專利名稱：無人直升機(jī)機(jī)載空中頻譜監(jiān)測設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是無人直升機(jī)機(jī)載空中頻譜監(jiān)測設(shè)備，屬于通信技術(shù) 中的陣列信號數(shù)字處理測向技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于地面電磁環(huán)境復(fù)雜，超短波(VHF/UHF)無線電信號的傳輸受地形、 地物、高壓線和工業(yè)交通等的影響，導(dǎo)致傳播路徑多變、極化不純和相位 起伏。而空中電波的傳輸環(huán)境較為干凈，空中監(jiān)測要比地面監(jiān)測的效果好 得多。因此，我們提出了 "立體監(jiān)測"的新概念，即在地面陸基固定監(jiān)測 或移動監(jiān)測的基礎(chǔ)上，增加機(jī)載空中監(jiān)測技術(shù)手段，可通過在某種飛行器 (如無人直升機(jī))上安裝監(jiān)測設(shè)備來實(shí)現(xiàn)空中高精度的監(jiān)測和測向定位， 以彌補(bǔ)地面監(jiān)測的不足。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提出無人直升機(jī)機(jī)載空中頻譜監(jiān)測設(shè)備。在無 人直升機(jī)上安裝輕型小尺寸測向天線、板卡式接收機(jī)，采用DSP技術(shù)、嵌 入式計算機(jī)芯片和應(yīng)用軟件，通過遠(yuǎn)程遙控和無線數(shù)據(jù)傳輸方式，來實(shí)現(xiàn) 對某些重要的或特殊的地域、場所、目標(biāo)和不同的頻域、時域、調(diào)制域進(jìn) 行空中高精度的監(jiān)測和測向定位。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案其結(jié)構(gòu)包括機(jī)載測向天線陣列和手提式 機(jī)箱，以及機(jī)載電源模塊；其中手提式機(jī)箱內(nèi)置高、低端電旋開關(guān)單元、 RF放大器模塊、板卡式測向接收機(jī)、測向控制處理模塊、嵌入式計算機(jī)系 統(tǒng)；所述的機(jī)載測向天線陣列的信號輸出端與手提式機(jī)箱內(nèi)置的高、低端 電旋開關(guān)單元的第一信號輸入端相接，高、低端電旋開關(guān)單元的信號輸出 端與RF放大器模塊的信號輸入端相接，RF放大器模塊的信號輸出端與板卡式測向接收機(jī)的信號輸入端相接,RF放大器模塊的信號輸出/輸入端與測向
控制處理模塊的第一輸入/輸出端對應(yīng)相接；板卡式測向接收機(jī)的信號輸入 /輸出端與嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的第一輸出/輸入端對應(yīng)相接；測向控制處理 模塊的第二信號輸入/輸出端與嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的第二信號輸出/輸入端 對應(yīng)相接；機(jī)載電源模塊提供工作電源。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)采用了先進(jìn)的嵌入式綜合一體化設(shè)計、中頻信號 DSP技術(shù)和模塊化組合，配置簡潔實(shí)用；配備輕型小尺寸的測向天線和板卡 式接收機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊輕便；系統(tǒng)可在飛行器多自由度快速運(yùn)行或空中滯留 非穩(wěn)定狀態(tài)下，通過特定的修正補(bǔ)償算法軟件實(shí)現(xiàn)高精度高靈敏度偵査、 快速發(fā)現(xiàn)、識別分析、遠(yuǎn)程遙控、自動任務(wù)測向、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)査詢、無 線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?br>
附圖1是無人直升機(jī)機(jī)載空中頻譜監(jiān)測系統(tǒng)電原理框圖。
附圖2是高、低端電旋開關(guān)電原理框圖。
附圖3是三功能RF放大器電原理框圖。
附圖4是功率分配器以1: 2分配器為例的結(jié)構(gòu)框圖。
附圖5是機(jī)載測向天線陣列示意圖。
圖中的1是機(jī)載測向天線陣列、2是內(nèi)置高、低端電旋開關(guān)單元、3是 RF放大器模塊、4是板卡式測向接收機(jī)、5是測向控制處理模塊、6是嵌入 式計算機(jī)系統(tǒng)、7是機(jī)載電源模塊、8是手提式機(jī)箱、9是五單元垂直極化 無源測向天線陣(1000 MHz—3000MHz); 10是五單元垂直極化有源測向 天線陣(30 MHz—lOOOMHz)。
具體實(shí)施方式

對照附圖1，其結(jié)構(gòu)包括機(jī)載測向天線陣列1和手提式機(jī)箱8，以及機(jī) 載電源模塊7;其中手提式機(jī)箱8內(nèi)置高、低端電旋開關(guān)單元2、 RF放大器模塊3、板卡式測向接收機(jī)4、測向控制處理模塊5、嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)6; 所述的載測向天線陣列1的信號輸出端與手提式機(jī)箱內(nèi)置的高、低端電旋
開關(guān)單元2的第一信號輸入端相接，高、低端電旋開關(guān)單元2的信號輸出 端與RF放大器模塊3的信號輸入端相接，RF放大器模塊3的信號輸出端與 板卡式測向接收機(jī)4的信號輸入端相接，RF放大器模塊3的信號輸出/輸入 端與測向控制處理模塊5的第一輸入/輸出端對應(yīng)相接；板卡式測向接收機(jī) 4的信號輸入/輸出端與嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)6的第一輸出/輸入端對應(yīng)相接; 測向控制處理模塊5的第二信號輸入/輸出端與嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)6的第二 信號輸出/輸入端對應(yīng)相接；機(jī)載電源模塊7提供工作電源。
所述的機(jī)載測向天線陣列l(wèi)，可拆裝，可倒著吊掛在飛行器的底部。分
高低兩個頻段，各由五單元垂直偶極子組成同心圓陣。低端天線陣的工作
頻段為30MHz 1000MHz，由五單元有源垂直偶極子天線(直徑16mm)組成，
陣列直徑約760mm (含全封閉圓形天線罩)，單元偶極子長度約280mm;高
端天線陣的工作頻段為1000MHz 3000MHz，由五單元無源垂直偶極子天線
(直徑17mm)組成，陣列直徑有所縮小，單元偶極子長度約130mm。天線
總高度約400隱(含天線罩)，總重約20Kg (含電旋開關(guān)等)，阻抗為50Q，
接口為N型插座。
所述的高、低端電旋開關(guān)單元2，根據(jù)頻段分為低端電旋開關(guān)單元和高 端電旋開關(guān)單元。它受測向控制處理模塊5的控制和供電。其中低端電旋 開關(guān)單元的工作頻率為30MHz 1000MHz，內(nèi)部包括SW-5/2-ML低端電旋開 關(guān)、SPL-1/2功率分配器和SPL-1/5功率分配器。它相當(dāng)于一個高頻電子開 關(guān)，它有5個信號輸入端、2個信號輸出端、l個控制/供電端口、 l個自校 信號輸入端和1個自校信號輸出端，它受控同時打通某兩路信號通道(分 為主路、輔路)和自校信號通道。SPL-1/2功率分配器是把自校信號分成兩路，其中一路經(jīng)SPL-1/5功率分配器又被分成5路，引入低端電旋開關(guān)， 用于對30MHz 1000MHz頻段工作的系統(tǒng)進(jìn)行自校；另一路自校信號被送到 高端電旋開關(guān)單元中，用于高頻段系統(tǒng)的自校。高端電旋開關(guān)單元的工作 頻率為1000MHz 3000MHz，內(nèi)部包括SW-5/2-MH高端電旋開關(guān)和SPL-1/5 功率分配器。它也是一個高頻電子開關(guān)，它有5個信號輸入端、2個信號輸 出端、l個控制/供電端口、 l個自校信號輸入端，它受控同時打通某兩路 信號通道(分為主路、輔路)和自校信號通道。從低端電旋開關(guān)單元分出 的一路自校信號經(jīng)SPL-1/5功率分配器后被分成5路，用于對1000MHz 3000MHz頻段工作的系統(tǒng)進(jìn)行自校。其工作原理當(dāng)控制電壓V1、 V2加電， 二極管D卜3導(dǎo)通時，來自機(jī)載測向天線陣列1的信號就可傳到節(jié)點(diǎn)A，當(dāng)控 制電壓V2、 V3加電，二極管04-6導(dǎo)通時，自校信號就可傳到節(jié)點(diǎn)A，當(dāng)控 制電壓V4、 V5加電，二極管D7-9導(dǎo)通時，節(jié)點(diǎn)A的信號就可從主路輸出； 當(dāng)控制電壓V6、 V7加電，二極管D10-12導(dǎo)通時，節(jié)點(diǎn)A的信號就可從輔 助路輸出(如圖2所示)。
RF放大器模塊3，包括兩個寬頻帶低噪聲三功能放大器，工作頻率為 30MHz 3000MHz，具有放大、直通、衰減三種功能，在使用中根據(jù)實(shí)際需 要由軟件設(shè)定。分別對來自電旋開關(guān)單元2的主、輔路信號進(jìn)行處理。它 們各有1個控制/供電端、1個輸入端、1個輸出端。放大器由第一高頻繼 電器、第二高頻繼電器、放大電路、衰減電路和電源組成，高頻繼電器(型 號RF303-12)、放大器中的放大管(型號ERA-51SM)。 +12V電源受軟件控
制分別加到第一高頻繼電器和第二高頻繼電器上。當(dāng)?shù)谝桓哳l繼電器加電， 而第二高頻繼電器不加電時，輸入信號經(jīng)放大電路后得到線性放大，再第二經(jīng)高頻繼電器的直通部分輸出。即為"放大"。當(dāng)?shù)谝桓哳l繼電器不加電， 而第二高頻繼電器加電時，輸入信號經(jīng)第一高頻繼電器的直通部分后到達(dá) 第二高頻繼電器的衰減電路，經(jīng)衰減后輸出。即為"衰減"。當(dāng)?shù)谝桓哳l繼 電器和第二高頻繼電器都不加電時，輸入信號經(jīng)第一高頻繼電器和第二高 頻繼電器的直通部分輸出。即為"直通"。故該放大器具有"直通、放大、 衰減"三功能。
測向接收機(jī)4，由兩個板卡式測向接收機(jī)(J0601)組成。對來自RF 放大器模塊3的信號進(jìn)行變頻、解調(diào)、解碼(可對不同頻域、調(diào)制域、時 域的信號進(jìn)行監(jiān)測測量)，輸出包含頻率、幅度、頻偏、調(diào)制度、帶寬、電 平、頻譜圖像等的數(shù)字監(jiān)測信息和包含信號相位和幅度特性的數(shù)字測向信 號。它通過串口與計算機(jī)通訊。本實(shí)施例中選用江西省九江市713廠的 J0601數(shù)字式測向接收機(jī)，該接收機(jī)為板卡式，采用PCI總線結(jié)構(gòu)和模塊化 設(shè)計， 一塊模板就是一個接收通道，采用兩塊板卡即可組成雙信道。接收 機(jī)模板可插在帶有PCI插槽的計算機(jī)內(nèi)，用壓條固定，構(gòu)成先進(jìn)的嵌入式 接收機(jī)計算機(jī)組合的虛擬儀器平臺。
所述的測向控制處理模塊5 (型號為DFC 050E)是系統(tǒng)各部分控制驅(qū) 動單元和直流供電單元。處理模塊通過接口與嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)6進(jìn)行通 訊，接受計算機(jī)的控制指令，對電旋開關(guān)單元、RF放大器模塊、測向接收 機(jī)等進(jìn)行控制，使系統(tǒng)按著軟件程序進(jìn)行監(jiān)測和測向。
所述的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)6。內(nèi)置的嵌入式計算機(jī)為研華公司的 ARK-3380，測向軟件被固化在嵌入式計算機(jī)內(nèi)，因而設(shè)備運(yùn)行的可靠性得 到增強(qiáng)，同時體積、功耗也大大減小。硬件"看門狗"可以在異常狀態(tài)下或斷電時迅速復(fù)位并快速啟動至程序運(yùn)行狀態(tài)。內(nèi)置的嵌入式Linux系統(tǒng)， 可以使得系統(tǒng)軟件內(nèi)核容量大大減小，硬件配置裁減至適合程度。應(yīng)用軟 件為我公司研發(fā)的機(jī)載多自由度快速運(yùn)動或空中滯留非穩(wěn)定狀態(tài)下的專用 智能化監(jiān)測測向軟件，其具有機(jī)載監(jiān)測測向設(shè)備完備的偵查功能和信號分 析處理功能。該計算機(jī)系統(tǒng)除了執(zhí)行程序(包括存儲、打印)夕卜，還對大 量的數(shù)據(jù)、音頻、視頻等進(jìn)行處理，它通過對大量采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù) 雜的統(tǒng)計算法和運(yùn)動狀態(tài)修正補(bǔ)償算法(如自相關(guān)算法、相位檢波算法、 HILBERT變換、FFT算法等)，從而得出信號的方位。
所述的電源模塊7是系統(tǒng)供電單元，可將220VAC交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 還配備了電池組。
系統(tǒng)采用無線傳輸，5.4GHz無線擴(kuò)頻通信傳輸，飛行器上裝有小尺寸 平板發(fā)射接收天線、地面配以全向發(fā)射接收天線。
權(quán)利要求1、無人直升機(jī)機(jī)載空中頻譜監(jiān)測設(shè)備，其特征是手提式機(jī)箱內(nèi)置高、低端電旋開關(guān)單元、RF放大器模塊、板卡式測向接收機(jī)、測向控制處理模塊、嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)；所述的載測向天線陣列的信號輸出端與手提式機(jī)箱內(nèi)置的高、低端電旋開關(guān)單元的第一信號輸入端相接，高、低端電旋開關(guān)單元的信號輸出端與RF放大器模塊的信號輸入端相接，RF放大器模塊的信號輸出端與板卡式測向接收機(jī)的信號輸入端相接，RF放大器模塊的信號輸出/輸入端與測向控制處理模塊的第一輸入/輸出端對應(yīng)相接；板卡式測向接收機(jī)的信號輸入/輸出端與嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的第一輸出/輸入端對應(yīng)相接；測向控制處理模塊的第二信號輸入/輸出端與嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的第二信號輸出/輸入端對應(yīng)相接；機(jī)載電源模塊提供工作電源。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人直升機(jī)機(jī)載空中頻譜監(jiān)測設(shè)備，其特征是所述的機(jī)載測向天線陣列倒著吊掛在飛行器的底部，分高低兩個頻段， 各由五單元垂直偶極子組成同心圓陣，其中低端天線陣的工作頻段為 30MHz 1000MHz，由五單元有源垂直偶極子天線組成，直徑16mm;陣列直 徑760mm，含全封閉圓形天線罩，單元偶極子長度280mm;高端天線陣的工 作頻段為1000MHz 3000MHz，由五單元無源垂直偶極子天線組成，直徑 17mm;陣列直徑有所縮小，單元偶極子長度130mm;天線總高度400mm，含 天線罩，阻抗為50D，接口為N型插座。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人直升機(jī)機(jī)載空中頻譜監(jiān)測設(shè)備，其特征 是所述的高、低端電旋開關(guān)單元，根據(jù)頻段分為低端電旋開關(guān)單元和高端 電旋開關(guān)單元，受測向控制處理模塊的控制和供電；其中低端電旋開關(guān)單元的工作頻率為30MHz 1000MHz，內(nèi)部包括SW-5/2-ML低端電旋開關(guān)、 SPL-1/2功率分配器和SPL-1/5功率分配器；它相當(dāng)于一個高頻電子開關(guān)， 它有5個信號輸入端、2個信號輸出端、l個控制/供電端口、 l個自校信號 輸入端和1個自校信號輸出端，它受控同時打通主路、輔路兩路信號通道 和自校信號通道；SPL-1/2功率分配器是把自校信號分成兩路，其中一路經(jīng) SPL-1/5功率分配器又被分成5路，引入低端電旋開關(guān)，用于對30MHz 1000MHz頻段工作的系統(tǒng)進(jìn)行自校;另一路自校信號被送到高端電旋開關(guān)單 元中，用于高頻段系統(tǒng)的自校；高端電旋開關(guān)單元的工作頻率為1000MHz 3000MHz，內(nèi)部包括SW-5/2-MH高端電旋開關(guān)和SPL-l/5功率分配器；它也 是一個高頻電子開關(guān)，它有5個信號輸入端、2個信號輸出端、1個控制/ 供電端口、 l個自校信號輸入端，它受控同時打通主路、輔路兩路信號通道 和自校信號通道；從低端電旋開關(guān)單元分出的一路自校信號經(jīng)SPL-1/5功 率分配器后被分成5路，用于對1000MHz 3000MHz頻段工作的系統(tǒng)進(jìn)行自 校。
專利摘要本實(shí)用新型是無人直升機(jī)機(jī)載空中頻譜監(jiān)測設(shè)備，其特征是包括機(jī)載測向天線陣列和手提式機(jī)箱，以及機(jī)載電源模塊；其中手提式機(jī)箱內(nèi)置高、低端電旋開關(guān)單元、RF放大器模塊、板卡式測向接收機(jī)、測向控制處理模塊、嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)；本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)采用了先進(jìn)的嵌入式綜合一體化設(shè)計、中頻信號DSP技術(shù)和模塊化組合，配置簡潔實(shí)用；配備輕型小尺寸的測向天線和板卡式接收機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊輕便；系統(tǒng)可在機(jī)載多自由度快速運(yùn)動或空中滯留非穩(wěn)定狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)高精度高靈敏度偵查、快速發(fā)現(xiàn)、識別分析、遠(yuǎn)程遙控、自動任務(wù)測向、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)查詢、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?br> 文檔編號H04B17/00GK201285418SQ20082018591
公開日2009年8月5日 申請日期2008年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月10日
發(fā)明者俞惟銓 申請人:俞惟銓