CN111929738B - 一种非线性结点探测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非线性结点探测仪,属于电子设备探测技术领域。为了解决探测仪因自身谐波的干扰，限制了探测灵敏度的提高的问题，本发明包括发射机、接收机、天线接口和信号处理模块，其中，发射机设有单音信号通道1和单音信号通道2；接收机设有一次变频接收机1和一次变频接收机2；信号处理模块设有FPGA和MCU。采用双音信号通过非线性网络产生互调产物经过接收机处理后，经过快速傅里叶变换提取二阶互调和三阶互调产物的幅度信息进行比较，提高了接收机灵敏度，缩短了测量时间，增大了探测距离。

Description

一种非线性结点探测仪

技术领域

本发明涉及一种电子设备探测技术领域，具体涉及一种非线性结点探测仪。

背景技术

非线性结点探测仪，又名半导体探测仪，通过向待测区域发射无线电波，接收待测区域中的物体被无线电波激励后产生的信号，来分辨待测区域中是否存在半导体设备，尤其是窃听、窃照、遥控炸弹等敏感目标的技防装备。

非线性结点受到无线电波激励后，会产生二次、三次和更高次的谐波，通常对测量有意义的是二次、三次谐波。为了接收二次、三次谐波，就要求无线电发射机有极高的谐波抑制，不能自己产生谐波，这就需要将大功率的放大器回退至线性区使用，限制了发射功率的提高；同时需要严格的滤波，增加了设备体积。由于收发通常使用一套天线或两套相距很近的天线，发射信号也会被接收天线收到，因此必须在接收端对发射信号进行严格的过滤，否则由于接收机本身就是由半导体器件组成的，势必自己产生谐波。这些因素导致半导体探测器的设计指标极为苛刻，成本较高，且即使采取苛刻的设计，仍然存在自身谐波的干扰，限制了探测灵敏度的提高。同时，为了提高接收机的灵敏度，需要较低的分析带宽，导致测量时间延长，响应滞后较大，影响使用效果。

发明内容

本发明的目的是提出了一种非线性结点探测仪，能够降低对发射机线性度的要求，允许其有稍低于传统方案的谐波指标，简化发射机有源电路的设计，采用较大的发射功率，同时，在不降低接收机灵敏度的前提下，提高测量速度，从而整体提升探测灵敏度，改善使用效果。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种非线性结点探测仪，包括发射机、接收机、天线接口和信号处理模块，其中，所述发射机设有单音信号通道1和单音信号通道2；所述接收机设有一次变频接收机1和一次变频接收机2；信号处理模块设有FPGA和MCU；

所述第一单音信号通道产生的单音信号1接入合路器一输入端，所述第二单音信号通道产生的单音信号2接入合路器另一输入端，所述合路器输出的双音信号接入低通滤波器3的输入端，所述低通滤波器3将双音信号进行滤波处理后接入多工器一输入端，所述多工器的输出信号与天线接口相连，所述双音信号通过天线接口发射激励信号，激励信号发射至目标物体后产生回波信号；

所述天线接口接收回波信号接入多工器输入端，通过多工器将回波信号分成二次信号波和三次信号波分别与一次变频接收机1和一次变频接收机2的输入端连接，经一次变频接收机1和一次变频接收机2的处理后得到的中频信号通过输出端口接入FPGA采样端口，所述FPGA用于采集中频信号进行快速傅里叶变换，提取二阶互调和三阶互调产物的幅度信息传输到MCU分析比较。

进一步地，所述第一单音信号通道包括锁相环1、低通滤波器1、驱动放大器1和功率放大器1；所述第二单音信号通道包括锁相环2、低通滤波器2、驱动放大器2和功率放大器2；所述一次变频接收机1包括带通滤波器1、前置放大器1、谐波混频器1、锁相环2、中频滤波器1、中频放大器1和模数转换器1；所述一次变频接收机2包括带通滤波器2、前置放大器2、谐波混频器2、锁相环3、中频滤波器2、中频放大器2和模数转换器2；

所述锁相环1用于产生单音信号1，并将单音信号1传送到低通滤波器1；所述低通滤波器1用于滤除单音信号1中的高频信号干扰，并将滤除高频信号干扰的单音信号1传送到驱动放大器1；所述驱动放大器1用于将单音信号1放大后传送到功率放大器1；所述功率放大器1用于将扫描信号1再次进行功率放大，并将功率放大后的单音信号1传送到合路器；

所述锁相环2用于产生单音信号2，并将单音信号2传送到低通滤波器2；所述低通滤波器2用于滤除单音信号2中的高频信号干扰，并将滤除高频信号干扰的单音信号2传送到驱动放大器2；所述驱动放大器2用于将单音信号2放大后传送到功率放大器2；所述功率放大器2用于将扫描信号2再次进行功率放大，并将功率放大后的单音信号2传送到合路器；

所述带通滤波器1用于接收多工器分离回波信号中的二次信号波，滤除二次信号波中的基波干扰，并将滤除基波干扰的二次信号波传送到前置放大器1；所述前置放大器1用于将二次信号波进行放大，并将放大后的二次信号波传送到谐波混频器1；所述谐波混频器1用于接收前置放大器1放大后的二次信号波和锁相环2产生的本振频率，将二次信号波和本振频率混频，产生的混频信号传输到中频滤波器1；所述中频滤波器1用于滤除混频信号中的高、低信号，将滤除后得到的中频信号1传送到中频放大器1；所述中频放大器1用于将中频信号1进行放大，并将放大后的中频信号1传输到模数转换器1；

所述带通滤波器2用于接收多工器分离回波信号中的三次信号波，滤除三次信号波中的基波干扰，并将滤除基波干扰的三次信号波传送到前置放大器2；所述前置放大器2用于将三次信号波进行放大，并将放大后的三次信号波传送到谐波混频器2；所述谐波混频器2用于接收前置放大器2放大后的三次信号波和锁相环3产生的本振频率，将三次信号波和本振频率混频，产生的混频信号传输到中频滤波器2；所述中频滤波器2用于滤除混频信号中的高、低信号，将滤除后得到的中频信号2传送到中频放大器2；所述中频放大器2用于将中频信号2进行放大，并将放大后的中频信号2传输到模数转换器2。

进一步地，所述锁相环2是第二单音信号通道的信号源，同时是一次变频接收机1的本振。

进一步地，所述锁相环1和锁相环2带有脉冲调制开关，所述脉冲调制开关在数据处理期间控制发射机关闭。

进一步地，所述低通滤波器1和低通滤波器2均采用TLCC器件。

进一步地，所述天线接口是发射机信号出口，同时是接收机信号接口。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明由测量谐波改为测量互调产物之后，对功率放大器的回退要求降低了10dB，意味着可以在单个功率放大器成本不变的前提下提升10倍功率。将原本由低通滤波器3独立承担的滤波指标，分解为低通滤波器1、2、3共同承担，加上对谐波的要求整体降低，使得低通滤波器3在谐波频率的抑制度指标大幅降低20dB。低通滤波器1、2的指标很低，采用常见TLCC器件即可。通过采用谐波混频器1，以及通过分析互调产物，节省了一个锁相环，使得整机虽然采用了两个发射频率，但相比现有技术并未增加锁相环数量。对前置放大器1和2的谐波失真的要求降低了3dB，等效于提高了接收机的可用灵敏度，使得快速傅里叶变换可以使用较少的点数，大幅缩短了测量时间。通过脉冲调制开关工作，在数据处理期间关闭发射机，节省了耗电量，在发射功率加大的同时并不需要增加电池，有利于缩小设备体积。总体而言，相比现有方案，本发明的探测距离增加至现有方案的2倍，且电路设计难度降低，设备体积缩减。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，本发明所给的附图只是给出了设计的主要结构模块，并不代表实际使用的元件数目，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供的技术方案是一种非线性结点探测仪，包括发射机、接收机、天线接口和信号处理模块，发射机设有单音信号通道1和单音信号通道2；接收机设有一次变频接收机1和一次变频接收机2；信号处理模块设有FPGA和MCU。

第一单音信号通道产生的单音信号1接入合路器一输入端，第二单音信号通道产生的单音信号2接入合路器另一输入端，合路器输出的双音信号接入低通滤波器3的输入端，低通滤波器3将双音信号进行滤波处理后接入多工器一输入端，多工器的输出信号与天线接口相连，双音信号通过天线接口发射激励信号，激励信号发射至目标物体后产生回波信号。

天线接口接收回波信号接入多工器输入端，通过多工器将回波信号分成二次信号波和三次信号波分别与一次变频接收机1和一次变频接收机2的输入端连接，经一次变频接收机1和一次变频接收机2的处理后得到的中频信号通过输出端口接入FPGA采样端口，FPGA用于采集中频信号进行快速傅里叶变换，提取二阶互调和三阶互调产物的幅度信息传输到MCU分析比较。

上述模块中，第一单音信号通道可以包括锁相环1、低通滤波器1、驱动放大器1和功率放大器1；第二单音信号通道可以包括锁相环2、低通滤波器2、驱动放大器2和功率放大器2；一次变频接收机1包括带通滤波器1、前置放大器1、谐波混频器1、锁相环2、中频滤波器1、中频放大器1和模数转换器1；一次变频接收机2包括带通滤波器2、前置放大器2、谐波混频器2、锁相环3、中频滤波器2、中频放大器2和模数转换器2。

锁相环1用于产生单音信号1，并将单音信号1传送到低通滤波器1；低通滤波器1用于滤除单音信号1中的高频信号干扰，并将滤除高频信号干扰的单音信号1传送到驱动放大器1；驱动放大器1用于将单音信号1放大后传送到功率放大器1；功率放大器1用于将扫描信号1再次进行功率放大，并将功率放大后的单音信号1传送到合路器。

锁相环2用于产生单音信号2，并将单音信号2传送到低通滤波器2；低通滤波器2用于滤除单音信号2中的高频信号干扰，并将滤除高频信号干扰的单音信号2传送到驱动放大器2；驱动放大器2用于将单音信号2放大后传送到功率放大器2；功率放大器2用于将扫描信号2再次进行功率放大，并将功率放大后的单音信号2传送到合路器。

带通滤波器1用于接收多工器分离回波信号中的二次信号波，滤除二次信号波中的基波干扰，并将滤除基波干扰的二次信号波传送到前置放大器1；前置放大器1用于将二次信号波进行放大，并将放大后的二次信号波传送到谐波混频器1；谐波混频器1用于接收前置放大器1放大后的二次信号波和锁相环2产生的本振频率，将二次信号波和本振频率混频，产生的混频信号传输到中频滤波器1；中频滤波器1用于滤除混频信号中的高、低信号，将滤除后得到的中频信号1传送到中频放大器1；中频放大器1用于将中频信号1进行放大，并将放大后的中频信号1传输到模数转换器1。

带通滤波器2用于接收多工器分离回波信号中的三次信号波，滤除三次信号波中的基波干扰，并将滤除基波干扰的三次信号波传送到前置放大器2；前置放大器2用于将三次信号波进行放大，并将放大后的三次信号波传送到谐波混频器2；谐波混频器2用于接收前置放大器2放大后的三次信号波和锁相环3产生的本振频率，将三次信号波和本振频率混频，产生的混频信号传输到中频滤波器2；中频滤波器2用于滤除混频信号中的高、低信号，将滤除后得到的中频信号2传送到中频放大器2；中频放大器2用于将中频信号2进行放大，并将放大后的中频信号2传输到模数转换器2。

优选的，锁相环2是单音信号通道2的信号源，同时是一次变频接收机1的本振，可节省一个锁相环，使得整机虽采用两个发射频率，却相比现有技术未增加锁相环数量，结构简单。

优选的，锁相环1和锁相环2带有脉冲调制开关，脉冲调制开关在数据处理期间控制发射机关闭，节省了耗电量，在发射功率加大的同时不需要增加电池，有利于减小设备体积和重量。

优选的，低通滤波器1和低通滤波器2均采用TLCC器件，由于将测量谐波改为测量互调产物后使得对功率放大器的回退要求降低，将原本由一个低通滤波器承担的滤波指标分解为三个低通滤波器共同承担，使得低通滤波器1和低通滤波器2指标要求低。

优选的，天线接口是发射机信号出口，同时是接收机信号接口，天线接口兼做发射口和接收口，能够耐受发射功率，在发射及接收频率能保证良好的增益、效率和回损，降低了自身谐波影响，成本降低，使得整个设备简化。

本发明的工作原理：采用双音发射，通过锁相环1、锁相环2分别生成两个单音信号，经过滤波放大处理后，由合路器处理合成双音信号，经由低通滤波器C滤除谐波和互调产物后，双音信号由多工器处理通过天线接口发射出去，经目标物体产生回波信号，回波信号中含有互调信号，回波信号再通过天线接口接收，经多工器分离成二次项、三次项分别进入两个一次变频接收机进行滤波、放大和混频处理后成为中频信号，由模数转换器转换成数字信号，经过FPGA对采样的中频信号进行数字下变，通过快速傅里叶变换，提取二阶互调和三阶互调产物的幅度信息，提供给MCU分析，通过比较二次项和三次项大小就可进行非线性结判断，若生成二次项和项要高于三次项，则目标是非线性结点，反之则目标不是。在进行数据处理时脉冲调制开关关闭发射机，在发射机工作时接通信号通道。

Claims (6)

1.一种非线性结点探测仪，包括发射机、接收机、天线接口和信号处理模块，其特征在于：所述发射机设有第一单音信号通道和第二单音信号通道；所述接收机设有一次变频接收机1和一次变频接收机2；信号处理模块设有FPGA和MCU；所述第一单音信号通道产生的单音信号1接入合路器一输入端，所述第二单音信号通道产生的单音信号2接入合路器另一输入端，所述合路器输出的双音信号接入低通滤波器3的输入端，所述低通滤波器3将双音信号进行滤波处理后接入多工器一输入端，所述多工器的输出信号与天线接口相连，所述双音信号通过天线接口发射激励信号，激励信号发射至目标物体后产生回波信号；

所述天线接口接收回波信号接入多工器输入端，通过多工器将回波信号分成二次信号波和三次信号波分别与一次变频接收机1和一次变频接收机2的输入端连接，经一次变频接收机1和一次变频接收机2的处理后得到的中频信号通过输出端口接入FPGA采样端口，所述FPGA用于采集中频信号进行快速傅里叶变换，提取二阶互调和三阶互调产物的幅度信息传输到MCU分析比较，通过比较二次项和三次项大小进行非线性结判断，若生成二次项和项要高于三次项，则目标物体是非线性结点，反之则目标物体不是。

2.根据权利要求1所述的一种非线性结点探测仪，其特征在于：所述第一单音信号通道包括锁相环1、低通滤波器1、驱动放大器1和功率放大器1；所述第二单音信号通道包括锁相环2、低通滤波器2、驱动放大器2和功率放大器2；

所述一次变频接收机1包括带通滤波器1、前置放大器1、谐波混频器1、锁相环2、中频滤波器1、中频放大器1和模数转换器1；所述一次变频接收机2包括带通滤波器2、前置放大器2、谐波混频器2、锁相环3、中频滤波器2、中频放大器2和模数转换器2；

所述锁相环1用于产生单音信号1，并将单音信号1传送到低通滤波器1；所述低通滤波器1用于滤除单音信号1中的高频信号干扰，并将滤除高频信号干扰的单音信号1传送到驱动放大器1；所述驱动放大器1用于将单音信号1放大后传送到功率放大器1；所述功率放大器1用于将扫描信号1再次进行功率放大，并将功率放大后的单音信号1传送到合路器；

所述锁相环2用于产生单音信号2，并将单音信号2传送到低通滤波器2；所述低通滤波器2用于滤除单音信号2中的高频信号干扰，并将滤除高频信号干扰的单音信号2传送到驱动放大器2；所述驱动放大器2用于将单音信号2放大后传送到功率放大器2；所述功率放大器2用于将扫描信号2再次进行功率放大，并将功率放大后的单音信号2传送到合路器；

所述带通滤波器1用于接收多工器分离回波信号中的二次信号波，滤除二次信号波中的基波干扰，并将滤除基波干扰的二次信号波传送到前置放大器1；所述前置放大器1用于将二次信号波进行放大，并将放大后的二次信号波传送到谐波混频器1；所述谐波混频器1用于接收前置放大器1放大后的二次信号波和锁相环2产生的本振频率，将二次信号波和本振频率混频，产生的混频信号传输到中频滤波器1；所述中频滤波器1用于滤除混频信号中的高、低信号，将滤除后得到的中频信号1传送到中频放大器1；所述中频放大器1用于将中频信号1进行放大，并将放大后的中频信号1传输到模数转换器1；

所述带通滤波器2用于接收多工器分离回波信号中的三次信号波，滤除三次信号波中的基波干扰，并将滤除基波干扰的三次信号波传送到前置放大器2；所述前置放大器2用于将三次信号波进行放大，并将放大后的三次信号波传送到谐波混频器2；所述谐波混频器2用于接收前置放大器2放大后的三次信号波和锁相环3产生的本振频率，将三次信号波和本振频率混频，产生的混频信号传输到中频滤波器2；所述中频滤波器2用于滤除混频信号中的高、低信号，将滤除后得到的中频信号2传送到中频放大器2；所述中频放大器2用于将中频信号2进行放大，并将放大后的中频信号2传输到模数转换器2。

3.根据权利要求2所述的一种非线性结点探测仪，其特征在于：所述锁相环2是第二单音信号通道的信号源，同时是一次变频接收机1的本振。

4.根据权利要求2所述的一种非线性结点探测仪，其特征在于：所述锁相环1和锁相环2带有脉冲调制开关，所述脉冲调制开关在数据处理期间控制发射机关闭。

5.根据权利要求2所述的一种非线性结点探测仪，其特征在于：所述低通滤波器1和低通滤波器2均采用TLCC器件。

6.据权利要求1所述的一种非线性结点探测仪，其特征在于：所述天线接口是发射机信号出口，同时是接收机信号接口。