CN103792532A - 一种单脉冲高精度测角系统及其测角方法 - Google Patents

一种单脉冲高精度测角系统及其测角方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单脉冲高精度测角系统及其测角方法，属于航管二次雷达领域。本发明方案利用同步PN码对基带数字信号进行解调，恢复出原始的有用信号，使噪声、干扰信号被抑制；对恢复出的原始的有用信号进行幅度检测；利用和、差通道的幅度进行相位判断，解算出和、差幅度信息和相位判断结果；根据解算出的和、差幅度信息和相位判断结果获取OBA值函数并进行目标方位计算。该发明能够提高新型二次雷达系统的抗干扰能力，降低多径效应产生的影响，再通过应用了OBA曲面函数方法、累加权重处理方法的改进型幅度单脉冲测角技术，进一步提高新型二次雷达系统的测角精度。

Description

一种单脉冲高精度测角系统及其测角方法
技术领域
本发明涉及一种单脉冲高精度测角系统及其测角方法，特别是涉及一种适用于现代航空管制二次雷达领域的单脉冲高精度测角系统及其测角方法。
背景技术
二次雷达系统是现代航空管制领域的重要手段之一，它极大增强航空指挥与控制的准确性和被控目标的协调性，提高了场面感知能力。随着二次雷达系统应用的不断深入，实际监视需求对目标的探测能力要求也越来越高，其中就高精度的侧向性能提出更高的要求。从常规的滑窗测角技术到幅度单脉冲测角技术，甚至相位单脉冲技术，虽然能够达到较精确的测向水平，但是在恶劣的电磁环境下，尤其是在目标应答信号较弱或受到强烈干扰影响后，测向精度就会明显降低甚至无法识别目标。
例如：如图1所示的脉冲信号，常规的处理方法是可以相对准确的提取出脉冲所携带的代码信息以及脉冲的幅度数据，从而使用常规单脉冲处理方法测量出目标具体方位。然而如图2所示脉冲信号，已经淹没于噪声或者干扰信号之中，常规处理方法无法将脉冲正确的处理出来，从而无法测量目标的角度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够在低信噪比的情况下，把淹没在噪声或者干扰信号中的目标数据提取出来的，单脉冲高精度测角系统及其测角方法。
本发明采用的技术方案如下：一种单脉冲高精度测角系统，其特征在于：包括分别与天线1相连的发射机2和接收机3，以及分别与发射机2和接收机3相连的信号处理器4，接收机3接收的应答信号被天线1转换成和通道和差通道两路，分别通过模拟下变频转换为中频模拟信号，又分别通过A/D转换为中频数字信号，两路中频数字信号又分别通过和通道DDC模块51和差通道DDC模块61，转换为和通道基带数字信号和差通道基带数字信号；和通道DDC模块51又通过和通道信号幅度检测模块52与和通道目标幅度提取模块53相连；差通道DDC模块61又通过差通道信号幅度检测模块62与差通道目标幅度提取模块63相连；所述和通道信号幅度检测模块52和差通道信号幅度检测模块62均与相位判定模块7相连。
作为优选，还包括连接于和通道DDC模块51和和通道信号幅度检测模块52之间的和通道调制解调器54，以及与其相连的本地PN码产生器8。
作为优选，还包括连接于差通道DDC模块61和差通道信号幅度检测模块62之间的差通道调制解调器64；所述差通道调制解调器64与本地PN码产生器8相连。
作为优选，还包括与和通道DDC模块51相连的同步头检测模块9，以及与其相连的同步头判决模块10；所述同步头判决模块10又与和通道目标幅度提取模块53相连。
基于上述测角系统的单脉冲高精度测角方法，其方法步骤为：步骤一，利用同步PN码对基带数字信号进行解调，恢复出原始的有用信号，使噪声、干扰信号被抑制；步骤二、对恢复出的原始的有用信号进行幅度检测；步骤三、利用和、差通道的幅度进行相位判断，解算出和、差幅度信息和相位判断结果；步骤四、根据解算出的和、差幅度信息和相位判断结果获取OBA值函数并进行目标方位计算。
作为优选，所述方法步骤还包括在步骤二中对幅度进行累加求平均。
作为优选，在步骤二中对幅度进行累加求平均运算时，使用数据同步标志。
作为优选，所述步骤四中，采用曲面函数作为OBA值获取的函数，具体方法为：在目标方位计算中引入距离因素，根据目标幅度与距离的关系图，使用高斯拟合，从而获取OBA值与目标距离、和幅度、差幅度的关系曲面，从而获取单次信号在自由空间中的准确OBA值。
作为优选，所述步骤四中，采用多次应答累加并且取权重的方法对目标的相对参考方向的角度进行测量，具体方法为：连续采集多个入射角度的脉冲数据，形成一组脉冲数据，对一组脉冲测量的角度取均值，计算出准确的方位，取均值处理时需要进行的处理包括：增加和、差幅度比值最大时的方位的权重。
作为优选，所述步骤四中，取均值处理时需要进行的处理还包括：使用幅度门限曲面滤除异常幅度采样，限制异常幅度数据。
一种单脉冲高精度测角方法，根据解算出的和、差幅度信息和相位判断结果获取OBA值函数并进行目标方位计算，其特征在于：采用曲面函数作为OBA值获取的函数，具体方法为：在目标方位计算中引入距离因素，根据目标幅度与距离的关系图，使用高斯拟合，从而获取OBA值与目标距离、和幅度、差幅度的关系曲面，从而获取单次信号在自由空间中的准确OBA值。
作为优选，采用多次应答累加并且取权重的方法对目标的相对参考方向的角度进行测量，具体方法为：连续采集多个入射角度的脉冲数据，形成一组脉冲数据，对一组脉冲测量的角度取均值，计算出准确的方位，取均值处理时需要进行的处理包括：增加和、差幅度比值最大时的方位的权重。
作为优选，所述方法还包括：进行目标幅度采样时，使用幅度门限曲面滤除异常幅度采样，限制异常幅度数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在恶劣电磁环境下，该发明可以有效的将有用信号从噪声中提取出来，并且判断出信号的幅度信息，为后续的测角提供极为有利的帮助。再通过应用了OBA曲面函数方法、累加权重处理方法的改进型幅度单脉冲测角技术，进一步提高新型二次雷达系统的测角精度。
附图说明
图1为常规状态下的正常信号示意图。
图2为常规状态下的被噪声淹没的信号示意图。
图3为二次雷达系统结构原理图。
图4为本发明其中一实施例的单脉冲高精度测角系统结构原理图。
图5为图4所述实施例的噪声信号抑制效果图。
图6为本发明其中一实施例的单脉冲高精度测角方法的原理图。
图7为天线轴向的入射角度和天线方向特性关系图。
图8为偏移方位与幅度比值关系图。
图9为现有技术实际数据经过高斯拟合函数关系的OBA曲线图。
图10为一组实际的目标幅度与距离的关系图。
图11为本发明其中一实施例根据图10高斯拟合获取的距离函数关系的曲线图。
图12为本发明其中一实施例引进距离因素后的OBA函数曲面图。
图13为本发明其中一实施例采集多个入射角形成的一组脉冲数据图。
图14为中心位置权重取值为1时的目标测角效果图。
图15为本发明其中一实施例中心位置权重取值为5时的目标测角效果图。
图16为幅度采样异常数据示意图。
图17为幅度门限滤除异常数据示意图。
图18为本发明其中一实施例幅度门限曲面示意图。
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（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3和图4所示，一种单脉冲高精度测角系统，包括分别与天线1相连的发射机2和接收机3，以及分别与发射机2和接收机3相连的信号处理器4，接收机3接收的应答信号被天线1转换成和通道和差通道两路，分别通过模拟下变频转换为中频模拟信号，又分别通过A/D转换为中频数字信号，两路中频数字信号又分别通过和通道DDC模块51和差通道DDC模块61，转换为和通道基带数字信号和差通道基带数字信号；和通道DDC模块51又通过和通道信号幅度检测模块52与和通道目标幅度提取模块53相连；差通道DDC模块61又通过差通道信号幅度检测模块62与差通道目标幅度提取模块63相连；所述和通道信号幅度检测模块52和差通道信号幅度检测模块62均与相位判定模块7相连。
接收的应答信号被天线转换成和通道和差通道两路，分别通过模拟下变频方式转换为中频模拟信号。中频模拟信号的频率较低，可以通过A/D转换为数字信号。中频数字信号然后通过DDC（数字下变频）转换为基带数字信号。
还包括连接于和通道DDC模块51和和通道信号幅度检测模块52之间的和通道调制解调器54，以及与其相连的本地PN码产生器8。
还包括连接于差通道DDC模块61和差通道信号幅度检测模块62之间的差通道调制解调器64；所述差通道调制解调器64与本地PN码产生器8相连。
电磁波在空间传输过程中，会受到多径衰落、噪声干扰等，使接收到得信号变差；远端应答设备采用随机序列（PN码）对信号进行再调制，接收机利用相同的随机序列（PN码）对信号进行解调，恢复出原始的信号。由于干扰信号与随机序列不相关而被抑制，其原理如图5所示。
还包括与和通道DDC模块51相连的同步头检测模块9，以及与其相连的同步头判决模块10；所述同步头判决模块10又与和通道目标幅度提取模块53相连。
和通道的基带数字信号又被分成两路，一路利用时域波形相似关系搜索同步头（即时域相关），通过判断同步头的时间关系对有效信号进行识别并得到数据同步标志。该标志将用于确定最佳幅度提取时刻和同步PN码产生器以进一步保证正确的恢复原始信号。
基于上述测角系统的单脉冲高精度测角方法，其方法步骤为：步骤一，利用同步PN码对基带数字信号进行解调，恢复出原始的有用信号，使噪声、干扰信号被抑制；步骤二、对恢复出的原始的有用信号进行幅度检测；步骤三、利用和、差通道的幅度进行相位判断，解算出和、差幅度信息和相位判断结果，以确定目标在天线法线方向上的空间位置；步骤四、根据解算出的和、差幅度信息和相位判断结果获取OBA值函数并进行目标方位计算。
所述方法步骤还包括在步骤二中对幅度进行累加求平均，进一步提高幅度的精度和降低样本速率。
在步骤二中对幅度进行累加求平均运算时，使用数据同步标志，以保证累加过程在可信度较高的时间区间内进行。
所述步骤四中，采用曲面函数作为OBA值获取的函数，区别于传统的平面式OBA取值方法，具体方法为：在目标方位计算中引入距离因素，根据目标幅度与距离的关系图，使用高斯拟合，从而获取OBA值与目标距离、和幅度、差幅度的关系曲面，从而获取单次信号在自由空间中的准确OBA值。
目标方位的计算公式如下：
目标方位（TA）=天线轴向方位（BA）+目标相对于天线法相的偏移方位（OBA）
天线法向方位（BA）可以根据天线的转台的方位码盘获取，码盘最小分辨力可以达到360/214度，甚至更高。因此目标方位（TA）的准确性主要是取决于目标相对天线轴向的偏移方位（OBA）。
如图7和图8所示，目标应答信号相对天线轴向的入射角度不同，根据天线方向特性，能够获取和幅度（Σ）、差幅度（Δ）比值与偏移方位（OBA）的关系曲线，即曲线OBA=f（Σ，Δ）。因为天线的方向特性与接收机的线性量度的固定的，所以曲线OBA=f（Σ，Δ）是可以预先得到的。这里根据实际数据，经过高斯拟合，获取函数关系式，函数关系式如下：
f(Σ，Δ) =  a1×exp(-((（Σ-Δ）-b1)/c1) 2) + a2×exp(-((（Σ-Δ）-b2)/c2)2)
其中：
exp（x） = ex 
a1 =0
b1 = ??61.19
c1 = 5.169
a2 = 316.6
b2 = ??45.15
c2 = 54.15
该模型形成的曲线如图9所示。
所述步骤四中，采用多次应答累加并且取权重的方法对目标的相对参考方向的角度进行测量，具体方法为：连续采集多个入射角度的脉冲数据，形成一组脉冲数据，对一组脉冲测量的角度取均值，计算出准确的方位，取均值处理时需要进行的处理包括：增加和、差幅度比值最大时的方位的权重。
在信号源与天线之间的距离固定，并且信号的强度一定的情况下，和、差的比值是固定的，但是实际情况中，飞行目标的距离是在不断变化的，从天线、接收机获取到的目标幅度比值（Δ/Σ）是随着目标的距离（R）的增大是递减的，并且不是线性关系，如图10所示，表示一组实际的目标幅度与距离的关系图。
根据关系图，使用高斯拟合，获取f（R）关系式：                                                
Figure 51937DEST_PATH_IMAGE001
f(R)  =  aa1×exp(-((R-bb1)/cc1)2) + aa2×exp(-((R-bb2)/cc2)2)
其中：
exp（x） = ex
aa1 = 216.9
bb1 = ??0.659
cc1 = 3.322
aa2 = 90.55
bb2 = 3.49
cc2 = 1.565
f(R)关系式形成的图形如图11所示。
因此引入距离（R）因素，获取OBA值与目标距离、和幅度、差幅度的关系曲面，即曲面函数OBA = f(Δ,Σ,R)，从而获取单次信号在自由空间中的准确OBA值。如图12所示OBA曲面。
其中考虑距离R后的公式为：
f(Δ,Σ,R)  =  f(Σ，Δ) +  f(R)
理论上单脉冲测角方法可以根据一次脉冲信号就可以测量出目标的角度，但是单次信号极易收到干扰，造成测量结果不理想，在本发明中采用多次应答累加并且取权重的方法来对目标的相对参考方向的角度进行测量，提高目标测角精度。如图13所示，连续采集多个入射角度的脉冲数据，形成一组脉冲数据，对一组脉冲测量的角度取均值，计算出准确的方位。
通常情况下，在同一组脉冲数据中，和、差幅度比值最大的数据，在方位上最靠近二次雷达询问天线的法向，也最接近目标的真实方位，因此在处理每一组有效数据时候，增加和、差幅度比值最大时的方位的权重，使最终计算的数据更接近于目标真是方位。
Figure 2014100533398100002DEST_PATH_IMAGE002
其中：
TA：目标方位；
    Ai：单次方位采样值；
n ：全部有效采样次数；
m ：增加的中心位置采样权重数；
Ac：中心位置方位。
在不使用中心权重方法时，m值取1，表示中心位置方位只参与一次计算。使用中心权重方法时，m的取值大于1。图14是m值取1时的实际目标测角效果，图15是m值取5是的实际目标测角效果。
所述步骤四中，取均值处理时需要进行的处理还包括：使用幅度门限曲面滤除异常幅度采样，限制异常幅度数据。
由于在实际的幅度采样过程中，会出现幅度采样不准确的情况如图16所示，如果异常的幅度采样值被用作OBA值的获取，则会造成角度偏差，尤其是超过正常最大幅度的时候，更容易造成最终的测量角度偏差。因此使用幅度门限曲面，如图17、18所示，用于限制异常数据，即上限曲面AMP_up=f1（OBA，Δ，Σ,R）,和下限曲面AMP_down=f2（OBA，Δ，Σ,R），如果采样的和、差幅度比值超出的门限，则视为异常数据剔除，减少异常值得干扰。 

Claims (13)

1.一种单脉冲高精度测角系统，其特征在于：包括分别与天线相连的发射机和接收机，以及分别与发射机和接收机相连的信号处理器，接收机接收的应答信号被天线转换成和通道和差通道两路，分别通过模拟下变频转换为中频模拟信号，又分别通过A/D转换为中频数字信号，两路中频数字信号又分别通过和通道DDC模块和差通道DDC模块，转换为和通道基带数字信号和差通道基带数字信号；和通道DDC模块又通过和通道信号幅度检测模块与和通道目标幅度提取模块相连；差通道DDC模块又通过差通道信号幅度检测模块与差通道目标幅度提取模块相连；所述和通道信号幅度检测模块和差通道信号幅度检测模块均与相位判定模块相连。
2.根据权利要求1所述的测角系统，其特征在于：还包括连接于和通道DDC模块和和通道信号幅度检测模块之间的和通道调制解调器，以及与其相连的本地PN码产生器。
3.根据权利要求1所述的测角系统，其特征在于：还包括连接于差通道DDC模块和差通道信号幅度检测模块之间的差通道调制解调器；所述差通道调制解调器与本地PN码产生器相连。
4.根据权利要求2所述的测角系统，其特征在于：还包括与和通道DDC模块相连的同步头检测模块，以及与其相连的同步头判决模块；所述同步头判决模块又与和通道目标幅度提取模块相连。
5.根据权利要求1所述的测角系统的单脉冲高精度测角方法，其方法步骤为：步骤一，利用同步PN码对基带数字信号进行解调，恢复出原始的有用信号，使噪声、干扰信号被抑制；步骤二、对恢复出的原始的有用信号进行幅度检测；步骤三、利用和、差通道的幅度进行相位判断，解算出和、差幅度信息和相位判断结果；步骤四、根据解算出的和、差幅度信息和相位判断结果获取OBA值函数并进行目标方位计算。
6.根据权利要求5所述的测角方法，所述方法步骤还包括在步骤二中对幅度进行累加求平均。
7.根据权利要求6所述的测角方法，在步骤二中对幅度进行累加求平均运算时，使用数据同步标志。
8.根据权利要求5所述的测角方法，所述步骤四中，采用曲面函数作为OBA值获取的函数，具体方法为：在目标方位计算中引入距离因素，根据目标幅度与距离的关系图，使用高斯拟合，从而获取OBA值与目标距离、和幅度、差幅度的关系曲面，从而获取单次信号在自由空间中的准确OBA值。
9.根据权利要求8所述的测角方法，所述步骤四中，采用多次应答累加并且取权重的方法对目标的相对参考方向的角度进行测量，具体方法为：连续采集多个入射角度的脉冲数据，形成一组脉冲数据，对一组脉冲测量的角度取均值，计算出准确的方位，取均值处理时需要进行的处理包括：增加和、差幅度比值最大时的方位的权重。
10.根据权利要求9所述的测角方法，所述步骤四中，取均值处理时需要进行的处理还包括：使用幅度门限曲面滤除异常幅度采样，限制异常幅度数据。
11.一种单脉冲高精度测角方法，根据解算出的和、差幅度信息和相位判断结果获取OBA值函数并进行目标方位计算，其特征在于：采用曲面函数作为OBA值获取的函数，具体方法为：在目标方位计算中引入距离因素，根据目标幅度与距离的关系图，使用高斯拟合，从而获取OBA值与目标距离、和幅度、差幅度的关系曲面，从而获取单次信号在自由空间中的准确OBA值。
12.根据权利要求11所述的测角方法，采用多次应答累加并且取权重的方法对目标的相对参考方向的角度进行测量，具体方法为：连续采集多个入射角度的脉冲数据，形成一组脉冲数据，对一组脉冲测量的角度取均值，计算出准确的方位，取均值处理时需要进行的处理包括：增加和、差幅度比值最大时的方位的权重。
13.根据权利要求11或12所述的测角方法，所述方法还包括：进行目标幅度采样时，使用幅度门限曲面滤除异常幅度采样，限制异常幅度数据。
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