CN106405491B - 基于软件无线电的无人机监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于软件无线电的无人机监测系统，其包括至少一个喇叭天线，用于对空中无人机进行扫描监测；射频前端，用于接收并处理由喇叭天线扫描到的无线信号；下变频模块，与射频前端1号输出端口连接，用于接收射频前端1号输出端口发送的射频信号，并对射频信号进行下变频，得到L频段的射频信号；FPGA核心处理模块，对L频段的射频信号进行采集、计算与分析，得到无人机的载波中心频率，并根据载波中心频率计算判断出无人机的位置方向；PC机，与FPGA核心处理模块进行双向通信；该基于软件无线电的无人机监测系统有效地解决了现有技术中的雷达装备探测灵敏度，体积，暴露信息的问题。
Description
技术领域
本发明涉及无人机监测领域，具体涉及一种基于软件无线电的无人机监测系统。
背景技术
在现代战争中，随着无人机技术的快速发展，如何应对敌方无人机对我方的情报侦察与搜集至关重要；因此，如何快速有效地发现敌方无人机等问题也日益重要。
目前，以雷达为手段的有源探测技术是探测飞行器的重要手段之一，通过雷达利用向空中发射无线电波的方式探测物体目标，使之能够及时、准确地报告威胁信息；然而，雷达设备探测无人机存在探测精度和灵敏度不足的主要问题和缺陷。
随着现代无人机技术的发展，无人机的体积也在不断的变小，我们知道雷达有源探测时依靠自身向空中发射无线电波，通过目标表面的反射波进行有效的探测和分析目标；随着无人机体积的不停缩小，雷达的探测作用也会逐渐消弱；因此可能会出现当敌方无人机已经飞临我方阵地上空时，我方雷达还未探测出来，或者探测出的距离和方向等位置信息存在较大偏差的问题；同时，雷达装备体积大，成本高；在雷达装备探测时，向外发射无线电波，容易暴露己方位置信息。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于软件无线电的无人机监测系统能实时地对空中无人机进行大视角的监测，跟踪无人机的飞行轨迹，并且解决了现有技术中的雷达装备探测灵敏度，体积，暴露信息的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：提供一种基于软件无线电的无人机监测系统，其包括至少一个喇叭天线，用于对空中无人机进行扫描监测；射频前端，用于接收并处理由喇叭天线扫描到的无线信号；下变频模块，与射频前端1号输出端口连接，用于接收射频前端1号输出端口发送的射频信号，并对射频信号进行下变频，得到L频段的射频信号；FPGA核心处理模块，对L频段的射频信号进行采集、计算与分析，得到无人机的载波中心频率，并根据载波中心频率计算判断出无人机的位置方向；PC机，与FPGA核心处理模块进行双向通信。
进一步地，射频前端包括依次连接的信号放大模块，对由喇叭天线扫描监测到的无线信号进行放大；滤波器，与信号放大模块连接，对放大后的无线信号进行滤波；开关矩阵，与滤波器连接，用于完成无线信号的交换分配。
进一步地，FPGA核心处理模块包括依次连接的接收器、傅里叶运算模块、频谱分析模块、目标判断模块和控制中心。
进一步地，接收器为AD9361接收器，接收器内置有可调接收本振和12BIT精度的ADC模块。
进一步地，射频前端的2号输出端口连接有一固定下变频模块，固定下变频模块用于接收射频前端2号输出端口发送的射频信号，并对射频信号进行下变频，得到70M中频信号；FPGA核心处理模块与固定下变频模块连接，固定下变频模块与数据采集系统连接。
进一步地，FPGA核心处理模块通过控制总线与射频前端连接，用于控制射频前端2号输出端口输入的切换。
进一步地，喇叭天线为6个，且相邻两个喇叭天线之间的间隔角度为20度。
进一步地，喇叭天线的扫描时间为1秒。
进一步地，FPGA核心处理模块对L频段的射频信号进行采集、计算与分析时，接收器采集L频段的射频信号，采样5次取平均值，取得1024个采样点；对1024个采样点进行FFT运算，其FFT点数为1024，得到载波频率，1024点与载波频率的关系为：
f=Fstart + N*(100/1024)；
其中：Fstar为该段起始频率，100为100MHz的扫频带宽，f为载波频率；
将该段1024个点的数据存入Buf中，并找出最大值，计算出该最大值周围N点的平均值，如果该平均值超过设定的门限，则认为在该段存在目标载波，载波的中心频率则认为是该最大值的索引号。
进一步地，开关矩阵为6入2出开关矩阵。
本发明的有益效果为：该基于软件无线电的无人机监测系统采用单向的接收体制，不向空间发射无线电波，对方无人机侦察系统不会侦察到我方阵地的位置信息，隐蔽性好；且系统设备体积小，重量轻，易于拆卸和运输安装；且其主要包括喇叭天线、射频前端和FPGA核心处理模块，相比于雷达系统，更加简易与轻巧；喇叭天线为6个，且相邻两个喇叭天线之间的间隔角度为20度，可进行120度视角的扫描监测；喇叭天线的扫描时间为1秒，保证了系统的实时性和灵敏度。
附图说明
图1为基于软件无线电的无人机监测系统的结构示意图。
图2为基于软件无线电的无人机监测系统的FPGA核心处理模块的结构示意图。
图3为基于软件无线电的无人机监测系统的接收机的原理示意图。
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种实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为简单起见，以下内容中省略了该技术领域技术人员所公知的技术常识。
如图1~图3所示，基于软件无线电的无人机监测系统包括至少一个喇叭天线、射频前端、下变频模块、FPGA核心处理模块和PC机；其中，喇叭天线用于对空中无人机进行扫描监测；射频前端用于接收并处理由喇叭天线扫描到的无线信号。
下变频模块与射频前端1号输出端口连接，用于接收射频前端1号输出端口发送的射频信号，并对射频信号进行下变频，得到L频段的射频信号；FPGA核心处理模块对L频段的射频信号进行采集、计算与分析，得到无人机的载波中心频率，并根据载波中心频率计算判断出无人机的位置方向；PC机与FPGA核心处理模块进行双向通信。
在具体实施中，该基于软件无线电的无人机监测系统采用单向的接收体制，不向空间发射无线电波，对方无人机侦察系统不会侦察到我方阵地的位置信息，隐蔽性好；且系统设备体积小，重量轻，易于拆卸和运输安装，系统设备主要包括喇叭天线、射频前端和FPGA核心处理模块，相比于雷达系统，更加简易与轻巧。
在具体实施中，优选喇叭天线为6个，且相邻两个喇叭天线之间的间隔角度为20度，可进行120度视角的扫描监测；喇叭天线的扫描时间为1秒，保证了系统的实时性，同时能够捕捉到空中幅度为-100dBm~-60dBm的无线电波，保证了系统较高的灵敏度。
该基于软件无线电的无人机监测系统的射频前端包括依次连接的信号放大模块、滤波器和开关矩阵；其中，信号放大模块对由喇叭天线扫描监测到的无线信号进行放大；滤波器与信号放大模块连接，对放大后的无线信号进行滤波；开关矩阵与滤波器连接，用于完成无线信号的交换分配；优选开关矩阵为6入2出开关矩阵，FPGA核心处理模块可在6个喇叭天线之间进行循环切换采集。
在具体实施中，当当空中的无线电信号通过喇叭天线进入射频前端以后，放大，滤波，并从1号输出端口输出进入下变频模块，进行下变频；再通过FPGA核心处理模块快速计算出该载波中心频率，并根据载波中心频率计算判断出无人机的位置方向，即出现在哪个喇叭天线。
该基于软件无线电的无人机监测系统的FPGA核心处理模块包括依次连接的接收器、傅里叶运算模块、频谱分析模块、目标判断模块和控制中心；在具体实施中，接收器为AD9361接收器，接收器内置有可调接收本振和12BIT精度的ADC模块；在具体实施中，AD9361是一款零中频收发器，可接收输入频率范围为70M-6000M。
在具体实施中，FPGA核心处理模块对L频段的射频信号进行采集、计算与分析时，接收器采集L频段的射频信号，采样5次取平均值，取得1024个采样点；对1024个采样点进行FFT运算，其FFT点数为1024，得到载波频率，1024点与载波频率的关系为：
f=Fstart + N*(100/1024)；
其中：Fstar为该段起始频率，100为100MHz的扫频带宽，f为载波频率；
将该段1024个点的数据存入Buf中，并找出最大值，计算出该最大值周围N点的平均值，如果该平均值超过设定的门限，则认为在该段存在目标载波，载波的中心频率则认为是该最大值的索引号。
如图1和图2所示，射频前端的2号输出端口连接有一固定下变频模块，固定下变频模块用于接收射频前端2号输出端口发送的射频信号，并对射频信号进行下变频，得到70M中频信号；FPGA核心处理模块与固定下变频模块连接，固定下变频模块与数据采集系统连接；FPGA核心处理模块通过控制总线与射频前端连接，用于控制射频前端2号输出端口输入的切换。
在具体实施中，当扫描到的无线信号一直存在时，FPGA核心处理模块快速计算出该载波的中心频率和该载波出现在哪个喇叭天线后，此时，可通过FPGA核心处理模块输出控制信号，去控制固定下变频模块的中心频率，当载波的中心频率改变时，固定下变频模块的中心频率则相应的改变，即固定下变频模块的中心频率时钟等于载波中心频率，而此时开关矩阵的2号输出端口也始终切换到最大功率值的喇叭天线，进而实现载波中心频率的自动跟踪功能。
在实际操作中，若一未知频率和带宽的信号(700M-2700M)输入以后，对该信号进行全频段扫描，首先设置扫描带宽100M，设置第一点的可调接收本振的中心频率为750M，则第一点可扫频带为700M-800M；通过ADC模块采样700~800M频段的AD，其采样点为1024个点，采样5次取平均值。
对1024个点进行傅里叶运算，傅里叶点数为1024，得到载波频率；并将该段1024个点的数据存入Buf中。并找出最大值，通过运算计算出该最大值周围N点的平均值，如果该平均值超过设定的门限，则认为在该段存在目标载波，载波的中心频率则认为是该最大值的索引号，功率值就为平均值。
设置第一点的可调接收本振的中心频率为750M，则第一点可扫频带为700M-800M；通过ADC模块采样700~800M频段的AD，其采样点为1024个点，采样5次取平均值。
对1024个点进行傅里叶运算，傅里叶点数为1024，得到载波频率；并将该段1024个点的数据存入Buf中。并找出最大值，通过运算计算出该最大值周围N点的平均值，如果该平均值超过设定的门限，则认为在该段存在目标载波，载波的中心频率则认为是该最大值的索引号，功率值就为平均值。
循环设置第一点的可调接收本振的中心频率，并求得载波的中心频率；其中，每循环一次，将可调接收本振的中心频率加100M，直到最后一段，即2650MHz，如此，便得到了全频段的频谱数据，得到了20*1024个点。
将20*1024个点进行频谱压缩，得到1024个点；该1024个点就为全频段频谱数据，同时将该数据传送给PC机，供用户进行分析；并对每段出现的载波进行比较，找出最大功率值的载波，并经过平均计算和综合之前几次采集的值，判断出无人机的载波频率。
根据判断出的无人机载波频率，将可调接收本振的中心频率切换到无人机载波频率上，一直跟踪该信号的功率值变化，再综合6路不同方位角的信号功率值变化，并根据空间功率方向图，则可计算出目标无人机的距离，角度等参数。
综合所采集到的载波平均功率值，假定某一时间出现一目标无人机，目标无人机的中心频率为2000M，此时将可调接收本振的中心频率切换到2000M，循环切换6个喇叭天线输入进行采集，得到6个喇叭天线采集到的载波频率的功率值，且得到的6个功率值不同；其中，临近无人机的天线喇叭采得的功率值最大，依次向两边会不断减小；根据最大功率值的喇叭天线和旁边两组喇叭的天线的功率值，同时综合方向图，就可计算出目标的方向；若目标在移动，也可根据移动时的功率变化值，描出轨迹图。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将使显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制与本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种基于软件无线电的无人机监测系统，其特征在于：包括
至少一个喇叭天线，用于对空中无人机进行扫描监测；
射频前端，用于接收并处理由所述喇叭天线扫描到的无线信号；
下变频模块，与所述射频前端1号输出端口连接，用于接收所述射频前端1号输出端口发送的射频信号，并对所述射频信号进行下变频，得到L频段的射频信号；
FPGA核心处理模块，对所述L频段的射频信号进行采集、计算与分析，得到无人机的载波中心频率，并根据所述载波中心频率计算判断出无人机的位置方向；
PC机，与所述FPGA核心处理模块进行双向通信；
所述FPGA核心处理模块包括依次连接的接收器、傅里叶运算模块、频谱分析模块、目标判断模块和控制中心。
2.根据权利要求1所述的基于软件无线电的无人机监测系统，其特征在于：所述射频前端包括依次连接的
信号放大模块，对由所述喇叭天线扫描监测到的无线信号进行放大；
滤波器，与所述信号放大模块连接，对放大后的无线信号进行滤波；
开关矩阵，与所述滤波器连接，用于完成无线信号的交换分配。
3.根据权利要求1所述的基于软件无线电的无人机监测系统，其特征在于：所述接收器为AD9361接收器，所述接收器内置有可调接收本振和12BIT精度的ADC模块。
4.根据权利要求1所述的基于软件无线电的无人机监测系统，其特征在于：所述射频前端的2号输出端口连接有一固定下变频模块，所述固定下变频模块用于接收所述射频前端2号输出端口发送的射频信号，并对所述射频信号进行下变频，得到70M中频信号；所述FPGA核心处理模块与所述固定下变频模块连接，所述固定下变频模块与数据采集系统连接。
5.根据权利要求4所述的基于软件无线电的无人机监测系统，其特征在于：所述FPGA核心处理模块通过控制总线与所述射频前端连接，用于控制射频前端2号输出端口输入的切换。
6.根据权利要求1所述的基于软件无线电的无人机监测系统，其特征在于：所述喇叭天线为6个，且相邻两个喇叭天线之间的间隔角度为20度。
7.根据权利要求1或6所述的基于软件无线电的无人机监测系统，其特征在于：所述喇叭天线的扫描时间为1秒。
8.根据权利要求1所述的基于软件无线电的无人机监测系统，其特征在于：所述FPGA核心处理模块对L频段的射频信号进行采集、计算与分析时，所述接收器采集L频段的射频信号，采样5次取平均值，取得1024个采样点；对1024个采样点进行FFT运算，其FFT点数为1024，得到载波频率，所述1024点与载波频率的关系为：
f＝Fstart+N*(100/1024)；
其中：Fstar为该段起始频率，100为100MHz的扫频带宽，f为载波频率；
将该段1024个点的数据存入Buf中，并找出最大值，计算出该最大值周围N点的平均值，如果该平均值超过设定的门限，则认为在该段存在目标载波，载波的中心频率则认为是该最大值的索引号。
9.根据权利要求2所述的基于软件无线电的无人机监测系统，其特征在于：所述开关矩阵为6入2出开关矩阵。
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