设备主要基于相位干涉仪和到达时间差技术。一般来说只利用幅度测向的测向机常用来对付协同发射机。例如:无线电寻的与导航航标、紧急定位发射机、野生动物跟踪器、便携式车载发射机等。..测向定位及相关学科的定义以下给出本文所涉及的测向定位及相关学科的定义:无线电定位:借助无线电波的传播特性确定一个目标的位置、速度或其他特点。单站定位:辐射源的位置由单独一个测向站通过测出接收来波的方位角和仰角并利用反射电离层的高度计算出来。多站定位:通过多个测向站对一个辐射源进行无线电定位。示向度:用测向设备测量出来的从观测点的地球子午线.指北方向沿顺时针旋转到观测点与被测辐射源的来波方向之间的夹角(方位角)其取值范围为度至度。示向线:辐射源与测向站之间的连线。测向准确度:表示相对于目标辐射源的真实方向而言得到的示向度的准确程度。根据有关测向误差的范围常用三个不同参数:系统误差。由所采用的测向方法和测向设备的技术实现方法决定主要来源于测量环境、天线、伺服与馈电系统、测量通道和数据采集过程中的非校准因素它与频率、环境等诸多因素构成了非常复杂的非线性关系。大多数情况下系统误差是通过计算和测量作为~个固定的极限值给出。剩余误差。对所有可以校正的测向误差进行校正后的剩余误差是无线电误差校正的结果。用定型的工业产品(样机)在应用条件下通过对各个测向结果进行长时间的计算并进行测向检验得出来的误差(要考虑到具体应用情况、达到的时间特性、整个工作频段等有时是在固定的测向扇区、某一接受范围、某频段、或者对一些确定的发第二章测向定位基础知识射方式。测向灵敏度:测向机可以给出满意方位时所需要的入射波的最小场强。一般来说当信号强度很小时方位显示会被噪声弄模糊在读数可以准确到度时一般认为显示是满意的。..短波测向体制所谓测向体制是指测量来波方位所采取得不同的技术方法常用的有如下几种:()方向波辨天线方位扫描测向技术利用具有方向波辨的天线做方位扫描(。)以天线接收到的信号的感应电动势输出(电压)幅度的峰值或零值(最小值)测量入射波的方向并计算方向度。例如乌兰韦伯测向机等乌兰韦伯大基础测向机具有较高的测向灵敏度、准确度和很强的抗干扰能力。缺点是占用场地大测向时间缓慢。{H()比相法测向技术利用测量天线不同位置的感应电压相位差并由此计算来波入射方位角和仰角的设备如角度计测向机为小基础测向机具有较高的测向灵敏度和准确度测向时间也较快不足之处是同信道抗干扰能力差。交叉环天线的等效结构如右图所示:设天线中心C来波信号场强为:eo=Eosintot()当电波从与NS方向成角到来时当车远远小于l时(该交叉环天线阵满足此条件)NS框天线上感应的电动势为:eM。EoCOS’COStot()Ew框天线上感应的电动势为:eEEosinCOStot()图交叉环天线的等效图下电子科技大学硕士学位论文用两路相位差。()的低频(Q)正弦调制信号(cosQt与sinQt)与两对了乏线合成电压相乘得:U=KeMcosfft=KEocos/cosftcosmt()U写Ke矿sinfftIKEosiIl疗sinQfcosⅣ()U。U:高频同相位将“U:直接相加得:UE=““=KEocos(一Qt)COSfog()(七=U。。G)G为角度计增益U‰为cosQt幅度其波形如图所示:图U。的波形为一抑制载波的双边带调制信号。令振幅U。。KE。则H£一UEcos(目一fft)cosrat()经检波得U。cos(一ot)铫cosflt进行相位比较其相位差。与来波方位有确定的关系。但是经包络检波后在调制信号的一个周期内有两个波谷点即有两个小音点故存在着。的不确定性。为了辨别单向采取引入中央天线信号的方法原理如下所述。中央天线c经。移相电路移相可使其中央天线电压与Ns、Ew差电压高频同相位达到直接相加的目的。中央天线感应电动势为:ec=eoh。一Eoh。sino雠()第二章测向定位基础知识则中央天线电压:已E。h。蜘卜三)E。h,cos耐()与()式比较可看出已与“。(NS、EW合成电压)高频同相位因而可直接相加。中央天线输出:“c=已‘七=k‘Eh"COS(Or()(k=E,。cG)G为角度计传输系数。令M。振幅U。=k‘E‘h。则HcUc’COSOg三路总合成输出为:比删IMcU£。UcCOSO甜UEcos(一锄)‘COSe口t坝偿咖一卜耐弘Ⅲ协镌删度)则“Ⅲ一Ucmcos(一nolcos甜()展开则为://。,ffiUcCOS甜iraUcc。s(耐口一Qf)imU。cos(耐一口Qf)()解调可得cos(OQf)可得单值。因其方向图为心形图如图所示每z有一个最小值。电子科技大学硕士学位论文蚴咋(NSEM合成输出)哆U.相加后为调幅图三路合成心型图()多普勒测向技术应用多普勒效应的原理用一根天线沿圆周运动当天线运动方向与电波传播方向相反时天线响应信号的频率升高当天线运动方向与电波传播方向相同时天线响应信号的频率降低天线运动方向与电波传播方向垂直时天线响应信号的频率不变。这种响应信号的频率变化称为多普勒频移。【”蟛普勒频移是从正值到负值周期性的变化为零点时天线在圆周上所处位鹭的法线指向辐射源由此确定电波入射方位。多普勒测向是采用大基础天线阵测向的准确度高极化误差较小缺点是抗干扰性差。()比辐法测向技术瓦特森一瓦特(WatsonWatt)测向机属于振幅比较的小基础测向设备。它利用平衡一致的双波道接收机接收并放大两正交天线的含有方位信息的电压在阴极射线管做李沙育图形显示完成对入射波方位的测定。现代瓦特森一瓦特测向机增加了自动数字测向数字信号处理等微电子技术使设备的功能更强性能更高是目前性能最优越的小基础测向设备测向速度快抗干扰能力强在世界上得到广第:章测向定位基础知识泛的应用。【】瓦特森一瓦特测向体制的数学原理如下所示:当一均匀平面波以方位角a仰角照射到正交的Adcok天线阵时如图.所示。^一一I/矽k^^‘图电波射入天线阵列示意图设天线中心点接收电压E贝Eo=Aocost()以真北方向(O度)为基准在圆阵均匀分布的四个天线单元获得的电压为:EN=Aocos(t一Ⅱd/九COSCOSQ)()Es=AocoS((I)tⅡd/XCOSCOSQ)()EE=Aocos(cotⅡd/九COSsinQ)()Ew=Aocos(cotⅡd/^COSsino)()上式中e为电波入射仰角n为电波入射方位角d为天线直径九为信号波长。为信号角频率Ao为信号振幅。天线的输出为:电子科技大学硕士学位论文ENs=ENEs=Aosin(Ⅱd/xCOSCOSosinot()EEw=EEEw=Aosinfnd/^COSesinⅡ)sint()当d<<^时()()式可简化为:ENS=ENEs=AoⅡd/九COSCOSQsin(‘)t()EEW=EEEw=AoⅡd/^cossinosinJt()由()()式可知天线的输出ENS、EEw分别是方位角的余弦和正弦函数仰角的余弦函数。将y=ENSx=EEw分别送到增益和相位都完全平衡的双通道接收机中放大则接收机的输出为:Ev=AoKⅡd/^coscosdsin(Ct巾)()Ex=AoKⅡd/^COSsinⅡsm(ult中)()式中K为接收机增益。.为接收机之中频频率巾为信号过渡附加角。由()()可知:tgGt=tg(Ex/Ev)()采用数字测量技术可对两中频输出的振幅进行测量后做反正切运算得到a。实际的测量中还需要知道中心天线的幅度相位关系来判断a的象限。.短波定位基础知识用无线电技术进行定位其根据是电磁波由发射源发出后直线且均匀地向所有方向传播利用电磁波的这个特性可获得时延和传播方向参数由此可获得有关求位置的必要信息。定位分为自定位和他定位在借助方位测量进行定位E角测量、交会或交叉测向的过程中二者的区别在于自定位用方位等值线进行交会他定位用大圆进行交会。用一台测向机确定不同位置的多个己知发射台的电磁波入射方向并通过示向线的交会确定该测向机的位置称之为自定位。自定位只用于导航。第二章测向定位基础知识用处于多个已知位置的测向机测定一个发射台的电磁波入射方向并通过示向线的交会确定该发射台的位置称之为他定位。他定位可用于监视也可用于导航。在定位系统中通过同一平面(或球面讷两条或两条以上相互独立的位置线可确定该平面内所求的位置。位置线可以是任意走向的直线或曲线根据所用位置线种类的不同可以得到不同的定位方法如椭圆法(s法)、圆法(p法)、双曲线法(法)、直线法(e法)和圆值线法(ie法)。【】【】【】电子科技大学硕士学位论文第三章系统设计本系统可对.MHz到Miiz的短波地波信号进行测向和信号分析单个交叉环天线作为测向天线接收机采用厂的三信道接收机该接收机既可用于信号快速搜索也可用于测向。为简化系统设备只采用一台高性能工控机其既具备系统的信号处理工作能力又要对系统设备的监控能力能实时地控制设备按一定的工作流程执行任务还要发现设备的故障并报警。关键部分是其信号处理能力。系统组成框图如下图一l所示:.测向天线图系统组成框图根据战术使用特点本系统只测定近距离地波信号要求架设、拆收迅速。因此在本系统设备中采用单个交叉环天线作为测向天线。其示意图如图所示。有源环形天线是世纪年代以后发展起来的宽频带短波接收天线它是由无源环形天线和有源放大网络组成。其原理是:由电周长(环长与波长之比)小于/的电小环天线接收信号并送入有源网络进行放大再将放大后的信号输出给接收机。在短波波段无源环直径约l米时可满足电小环天线的条件因此它的几何尺寸要比一般无源天线小得多是比较理想的小型化天线。有源环天线的特点是低电感和低输入阻抗这有利于实现宽频带特性。对于一般无源天线要满足.姗z~删z频段内正常工作至少需要三副天线(如菱形天线):采用有源环形天线一副就可以覆盖整个短波频段。第三章系统设计为了避免与车上其它天线相互影响测向天线需放在离车至少约米的场地上天线展开尺寸宽高为.米.米拆收尺寸宽高为.米x.米重量为.千克为了减少测向天线与车内测向设备间的连接电缆射频处理单元所需的V电源与三路高频信号共用通过三根标准同轴电缆与车内设备相连。三根电缆平时缠绕在电缆盘上电缆盘尺寸直径长度约.米.米含电缆总重量约千克。天线水平放在地面上不使用地网不必精确对正北。采用机械式指北针读取正北校准值保证了迅速开设。.射频处理单元图天线示意图射频处理单元主要完成信号的预处理和宽带放大作用。本单元直接安装在天线底座内:其组成框图如图所示。电子科技大学硕士学位论文兰怔雪臣尘咂!)臣田母匪邛图射频处理单元组成框图.短波三信道测向接收机短波三信道测向接收机的主要作用是将射频处理单元送来的三路高频信号同时进行放大、变频处理提供含三路中频信号(.MHz)给终端进行进一步的处理。接收机的所有操作均由终端通过RS口进行遥控。接收机原理图见图。由原理图可知接收机由A、B、c三个信道单元、合成器单元、校准信号源单元、控制单元和电源单元组成。天线信号送至三个信道输入端经射频开关选择接收与校准方式经过预选器滤波带外强干扰后通过高放至第一混频器与频率为.MHz~.MHz的第一本振信号混频滤波后得到.MHz的第一中频信号经放大、滤波后与频率为MHz的第二本振信号混频后得到.MHz的第二中频信号经放大、滤波和增益控制后实现.MHz的中频输出。合成器单元将IOMHz高稳定度晶体振荡器产生的MHz标频经放大、倍频产生MHz的频率经放大、滤波和功率分配分别送至三个信道单元作为第二本振信号同时也将MHz的频率送至一本振DDS和校准信号源作为标频。tmIz的标频经一本振DDS配以控制逻辑输出.MIlz一.MIlz的第一本振频率经滤波器及功率分配送至三个信道单元作为第一本振信号。校准信号源单元将MHz的标频经DDS配以控制逻辑输出OHz的校准信号频第三章系统设计率经滤波和射频开关通断控制后分成二路输出其中一路经分配器送到三个信道的校准输入端而另一路则由后面板上的射频输出插座输出。校准信号源可实现与接收信号同频或异频的功能同时具有输出幅度可调功能调整范围为dB步进为IdB。控制器单元是以单片机为核心由RS遥控接口来接收外部控制命令的输入由控制接口来控制整机的各种工作参数和工作状态包括接收频率、射频开关、天线衰减、预选器波段控制、信道增益控制以及校准信号的频率、幅度、通断选择和本机自检功能的控制。电源单元将直流V输入变换成V、一V和V三路直流输出电源提供给各个单元。电子科技大学硕士学位论文天线:骘信道A单元{蕊i崭!鲢吩““~“}:M..。。..士!j土.:!j..t.~蔓tnn口矗盯~‘二一电源单元!.j图三信道接收机原理框图{矿第三章系统设计与接收机通信的串口协议:a、工控机与接收机采用RS一串口通信其设置如下:波特率:bps奇偶校验:奇校验数据位:bit起始位:lbit停止位:lbitb、指令和回送结果用ASCII码表示其格式如下:起始标志(OAH)命令字<参数引导符}参数>结束符(oDH)C、指令必须按测向接收机遥控说明书中规定的表中指令格式进行传送。袁一l接收机的指令格式指令内容指令名称命令字参数说明.射频频率F步进:Hz单位:Mttz数字数字增益控数步进:ldB输入控制量大于最制D字大增益时按最大值响应O=OdB天线衰减R数字dB一lOdB=一dBO一数步进:ldB输入控制量大于最信号源衰减A字大衰减值时按最大值响应选择扫描方SCF=频率段扫描=频道扫描几启动或停止OPR=停止扫描l=启动扫描扫描暂停扫描SOS无无重新启动被暂停扫描ENA无无A频率段号B下限频率C设置频率段SWABC上限频率扫描参数BC范围O一.数字步进:Hz单位:MHz电子科技大学硕士学位论文处理板进行处理。计算机可对该模块的信号衰减量及采样速率进行控制。图工控机的前视图..高速数字信号处理板DSP板采用北京闻亭科技发展有限责任公司的TDSP/P板它是一款最新研制的高速信号处理板可作为通用高速信号处理平台尤其适用于图象处理系统。它采用了公司的最新DSP器件(TMSC/C)最高运行速度可达MIPS。板上配置了高速同步存储器SBSRAM(bit)和SDSRAM(Mbit)保证用户有足够大的存储空间、足够快的存储速度。提供了真彩色RGB数据接口(亦可作为通用数据接口)和McBSP接口(SPI接口)实现与外部资源的通讯。TDSP/IP板符合PCILocalBusRevision.协议主机可访问DSP的所有资源用户可通过主机加载程序支持多卡并用。【Ⅱ】】刚TDSP/P板提供了Win和NT下的驱动软件及DSP的应用软件(APIs)利用这个硬件平台和底层软件库用户可以很容易地验证自己的想法加快项目进度。它的功能框图如图.所示TDSP/P板主要特点如下:.DSPMTM$C或MTMSC。.高速问步存贮器KbitSBSRAM(MHzlMbitSDRAM(MHz)第三章系统设计数字信号输入位数据接口.V.V复位信号TMSC高速信号处理器EPI.D可编程器件SDRAM存储器SBSRAM存储器图高速数字信号处理板功能框图.PCI总线满足PCIlocalBusRevision.协议主机通过HPI接口可直接访问DSP所有存储空间。允许主机初始化DSP从主机加载程序。.McBSP接口和定时器接口(兼容TTL电平).用户I/O接口该I/O接口兼容.VTTL电平可作为通用数据接口或用作真彩色图象数据接口支持XBitRGB数据输入。.JTAG接口用闻亭公司提供的TDSCX仿真工具可以访问DSP及外围。.电源模块.V电源为CX的L/O、存储器、FPGA及接口芯片供电.V电源为CX内核供电。.电源监测与复位控制电源监测电路可监测板上电压并提供复位信号。线J总一d口一P爨丁总一电子科技大学硕士学位论文DSP/P提供了用于处理硬件的底层驱动程序和用户模式的动态链接库一Duj用户在此基础上编写主机上的应用程序可实现以下功能:.复位及配置CX.装入代码.发送与接收信息.通过API处理}上资源DSP/P提供的主机支持软件运行在W'mdows或WindowsNT.环境。该软件在DSP/P板软件安装时安装在计算机中。在Windows中evmx.vxd是用于处理硬件的底层驱动程序。在WindowsNT.中作为一个核心模式的驱动程序evmx.sys用于处理硬件。evmx.dll提供了所有对硬件的控制或通信的函数它对底层驱动程序操作进行了明细处理。这个DLL为Windows或WindowsNT.的用户应用程序给出了一个公用的WinAPI。因此一个使用了WinDLL的W'm用户模式的应用程序可以在W'mdows或WindowsNT.两个操作系统下运行。..软件组成终端软件主要由Windows操作系统、ACESS、相关硬件驱动程序、短波监测应用程序组成。短波监测应用程序基于windowsVC.做为开发工具。该程序的模块图由图所示:图短波监测应用程序模块图整个应用程序工作流程如下:由用户设定频段搜索的起止频率接收机开始快速进行信号搜索将该频段范围第三章系统设计内的信号频谱显示出来。用户对于感兴趣的信号可以进行信号测向测出该信号的大圆方位也可对该信号进行信号分析测出该信号的dB、dB带宽、信号场强、信号调制模式等。如果有必要用户可手动将与该信号有关的操作存入数据库中。...数字信号处理应用程序数字信号处理应用程序是运行在高速数字信号处理板上的DSP应用软件它是短波监测程序通过计算机系统加载到高速数字信号处理板上开始运行的。DSP生产商提供的windowsAPI函数可以方便地完成一系列信号的接收和处理。例如:

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