CN106771666A - 一种抗干扰高精度天馈系统多驻波点定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗干扰高精度天馈系统多驻波点定位系统，根据驻波比点最小间隔及定位精度要求，设计三角线性调频连续波信号带宽及调频周期，通过耦合器耦合接收回波信号，结合时频二项伪随机控制电调滤波器进行抗干扰滤波，最后对发射信号和回波信号混频，输出差频信号；对差频信号进行滤波、放大及A/D采样，对采样结构进行滤波降速及FFT运算，获取差频频率；经过10次扫频处理获取驻波比及驻波点位置稳定数据。本发明提高抗干扰性，确保外场复杂电磁环境下应用，实现了天馈系统故障断点定位及驻波比测试。

Description

一种抗干扰高精度天馈系统多驻波点定位系统

技术领域

本发明涉及无线电通信、导航、电台及雷达等领域，主要用于其地面天馈系统故障断点定位及驻波比测试。

背景技术

无线电通信、导航、电台及雷达地面天馈系统，往往由于天线架设较高、电缆较长，测试人员不便于爬高逐点就近检查，需要一种通过地面近端连接驻波比测试的装置对整个天馈系统故障断点定位及性能评估。由于天馈系统的开放性(随时有各种干扰信号通过天线输入)，检测系统需要具有较强抗干扰性；其次有时天馈系统电缆中间经过多段转接，正常情况下也有多个驻波点，中间转接头易故障形成较大反射点，因此通过近端驻波比测试实现整个天馈系统性能评估难度较大。

目前市场上天馈系统检测仪均为通过脉冲信号比幅测量原理进行驻波比测试，通过对发射脉冲信号和反射的脉冲信号检波幅度比进行驻波比测量，而通过发射脉冲信号和反射的脉冲信号延时间隔进行断点定位测量，要实现驻波点最小间隔米级，脉冲宽度须小于十纳秒级，相邻驻波点反射信号才可以区分；要实现定位精度优于米级，脉冲前沿也须小到纳秒级，因此信号带宽约需几百兆赫兹，存在的主要不足包括：

(1)简单的脉冲比幅，抗干扰能力差；

(2)通过脉冲前沿定位，精度不高；

(3)无法测量多驻波点天馈系统；

(4)脉冲前沿与脉冲宽度太小，发射电路实现困难。

通过对国内一款典型的天馈驻波比测试仪器(型号：AV3824A)实验室测试印证了以上前三点不足。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种时频二项伪随机三角线性调频连续波测距技术，利用雷达调频连续波近距测距原理进行驻波比测试，在三角线性调频连续波近距测距实现原理上进行了工程改进，确保开放式天馈系统外场抗干扰应用，提高抗干扰性，确保外场复杂电磁环境下应用，实现了天馈系统故障断点定位及驻波比测试。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)根据驻波比点最小间隔及定位精度要求，设计三角线性调频连续波信号带宽及调频周期，距离分辨率C为电磁波传输速度，ΔB为调频带宽；定位距离f_b为差拍频率，T_m为调频信号周期；对设计的波形采用2.5倍最高频率采样建立波形库，在发射信号期间调取波形库数据，通过高速D/A转换器数字化产生发射的三角线性调频连续波信号；发射信号期间，根据时频二项伪随机设置发射频率和发射间隙，即调频连续波中频载频频率随工作间隔随机变化，每发射完一个扫描周期设置一工作间隔，工作间隔随机变化；

2)通过耦合器耦合接收回波信号，结合时频二项伪随机控制电调滤波器进行抗干扰滤波，最后对发射信号和回波信号混频，输出差频信号；

3)对差频信号进行滤波、放大及A/D采样，采样速率1GHz以上；

4)对采样结构进行256项滤波降速及128点FFT运算，获取差频频率；经过10次扫频处理获取驻波比及驻波点位置稳定数据，其中Γ为反射参量，即反射电压与入射电压的比；根据检测到的入射端入射信号功率和反射信号功率，推算驻波点的驻波比，通过解算差频信号频率获取天馈系统驻波点定位距离。

本发明的有益效果是：

(1)提出了利用雷达调频连续波近距测距技术，在小功率发射下实现了无线电通信、导航、电台及雷达地面天馈系统高精度、多驻波及断点检测需求。

(2)根据工程应用特点，对雷达调频连续波近距测距技术进行了改进，发明了时域、频域伪随机变化的三角线性调频连续波测距技术，同时结合电调滤波器的巧妙使用，解决了开放式天线系统雷达调频连续波近距测距技术抗干扰能力，确保了本发明“时频二项伪随机三角线性调频连续波驻波点定位”技术在外场复杂电磁环境下工程可用性。

附图说明

图1是调频连续波驻波比测试FPGA中信号处理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明利用雷达调频连续波近距测距原理，设计了一种天馈系统故障断点定位及驻波比测试方法。

调频连续波近距测距原理：系统利用在时间上改变频率的发射信号与目标反射的回波信号频率差测量目标距离，目前主要采用三角线性调频连续波原理测距。

调频连续波近距测距优点：

(1)无测距盲区：由于调频体制收发同时工作，不像脉冲测距需在发射期间关闭接收机，所以不存在测距盲区；

(2)容易实现高测距分辨率：根据雷达系统理论，分辨率由信号带宽决定。在线性调频连续波体制中，易于得到大带宽信号，而接收处理的视频带宽却远小于信号带宽，易于工程实现；

(3)信号能量大，时宽带宽积大，根据雷达统计检测理论，在噪声功率一定情况下，雷达接收检测能力由信号能量决定。调频连续波体制采用的是大时宽带宽积信号，所以它具有远远大于具有同等信号电平和信号带宽的脉冲信号能量；

(4)微波电路易于实现：若采用脉冲法，则脉冲宽度较窄，产生难度大，而且脉冲发射功率较大，增加发射末级功率放大电路及散热设计难度，同时大功率电路也带来设备可靠性降低。调频连续波体制的波形参数对微波部件和调频连续波信号源的设计要求低，发射功率较脉冲法远小，降低了系统对末级功率放大电路1dB压缩点的要求，因此降低了系统设计难度。

调频连续波近距测距系统主要难点是对多运动目标速度测定，而本发明用于地面天馈系统断点测定，属于静止目标，不需要测定目标速度。脉冲重复频率决定了最大不模糊距离以及测量精度，而脉冲峰值功率与作用距离直接相关，即发射脉冲峰值功率一定时，作用距离越大反射回波峰值功率越小，但最小须大于接收灵敏度。

本发明连接处理图如图1，本发明包括以下步骤：

1)发射信号波形的产生

根据驻波比点最小间隔及定位精度要求，设计三角线性调频连续波信号带宽及调频周期，对设计的波形采用2.5倍最高频率采样建立波形库，在发射期间调取波形库数据，通过高速D/A转换器数字化产生发射的三角线性调频连续波信号。

具体指标设计方法如下：

距离分辨率：

式中：

R_min：最小识别间距；

C：电磁波传输速度；

ΔB：调频带宽。

在公式(1)中，如设计调频带宽ΔB＝45MHz，则Rmin＝3.3米，可满足外场天馈系统驻波点最小识别间距优于3.5米的要求。

定位距离

式中

R：驻波点相对于设备连接处距离；

C：电磁波传输速度；

f_b：差拍频率；

T_m：调频信号周期；

ΔB：调频带宽。

在式(2)中，假设调频信号周期Tm、调频带宽ΔB恒定，则距离定位精度由调频连续波产生信号与回波信号的差频信号测频精度确定，一般系统设计调频信号周期Tm＝1ms，调频带宽ΔB＝45MHz，当距离变化1.5m时，调频连续波产生信号与回波信号的最小差频为900Hz，而设计的高性能检测电路(高精度A/D采样减小量化误差以及高阶数FFT运算提高频谱分辨率)对差频检测的精度达到±100Hz级，工程应用已经可满足驻波点定位精度优于±1.5m的要求。

发射信号期间，根据下述设计的“时频二项伪随机”设置发射频率、发射间隙，利用现代高速数字D/A转换、FPGA实时控制技术，实时调取波形库数据产生所需调频连续波信号波形，然后经过激励放大输出。

米级定位误差至少需50MHz以上的带宽信号，如果利用通常脉冲式信号，脉冲宽度需小于10纳秒，而调频连续波信号发射放大电路易于实现，脉冲信号受到脉冲前沿陡峭影响很难实现。而调频连续波信号时域宽度由调频周期决定(一般为1毫秒)，不存在脉冲宽度窄且前沿陡峭激励放大电路很难实现问题，其次调频连续波信号接收时通过多次扫频叠加增加有用信号强度，从而能够提高处理增益，具有很强抗白噪声能力。

“时频二项伪随机”设计如下：

一般雷达调频连续波近距测距，工作期间载频固定、连波波信号不断发射，这样接收回波电路容易受干扰信号影响，尤其连续波强干扰信号容易堵塞接收低噪放电路，因此发射信号时本发明进行了创新设计：

a)发射完一个扫描周期后设置一定工作间隙，然后再进行调频发射，此工作间隔随机变化，此为时域伪随机，减少干扰脉冲碰撞；

b)调频连续波中频载频频率随工作间隔随机变化，此为频域伪随机，减少同频干扰。

通过以上两点“时频二项伪随机”变化，结合接收电路的电调滤波，就可以提高抗干扰能力，此措施只需在FPGA中增加时序控制就可实现，工程上实现低价小，易于实现。本发明姑且称为“时频二项伪随机三角线性调频连续波驻波点定位”技术。

2)收发信号混频

通过高隔离度的耦合器耦合接收回波信号，然后结合“时频二项伪随机”变化设计控制电调滤波器进行抗干扰滤波，最后对发射信号和回波信号混频，输出差频信号到后续A/D转换电路。

天馈系统驻波比测试是单天线工作，而单天线雷达调频连续波近距测距主要问题是收发隔离、最小测距精度。本发明在工程实现中选取了一款高隔离度高达60dB的定向耦合器，解决了单天线发射+10dBm对最弱接收-40dBm信号隔离要求，同时在耦合器与天馈系统连接端增加延迟线，可以确保第一个驻波点位置0米测量要求。

3)滤波、放大以及A/D数模转换处理

对混频输出的差频信号，经过滤波、放大及高性能采样A/D电路转换后输出到FPGA芯片进行数字信号处理。为了减少接收电路延时、幅度变化误差，本发明采用高速采样A/D芯片直接对一次混频后的信号进行高速采样数字处理，采样速率需要1GHz以上。

4)FFT信号处理

利用大容量、高速处理FPGA芯片，进行多项滤波(本发明设计256项)降速及较长点(本发明选取128点)的FFT运算获取差频频率，以及结合伪随机载频变换，经过10次扫频处理获取驻波比及驻波点位置稳定数据。根据传输线损耗计算公式，电压驻波比其中Γ为反射参量，即反射电压与入射电压的比，根据检测到的入射端入射信号功率和反射信号功率，推算驻波点的驻波比，通过解算差频信号频率获取天馈系统驻波点定位距离。

一个通信地面端机天馈系统检测要求，主要功能是实现驻波点定位及驻波比测试，满足外场开放式天线系统测试应用要求，下面将对本发明的实施方式进行详细说明，如图1所示，系统主要要求如下：

1)工作频段：950MHz～1250MHz；

2)抗干扰性：具有较强的脉冲及连续波抗干扰能力，(干扰峰值功率≤-10dBm)；

3)发射功率要求：小功率发射，峰值功率≤+30dBm；

4)驻波点：不低于3个；

5)定位精度：误差小于±1.5米；

6)驻波点最小可分辨间距：不大于3.5米；

7)断点最大定位距离：不低于30米；

8)驻波比精度：

单驻波点：优于±0.2(WSWR≤2.0)；

优于±0.4(2.0≤WSWR≤3.0)；

多个波点：优于±0.5(WSWR≤2.0)；

根据以上要求，应用本发明方法，设计了如图实现系统，通过验证满足以上系统设计要求，以下对系统主要指标设计：

1)主要指标设计

由于设计了高速线性D/A转换器直接产生所需的射频调制信号，因此线性调制足够理想，而回波延时(最大几十纳秒)远远小于调频周期(1ms)，因此距离分辨率仅与信号带宽有关。在公式(1)中，当设计调频带宽ΔB＝45MHz，Rmin＝3.3米，可满足驻波点最小识别间距优于3.5米的要求。

由于设计了高精度A/D转换器以及高信噪比输出收发信道，测距精度主要与差频鉴别有关。在式(2)中，假设调频信号周期Tm、调频带宽ΔB恒定，则距离定位精度由调频连续波产生信号与回波信号的差频信号测频精度确定，系统设计调频信号周期Tm＝1ms，调频带宽ΔB＝45MHz，当距离变化1.5m时，调频连续波产生信号与回波信号的最小差频为900Hz，而设计的高性能检测电路(高精度A/D采样减小量化误差以及高阶数FFT运算提高频谱分辨率)对差频检测的精度达到±100Hz级，工程应用已经可满足驻波点定位精度优于±1.5m的要求。

2)时频二项伪随机设计

对于调频工作时间间隙设计，本发明设计了10ms、13ms、15ms、17ms…等间隔时间，对其进行编号，然后通过伪随机公式建立时间间隙工作库，调频工作时选取时间间隙库，按照时间库设置逐个设置调频工作时间间隙。

根据工程应用中L波段天馈系统驻波比频响特性，对工作频段：950MHz～1250MHz，每10MHz选取发射信号载频，同样对其进行编号，然后通过伪随机公式建立跳频频率库，调频工作时选取频率库，按照频率库逐个设置调频工作发射载频。

3)工作步骤如下

a)发射信号的产生

时域、频域伪随机变换库设计如上设计所述。

初次工作，先根据频率库调取第一个信号载频(如980MHz)，设置发射信号频率、接收电调滤波器等系统工作参数，延时1±0.01毫秒(电调滤波器调频时间参数决定)，然后开始工作。实时读取发射波形数据库控制D/A转换器产生发射波形，经过激励放大、滤波后输出。每次在完成一次调频周期后，按照时域伪随机变换库设置工作间隙，同时根据频率库设置下一次发射信号频率(如1090MHz)、接收电调滤波器等系统工作参数，工作间隙结束后再根据发射波形数据库控制D/A转换器产生发射波形。

b)收发信号混频

通过耦合器接收回波信号，收发信号经过混频器进行差频处理。耦合器反向隔离度大于60dB，而发射输出信号小于+10dBm，经仿真论证3个以下驻波点(驻波比按照3考虑)通过30米以内电缆传输，最弱回波信号大于-40dBm，发射泄露信号比回波信号低至少10dB，对驻波比测量误差影响可以忽略。

c)滤波、放大以及A/D数模转换处理

对混频输出信号，经过滤波、放大及高性能采样A/D电路转换后输出到FPGA芯片进行数字信号处理。为了获取高精度驻波点位置信息，根据调制带宽设计A/D器件1.4GHz采样频率，确保采样有效位数大于9，满足设计50dB采样电平范围要求。

d)FFT信号处理

在FPGA对数字化差频信号进行FFT运算，获取天馈系统驻波点位置及驻波比测量信息。按照时间间隙库、频率库，重复1)～4)步骤，经过10次测量，剔除测量奇异值、获取天馈系统最恶化驻波点信息输出，判断天馈系统性能，故障时辅助人工检修。在FPGA对A/D采样数据1:64降速、256路信道多项滤波以及4通道128点长度FFT傅里叶运算(FFT)，具体处理流程如图1。

4)测试验证

通过在实验室构建环境，对本发明的工程样机进行了测试，测试中通过合路器取代天线输入了一路连续波和一路脉冲干扰信号，模拟实际环境中的空间干扰进行了驻波比及定位测试，通过以下测试表1，可知本发明完全可以满足工程性能指标要求，而且研制经费较低、研发周期较短。

表1.系统驻波比测试表

注：位置定位设备连接处为0米。

Claims (1)

1.一种抗干扰高精度天馈系统多驻波点定位系统，其特征在于包括下述步骤：

1)根据驻波比点最小间隔及定位精度要求，设计三角线性调频连续波信号带宽及调频周期，距离分辨率C为电磁波传输速度，ΔB为调频带宽；定位距离f_b为差拍频率，T_m为调频信号周期；对设计的波形采用2.5倍最高频率采样建立波形库，在发射信号期间调取波形库数据，通过高速D/A转换器数字化产生发射的三角线性调频连续波信号；发射信号期间，根据时频二项伪随机设置发射频率和发射间隙，即调频连续波中频载频频率随工作间隔随机变化，每发射完一个扫描周期设置一工作间隔，工作间隔随机变化；

2)通过耦合器耦合接收回波信号，结合时频二项伪随机控制电调滤波器进行抗干扰滤波，最后对发射信号和回波信号混频，输出差频信号；

3)对差频信号进行滤波、放大及A/D采样，采样速率1GHz以上；

4)对采样结构进行256项滤波降速及128点FFT运算，获取差频频率；经过10次扫频处理获取驻波比及驻波点位置稳定数据，其中Γ为反射参量，即反射电压与入射电压的比；根据检测到的入射端入射信号功率和反射信号功率，推算驻波点的驻波比，通过解算差频信号频率获取天馈系统驻波点定位距离。