一种超短波测向系统及集成式超短波测向设备

技术领域

本发明涉及无线电测向技术领域，尤其是一种超短波测向系统及集成式超短波测向设备。

背景技术

超短波测向系统（Ultra High Frequency Direction Finding System）是一种无线电测向系统，用于确定信号源的方向和位置。它使用超短波频段的无线电信号来进行测向，广泛应用于军事、情报和安全领域。此外，它还被用于定位无线电干扰源，以便采取措施减少无线电干扰对其他通信的影响。

超短波测向系统通常由两个或更多个位于不同位置的天线组成，通过测量多个天线接收到的信号的到达方向，进行信号源的方向和位置的定位，但超短波容易被遮挡物遮挡，受环境的干扰很大。目前的方案没有考虑更灵活、便捷的部署方法，以及更详细有效的抗信号扰动的技术方案。抗信号扰动主要途径有两种，一是研发更先进的算法和信号处理技术，以提高测向系统的精度和效率；如采用多种技术手段，如自适应滤波、多天线干扰消除等，以减少干扰对测向结果的影响，但需要消耗计算资源且效果有限；二是设计更具抗干扰性能的运动超短波测向系统，但也仅能通过随机运动并根据可视化信号情况以寻找信号较好的位置进行作业；较强的信号干扰将会影响作业过程中的测向精度与速度，严重制约了运动平台在作业时的发挥，因此，目前缺乏一种能够部署在运动平台、提高测向精度速度并且能够引导运动平台向优质信号区域运动的超短波测向系统。

发明内容

为解决上述现有技术问题，本发明提供一种超短波测向系统，包括：

超短波天线阵列模块、4D毫米波组模块、信号处理模块、定位模块、异构信号融合模块及运动平台控制模块；所述超短波天线阵列模块用于采集多个波段的超短波模拟信号，所述4D毫米波组模块用于获取信号区域的方向信息和速度信息，所述信号处理模块用于对所述超短波天线阵列模块采集的超短波模拟信号进行数字处理得到超短波数字信号，所述定位模块用于对采集的视觉信息和惯导信息进行融合获取高精度定位信息，所述异构信号融合模块用于对所述超短波数字信号、方向信息、速度信息及定位信息进行异构融合以获取信号强度的梯度，所述运动平台控制模块用于根据所述信号强度的梯度控制运动平台移动到相应的信号区域。

进一步的，所述系统还包括短期记忆存储模块，所述短期记忆存储模块用于对所述超短波天线阵列模块采集的多波段超短波信号进行储存与分析以形成独立的数据集合。

进一步的，所述定位模块包括至少一个双目相机、多个GPS单元及至少一个IMU感知单元。

进一步的，所述信号处理模块对所述超短波天线阵列模块采集的超短波模拟信号进行数字处理得到超短波数字信号的步骤包括：

将所述超短波模拟信号转化为数字信号；

对所述数字信号进行滤波、自适应均衡、增益处理；

对所述数字信号进行调制与解调；

对所述数字信号进行放大和隔离处理，识别、分离干扰信号，得到超短波数字信号。

进一步的，所述异构信号融合模块根据所述短期记忆存储模块提供的数据集合回溯过去短时间内的测向信号强度。

进一步的，所述异构信号融合模块对信号强度进行量化并融合所述4D毫米波组模块的方向信息、速度信息及所述定位模块的定位信息进行信号强度梯度的求解。

进一步的，所述超短波天线阵列模块包括L波段超短波天线、S波段超短波天线以及C波段超短波天线。

为解决上述现有技术问题，本发明还提供一种集成式超短波测向设备，包括所述的超短波测向系统、主测向装置、升降装置及运动装置，所述超短波测向系统设置于所述运动装置上，所述主测向装置和所述升降装置活动连接并安装于所述运动装置。

进一步的，所述超短波测向系统的超短波天线阵列模块的多个超短波天线及4D毫米波组模块的多个雷达呈圆形均匀布置于所述运动装置上。

进一步的，还包括设置于所述主测向装置和所述升降装置之间以调整所述主测向装置方向的云台。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明的超短波测向系统依靠超短波天线阵列模块、4D毫米波组模块及异构信号融合模块可以进行环境不同方向信号强度与质量的评估，从而能够快速寻找到信号优异的区域，进而有助于引导运动平台前往信号质量更优异的区域执行测向任务；

2、结合4D毫米波组模块的雷达采集的测向目标信号区域的方向信息和速度信息，然后通过对定位模块的定位信息、方向和速度信息的融合，为所述超短波天线阵列模块提供参考，以便更精确地计算多普勒效应的影响并进行相应的补偿，从而消除运动平台移动过程中超短波信号的多普勒效应，可有效减少信号干扰，提升了信号测向的精度；

3、本发明的集成式超短波测向设备通过将超短波测向系统的超短波天线阵列模块的多个超短波天线及4D毫米波组模块的多个雷达呈圆形均匀布置于运动装置上，结合4D毫米波雷达的高分辨率、高速度、抗干扰性强的特点可以使测向设备具有方向性更好、多径干扰抵抗能力更强、抗干扰性更强的优势；

4、部署在升降装置上的主测向装置可以通过升高与旋转的方式，防止超短波天线阵列模块的超短波天线信号干扰，且依靠运动装置实现快速的移动与部署，使得本发明的集成式超短波测向设备灵活性高、响应速度快、覆盖范围广、受干扰程度低。

附图说明

图1为本发明所提供的一种超短波测向系统的结构示意图；

图2为本发明所提供的通过信号处理模块对超短波天线阵列模块采集的超短波模拟信号进行数字处理的流程图；

图3为本发明所提供的一种集成式超短波测向设备的结构示意图。

附图标记：1、超短波天线阵列模块，2、4D毫米波组模块，3、信号处理模块，4、定位模块，5、异构信号融合模块，6、运动平台控制模块，7、短期记忆存储模块，100、超短波测向系统，101、主测向装置，102、升降装置，103、运动装置，104、云台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参照图1-图2，为解决上述现有技术问题，本发明提供一种超短波测向系统100，超短波测向系统100包括：

超短波天线阵列模块1、4D毫米波组模块2、信号处理模块3、定位模块4、异构信号融合模块5及运动平台控制模块6；所述超短波天线阵列模块1用于采集多个波段的超短波模拟信号，所述4D毫米波组模块2用于获取信号区域的方向信息和速度信息，所述信号处理模块3用于对所述超短波天线阵列模块1采集的超短波模拟信号进行数字处理得到超短波数字信号，所述定位模块4用于对采集的视觉信息和惯导信息进行融合获取高精度定位信息，所述异构信号融合模块5用于对所述超短波数字信号、方向信息、速度信息及定位信息进行异构融合以获取信号强度的梯度，所述运动平台控制模块6用于根据所述信号强度的梯度控制运动平台移动到相应的信号区域。

其中，所述超短波天线阵列模块1包括L波段超短波天线、S波段超短波天线以及C波段超短波天线，分别采集L波、S波及C波多个波段的超短波模拟信号，每个波段的超短波天线可以是一个或多个，从而可以采集到多个方向多种波段的超短波。然后将采集的多个L波信号、S波信号及C波信号进一步的输入所述信号处理模块3，通过上述信号处理模块3对超短波天线阵列模块1采集的超短波模拟信号进行数字处理，从而得到对应的超短波数字信号，处理流程如图2所示，具体包括以下步骤：

S1、将各个超短波模拟信号转化为数字信号；

S2、对数字信号进行滤波、自适应均衡、增益处理；

S3、对数字信号进行调制与解调；

S4、对数字信号进行放大和隔离处理，识别、分离干扰信号，得到超短波数字信号。通过将数字信号输入隔离放大器，对信号进行放大与隔离，可以提高信号的信噪比与准确度，之后还可以将信号输入双向收发器进行快速的切换与路由，从而将多个超短波天线采集的信号进行联合，可以快速准确地获取到测向目标信号。进一步的结合4D毫米波组模块2的雷达采集的测向目标信号区域的方向信息和速度信息，然后通过对定位模块4的定位信息、方向和速度信息的融合可以用来感知运动点，为所述超短波天线阵列模块1提供参考，以便更精确地计算多普勒效应的影响并进行相应的补偿，从而消除运动平台移动过程中超短波信号的多普勒效应，可有效减少信号干扰，提升了信号测向的精度，并可以获取更丰富的多模态数据，然后通过对多模态数据的分析有助于准确寻找到信号优异的区域。

进一步的，所述定位模块4包括至少一个双目相机、多个GPS单元及至少一个IMU感知单元。其中，双目相机的图像信息仅用作视觉里程计的计算，通过计算相邻帧之间的位移和旋转来推算相机的位姿变化，从而估计车辆的位置和姿态；由于视觉里程计容易受到光照、场景变化等因素的影响，因此需要结合其他传感器进行融合。

GPS单元通过接收卫星信号计算物体的位置，可以获得较为精确的位置信息，但在城市峡谷、高楼密集区域等GPS信号较差的区域，定位精度可能受到限制；因此本发明实施例中通过使用多个，如2个GPS单元除了可以提高定位的位置精度并避免信号盲区，还可以根据GPS的前后位置关系对运动平台的朝向进行确定。

IMU通过测量物体的加速度和角速度，用于估计物体的姿态变化，由于IMU测量存在漂移等误差，因此需要结合其他传感器进行校正。

定位模块4依靠上述双目相机、GPS单元及IMU感知单元的传感器进行视觉里程计定位与惯导信息采集，通过多传感器点云配准、时间同步、空间同步完成定位信息的融合，可以获得高精度的定位及姿态信息，并结合其他信息可以指导运动平台准确移动到目标信号区域。

进一步的，所述超短波测向系统还包括短期记忆存储模块7，所述短期记忆存储模块7用于对所述超短波天线阵列模块1采集的多波段超短波信号进行储存与分析以形成独立的数据集合。短期记忆存储模块7是一块具有储存与运算功能的微控制单元，短期记忆存储模块7通过对所述超短波天线阵列模块1采集的每个独立信号进行储存与分析形成过去（tn-t1）时间范围内的多组独立的数据集合S。

更进一步的，所述异构信号融合模块5根据所述短期记忆存储模块7提供的数据集合S回溯过去（tn-t1）短时间内的测向信号强度；所述异构信号融合模块5对信号强度进行量化并融合所述4D毫米波组模块的方向信息、速度信息及所述定位模块的定位信息进行信号强度梯度的求解。通过对数据集合S进行梯度计算，并融合4D毫米波组提供的方向、速度信息，获取在过去（tn-t1）时间内的目标信号强度的梯度并传递给运动平台控制模块6，运动平台控制模块6根据目标信号强度的梯度向运动平台发出朝向信号强度梯度升高的方向移动的指令，从而引导、控制运动平台移动到相应的信号区域。特别在面临环境不确定的任务场景时，本发明的超短波测向系统依靠超短波天线阵列模块1、4D毫米波组模块2及异构信号融合模块5可以进行环境不同方向信号强度与质量的评估，从而能够快速寻找到信号优异的区域，进而有助于引导运动平台前往信号质量更优异的区域执行测向任务。

实施例2：

如图3所示，为解决上述现有技术问题，本发明还提供一种集成式超短波测向设备，包括所述的超短波测向系统100、主测向装置101、升降装置102及运动装置103，所述超短波测向系统100设置于所述运动装置103上，所述主测向装置101和所述升降装置102活动连接并安装于所述运动装置103。所述集成式超短波测向设备还包括设置于所述主测向装置101和所述升降装置102之间以调整所述主测向装置101方向的云台104。部署在升降装置上的主测向装置可以通过升高与旋转的方式，防止超短波天线阵列模块的超短波天线信号干扰，且依靠运动装置实现快速的移动与部署，使得本发明的集成式超短波测向设备灵活性高、响应速度快、覆盖范围广、受干扰程度低。

所述主测向装置101部署在升降装置102顶端的Yaw轴云台104上；所述主测向装置101用作超短波测向任务，可以依靠所述Yaw轴云台104进行方向的调整以获取更佳的信号。此外，所述升降装置102可以改变所述主测向装置101的高度，除了能够调整位置以获取更佳的信号外，还可以在一定程度远离超短波测向系统100的圆形超短波天线阵列。超短波波长范围在10 cm - 100 cm 之间，即主测向装置101距离超短波测向系统100的圆形超短波天线阵列超过半个波长（约50cm）以上，可以减少对主测向装置101的信号干扰。运动装置103亦是负载平台。

请参阅图3，所述超短波测向系统100的超短波天线阵列模块1的多个超短波天线及4D毫米波组模块2的多个雷达呈圆形均匀布置于所述运动装置103上。

具体的，在本实施例中，所述超短波测向系统100的超短波天线阵列模块1的超短波天线阵列可以设置为5个，4D毫米波组模块2的雷达个数可设置为3个，5个超短波天线和3个4D毫米波组模块的雷达呈圆形均匀布置于所述运动装置103上，相较于矩形、线性等布局方式，圆形布局具有方向性更好、多径干扰抵抗能力更强、抗干扰性更强的优势；所述超短波测向系统100的定位模块4的深度双目相机可布置于4D毫米波组模块2一侧、定位模块4的2个GPS单元可分别布置于运动装置103的两侧；此外，分散的超短波天线可以不是同一种类型，每个超短波天线阵列均包含有L波段超短波天线、S波段超短波天线、C波段超短波天线，且间隔排列；各类天线组成的圆形阵列使得其覆盖信号频段更广，且圆形布局中，天线之间的距离相等，信号到达不同天线的相位差别也更大，从而使信号的相位差别更容易被测量和计算。

4D毫米波组模块2的3个雷达互相呈45度夹角，4D毫米波雷达测量精度可以达到亚毫米级别，能够准确测量目标的位置、速度、加速度信息，由静止物体产生的信号可以用作对自身速度、方向的估计。使用4D毫米波雷达的原因是因为常见的GNSS模块如GPS、RTK等在野外、山林等区域容易丢失信号，且轮式里程计、惯导、激光里程计、视觉里程计在反复振动的运动平台上有极大的误差。而4D毫米波雷达具有高分辨率、高速度、抗干扰性强等特点，其特性非常适合在此类场景中获取高精度的异构感知信息并辅助消除多普勒效应带来的影响，以获得更精准的测向信号。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。其中，“里侧”是指内部或围起来的区域或空间。“外围”是指某特定部件或特定区域的周围的区域。

在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用以描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“~”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A~B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。

在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。