CN103399030B - 一种实现空管3/a模式下应答信号相位差检测的系统和方法 - Google Patents

一种实现空管3/a模式下应答信号相位差检测的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种实现空管3/A模式下应答信号相位差检测的系统和方法，该系统和方法基于相位相干原理，多通道射频接收机将不同天线接收的，飞行目标发出的1090MHz的应答信号，通过一次下变频到中频信号，通过A/D以时钟频率fs对中频信号sA(t)和sB(t)进行数字化采样，样本数据被送入FPGA进行鉴相处理，实现不同天线接收的应答信号的相位差检测。本发明在空管3/A模式下，采用相位相干原理进行飞行目标定位、测向的问题，提出了一种新型的突发脉冲信号相位差检测的实现方法。

Description

一种实现空管3/A模式下应答信号相位差检测的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种实现空管3/A模式下应答信号相位差检测的系统和方法，特别是涉及一种适用于空管领域中，基于相位相干原理，进行飞行目标定位、侧向时，实现空管3/A模式下应答信号相位差检测的系统和方法。
背景技术
在空管雷达系统中，二次雷达利用机载应答机应答地面询问机发射的电磁波对飞行目标进行探测定位。本发明主要解决空管3/A模式下，采用相位相干原理进行飞行目标定位、测向的问题，提出一种新型的突发脉冲信号相位差检测的实现方法。
1、相位相干法基本原理
相位相干法的基本原理如图1所示，其中、ΔR分别表示两路天线接收信号的相位差和波程差，λ表示信号的波长，θ表示信号的入射方向，那么：
因此，通过测量天线A、B接收到信号的相位差，就能够获得发射信号的入射方向，即：
2、定位原理
采用方位角、仰角对飞行目标进行定位的原理如图2所示。假设飞行目标位于三维空间中的A点，仰角传感器、方位角传感器分别位于B和C点，θe表示直线AB在YOZ平面上的投影AyzB与Y轴的夹角，即仰角，θa表示直线AC在XOY平面上的投影AxyC与Y轴的夹角，即方位角。在AB与AO的距离相差很大时，可以认为θe′=θe。再通过测量应答信号到达O点波达时间（TDOA）而估计出飞行目标距离坐标原点的距离AO，则可以确定飞行目标的空间位置。
3、空管3/A模式信号格式
该系统利用空管3/A模式下，飞行目标发射的应答信号进行相位差检测。飞行目标的应答信号为一串载波频率为1090MHz、宽度固定为0.45μs的脉冲信号，其格式如图3所示。图3中，F1、F2为框架脉冲，恒为状态“1”，X为备用位，恒为状态“0”，其余脉冲状态可变。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种实现空管3/A模式下应答信号相位差检测的系统和方法，该系统和方法基于相位相干原理，多通道射频接收机将不同天线接收的，飞行目标发出的1090MHz的应答信号，通过一次下变频到中频信号，通过A/D以时钟频率fs对中频信号sA(t)和sB(t)进行数字化采样，样本数据被送入FPGA进行鉴相处理，实现不同天线接收的应答信号的相位差检测。本发明在空管3/A模式下，采用相位相干原理进行飞行目标定位、测向的问题，提出了一种新型的突发脉冲信号相位差检测的实现方法。
本发明采用的技术方案如下：一种实现空管3/A模式下应答信号相位差检测的系统，其特征在于：包括依次相连的多通道射频接收机模块、模数转换模块和中频数字鉴相器模块；还包括分别与模数转换模块和中频数字鉴相器模块相连的系统时钟模块；多通道射频接收机模块接收天线阵列的射频信号。
作为优选，所述天线阵列包括水平天线阵列A和垂直天线阵列B。
作为优选，所述多通道射频接收机模块包括与水平天线阵列A相连的第一多通道射频接收机和与垂直天线阵列B相连的第二多通道射频接收机。
作为优选，所述模数转换模块包括分别与第一多通道射频接收机和第二多通道射频接收机相连的第一模数转换器模块和第二模数转换器模块。
作为优选，所述中频数字鉴相器模块为FPGA，包括分别与第一模数转换器模块和第二模数转换器模块相连的第一中频数字鉴相器模块和第二中频数字鉴相器模块。
基于所述系统的一种实现空管3/A模式下应答信号相位差检测的方法，其特征在于：多通道射频接收机将不同天线接收的，飞行目标发出的1090MHz的应答信号，通过一次下变频到中频信号，通过A/D以时钟频率fs对中频信号sA(t)和sB(t)进行数字化采样，样本数据被送入FPGA进行鉴相处理，实现不同天线接收的应答信号的相位差检测，其具体方法步骤为：
步骤一、中频信号sA(t)和sB(t)通过模数转换器转换为数字形式sA(n)和sB(n)发送到中频数字鉴相器中，将实数形式转换为复数形式SA(n)和SB(n)；
步骤二、SA(n)和SB(n)的共轭复数相乘，得到携带了sA(n)和sB(n)信号的相位差信息的r(n)信号；
步骤三、对r(n)进行平滑处理为R(n)；
步骤四、提取R(n)信号中的相位差信息，即进行反正切运算得到
作为优选，所述步骤一还包括采用带通滤波器进行滤波处理。
作为优选，所述步骤还包括对进行平滑处理，得到
作为优选，所述步骤一中，实数形式转换为复数形式SA(n)和SB(n)过程中，实现信号相位延时的方法为：采用一个偶数阶的希尔伯特变换器方法。
作为优选，所述步骤三中，对r(n)进行平滑处理为R(n)的方法中，将累加求平均改为用系数为全1的FIR进行滤波处理的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在空管3/A模式下，采用相位相干原理进行飞行目标定位、测向的问题，提出了一种新型的突发脉冲信号相位差检测的实现方法。
其进一步的有益效果为：1、采用带通滤波器进行滤波处理，可以抑制带外噪声和干扰信号；2、对进行平滑处理，得到使相位差精度更高；3、对r(n)进行平滑处理为R(n)的方法中，将累加求平均改为用系数为全1的FIR进行滤波处理的方法，能够抑制r(n)信号中的高频干扰成分；4、与采用正交下变频方式相比，采用希尔伯特变换器实现实数到复数形式的转换，可以省去数字频率源（NCO）和一个FIR所占用的FPGA资源。
附图说明
图1为相位相干法的基本原理图。
图2为采用方位角、仰角对飞行目标进行定位的原理示意图。
图3为空管3/A模式应答信号格式。
图4为本发明系统其中一实施例的原理框图。
图5为本发明方案其中一实施例中频数字鉴相模块的实现原理图。
图6为希尔伯特变换器的频率特性图(NH=18，归一化ωp=[0.3,0.7])。
图7为FIR滤波器的幅度频率特性曲线。
图8为信号处理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书中公开的所有特征，除了互相排除的特征以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图4所示，一种实现空管3/A模式下应答信号相位差检测的系统，包括依次相连的多通道射频接收机模块、模数转换模块和中频数字鉴相器模块；还包括分别与模数转换模块和中频数字鉴相器模块相连的系统时钟模块；多通道射频接收机模块接收天线阵列的射频信号。
天线（线型）阵列是多个呈水平直线排布的（用于方向角测量）和垂直直线排布的（用于仰角侧量），相距为D的天线阵列，用于接收飞行目标发射的频率为1090MHz的应答信号。多通道射频接收机模块用于将每个天线接收的射频信号通过一次下变频为频率较低的中频信号。系统时钟模块为模数转换器模块和数字鉴相模块提供高精度的同步时钟。模数转换器模块用于将中频模拟信号进行模数转换。中频数字鉴相模块用于检测各天线所接收的飞行目标应答信号的相位差。
所述天线阵列包括水平天线阵列A和垂直天线阵列B。
所述多通道射频接收机模块包括与水平天线阵列A相连的第一多通道射频接收机和与垂直天线阵列B相连的第二多通道射频接收机。
所述模数转换模块包括分别与第一多通道射频接收机和第二多通道射频接收机相连的第一模数转换器模块和第二模数转换器模块。
所述天线阵列中，每个天线阵列至少需包含2根天线，每根天线对应多通道射频接收机的一个通道，每个通道过来的中频信号对应一个模数转换器。
所述中频数字鉴相器模块为FPGA，包括分别与第一模数转换器模块和第二模数转换器模块相连的第一中频数字鉴相器模块和第二中频数字鉴相器模块。
基于所述系统的一种实现空管3/A模式下应答信号相位差检测的方法，多通道射频接收机将不同天线接收的，飞行目标发出的1090MHz的应答信号，通过一次下变频到中频信号，通过A/D以时钟频率fs对中频信号sA(t)和sB(t)进行数字化采样，样本数据被送入FPGA进行鉴相处理，实现不同天线接收的应答信号的相位差检测，其具体方法步骤为：
步骤一、中频信号sA(t)和sB(t)通过模数转换器转换为数字形式sA(n)和sB(n)发送到中频数字鉴相器中将实数形式转换为复数形式SA(n)和SB(n)；
步骤二、SA(n)和SB(n)的共轭复数相乘，得到携带了sA(n)和sB(n)信号的相位差信息的r(n)信号；
步骤三、对r(n)进行平滑处理为R(n)；
步骤四、提取R(n)信号中的相位差信息，即进行反正切运算得到
飞行目标的应答信号分别被A、B天线接收后，经过一次模拟下变频得到中频信号sA(t)和sB(t)：
如图5所示，中频信号sA(t)和sB(t)分别通过模数转换器（A/D）转换为其对应的数字形式sA(n)和sB(n)：
所述步骤一还包括采用带通滤波器进行滤波处理。
接着分别将sA(n)和sB(n)通过一个数字带通滤波器（BPF）抑制带外的噪声和干扰信号，并将sA(n)分成两路，一路保持不变作为复信号SA(n)的实部，另一路相位延时作为复信号SA(n)的虚部；sB(n)也作相同处理得到SB(n)，即：
然后将SA(n)和SB(n)进行共轭复数相乘，得到r(n)：
可见，r(n)中携带了sA(t)和sB(t)信号的相位差信息。但是，由于噪声的影响，直接从r(n)中提取出的相位差的精度较差，需要对r(n)进行平滑处理，如累加求平均，得到R(n)：
R ( n ) = Σr ( n )
一般，累加的次数取2的幂次方，如2、4、8、16等，便于进行数字处理。然后利用R(n)进行反正切运算，可得到精度较高的相位差：
在FPGA中，采用一种较简单的方法CORDIC算法实现反正切运算。所述步骤还包括对进行平滑处理，得到如果还需提高相位差的精度，可以再对进行平滑处理后作为sA(t)和sB(t)信号最终的相位差输出，即所述步骤一中，实数形式转换为复数形式SA(n)和SB(n)过程中，实现信号相位延时的方法为：采用一个偶数阶的希尔伯特变换器方法（HilbertTransformer）。
希尔伯特变换器实际上是一个FIR滤波器，其处理过程存在(NH为希尔伯特变换器的阶数)个样本的延迟，采用偶数阶数时，延时也是整数，便于数字处理中进行延时处理。与采用正交下变频方式相比，采用希尔伯特变换器实现实数到复数形式的转换，可以省去数字频率源（NCO）和一个FIR所占用的FPGA资源。图6显示了一个阶数NH为18的希尔伯特变换器的频率特性。由于FIR滤波器具有个样本周期的延迟，所以，SA(n)和SB(n)信号的实部也必须相应延时个样本周期。
所述步骤三中，对r(n)进行平滑处理为R(n)的方法中，将累加求平均改为用系数为全1的FIR进行滤波处理的方法。
由于r(n)中脉冲信号的持续时间较短（对于采样率80MSPS而言，脉冲信号对应的样本点数为0.45*80，即36），如果采用累加求平均的方式后，有效样本点数将显著变少，因此，将累加求平均改为用系数为全1的FIR进行滤波处理的方法，以阶数N1=16的FIR为例。
R ( n ) = Σ i = 0 15 c i r ( n - i ) = Σ i = 0 15 r ( n - i )
其幅度频率特性如图7所示，这种FIR具有低通的特性，所以能够抑制r(n)信号中的高频干扰成分。由于R（n）需要利用相邻N1个样本进行计算才能输出有一个有效结果，所以有效脉冲信号对应的R（n）信号中前N1个样本数据利用信号sA(t)和sB(t)中脉冲信号从无到有这段时间内的样本，所以这些数据对应的相位差不够准确，在计算时需要预先排除，如图8所示。

Claims (9)

1.一种实现空管3/A模式下应答信号相位差检测的系统，其特征在于：包括依次相连的多通道射频接收机模块、模数转换模块和中频数字鉴相器模块；还包括分别与模数转换模块和中频数字鉴相器模块相连的系统时钟模块；多通道射频接收机模块接收天线阵列的射频信号；所述多通道射频接收机模块用于将每个天线接收的射频信号通过一次下变频为频率较低的中频信号；中频数字鉴相模块用于检测各天线所接收的飞行目标应答信号的相位差；所述天线阵列包括水平天线阵列(A)和垂直天线阵列(B)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述多通道射频接收机模块包括与水平天线阵列(A)相连的第一多通道射频接收机和与垂直天线阵列(B)相连的第二多通道射频接收机。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述模数转换模块包括分别与第一多通道射频接收机和第二多通道射频接收机相连的第一模数转换器模块和第二模数转换器模块。
4.根据权利要求1到3之一所述的系统，其特征在于：所述中频数字鉴相器模块为FPGA，包括分别与第一模数转换器模块和第二模数转换器模块相连的第一中频数字鉴相器模块和第二中频数字鉴相器模块。
5.基于权利要求4所述的系统的一种实现空管3/A模式下应答信号相位差检测的方法，其特征在于：多通道射频接收机将不同天线接收的，飞行目标发出的1090MHz的应答信号，通过一次下变频到中频信号，通过A/D以时钟频率fs对中频信号sA(t)和sB(t)进行数字化采样，样本数据被送入FPGA进行鉴相处理，实现不同天线接收的应答信号的相位差检测，其具体方法步骤为：
步骤一、中频信号sA(t)和sB(t)通过模数转换器转换为数字形式sA(n)和sB(n)发送到中频数字鉴相器中将实数形式转换为复数形式SA(n)和SB(n)；
步骤二、SA(n)和SB(n)的共轭复数相乘，得到携带了sA(n)和sB(n)信号的相位差信息的r(n)信号；
步骤三、对r(n)进行平滑处理为R(n)；
步骤四、提取R(n)信号中的相位差信息，即进行反正切运算得到
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤一还包括采用带通滤波器进行滤波处理。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤还包括对进行平滑处理，得到
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤一中，实数形式转换为复数形式SA(n)和SB(n)过程中，实现信号相位延时的方法为：采用一个偶数阶的希尔伯特变换器方法。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤三中，对r(n)进行平滑处理为R(n)的方法中，将累加求平均改为用系数为全1的FIR进行滤波处理的方法。
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