CN201773183U - 便携式无线电测向装置 - Google Patents

Abstract

一种便携式无线电测向装置，包括：幅度比较式定向天线和干涉式天线阵列及前端控制电路的天线阵，以及由主控机、上位机、接口电路与电源电路组成的控制机。主控机设有：将天线输出信号与DDS提供的本振信号进行频率转换的混频器，可调增益控制器AGC，模数转换器ADC，GSM电路，收音机芯片，以及用于调控各电路和缓存信息的现场可编程门阵列FGPA；上位机设有：GIS测向模块和数据与通信处理模块，以及分别连接该两个模块的人机交互界面和操作***与驱动模块。该装置集远距离定位与近距离精确抵近于一体，既能多机并用实现联机测向，也能单机独立工作；用相关干涉式与幅度比较式两种算法配合进行测向，并配合GIS将测向定位结果图形化地显示于电子地图。

Description

便携式无线电测向装置 

技术领域

本实用新型涉及一种监测电波的电子装置，确切地说，涉及一种用于调频(FM)频段的辅助大型无线电监测***的便携式无线电测向装置，属于无线电测向设备技术领域。 

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展和广泛应用，无线频谱已经成为一种不可再生的紧缺资源，如何合理利用和监管无线频谱资源成为各国无线电管理部门的首要工作。加强无线电波管理，保障无线信息的高速、高效传递，对保障经济的发展、人民生活的丰富、国防的巩固和军事指挥的畅通都有极其重要的意义。 

调频广播(FM)作为无线广播的主要业务，覆盖了全国各地，各省的交通信息和气象预报等大众服务信息均通过该频段发送，因而该频段的占用率极高，已经接近饱和。尽管无线监管部门对调频广播的制式、带宽和频率等都作了合理的分配，但是，仍然有部分单位或个人出于各种目的，私自搭建调频广播电台，未经允许就私自发射调频无线信号，严重扰乱了正常的调频广播的运行，甚至因此带来严重后果。所以，急需一种能够迅速、有效地定位非法调频发射源的设备或***，对非法发射源进行定位和取证。 

目前，国内的大、中城市都已经基本建立了无线电监测网络，但是，多数是大型监测站，其建设成本高昂，维护手续繁琐，因此建站数量少，覆盖范围有限，无法满足当前无线电监测任务的覆盖需求。而且，随着城市建设的不断发展，市内高楼林立，导致城市内的电磁环境日愈复杂化。然而，小功率无线电设备的不断涌现，又经常在局部区域内影响正常的无线电通信业务。这种小功率设备发射的信号经过复杂电磁环境的衰减和反射后，到达大型监测站时， 其信号强度和信号质量都已经明显衰减，不足以用于对其进行监测，有时甚至使得大型监测站无法对其进行有效的搜索、跟踪和定位。 

为了解决这一瓶颈现象，小型或便携式无线电监测设备就应运而生。与大型监测站相比，小型或便携式无线监测设备的功能相对简单，只能够完成某一种或几种监测任务，而且监测的频率范围也有限。但是，它便于移动，在局部地区的无线监测中，效率更高、更实用；而且，建网成本低，特别适合大批量地分布在偏远地区或局部热点地区实现联网监测，如果再与大型监测站配合使用，就能够达到更高的监测效率。 

现在，市场上偶尔看到的、正在使用的便携式无线测向设备大都是基于抵近作业设计生产的，在完成查找无线电干扰源的作业中，往往需要固定站、车载移动站或便携站等设备能够先行确定大致方位，然后再使用便携式无线测向设备抵近干扰源。因此，这些便携式无线测向设备在某种程度上还难以独立使用。所以，研制一种能够独立使用的便携式无线测向装置就成为业内科技人员关注的一项焦点课题。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种结构新颖、功能齐全，且集远距离测向定位与近距离精确抵近测向定位于一体的便携式无线电测向装置。该装置既能够在多机使用时实现联机定位，同时，也能在无法联机情况下单机独立工作；采用相关干涉式算法与幅度比较式算法相配合的方式进行电波测向，并配合地理信息***(GIS)将测向和定位结果以图形化形式显示在计算机的地图上。 

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种便携式无线电测向装置，其特征在于：该装置包括下述两部分：天线阵和由主控机、接口电路、上位机与为各部件供电的电源电路构成的控制机，其中天线阵至少设有用作基准天线或逼近式定位的幅度比较式定向天线和前端控制电路，主控机设有下述顺序连接的控制电路：将接收的天线阵输出信号与数字式合成器DDS提供的本振信号进行信号频率转换的混频器，自动控制信号强度的可调增益控制器AGC，将模拟信号 转换为数字信号的模数转换器ADC，以及作为该主控机控制中心的现场可编程门阵列FGPA电路，该FGPA电路还分别连接数字式合成器DDS、可调增益控制器AGC、全球移动通信***GSM电路、收音机芯片电路与接口电路，以调控各电路以及交互、存储信息；用于监听非法电台信息和配合上位机执行FM全频段电台的扫描功能的收音机芯片电路的输入端和输出端分别连接幅度比较式定向天线和扬声器或耳机；接口电路负责完成天线阵与主控机的信号和上位机的信号之间的通信接口的转换功能：作为该装置控制中心的上位机设有：采用相关干涉与幅度比较两种算法相互配合进行测向，并在电子地图上显示测向结果：三条直线交互形成的三角型区域的地理信息***GIS与测向算法模块和数据与通信处理模块，分别连接该两个模块的人机交互界面和操作***与驱动模块。 

所述电源电路是线性稳压电源LDO，其输出的电压有：+5V，-5V，3.7V，3.3V，2.5V，1.8V和1.2V。 

所述前端控制电路设有：在不运动或运动速度较低时能够确定天线阵基准方位的电子罗盘，用于给出精确定位信息的全球定位***GPS电路，以及用于接收处理电子罗盘与全球定位***电路发送的数据并控制干涉式天线阵列的电子开关电路操作的单片机。 

所述天线阵还设有：用于远距离快速定位的干涉式天线阵列，该干涉式天线阵列设有：四个或四个以上的测向天线，每个天线输出端的信号处理电路，以及这些信号处理电路都连接的天线阵列的电子开关电路。 

所述天线阵中的干涉式天线阵列与主控机之间是双通道连接，幅度比较式定向天线与主控机之间是单通道连接，单片机采用串行口分别连接电子罗盘、全球定位***GPS电路、干涉式天线阵列中的电子开关电路和接口电路。 

所述主控机中的FPGA电路采用串行口连接接口电路；该FPGA电路设有分别完成下述功能的三个控制电路：将上位机发送来的指令转换成主控机中各功能电路能够识别的指令而完成相应操作的指令转换电路；分别对DDS、AGC、ADC、GSM电路和收音机芯片电路执行相应控制功能的控制电路；将接收到的 来自ADC、收音机芯片和GSM电路的数据进行暂存后，根据上位机的相应指令需求而转发到上位机的数据存储转发电路。 

所述接口电路采用串口分别连接单片机、FPGA电路和GSM电路，再采用USB口连接上位机，负责完成串行通信口与USB通信口之间的信号转换。 

本实用新型便携式无线电测向装置用于调频(FM)频段无线信号的测向，既能够实现多机联机的测向定位，也能在无法联机情况下单机独立测向。该装置采用相关干涉式与幅度比较式两种算法相配合的方式进行测向，并配合地理信息***GIS将测向和定位的结果以图形化形式显示在电子地图上，测向结果直观、简明。 

该装置的有益效果是：通过自身的干涉式天线测向就可以独立地快速测定非法发射源的方位，并且在抵近非法发射源后，再采用幅度比较式天线测向就能快速精确地找到目标；不再需要与固定站、车载移动站或便携站等其他设备配合使用。另外，该装置的电路构造简单、合理，操作使用方便、容易掌握。因采用FGPA电路实现了控制电路的集成，使得该装置的成本比较低廉，重量轻，这些特点都使得该测向装置特别适合便携使用和普及推广，尤其适宜在当今大型监测网络难以覆盖、电磁环境复杂和信号衰减反射频繁的高楼林立的城市环境中使用，填补了现有设备的空白。对于发射时间不固定，发射时间短的非法发射源，还可以采用本实用新型的多机联机定位方式，在短时间内就能快速抵达非法发射源。因此，本实用新型有很好的推广应用前景。 

附图说明

图1是本实用新型便携式无线电测向装置控制电路的结构组成方框图。 

图2是本实用新型便携式无线电测向装置多机定位测向的工作原理图。 

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细描述。 

参见图1，介绍本实用新型的结构组成：其控制电路设有天线阵和由主控机、接口电路、上位机与为各部件供电的电源电路构成的控制机。其中的天线阵至少设有用作基准天线或逼近式定位的幅度比较式定向天线及其前端控制电路，还可以拓展配置用于远距离快速定位的干涉式天线阵列。干涉式天线阵列设有：四个或四个以上的测向天线，每个天线输出端的信号处理电路，以及各个信号处理电路都连接的电子开关电路。前端控制电路包括：在不运动或运动速度较低时，用于测定方位信息的电子罗盘；用于给出精确定位信息的全球定位***GPS电路；用于接收处理电子罗盘信息与GPS电路信息并控制干涉式天线阵列中的电子开关电路操作的单片机。 

主控机设有下述顺序连接的控制电路：将接收到的天线阵的输出信号与数字式合成器DDS提供的本振信号进行信号频率转换的混频器，自动控制信号强度的可调增益控制器AGC，完成模数信号转换的模数转换器ADC，以及作为主控机控制中心的现场可编程门阵列FGPA电路。该FGPA电路还分别连接数字式合成器DDS、可调增益控制器AGC、全球移动通信***GSM电路、收音机芯片电路与接口电路，用于调控各电路和实现信息的交互与缓存。用于监听非法电台信息和配合上位机执行FM全频段电台的扫描功能的收音机芯片电路的输入端和输出端分别连接幅度比较式定向天线和扬声器或耳机，其中GSM电路用于多机联合测向定位时实现短信交互。接口电路采用串口分别连接单片机、FPGA电路和GSM电路，再采用USB口连接上位机，负责完成串行通信口与USB通信口之间的信号转换；也就是负责完成天线阵与主控机的信号和上位机的信号之间的通信接口的信号转换功能。上位机是该测向装置的控制中枢，机内设置有：采用相关干涉与幅度比较两种算法相互配合进行测向，并在电子地图上显示测向结果GIS与测向算法模块和数据与通信处理模块，电子地图上显示的测向结果是：三条直线交互形成的三角型区域。分别连接上述两个模块的人机交互界面和操作***与驱动模块。 

该装置的天线阵中干涉式天线阵列与主控机之间是双通道连接，幅度比较式定向天线与主控机之间是单通道连接，单片机的串行口分别连接电子罗盘、 GPS电路、干涉式天线阵列中的电子开关阵列电路和接口电路。 

主控机中的FPGA电路也是采用串行口连接接口电路。该FPGA电路设有分别完成下述功能的三个控制电路：将上位机发送来的指令转换成主控机中各功能电路能够识别的指令而执行相应操作的指令转换电路，分别对DDS、AGC、ADC、GSM和收音机芯片各个电路执行相应控制功能的控制电路；将接收到的来自ADC、收音机芯片和GSM电路的数据进行暂存后，再根据上位机指令而转发给上位机的数据存储转发电路。 

本实用新型装置的电源电路是线性稳压电源LDO，可输出提供该装置工作时所需的各个电压值，包括：+5V，-5V，3.7V，3.3V，2.5V，1.8V和1.2V。 

本实用新型的测向工作可以选用两种方法：单机测向定位与联机测向定位。单机测向定位是由测试人员使用该便携式无线电测向装置在三个地点(相互之间要有设定距离)分别进行三次独立测向，就可以得到一个标注无线信号发射源所在位置的三角形区域。联机测向定位是由三个测试人员分别使用该装置同时进行测向(参见图2)，得到的三条方向线会交汇形成一个三角形区域。所监测的无线信号发射源很可能位于该三角形区域内，而且，位于该三角形的外接圆区域内的可能性更大。得到三角形区域后，本实用新型通过机内配置的设定算法模块的运算处理，就能主动寻找发射源所在位置，并显示在人机交互界面。 

下面简要说明本实用新型的工作机理和操作过程： 

(1)本实用新型装置上电后，先使用天线阵中的比幅式天线进行无线电波的监测，该天线监测范围内的FM信号被比幅式天线接收并经过处理后，送入主控机中的收音机芯片，收音机芯片外接有扬声器或耳机，人工可通过扬声器或耳机进行监听，判断FM电波是否合法。 

(2)若经过监听比对，发现某一频率处的FM信号为非法无线信号，则开始定位非法无线信号发射源的方位。定位方案可根据需要在单机定位与联机定位中进行选择。 

(3)选定定位方案后，每台测向装置中的上位机先向单片机发送指令，用于获取天线阵的位置及方位信息。天线阵的位置及方向信息由前端控制电路进 行测量，其中GPS电路测量天线阵位置，电子罗盘测量天线阵的基准方位，两者测量结果汇总在单片机进行处理，然后由单片机经由接口电路传送到上位机进行后续处理。 

通常，先使用干涉式天线进行远距离测向，确定非法信号源的方位后，再使用比幅式天线进行抵近作业，找到非法信号源所在地。干涉式天线接收非法信号发射源的FM信号后，进行滤波、放大等处理后，再送入电子开关电路，电子开关电路从4个干涉式天线接收到的4路信号中，选取2路信号送入主控机进行后续处理。 

(4)主控机接收到天线阵传入的信号后，首先让信号通过混频器，混频器所需的本振信号由直接数字合成电路(DDS)提供。混频后的信号依次通过自动增益控制电路(AGC)、模数转换器(ADC)、现场可编程门阵列电路(FPGA)，其中FPGA电路控制AGC将信号的增益控制在最佳范围内，还控制ADC将信号转换成数字信号。该数字信号在FPGA电路内部进行初步运算后，经过接口电路，送入上位机进行后续处理。 

(5)上位机是一台PC机，它包括下述功能模块：人机交互界面、地理信息***(GIS)与测向算法模块、数据与通信处理模块和操作***及驱动模块。其中操作***及驱动模块用于支持整个上位机、即PC机***的运行，GIS与测向算法模块、数据与通信处理模块都是用于处理上述两个信号，通过相应算法与计算，最终得出FM信号发射源的位置，并在GIS人机交互界面上显示。人机交互界面是用户与上位机的操作接口，还具有许多传统的功能菜单可供用户选择：新建工程、文件管理、扫描、黑名单、测向、联机等各项操作。该上位机的运行环境是windows XP。 

(6)当采用联机定位方案时，则需用到全球移动通信(GSM)电路，各台测向装置藉此电路通过发送短信的方式进行通讯。 

(7)当上位机在电子地图上交汇显示出非法发射源所在的大体区域时，切换到比幅式测向，使用比幅式天线进行抵近作业，最终找出非法发射源所在地。 

参见图2，介绍本实用新型的定位过程：根据定位原理，先采用全球定位系 统GPS电路定位本实用新型测向装置的自身位置，然后经过交汇计算，完成发射源的定位。此时，因该装置设有地理信息***GIS与测向算法模块，能够直接在地图上绘制和显示测向结果。 

本实用新型不但能够实现单机测向定位，还能够进行多机联合测向定位，还能够通过主控机内的全球移动通信***GSM电路的短信实时发送定位信息。 

总之，本实用新型适用于调频FM频段，能够在多机并存的情况下进行联机定位，方便快捷，同时也能够在无法联机的情况下单机独立工作。本实用新型能够满足大多数无线电波的监测需求，能够在复杂电磁环境下快速定位目标，且携带方便。该装置采用的干涉式测向与比幅式测向相互结合的技术，使其能在远距离定位与近距离抵近作业中都表现出良好性能。 

本实用新型已经研制成功性能样机，并进行了实施试验，试验结果是成功的，实现了发明目的。 

Claims (7)

1.一种便携式无线电测向装置，其特征在于：该装置包括下述两部分：天线阵和由主控机、接口电路、上位机与为各部件供电的电源电路构成的控制机，其中天线阵至少设有用作基准天线或逼近式定位的幅度比较式定向天线和前端控制电路，主控机设有下述顺序连接的控制电路：将接收的天线阵输出信号与数字式合成器DDS提供的本振信号进行信号频率转换的混频器，自动控制信号强度的可调增益控制器AGC，将模拟信号转换为数字信号的模数转换器ADC，以及作为该主控机控制中心的现场可编程门阵列FGPA电路，该FGPA电路还分别连接数字式合成器DDS、可调增益控制器AGC、全球移动通信***GSM电路、收音机芯片电路与接口电路，以调控各电路以及交互、存储信息；用于监听非法电台信息和配合上位机执行FM全频段电台的扫描功能的收音机芯片电路的输入端和输出端分别连接幅度比较式定向天线和扬声器或耳机；接口电路负责完成天线阵与主控机的信号和上位机的信号之间的通信接口的信号转换功能：作为该装置控制中心的上位机设有：采用相关干涉与幅度比较两种算法相互配合进行测向，并在电子地图上显示测向结果：三条直线交互形成的三角型区域的地理信息***GIS与测向算法模块和数据与通信处理模块，分别连接该两个模块的人机交互界面和操作***与驱动模块。

2.根据权利要求1所述的便携式无线电测向装置，其特征在于：所述电源电路是线性稳压电源LDO，其输出的电压有：+5V，-5V，3.7V，3.3V，2.5V，1.8V和1.2V。

3.根据权利要求1所述的便携式无线电测向装置，其特征在于：所述前端控制电路设有：在不运动或运动速度较低时能够确定天线阵基准方位的电子罗盘，用于给出精确定位信息的全球定位***GPS电路，以及用于接收处理电子罗盘与全球定位***电路发送的数据，并控制干涉式天线阵列的电子开关电路操作的单片机。

4.根据权利要求1所述的便携式无线电测向装置，其特征在于：所述天线 阵还设有：用于远距离快速定位的干涉式天线阵列，该干涉式天线阵列设有：四个或四个以上的测向天线，每个天线输出端的信号处理电路，以及这些信号处理电路都连接的天线阵列的电子开关电路。

5.根据权利要求1或4所述的便携式无线电测向装置，其特征在于：所述天线阵中的干涉式天线阵列与主控机之间是双通道连接，幅度比较式定向天线与主控机之间是单通道连接，单片机采用串行口分别连接电子罗盘、全球定位***GPS电路、干涉式天线阵列中的电子开关电路和接口电路。

6.根据权利要求1所述的便携式无线电测向装置，其特征在于：所述主控机中的FPGA电路采用串行口连接接口电路；该FPGA电路设有分别完成下述功能的三个控制电路：将上位机发送来的指令转换成主控机中各功能电路能够识别的指令而完成相应操作的指令转换电路；分别对DDS、AGC、ADC、GSM电路和收音机芯片电路执行相应控制功能的控制电路；将接收到的来自ADC、收音机芯片的数据进行暂存后，根据上位机的相应指令需求而转发到上位机的数据存储转发电路。

7.根据权利要求1所述的便携式无线电测向装置，其特征在于：所述接口电路采用串口分别连接单片机、FPGA电路和GSM电路，再采用USB口连接上位机，负责完成串行通信口与USB通信口之间的信号转换。 

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