CN102882548A - 基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统及其方法，该系统包括发射端和接收端，发射端与接收端连接，接收端包括接收天线、第一伺服系统、第二伺服系统、第一数模转换模块、第二数模转换模块、第三数模转换模块、第一解调模块等元件，接收天线与第一伺服系统、第二伺服系统连接，第一伺服系统与第一数模转换模块、第二数模转换模块连接，第一数模转换模块与第一解调模块连接，第一解调模块与第一解扩模块连接，第二数模转换模块与第二解调模块连接，第一解扩模块、第二解扩模块、第三数模转换模块都与单脉冲跟踪模块连接，第三数模转换模块还与第二伺服系统连接。本发明实现基于直接扩频序列的单脉冲跟踪，可修改、升级和移植。

Description

基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种通信技术领域，特别是涉及一种基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统及其方法。

背景技术

单脉冲雷达属于波瓣法测角，这种雷达只需要比较各波束接收的同一个回波脉冲，就可以获得目标位置的全部信息，这也就是“单脉冲”这一术语的来源。当然这里并不是指只发射一个脉冲，而是发射一串脉冲，误差信息只需要一个回波脉冲就能提取。

单脉冲雷达的跟踪原理是：用几个独立的接收机来同时接收目标的回波信号，然后将这些信号的参数加以比较，从中获取角误差信息。因而，单脉冲雷达实现跟踪的时间短，测量精度高，抗干扰能力强。

直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，简称DS）是扩频通信中的一种技术，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。DS具有很多优点，比如：抗干扰、抗噪音、抗多径衰落、保密性好、功率谱密度低、隐蔽性和低截获概率。

基于直接扩频序列的单脉冲跟踪系统既有DS系统的优点，又兼具单脉冲跟踪系统的特点。行业内没有基于直接扩频序列的单脉冲跟踪系统，没有设计FPGA（Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）程序及核心代码，不能根据开发需要进行自主编译和修改。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统及其方法，其实现基于直接扩频序列的单脉冲跟踪，可修改、升级和移植。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统，其特征在于，其包括发射端和接收端，发射端与接收端连接，接收端包括接收天线、第一伺服系统、第二伺服系统、第一数模转换模块、第二数模转换模块、第三数模转换模块、第一解调模块、第一解扩模块、第二解调模块、第二解扩模块、单脉冲跟踪模块，接收天线与第一伺服系统、第二伺服系统连接，第一伺服系统与第一数模转换模块、第二数模转换模块连接，第一数模转换模块与第一解调模块连接，第一解调模块与第一解扩模块连接，第二数模转换模块与第二解调模块连接，第一解扩模块、第二解扩模块、第三数模转换模块都与单脉冲跟踪模块连接，第三数模转换模块还与第二伺服系统连接，发射端包括直接序列扩频模块、BPSK调制模块和发射天线，直接序列扩频模块与BPSK调制模块连接，BPSK调制模块还与发射天线连接。

优选地，所述第一解调模块、第一解扩模块、第二解调模块、第二解扩模块、单脉冲跟踪模块都位于一个FPGA芯片内。

优选地，所述第一解扩模块、第二解扩模块都包括依次顺序连接的捕获模块、跟踪模块、锁定判决模块和恢复模块。

本发明还提供一种基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统的跟踪方法，其特征在于，该方法采用如上述的基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统，该方法包括以下步骤：

S1、数据链路中经过编码组帧后的输入数据信息通过直接序列扩频模块产生IQ两路扩频同步信号，经过BPSK调制模块的内插、滤波、混频将IQ两路扩频信号混成一路信号，最终由上变频后的发射天线发送到空间无线链路；

S2、接收天线在一个角平面内有两个极子并接收发射天线发出的一路信号产生两个部分重叠的波束，第一伺服系统将这两个波束同时接收到的信号进行和、差处理得到和路信号及差路信号；

S3、和路信号及差路信号经第一解调模块和第二解调模块解调后得到基带和路相位信号及基带差路相位信号；

S4、基带和路相位信号、基带差路相位信号经第一解扩模块、第二解扩模块的解扩后，完成扩频同步码的解扩；

S5、基带和路相位信号的两路相位信号在解扩后得到相位信息分别为第一和相位信息、第二和相位信息；同样的，基带差路相位信号的两路相位信号在解扩后得到分别得到为第一差相位信息、第二差相位信息，单脉冲跟踪模块根据第一和相位信息、第二和相位信息、第一差相位信息、第二差相位信息分别计算出和路幅度和差路幅度、和路相位和差路相位，再根据和路幅度和差路幅度、和路相位和差路相位计算出第二伺服方位上的控制指令和第二伺服俯仰上的控制指令；

S6、第三数模转换模块将方位上的控制指令和俯仰上的控制指令转换成误差控制电压并发送给第二伺服系统，控制接收天线的方位和俯仰的转动方向。

本发明的积极进步效果在于：本发明的单脉冲跟踪模块实现了解扩以后目标的方位、俯仰跟踪；采用半个码片半个码片的捕获，增加了捕获的有效性；锁定后仍然判定是否失锁，失锁后便重新按照条件捕获；捕获门限和跟踪门限随输入信号的幅度变化而变化，简化了自适应门限技术；本发明支持的最高码速率可以达到20MHz，系统支持的最高速率根据硬件条件的提高而增大；对于不同速率不同资源应用环境，可以针对不同的系统要求进行自行配置。FPGA芯片编写的程序代码采用线性可执行文件格式（LE）存储，资源占用低。扩频序列、扩频码及扩频速率可以自行修改，保持了较高的易配置性，可修改和编译，可根据需要配置进行升级，也可以移植到其他系列的FPGA芯片中。

附图说明

图1为本发明基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统的原理框图。

图2为本发明中发射端的原理框图。

图3为本发明中解调解扩模块的原理框图。

图4为本发明中天线轴向波束的示意图。

图5为本发明中天线轴向的和波束的示意图。

图6为本发明中天线轴向的差波束的示意图。

图7为本发明中匹配滤波结构的原理框图。

图8为本发明中跟踪模块的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1和图2所示，本发明基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统包括发射端和接收端，发射端与接收端连接，接收端包括接收天线、第一伺服系统、第二伺服系统、第一数模转换模块、第二数模转换模块、第三数模转换模块、第一解调模块、第一解扩模块、第二解调模块、第二解扩模块、单脉冲跟踪模块，接收天线与第一伺服系统、第二伺服系统连接，第一伺服系统与第一数模转换模块、第二数模转换模块连接，第一数模转换模块与第一解调模块连接，第一解调模块与第一解扩模块连接，第二数模转换模块与第二解调模块连接，第一解扩模块、第二解扩模块、第三数模转换模块都与单脉冲跟踪模块连接，第三数模转换模块还与第二伺服系统连接，发射端包括直接序列扩频模块、BPSK（Binary Phase Shift Keying，二进制移相键控）调制模块和发射天线，直接序列扩频模块与BPSK调制模块连接，BPSK调制模块还与发射天线连接。第一解调模块、第一解扩模块、第二解调模块、第二解扩模块、单脉冲跟踪模块都位于一个FPGA（Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）芯片内。接收天线和发射天线都可以是单脉冲雷达天线。本发明根据发射端扩频的序列信息，在接收端用接收天线接收，对接收到的信息在FPGA芯片内进行解算，得到目标的方位和俯仰控制信息，通过第二伺服系统控制接收天线，从而达到跟踪目标的目的。本发明主要在FPGA芯片内完成解调、解扩、单脉冲跟踪，最后完成对方位和俯仰信息的解析。

本发明基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统的跟踪方法包括以下步骤：

S1、数据链路中经过编码组帧后的输入数据信息data_in通过直接序列扩频模块产生IQ两路扩频同步信号，即I路发送扩频同步信号和Q路发送扩频同步信号，I路、Q路两路发送扩频同步信号的起始位置相同，经过BPSK调制模块的内插、滤波、混频将IQ两路扩频信号混成一路信号，最终由上变频后的发射天线发送到空间无线链路。

S2、接收天线在一个角平面内有两个极子并接收发射天线发出的一路信号产生两个部分重叠的波束，如图4所示。第一伺服系统将这两个波束同时接收到的信号进行和、差处理，图5和图6所示为天线轴向的和、差波束，分别对应和信号、差信号，经过下变频处理得到中频的和路信号及差路信号。如图4所示，若目标位于天线轴线方向，即目标的误差角￡=0，则两个波束各自接受到的回波信号振幅相同，两者的差信号振幅为0。如果目标有一个误差角￡，例如偏在波束1方向，则波束l接收到的信号振幅大于波束2的信号振幅，且差信号的振幅与误差角￡成正比。如果目标偏离在天线轴线的另外一侧，则两波束接收信号振幅差值的符号将会改变，即差信号的相位将改变。所以差信号的振幅表示目标误差角￡的大小，而差信号的相位，则与两波束接收信号之和(和信号)同相或反相，从而表示了目标在该平面内偏离天线轴线的方向。图6中“+”表示该方向上的差信号与和信号同相，“-”表示该方向上的差信号与和信号反相。

S3、和路信号及差路信号经第一解调模块和第二解调模块解调后得到基带和路相位信号及基带差路相位信号，基带和路相位信号包括Idata、Qdata两路相位信号。

S4、基带和路相位信号、基带差路相位信号经第一解扩模块、第二解扩模块的解扩后，完成扩频同步码的解扩。如图3所示，第一解扩模块、第二解扩模块都包括依次顺序连接的捕获模块、跟踪模块、锁定判决模块和恢复模块。下面详细对S3的解扩进行详细介绍（以基带和路相位信号的Idata、Qdata两路相位信号为例），具体包括以下步骤：S41、Idata、Qdata两路相位信号选取其有效信息，送给捕获模块作相关处理，采用匹配滤波结构进行相关，见图7，捕获模块采用双值相关，一个发送扩频序列码元在接收端用两个相同的本地扩频序列码片进行相关求和，取Idata与Qdata两路相位信号的3位有效数据分别通过匹配滤波结构，IQ两路信号各得到2M个相关和，然后将产生的两个幅度值相加，即为捕获模块的相关值。因为发射端的扩频同步码具有周期，因而接收端相关峰出现也具有周期性，捕获的相关值同选定的判决门限P1比较，大于门限的为相关峰值，在下一个周期的同样位置还出现相关峰值大于门限，通过驻留式捕获得到捕获电平信号Dl。S42、在捕获电平信号Dl有效的情况下，本地采用相同的扩频序列，通过恢复出来的扩频码时钟Clk_code使接收到的信号相位延迟，得到一个超前相位、一个滞后相位和一个同步相位D2，见图8。采用相同的匹配滤波结构，跟踪模块将Idata与Qdata两路相位信号的10位的IQ相位有效信息，超前半个码片、滞后半个码片分别通过匹配滤波得到各自的相关值（即瞬时相位），改变鉴相器，利用接收信号和本地参考信号两个不同相位（超前和滞后）之间的相关值，将两个瞬时相位做，通过LF（低通滤波器），滤除高频，消除噪声，提高环路稳定性，滤波结果作为控制字送给NCO（数控振荡器），NCO根据控制字的数值恢复出扩频码的扩频码时钟Clk_code，得到输入信息的超前、滞后、同步相位，从而完成码环。产生的同步相位D2，即恢复出的扩频序列相位，其值由1到2M循环，给锁定判别模块。同步相位与输入进来Idata与Qdata两路相位信号的10位的IQ相位有效信息分别通过匹配滤波，求和得到同步相关值D3，送给锁定判别模块，用于判断是否锁定。S43、两个门限值分高中低三级输入给锁定判别模块，分别为P2，P3，P2为锁定判决门限，P3为失锁判决门限，使锁定不因为突发错误而丢失，失锁判决门限P3值比锁定判决门限P2值小。根据同步相关值D3大于锁定判决门限P2，并且在同步相位D2的固定位置上出现，该位置如果一直大于锁定判决门限P2，则产生锁定信号Lock。反之，若出现小于锁定判决门限P2的情况，则与失锁判决门限P3比较，如果小于锁定判决门限P2且大于失锁判决门限P3超过16次，则产生失锁信号Lost_sig。失锁信号Lost_sig送给捕获模块，使其重新捕获。锁定信号Lock送给恢复模块。另外，为了完成环路的完整性，判决捕获电平信号D1如果在80ms内没有捕获上，则产生一个全局复位reset_all分别送给捕获、跟踪和锁定判别模块，用以保障系统能恢复。S44、恢复模块根据锁定后的同步相位D2和恢复出来的扩频码时钟Clk_code，对输入Idata和Qdata两路相位信号的12位相位有效信息进行同步相关求和运算，比较获得相关结果，根据相关峰值最大者确定该数值就是发送端发送的数据值，恢复出数据信息。

S5、单脉冲跟踪模块实现单脉冲跟踪。基带和路相位信号的两路相位信号Idata、Qdata在解扩后得到相位信息分别为第一和相位信息I_he、第二和相位信息Q_he；同样的，基带差路相位信号的两路相位信号在解扩后得到分别得到为第一差相位信息I_cha、第二差相位信息Q_cha。

单脉冲跟踪模块根据第一和相位信息I_he、第二和相位信息Q_he、第一差相位信息I_cha、第二差相位信息Q_cha分别计算出和路幅度F1和差路幅度F2、和路相位Φ1和差路相位Φ2。

根据公式（1），经滤波处理后，得到方位（左右方向）上的方位上的控制指令Δ方。

Δ方=F2*cos(Φ1-Φ2)/F1…………………………………………式（1）

同样道理，对俯仰和路信号、俯仰差路信号进行分析，得到的俯仰（上下方向）上的控制指令Δ俯。方位的控制指令和俯仰上的控制指令都是给第二伺服系统的。

S6、第三数模转换模块将方位上的控制指令和俯仰上的控制指令转换成误差控制电压并发送给第二伺服系统，控制接收天线的方位和俯仰的转动方向，方位上的控制指令转换成的误差控制电压为方位误差控制电压，方位误差控制电压送给第二伺服系统的方位电机，控制接收天线的方位的转动方向。方位误差控制电压为正值，则沿方位顺时针转动，方位误差控制电压为负值，则沿着逆时针转动；数值越大，转动的越剧烈。同理，对于俯仰误差控制电压做同样的处理，即控制接收天线的俯仰的转动方向。方位与俯仰通过分时来完成对接收天线的控制，从而达到跟踪目标的目的。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种改型和改变。因此，本发明覆盖了落入所附的权利要求书及其等同物的范围内的各种改型和改变。

Claims (4)

1.一种基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统，其特征在于，其包括发射端和接收端，发射端与接收端连接，接收端包括接收天线、第一伺服系统、第二伺服系统、第一数模转换模块、第二数模转换模块、第三数模转换模块、第一解调模块、第一解扩模块、第二解调模块、第二解扩模块、单脉冲跟踪模块，接收天线与第一伺服系统、第二伺服系统连接，第一伺服系统与第一数模转换模块、第二数模转换模块连接，第一数模转换模块与第一解调模块连接，第一解调模块与第一解扩模块连接，第二数模转换模块与第二解调模块连接，第一解扩模块、第二解扩模块、第三数模转换模块都与单脉冲跟踪模块连接，第三数模转换模块还与第二伺服系统连接，发射端包括直接序列扩频模块、BPSK调制模块和发射天线，直接序列扩频模块与BPSK调制模块连接，BPSK调制模块还与发射天线连接。

2.如权利要求1所述的基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统，其特征在于，所述第一解调模块、第一解扩模块、第二解调模块、第二解扩模块、单脉冲跟踪模块都位于一个FPGA芯片内。

3.如权利要求2所述的基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统，其特征在于，所述第一解扩模块、第二解扩模块都包括依次顺序连接的捕获模块、跟踪模块、锁定判决模块和恢复模块。

4.一种基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统的跟踪方法，其特征在于，该方法采用如权利要求3所述的基于直接序列扩频的单脉冲跟踪系统，该方法包括以下步骤：

S1、数据链路中经过编码组帧后的输入数据信息通过直接序列扩频模块产生IQ两路扩频同步信号，经过BPSK调制模块的内插、滤波、混频将IQ两路扩频信号混成一路信号，最终由上变频后的发射天线发送到空间无线链路；

S2、接收天线在一个角平面内有两个极子并接收发射天线发出的一路信号产生两个部分重叠的波束，第一伺服系统将这两个波束同时接收到的信号进行和、差处理得到和路信号及差路信号；

S3、和路信号及差路信号经第一解调模块和第二解调模块解调后得到基带和路相位信号及基带差路相位信号；

S4、基带和路相位信号、基带差路相位信号经第一解扩模块、第二解扩模块的解扩后，完成扩频同步码的解扩；

S5、基带和路相位信号的两路相位信号在解扩后得到相位信息分别为第一和相位信息、第二和相位信息；同样的，基带差路相位信号的两路相位信号在解扩后得到分别得到为第一差相位信息、第二差相位信息，单脉冲跟踪模块根据第一和相位信息、第二和相位信息、第一差相位信息、第二差相位信息分别计算出和路幅度和差路幅度、和路相位和差路相位，再根据和路幅度和差路幅度、和路相位和差路相位计算出方位上的控制指令和俯仰上的控制指令；

S6、第三数模转换模块将方位上的控制指令和俯仰上的控制指令转换成误差控制电压并发送给第二伺服系统，控制接收天线的方位和俯仰的转动方向。

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