本發(fā)明涉及空間復(fù)雜電磁頻譜監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種寬帶瞬態(tài)復(fù)雜電磁頻譜監(jiān)測儀。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)可分為：1、單信道超外差接收機：一次只能接收一個信號，通過本振信號在整個頻段內(nèi)來回的調(diào)諧實現(xiàn)全頻段監(jiān)測，速度慢，實時性極差，受限于本振信號，逐個信道實現(xiàn)超寬帶掃描可能性幾乎為零；2、模擬多信道接收機：模擬端并行多路，同時接收，無需本振信號來回調(diào)諧，所以實時性很好，其缺點是模擬通道帶寬固定，靈活性低，體積巨大，成本昂貴；3、寬中頻超外差接收機：寬頻帶同時接收頻譜范圍內(nèi)多個信號，實時性相對較好，后端一般配合數(shù)字信號處理，其窄帶監(jiān)測系統(tǒng)的動態(tài)范圍較小。

隨著科學技術(shù)的進步和無線通信的迅猛發(fā)展，無線電監(jiān)測系統(tǒng)需要對更寬頻帶內(nèi)的電磁頻譜進行實時監(jiān)測。而傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)存在監(jiān)測頻帶窄和實效性差等問題，無法滿足新的應(yīng)用場景和技術(shù)要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題提出了一種寬帶瞬態(tài)復(fù)雜電磁監(jiān)頻譜測儀，可實現(xiàn)在超寬頻帶范圍內(nèi)對電磁頻譜的實時監(jiān)測。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種寬帶瞬態(tài)復(fù)雜電磁頻譜監(jiān)測儀，包括：

天線系統(tǒng)，接收復(fù)雜電磁目標信號；

多通道接收系統(tǒng)，對接收到的復(fù)雜電磁目標信號進行放大和信號分級并行處理；

多通道低頻接收系統(tǒng)，對多通道接收系統(tǒng)提供的信息做相應(yīng)頻譜掃描和檢測處理；

并行協(xié)同處理系統(tǒng)，協(xié)調(diào)分配天線系統(tǒng)、多通道接收系統(tǒng)和多通道低頻接收系統(tǒng)三者的工作。

現(xiàn)有的電磁頻譜監(jiān)測過程都是在一定的頻段范圍內(nèi)從低到高依次進行掃描來實現(xiàn)對特定頻段內(nèi)的電磁頻譜的監(jiān)測。由于掃描速度有限，在對很寬的頻帶范圍進行監(jiān)測時，從低頻到高頻掃描一次的時間會比較長，無法實現(xiàn)超寬頻帶范圍內(nèi)對電磁頻譜的實時監(jiān)測。本方案的思路在于：以瞬態(tài)窄脈沖和寬譜高速復(fù)雜電磁目標的信息獲取和偵測為目標，通過頻域多通道接收和并行協(xié)同處理系統(tǒng)的協(xié)同處理，實現(xiàn)系統(tǒng)的超寬頻帶和電磁頻譜的實時監(jiān)測。即采用多通道接收系統(tǒng)進行信道化處理，將寬帶范圍內(nèi)的電磁頻譜分成較窄的多路信號，對于各路中的窄帶頻譜可以在極短的時間內(nèi)完成一次掃描監(jiān)測；其次，每一時刻各路通道都并行接收信號和掃描監(jiān)測，即實現(xiàn)在同一時刻并行地對很寬的頻帶進行監(jiān)測。簡而言之就是前端并行接收，后端并行協(xié)同處理，提高監(jiān)測速率。

作為優(yōu)選，所述天線系統(tǒng)包括多個天線，各天線接收的頻率范圍不同且各天線接收的頻率范圍構(gòu)成一連續(xù)頻帶，這些天線共同實現(xiàn)對所監(jiān)測的帶寬范圍內(nèi)電磁信號的接收。

進一步的，所述天線包括超寬帶天線和/或定位天線。

作為優(yōu)選，所述多通道接收系統(tǒng)包括低噪聲放大器和連接在低噪聲放大器輸出端的多路并行接收前端電路，所述接收前端電路包括前端預(yù)處理電路和連接在前端預(yù)處理電路輸出端的超外差接收機，所述前端預(yù)處理電路將所接收的信號處理到超外差接收機的工作頻段。

作為優(yōu)選，所述接收前端電路包括依次連接的濾波器、可變增益放大器和超外差接收機。在天線接收的電磁頻譜中，有部分信號落在超外差接收機的工作頻率范圍，濾波器將該頻段信號選出后，經(jīng)可變增益放大器進行放大，直接送入超外差接收機進行處理。

作為優(yōu)選，所述前端預(yù)處理電路包括依次連接的濾波器、下變頻電路、中頻濾波器、可變增益放大器和超外差接收機。在天線接收的電磁頻譜中，有部分信號在超外差接收機的工作頻率范圍之外，先經(jīng)濾波器將特定頻段的信號選出，然后通過下變頻電路將信號下變頻到超外差接收機的工作頻率范圍。為了濾除在變頻處理過程中產(chǎn)生的高次諧波等雜波信號，所有經(jīng)過變頻處理的信號都要經(jīng)過中頻濾波器進行濾波。此外為了保證最終輸入超外差接收機的信號的強度，所有信號在輸入超外差接收機之前都要借助可變增益放大器進行增益補償。

進一步的，在處理與下變頻電路的本振信號相近的電磁頻譜時，為了避免鏡頻干擾和本振泄露到中頻輸出端，所述前端預(yù)處理電路還包括連接在濾波器和下變頻電路之間的上變頻電路。將信號從低噪聲放大器輸出端選出后先進行上變頻處理，然后再下變頻到超外差接收機的工作頻率范圍，避免鏡頻干擾和本振泄露到中頻輸出端。

進一步的，前端預(yù)處理電路還包括為下變頻電路和上變頻電路提供本振信號的本振電路。

進一步的，所述本振電路包括頻率參考源，所述頻率參考源的輸出信號經(jīng)倍頻、混頻、和分頻中至少一種方式產(chǎn)生各高頻段處理電路的混頻器的本振信號。本方案進一步的對變頻器的本振信號進行改進，各高頻段處理電路的混頻器的本振信號采用統(tǒng)一的頻率參考源為基準，利用倍頻、混頻、和分頻中至少一種方式產(chǎn)生各高頻段處理電路的混頻器的本振信號。通過這種方式，其可實現(xiàn)各個通道的特性同步，同時實現(xiàn)超低相位噪聲的本振源。這將有助于提升監(jiān)測的幅度和相位精度，減小系統(tǒng)因為溫度、器件特性等變化帶來各通道內(nèi)性能的不平衡性。

進一步的，所述超外差接收機中，經(jīng)接收機處理和模數(shù)裝換后得到的數(shù)字信號首先下變頻到I/Q基帶信號。數(shù)字下變頻后的I/Q基帶信號分為三路，一路直接傳輸?shù)綌?shù)字寬帶存儲設(shè)備，為離線分析提供數(shù)據(jù)包，同時，將數(shù)據(jù)交給信息分析軟件處理數(shù)據(jù)。第二路用于顯示隨時間變化的頻譜圖，即瀑布圖。信號通過可調(diào)帶寬數(shù)字濾波器，經(jīng)過帶寬數(shù)字信道化處理，獲得實時高分辨率瀑布圖。此外，相關(guān)數(shù)據(jù)被送達信號分析系統(tǒng)，信號分析系統(tǒng)自動監(jiān)測信號，將測量結(jié)果發(fā)送給信號處理單元。第三路用于對特定信號的解調(diào)，信號處理單元根據(jù)第二路的監(jiān)測結(jié)果對相應(yīng)信號進行解調(diào)存儲。為了實現(xiàn)整個接收頻段或部分接收頻段實時頻譜圖顯示，數(shù)字端綜合處理所有數(shù)據(jù)，將各通道頻譜數(shù)據(jù)進行拼接整合，最后顯示所需頻段瀑布圖。

作為優(yōu)選，所述并行協(xié)同處理系統(tǒng)包括并行處理與顯示單元、系統(tǒng)校準協(xié)同處理單元和云網(wǎng)絡(luò)接入與資源共享單元。并行處理與顯示單元協(xié)調(diào)分配天線系統(tǒng)、多通道接收系統(tǒng)和多通道低頻接收系統(tǒng)三者的工作，實時處理前端寬帶接收系統(tǒng)中并行通道的不同信息，負責各并行通道之間協(xié)同工作，將所有數(shù)據(jù)合理存儲以便快速地在后續(xù)監(jiān)測處理過程中提取；系統(tǒng)校準單元完成前期系統(tǒng)所有通道的校準工作；云網(wǎng)絡(luò)接入與資源共享單元完成后續(xù)對于數(shù)據(jù)進行上傳至云網(wǎng)絡(luò)以便于網(wǎng)絡(luò)層面的協(xié)同處理，獲取更多的監(jiān)測信息和更高的監(jiān)測精度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，至少具有如下的優(yōu)點和有益效果：

本發(fā)明的電磁監(jiān)測儀的前端采用頻分并行的接收體制，通過頻分、時分混合設(shè)計的概念實現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)對電磁信號的實時監(jiān)測，其可將現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測速率和監(jiān)測帶寬成倍的提升。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的多通道接收系統(tǒng)的原理圖，即為n通道，n為大于等于1的整數(shù)。

圖2為多通道接收系統(tǒng)的本振電路的原理圖，即以15路為例。

圖3為監(jiān)測接收機數(shù)字端整體結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。

實施例1

一種寬帶瞬態(tài)復(fù)雜電磁監(jiān)測儀，包括天線系統(tǒng)、多通道接收系統(tǒng)、多通道低頻接收系統(tǒng)和并行協(xié)同處理系統(tǒng)，多通道接收系統(tǒng)對接收到的復(fù)雜電磁目標信號進行放大和信號分級并行處理；多通道低頻接收系統(tǒng)對多通道接收系統(tǒng)提供的信息做相應(yīng)頻譜掃描和檢測處理；并行協(xié)同處理系統(tǒng)協(xié)調(diào)分配天線系統(tǒng)、多通道接收系統(tǒng)和多通道低頻接收系統(tǒng)三者的工作。

實施例2

為了便于對上述實施例的理解，現(xiàn)以10MHz-51.2GHz范圍內(nèi)的電磁頻譜監(jiān)測為例來說明。需要說明的是，本方案可以實現(xiàn)的監(jiān)測范圍不僅限于10MHz-51.2GHz，在更寬的范圍都是可行的，基于本思想實現(xiàn)的更寬范圍內(nèi)的電磁頻譜監(jiān)測系統(tǒng)也在本方案的保護范圍內(nèi)。

由于系統(tǒng)覆蓋側(cè)向、追蹤、定標及接收等不同功能，同時也面向不同的應(yīng)用場景，在天線配套方面將提供多種選擇方案。從頻帶覆蓋上，天線系統(tǒng)包括多個天線，各天線接收的頻率范圍不同且各天線接收的頻率范圍構(gòu)成一連續(xù)頻帶，按照最大覆蓋能力即9kHz-3.2GHz和3.2-51.2GHz分別研發(fā)對應(yīng)的超寬帶天線，同時也根據(jù)面向不同應(yīng)用進行頻帶劃分，針對0.9-3GHz、3-18GHz、18-26.5GHz、26.5-40GHz和40-51.2GHz分別配套不同的天線；從方向性來說，為適應(yīng)不同的接收角度覆蓋范圍，采用配置定向及全向性天線，可選擇的定向?qū)拵Ш统瑢拵炀€包括LPDA、Vivaldi和TEM喇叭等，定向窄帶天線包括八木天線、微帶天線等，寬帶全向天線包括盤錐、雙錐及相關(guān)變形，而窄帶全向天線則主要是單極及偶極振子；從極化方面考慮，為適應(yīng)不同極化的信號，最大限度通過極化匹配提高接收增益，將同時配套不同極化的天線。天線包括超寬帶天線、定位天線。

為了兼容當前產(chǎn)品的監(jiān)測范圍，在多通道接收系統(tǒng)中選用的超外差接收機的工作頻率范圍為9kHz～3.2GHz，而本振信號的參考源為F₀＝3.2GHz，下變頻電路和上變頻電路分別采用上變頻器和下變頻器實現(xiàn)。多通道接收系統(tǒng)包括9kHz～51.2GHz的低噪聲放大器、多路并行連地接在低噪聲放大器輸出端的接收前端電路和連接在接收前端電路上的超外差接收機。如圖1所示，此時f＝51.2GHz，n＝16，F(xiàn)₀＝3.2GHz。接收前端電路借助于濾波器將9kHz到51.2GHz的信號分成16路信號。其中第一路的帶寬范圍為9kHz～3.2GHz，其余通道的帶寬均為3.2GHz。由于第一通道的頻率范圍為9kHz～3.2GHz，該頻率范圍正好是超外差接收機的工作頻率范圍，所以第一通道的信號在經(jīng)過濾波器選頻，經(jīng)由可變增益放大器進行補償后直接輸入到超外差接收機進行處理，此處需要說明的是超外差接收機并未在附圖中體現(xiàn)；而第二通道接收的信號頻率范圍為3.2GHz～6.4GHz，其范圍和本振信號F₀～2F₀的頻率范圍接近，如果直接將信號進行下變頻到超外差接收機的工作范圍，那么下變頻器輸出端的中頻濾波器就不能將本振信號濾除。此外，還會存在嚴重的鏡頻干擾。所以，在實際處理中，先將第二通道的信號進行上變頻處理，然后再下變頻到超外差接收機的工作頻率范圍，而下變頻后得到的中頻信號中會包含少量泄漏的本振信號和高次諧波等，所以要先經(jīng)過中頻濾波器濾除雜波信號。再經(jīng)過可變增益放大器進行增益補償，最后將信號輸入超外差接收機進行處理；對于其它通道的信號，如第三通道6.4GHz～9.6GHz等，則不存在第一和二通道的問題。所以，借助濾波器選出信號后，經(jīng)過下變頻器直接變頻到超外差接收機的工作頻率范圍，然后經(jīng)過中頻濾波和增益補償分別輸入超外差接收機進行處理。而數(shù)字處理終端參照各模擬通道接收幅度相位校準信息，對所接收到的信號根據(jù)各路接收通道的特點進行補償處理，同時對接收到的所有信號統(tǒng)一起來進行并行處理和顯示。該部分設(shè)計分成兩步進行：第一步開發(fā)9kHz～51.2GHz的超寬帶低噪聲放大器和混頻器等功能電路芯片和模塊，設(shè)計實現(xiàn)多通道接收系統(tǒng)，再將這些獨立的通道集成起來實現(xiàn)系統(tǒng)功能；第二步，將整個多通道接收系統(tǒng)包括低噪聲放大器和多路并行連接在低噪聲放大器輸出端的接收前端電路集成系統(tǒng)級芯片(SOC，System on chip)，高穩(wěn)定性小體積地實現(xiàn)功能。在整個系統(tǒng)的規(guī)劃中，充分考慮各個通道的頻率規(guī)劃和各個通道之間的信號隔離強度。

多路并行接收前端電路對信號的變頻處理中用到的本振信號原理圖如圖2所示。電路采用統(tǒng)一的高精度頻率參考源生成3.2GHz的本振信號源基準，再利用倍頻、混頻和分頻的方式產(chǎn)生各個所需頻率的本振信號。通過這種方式實現(xiàn)各個通道的特性同步，同時實現(xiàn)超低相位噪聲的本振源，這些都將有助于提升監(jiān)測的幅度和相位精度，也將減小系統(tǒng)因為溫度、器件特性等變化帶來各通道內(nèi)性能的不平衡性。

經(jīng)接收機處理和模數(shù)裝換后得到的數(shù)字信號首先下變頻到I/Q基帶信號。數(shù)字下變頻后的I/Q基帶信號分為三路。一路I/Q基帶信號通過10Gbit局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)直接傳輸?shù)綌?shù)字寬帶存儲設(shè)備，并為離線分析提供數(shù)據(jù)包，并交給信息分析軟件處理數(shù)據(jù)，該操作主要針對于截獲戰(zhàn)術(shù)通信中的調(diào)頻信號。第二路用于顯示隨時間變化的頻譜圖，即瀑布圖。信號通過可調(diào)帶寬數(shù)字濾波器，然后經(jīng)過帶寬數(shù)字信道化處理，獲得實時高分辨率瀑布圖。同時，將數(shù)據(jù)送達信號分析系統(tǒng)，信號分析系統(tǒng)自動監(jiān)測信號，將測量結(jié)果發(fā)送給信號處理單元。第三路用于對特定信號的解調(diào)，信號處理單元根據(jù)第二路的監(jiān)測結(jié)果對相應(yīng)信號進行解調(diào)存儲。數(shù)字端綜合處理所有數(shù)據(jù)，將各通道頻譜數(shù)據(jù)進行拼接整合，以實現(xiàn)整個接收頻段或部分接收頻段實時頻譜圖顯示。

并行協(xié)同處理系統(tǒng)一方面是要負責所有16路分頻信道以及3.2GHz通帶內(nèi)的各路時分信道的協(xié)同工作，這個分系統(tǒng)完成前期所有通道的系統(tǒng)校準工作，同時將所有數(shù)據(jù)合理儲存以便快速地在后續(xù)檢測處理過程中快速提取。此外，該分系統(tǒng)完成后續(xù)數(shù)據(jù)上傳至云網(wǎng)絡(luò)以便于網(wǎng)絡(luò)層面的協(xié)同處理，獲取更多的監(jiān)測信息和更高的監(jiān)測精度。為了使獲取的信息能夠以視頻信息實時顯示或者以數(shù)據(jù)的形式上傳至云網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用普適性的數(shù)據(jù)并行計算框架，將已存儲在分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和動態(tài)輸入的監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照相應(yīng)的處理算法分到多個節(jié)點進行并行處理，通過合理的數(shù)據(jù)分配和任務(wù)調(diào)度，縮短學習時間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝鼙磉_。

本發(fā)明采用新型多通道按照頻分并行的接收體制，通過頻分、時分混合設(shè)計的概念實現(xiàn)寬帶寬和瞬態(tài)復(fù)雜電磁信號的監(jiān)測，通過全頻帶并行處理監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)模擬前端雙模式和數(shù)字后端信道化的并行處理，以顯著提升處理速度，提高接收靈敏度和動態(tài)范圍；系統(tǒng)將能夠?qū)崿F(xiàn)將現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測速率和監(jiān)測頻譜寬帶成倍提升，實施例2是10倍以上，同時兼容未來低頻段檢測設(shè)備監(jiān)測速率大幅提升的發(fā)展趨勢，可廣泛應(yīng)用于電子對抗、設(shè)點天文和民用電磁頻譜監(jiān)測。其瞬態(tài)高速的跟蹤特性可以用于對軍用快速跳頻電臺和對于一些諸如太陽耀斑的瞬態(tài)脈沖信號的監(jiān)測和分析。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。