CN102253382B - 一种数字中频单脉冲测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字中频单脉冲测向方法，该方法基于机载防撞系统接收机实施，所述机载防撞系统的天线为四阵子单元天线，且四阵子单元采用正方形排列，所述方法包括如下步骤：(1)带通采样；(2)数字鉴相；(3)自动相差校准；(4)相位方位映射。本发明使得机载防撞系统测向准、速度快、体积小、功耗低、成本低，在市场竞争中具有明显的优势，能产生高的经济效益。

Description

一种数字中频单脉冲测向方法

技术领域

本发明涉及一种机载防撞系统，具体一种数字中频单脉冲测向方法。

背景技术

近年来，雷达作为一种探测目标的重要工具，在军事和民用领域发挥越来越重要的作用。其主要任务是在存在噪声、杂波与干扰的背景中检测并跟踪、测量来自空中、地面或水面上的有用目标。其中对目标的精确方位角测量是目标信号处理的一个重要环节，同时也是信号处理中的一个关键问题。

单脉冲体制雷达是一种比较先进的雷达体制，单脉冲测向是依靠多路接收技术实现的，它是用几个独立的接收支路来同时接收目标信号的回波信号，然后再将这些信号的参数加以比较，得出目标的准确方向角，具有更高的定向精度，因而在航空以及军事等领域有广泛的应用。使用单脉冲定向法，只需要一个回波脉冲，就可以给出目标角位置的全部信息，这也是“单脉冲”定向这一术语的来源。因为单脉冲雷达只用一个脉冲定向，所以回波信号的幅度起伏不会对角坐标的测量精度产生显著的影响。

单脉冲测向技术是现代无线电通信导航领域常用的关键技术。单脉冲测向技术包括一般包括比相、比幅、比相比幅结合3种方法。比相方法抗干扰性强，不受幅度变化限制，性能比较稳定。传统单脉冲比相技术是射频上利用波导桥产生和差信号，对和差信号进行混频鉴相，得到相差信号，最终算出方位值。

机载防撞系统(即TCAS)中，要求探测本机空域内入侵机的飞行参数，包括与本机距离、相对高度和方位。但现有机载防撞系统探测上述参数的准确度不高，速度慢，无法产生很高的经济效益。

由此，如何有效跟踪快速精确测量入侵机的方位是本领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有机载防撞系统测向技术所存在的问题，而提供一种数字中频单脉冲测向方法，该方法用于机载防撞系统接收机中，能够使相应的系统测向准、速度快。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种数字中频单脉冲测向方法，该方法基于机载防撞系统接收机实施，所述机载防撞系统的天线为四阵子单元天线，且四阵子单元采用正方形排列，所述方法包括如下步骤：

(1)带通采样：将来自四阵子单元天线的第一、第二、第三以及第四共四路中频信号分别带通采样，进行数字下变频；

(2)数字鉴相：对下变频后的四路中频信号进行处理，利用数字鉴相方法分别求得第一阵子单元和第三阵子单元间的第一接收支路的相位差、第二阵子单元和第四阵子单元间的第二接收支路的相位差；

(3)自动相差校准：分别通过第二阵子单元和第四阵子单元发射一个校准信号，计算第一接收支路接收到校准信号的相位差，并取平均值，得到第一接收支路的固有相位差；分别通过第第一阵子单元和第三阵子单元发射一个校准信号，计算第二接收支路接收到校准信号的相位差，并取平均值，得到第二接收支路的固有相位差；

(4)相位方位映射：将由步骤(2)测得的信号相位差扣除由步骤(3)测得的固有相位差得到来波信号的真实相位差，再根据相位差和方位的映射关系得到来波信号的方位角。

在本发明的一实施例中，所述四阵子单元天线中第一阵子单元和第三阵子单元间、第二阵子单元和第四阵子单元间的对角线长度小于机载防撞系统接收信号波长的1/2。

在本发明的另一实施例中，所述步骤(1)中的四路中频信号通过以下步骤得到：

(11)四阵子单元天线根据来波信号形成4路接收信号；

(12)将来自四阵子单元天线的4路接收信号下变频到中频输出到机载防撞系统接收机中的数字处理板；

(13)数字处理板对4路中频信号进行AD转换。

本发明提供的方法采用中频数字带通采样、数字鉴相、相差方位映射、自动误差校准等技术，并在FPGA中实现。

采用数字中频单脉冲测向方法进行测向，具有以下特点：

中频以下利用全数字信号处理，抗干扰性强，准确度高；

采用FPGA实现，使硬件体积减小、功耗降低、成本减少；

采用数字单脉冲技术，用信号回波的一个采样点就可以算出方位值，测向更快速；

采用带通采样技术，对数字中频进一步下变频，对采样率和数据处理速度的要求大大降低，硬件成本和功耗也相应降低；

采用双延迟正交鉴相技术测量回波相位差，消除了镜像模糊，提高了测向准确度；

采用自动误差校准技术，使测向性能受环境因素、接收支路线缆延迟改变影响大大减小。

再者，本发明的应用广，只要4个天线阵子呈正方形排列且对角线长小于λ/2的多通道接收机，都可以使用本发明提供的方法。使用本方法的系统测向准、速度快、体积小、功耗低、成本低，在市场竞争中具有明显的优势，能产生高的经济效益。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为机载防撞系统中天线的示意图。

图2为数字中频单脉冲测向方法原理框图。

图3为相位差方位角映射图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

为实现有效跟踪快速精确测量入侵机的方位，本发明提供一种数字中频单脉冲测向方法，该方法基于机载防撞系统接收机(即TCAS接收机)实施，TCAS接收机包括射频接收前端和数字处理板。

参见图1，本发明中涉及的机载防撞系统，其天线为四阵子单元天线，包括第一阵子单元A、第二阵子单元B、第三阵子单元C、第四阵子单元D，且这四阵子单元采用正方形排列。再者，第一阵子单元A和第三阵子单元C间的对角线AC、第二阵子单元B和第四阵子单元D间的对角线BD的长度小于机载防撞系统接收信号波长的1/2。

对于本发明中的天线，第三阵子单元C到第一阵子单元A的方向为方位角0度，方位角逆时针增加，直到359度。其具有两个接收支路：第一阵子单元A和第三阵子单元C间的第一接收支路AC、第二阵子单元B和第四阵子单元D间的第二接收支路BD。

对于这两接收支路的相位差如图所示，图中P1、P2...P8为分布在8个不同方位的目标，对于目标P2，图示中的Ф_ac、Ф_bd分别为AC接收支路的相位差和BD接收支路的相位差。

基于上述技术方案，本发明的实现过程如下(参见图2)：

第一步，获取信号

四阵子单元天线根据来波信号形成4路接收信号，射频接收前端将来自四阵子单元天线的4路接收信号下变频到中频F_I输出到数字处理板，数字处理板对4路中频信号进行AD转换。

第二步，带通采样

将4路模拟中频信号分别带通采样、带通滤波，进行数字下变频，其具体实现如下：

若接收信号带宽为B，中心频率为f_o，

则最高频率f_h＝f_o+B/2，最低频率f₁＝f_o+B/2，

令M＝int(f₁/B)，则采样频率f_s应满足：

2f_h/(m+1)≤f_s≤2f₁/m，0≤m≤M。

采样频率为f_s，带通滤波后得到数字中频F_II＝|f_s-F_o|，完成数字下变频。

第三步，数字鉴相

对下变频后的A、B、C、D四路中频信号处理成方波信号，利用传统的边沿鉴相方法求得AC接收支路的相位差和BD接收支路的相位差。

第四步，自动相差校准。

由于A、B、C、D 4个阵子单元正方形排列，B或D阵子单元到A和C阵子单元的距离相等，故分别通过天线阵子单元B或D发射一个校准信号，在AC支路固有相差为零的情况下，分别收到校准信号之间的相差也应为零，若此值不为零，则该值为AC接收支路固有相差。对B和D阵子单元分别发射校准信号求得的固有相差求平均，使求得固有相差更加接近真实值。

同理分别通过天线阵子单元A和C发射一个校准信号，求得BD接收支路接收到校准信号的相位差。

第五步，相位方位映射

将步骤3中测得的信号相位差扣除步骤4中测得的相应的固有相位差得到来波信号真实相位差，然后根据相位差和方位的映射关系得到来波方位角(如图3所示)。具体过程如下：

AC支路相差为：

Ф_ac＝ωt＝2πf dcosθ/c＝(2πd/λ)cosθ

其中ω为信号角频率，f为信号频率，d为A到C或B到D阵子单元之间的距离，θ为方位角，θ∈[0，2π)，c为光速，λ位信号波长。

同理BD支路相差为：

Ф_bd＝ωt＝2πf dcosθ¹/c＝(2πd/λ)cosθ¹＝(2πd/λ)sinθ

因此Ф_bd/Ф_ac＝tanθ，即为相位差与方位角有如上式映射关系。

由于A、B、C、D四个天线阵子单元的排列的固有属性，d＜λ/2，所以Ф_ac、Ф_bd都取值在(-π，π)区间内。因此根据Ф_ac、Ф_bd的符号和比值可以计算出方位角θ。

本发明的具体实施如下：

来自射频接收前端的A、B、C、D四路中频信号取125MHz，带宽11MHz。

对四路中频信号分别进行带通采样、带通滤波，进行数字下变频。该步骤中选取带通采样频率为100MHz，则带通采样后中频为25MHz。

进行校准：

天线阵子B发，AC收，ΔФ_ac1＝0.19

天线阵子D发，AC收，ΔФ_ac2＝0.21

天线阵子A发，BD收，ΔФ_bd1＝0.32

天线阵子C发，BD收，ΔФ_bd2＝0.3

因此ΔФ_ac＝0.2

ΔФ_bd＝0.31

鉴相器输出

Ф_ac ¹＝1.0478，扣除校准相差，Ф_ac＝1.0478-0.2＝0.8478，

Ф_bd ¹＝1.7784，扣除校准相差，Ф_bd＝1.7784-0.31＝1.4684

tan θ＝Ф_bd/Ф_ac＝1.732，由于，Ф_ac≥0，Ф_bd≥0，

所以θ＝π/3

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种数字中频单脉冲测向方法，该方法基于机载防撞系统接收机实施，其特征在于，所述机载防撞系统的天线为四阵子单元天线，且四阵子单元采用正方形排列，所述四阵子单元由第一阵子单元、第二阵子单元、第三阵子单元以及第四阵子单元组成，所述第一阵子单元与第三阵子单元成对角设置，所述第二阵子单元与第四阵子单元成对角设置；所述方法包括如下步骤：

（1）带通采样：将来自四阵子单元天线的第一、第二、第三以及第四共四路中频信号分别带通采样，进行数字下变频；

（2）数字鉴相：对下变频后的四路中频信号进行处理，利用数字鉴相方法分别求得第一阵子单元和第三阵子单元间的第一接收支路的相位差、第二阵子单元和第四阵子单元间的第二接收支路的相位差；

（3）自动相差校准：分别通过第二阵子单元和第四阵子单元发射一个校准信号，计算第一接收支路接收到校准信号的相位差，并取平均值，得到第一接收支路的固有相位差；分别通过第一阵子单元和第三阵子单元发射一个校准信号，计算第二接收支路接收到校准信号的相位差，并取平均值，得到第二接收支路的固有相位差；

（4）相位方位映射：将由步骤（2）测得的信号相位差扣除由步骤（3）测得的固有相位差得到来波信号的真实相位差，再根据真实相位差和方位的映射关系得到来波信号的方位角。

2.根据权利要求1所述的一种数字中频单脉冲测向方法，其特征在于，所述四阵子单元天线中第一阵子单元和第三阵子单元间、第二阵子单元和第四阵子单元间的对角线长度小于机载防撞系统接收信号波长的1/2。

3.根据权利要求1所述的一种数字中频单脉冲测向方法，其特征在于，所述步骤（1）中的四路中频信号通过以下步骤得到：

（11）四阵子单元天线根据来波信号形成4路接收信号；

（12）将来自四阵子单元天线的4路接收信号下变频到中频输出到机载防撞系统接收机中的数字处理板；

（13）数字处理板对4路中频信号进行AD转换。

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