CN102798846B - 二次雷达回波脉冲参数测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种二次雷达回波脉冲参数测量的方法，旨在提供一种操作简便可靠、测量精确，不依赖通用仪器，对二次雷达回波脉冲进行精确测量的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：首先用对数放大器检测二次雷达的回波脉冲，检波获取视频脉冲信号，视频脉冲信号转换成差分信号后，进入高速A/D转换器进行A/D采样，A/D采样数据进入FPGA检测触发脉冲同步信号，由FPGA内部计数器计算时钟个数，获取飞行器距离参数，采样数据经编码组帧后通过总线提交给计算机分析处理软件，解算脉冲功率和飞行器距离参数，获取二次雷达回波脉冲的各项参数，将测量的时域波形重构到人机界面并显示参数输出。本发明减少了示波器、功率计等通用仪器的使用，简化了繁杂的测试过程。

Description

二次雷达回波脉冲参数测量的方法

技术领域

本发明涉及一种主要应用于飞行器外弹道测量设备中，对二次雷达回波脉冲进行时域波形重构，并在此基础上完成脉冲参数精确测量的方法。

背景技术

在航天器靶场发射试验中，二次雷达配合地面雷达站共同完成飞行器的测量测控任务，是飞行器重要的组成部分。在二次雷达装箭前，测试系统必须对二次雷达转发脉冲信号作精确的时域分析，包括脉冲上升时间、下降时间（几十ns量级）、脉冲宽度、脉冲到达时间、脉冲时延以及由脉冲参数反映的二次雷达功率等，这就需要对脉冲进行时域重构并完成其精确参数测量。如图3所示为目前采用的靶场测试方法，是完全依靠在测试厂房接入信号源、示波器、耦合器、功率计、时间间隔测试仪等专用仪器测量二次雷达参数。在测量脉冲参数时，需要首先将待测二次雷达射频回波脉冲，经检波器检波得到视频脉冲，然后通过示波器观察视频脉冲，人工判读脉冲上升时间、下降时间、脉冲宽度以及脉冲占空比等参数；测量脉冲功率时，则利用耦合器获得部分射频脉冲能量，通过功率计读出射频脉冲平均功率，然后结合耦合器耦合度、示波器读出的脉冲占空比，通过人工计算出二次雷达脉冲峰值功率；而脉冲到达时间、飞行器距离参数则完全依赖时间间隔测试仪测量。因此，现有测试方法存在周边测试设备繁多、连接复杂、测量操作繁琐、测量结果需通过人工计算判决等不足。

发明内容

为了克服现有测试方法的上述不足，本发明提供了一种操作简便可靠、测量精确，不依赖通用仪器，对二次雷达回波脉冲进行精确测量的方法。

上述目的可以通过本发明提供的一种二次雷达回波脉冲参数测量的方法，其特征在于包括如下步骤：

首先利用对数放大器的信号强弱检测功能，对来自二次雷达的回波信号进行检波以获取视频脉冲信号，所得到的视频脉冲经信号调理电路放大，再经运算放大器转换成差分信号后，进入高速A/D转换器进行A/D采样，A/D采样后的数据进入FPGA检测回波脉冲信号，由FPGA内部计数器计算触发脉冲和回波脉冲之间的时钟个数，通过该计算值获取飞行器距离参数；FPGA将高速A/D采集的视频脉冲编码量化信息传输到计算机中，同时将A/D采样数据编码组帧后通过cPCI总线提交到计算机分析处理软件，实时测量二次雷达的距离参数、脉冲参数，并自动记录上述参数的变化情况和解算脉冲功率和飞行器距离参数；在获取二次雷达回波脉冲的各项参数中，数据分析处理软件将测得的脉冲幅度PA乘以181再除以256得到-3分贝幅度门限值，再由计数器统计样点中过门限点数，得到PW的估值；在测量脉冲到达时间TOA时，以测量脉冲前沿法为基准，通过对脉冲前沿进行线性拟合后，与-3分贝幅度门限相交确定TOA值，从而通过软件相关算法完成脉冲幅度PA、上升时间τ1、下降时间τ2、脉冲宽度PW、到达时间TOA、峰值功率P以及飞行器距离R参数的实时测量；计算机分析处理软件同时将视频脉冲时域波形输出到人机界面显示。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明采用高速A/D、cPCI总线和软件处理相结合，对二次雷达脉冲回波脉冲进行时域恢复并完成其参数精确测量的方法。采用对数放大器完成信号检波、信号调理，利用高速A/D采样量化脉冲视频信号，采样数据经编码组帧后通过总线提交给测量分析软件，通过软件相关算法完成脉冲幅度PA、上升时间τ1、下降时间τ2、脉冲宽度PW、到达时间TOA、峰值功率P以及飞行器距离R等参数的实时测量，将其时域波形重构到人机界面显示。减少了示波器、功率计、时间间隔测试仪等通用仪器的使用，极大地简化了靶场地面系统设备配置和繁杂的测试过程，提高了靶场发射试验工作效率，提高了测试的方便性。

在脉冲波形重构过程中，本发明利用对数放大器的信号强弱检测功能完成回波脉冲的检波得到视频脉冲信号，该视频脉冲进行高速采集后再由计算机软件完成数据分析处理，实现脉冲的波形重构及多种参数精确测量，操作简单，无需复杂繁琐的人工操作，启动设备，即可实时测量二次雷达的距离参数、脉冲参数，并自动记录上述参数的变化情况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明对二次雷达回波脉冲进行测量的原理框图。

图2是本发明对脉冲参数进行测量的数学模型。

图3是现有技术对二次雷达回波脉冲进行测量的原理框图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，首先对二次雷达射频回波脉冲进行检波，利用对数放大器的信号强弱检测功能完成信号检波，获得视频脉冲；采用压摆率达到2.5V/ns的运算放大器将放大后的视频脉冲转换成差分信号，采用300MHz工作时钟的高速A/D对差分信号进行采样，通过A/D编码量化后进入FPGA做检测。

在FPGA中，随时检测触发脉冲信号，一旦检测到该信号，即以300MHz工作时钟开始计数。当FPGA检测到经A/D量化的视频脉冲时则记录计数脉冲数N，同时清零计数器以等待下一个触发脉冲，重新开始计数。考虑雷达信号最大重复周期10ms，为保证收到回波脉冲前计数器不溢出，计数器最小计数深度应大于10ms×300MHz＝3×10⁶。FPGA收到回波脉冲后，飞行器距离R由R=N×C/2×300MHz得到，其中C为光速，N为脉冲数。

同时，FPGA将高速A/D采集的视频脉冲编码量化信息传输到计算机中，通过嵌入计算机中的数据分析处理软件测量其脉冲参数；数据分析处理软件通过检测脉冲包络中过冲样点的最大值确定脉冲顶部数据的位置。采用深度为512、宽度为10bit的存储器缓存脉冲波形数据，写时钟为高速A/D工作时钟，读时钟为总线时钟。FPGA把把每次采集的512个采样数据，依次存储并上报至分析处理软件展开后续信号处理。

视频脉冲采样数据上传到计算机后，则启动数据分析处理软件，对采样数据进行处理，通过相关算法完成脉冲幅度PA、脉冲上升τ1、下降时间τ2、脉冲宽度PW、脉冲到达时间TOA、脉冲功率P，以及飞行器距离R的参数测量，同时将视频脉冲时域波形送到人机界面显示输出。

参阅图2。脉冲上升时间τ1、下降时间τ2可通过脉冲前沿的线性拟合及内插获得极高的测量精度。由于滤波器的影响，脉冲包络具有一定长度的前沿。一般情况下，在0.5到0.9倍脉幅之间的脉冲前沿可近似为线性。因此，通过对这段脉冲前沿进行线性拟合后，与-3分贝幅度门限（约为0.708倍脉幅）相交确定脉冲前沿值，同时以0.1和0.9倍脉冲幅度之间的点数确定上升和下降沿时间，在-3分贝门限的左右各取固定的N/2个采样点，N的选择则要保证在可能的最短的脉冲前沿下所取得样点不超出0.9倍脉幅之外。脉冲下降时间测量方法同上升时间。

利用-3分贝幅度门限来限定脉冲脉宽PW，从而克服信号幅度起伏对参数测量的影响。数据分析处理软件处理时先将脉冲幅度PA乘以181再除以256得到-3分贝幅度门限值，再由计数器统计样点中过门限点数，从而得到PW的估值。

在测量脉冲到达时间TOA时，以测量脉冲前沿法为基准，通过对脉冲前沿进行线性拟合后，与-3分贝幅度门限相交确定TOA值。由于滤波器的影响，脉冲包络具有一定长度的前沿。一般情况下，在0.5到0.9倍脉幅之间的脉冲前沿可近似为线性。因此，通过对这段脉冲前沿进行线性拟合后，与-3分贝幅度门限（约为0.708倍脉幅）相交确定TOA值。同时，利用脉冲前沿测量TOA还可以避免多径传输的影响。

被测脉冲峰值功率由如下公式自动计算得到，整个计算过程由自研的单脉冲应答机综测仪软件完成数据处理。

$P=\frac{\frac{{\mathrm{PA}}^2}{r}}{V_{\mathrm{LS}}}-G+P_{\mathrm{inter}}$

式中：P为接收脉冲峰值功率，PA为软件测得脉冲幅度，r为A/D输入阻抗，V_LS为对数放大器对数斜率，G为前端射频链路增益，P_inter为对数放大器截至工作点。

测量脉冲幅度PA时，取脉顶部分的视频样点求均值。为便于程序实现，每次取固定16个样点求和，以移位方式求平均。分析处理软件通过检测脉冲包络中过冲样点的最大值来确定脉冲顶部数据的位置。数据在读入PA测量模块的过程中逐一进行比较，当某一样点比后续的N个样点都大时，认为读入的是脉顶数据。其中N的取值由包络过冲的可能宽度来决定。

所述数据分析处理软件，其名称、代号、版本号分别为：单脉冲应答机综测仪软件，R/WAD20Z-1，V1.2。

Claims (8)

1.一种二次雷达回波脉冲参数测量的方法，其特征在于包括如下步骤：

首先利用对数放大器的信号强弱检测功能，对来自二次雷达的回波信号进行检波以获取视频脉冲信号，所得到的视频脉冲经信号调理电路放大，再经运算放大器转换成差分信号后，进入高速A/D转换器进行A/D采样，A/D采样后的数据进入FPGA检测回波脉冲信号，由FPGA内部计数器计算触发脉冲和回波脉冲之间的时钟个数，通过该计算值获取飞行器距离参数；FPGA将高速A/D采集的视频脉冲编码量化信息传输到计算机中，同时将A/D采样数据编码组帧后通过cPCI总线提交到计算机分析处理软件，实时测量二次雷达的距离参数、脉冲参数，并自动记录上述参数的变化情况和解算脉冲功率和飞行器距离参数；在获取二次雷达回波脉冲的各项参数中，数据分析处理软件将测得的脉冲幅度PA乘以181再除以256得到-3分贝幅度门限值，再由计数器统计样点中过门限点数，得到PW的估值；在测量脉冲到达时间TOA时，以测量脉冲前沿法为基准，通过对脉冲前沿进行线性拟合后，与-3分贝幅度门限相交确定TOA值，从而通过软件相关算法完成脉冲幅度PA、上升时间τ1、下降时间τ2、脉冲宽度PW、到达时间TOA、峰值功率P以及飞行器距离R参数的实时测量；计算机分析处理软件同时将视频脉冲时域波形输出到人机界面显示。

2.按权利要求1所述的二次雷达回波脉冲参数测量方法，其特征在于，所述运算放大器的压摆率为2.5V/ns。

3.按权利要求1所述的二次雷达回波脉冲参数测量方法，其特征在于，在FPGA检测到触发脉冲信号时，以300MHz工作时钟开始计数。

4.按权利要求1所述的二次雷达回波脉冲参数测量的方法，其特征在于，FPGA通过数据分析处理软件测量脉冲参数，并采用深度为512、宽度为10bit的存储器缓存脉冲波形数据，写时钟为高速A/D工作时钟，读时钟为总线时钟。

5.按权利要求1所述的二次雷达回波脉冲参数测量的方法，其特征在于，FPGA把每次采集的512个采样数据，依次存储并上报至分析处理软件展开后续信号处理。

6.按权利要求1所述的二次雷达回波脉冲参数测量的方法，其特征在于，被测脉冲峰值功率由下式计算，

$P=\frac{\frac{{\mathrm{PA}}^2}{r}}{V_{\mathrm{LS}}}-G+P_{\mathrm{inter}}$

式中：P为接收脉冲峰值功率，PA为软件测得脉冲幅度，r为A/D输入阻抗，V_LS为对数放大器对数斜率，G为前端射频链路增益，P_inter为对数放大器截至工作点。

7.按权利要求1所述的二次雷达回波脉冲参数测量的方法，其特征在于，所述数据分析处理软件通过检测脉冲包络中过冲样点的最大值确定脉冲顶部数据的位置。

8.按权利要求1所述的二次雷达回波脉冲参数测量的方法，其特征在于，计数器最小计数深度大于10ms×300MHz＝3×10⁶，FPGA收到回波脉冲后，飞行器距离R由R=N×C/2×300MHz得到，其中C为光速，N为脉冲数。

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