CN108226850B - 一种基于抛物线拟合的单脉冲鉴相方法 - Google Patents
一种基于抛物线拟合的单脉冲鉴相方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于抛物线拟合的单脉冲鉴相方法。测出干涉仪主天线对应中频的脉冲标记和所在通道，将待测干涉仪主天线中频与数字信道化输出的脉冲标记匹配延时对齐，并且分四相输入，利用两路128点串形复数FFT，完成512点FFT运算；根据中频所在通道号，求取FFT最大值的搜索范围，再搜索范围内求取FFT对应的最大值和左右次最大值以及它们对应的序号；对最大值和左右次最大值作拟合，求取偏移量Delta；对Delta附近两点做单点DFT，并求得第二次的拟合值Deltb；利用第二次的拟合结果Deltb对4个天线对应的中频进行512点的单点DFT运算；对四路单点DFT运算结果进行反正切运算，得到四路中频的相位，根据基线关系得到3个相位差，同时，根据Deltb、最大值序号和采样率求出频率值。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子侦察技术，特别是一种基于抛物线拟合的单脉冲鉴相方法。
背景技术
在现代电子战对抗中，电子侦察和定位无疑是最基础和最重要的，其采取的被动方式的无源定位方法以只接收未知目标辐射源的信号来确定敌方的真实位置，摆脱了敌方对你的侦察，显示了极好的隐蔽性，提高了侦察系统在真实的信息战环境中的生存概率。测角或测时差是对辐射源进行无源定位的传统方法，采用时差定位需要多站，成本相对较高，而且站与站之间大的数据量需要保持同步传输，实际工程实现难度比较大，所以干涉仪测向体制具有较大的工程实现优势。干涉仪测向系统及其各种改进方式已广泛应用于被动雷达测向领域，常见的多天线阵列的形状主要有线阵、圆阵、十字阵、L阵、T阵等，比较常用的是均匀与非均匀十字形阵和L形阵，二维多基线干涉仪可同时测量方向角与俯仰角。干涉仪测向的实质是利用相位干涉仪的测向基线测量接收到的未知目标电磁波相位差来确定实际来波信号的方向角，所以相位差测量精度在干涉仪测向中起到很大的作用。在实际工程设计当中，较高的相位测量精度是保证较小测向误差的前提条件，要想获得较高的角度测量精度，必须采用恰当的相位差提取技术。传统的相位差测量方法始终很难兼顾鉴相精度和实时性，而且对于脉冲密度高、多信号、电磁环境复杂的情况不具有较好的适应性。因此我们提出了一种利于工程实现、计算量小、高精度和环境适应性强的雷达信号鉴相方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于抛物线拟合的单脉冲鉴相方法，该方法是一种瞬时带宽大、频率分辨力和测频精度高、鉴相精度高的雷达鉴相的有效方法，该方法在多信号、复杂电磁环境情况下，能够以较高的精度实现鉴相和频率精测功能。
一种基于抛物线拟合的单脉冲鉴相方法，包括以下步骤：
步骤1，利用数字信道化测量主天线中频信号的脉冲标记和中频在信道化中的通道位置，利用数字信道化输出的通道号与FFT输出的序号的对应关系，计算出通道位置对应在512点FFT时的序号，然后将序号左右各扩展3-5个点后作为FFT最大值搜索范围；
步骤2，对FPGA输入主天线中频信号做匹配延时，与数字信道化输出脉冲标记对齐，并将该中频输入信号转换为四相，当该中频有效信号不足512点时，将不足部分置零后作为测频的中频输入；
步骤3，利用两组128点复数FFT运算，对输入的四相中频信号做FFT，将两路复数FFT运算结果合成512点FFT，并分两项将前256点有效结果输出；
步骤4，对并行两路的FFT结果串形求取其模，然后利用串形比较求取最大值和左右次最大值以及对应的序号，最后在两路中并行求取最大值和左右次最大值以及对应的序号；
步骤5，利用最大值和左右次最大值以及对应的序号对512点FFT结果进行第一次拟合，得出结果大于或等于-0.5且小于或等于0.5的FFT序号修正值Delta，然后对Delta附近的两点做单点DFT运算；
步骤6，利用DFT运算结果对512点FFT结果进行第二次拟合，得到第二次修正值Deltb，利用Deltb引导对干涉仪四个天线对应的中频进行512点的单点DFT运算；
步骤7，对上述四路DFT运算结果进行反正切运算，分别求出四路中频的相位，根据干涉仪基线关系求出对应天线间的相位差，最后，利用最大值序号、Deltb、采样率和FFT点数求出频率值。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采样率为2500MHz，瞬时带宽为1000MHz，4个天线3基线干涉仪测向方案时，本发明能够实现脉宽大于0.3us时实时鉴相精度优于均方根5°同时实现频率测量精度优于均方根200KHz，比传统鉴相精度高而且可以实现单脉冲鉴相；(2)由于本发明是利用128点FFT复用实现512点FFT运算，所以512点FFT运算可以实现流水间隔大于等于135个数字信道化周期，并且消耗FPGA资源相对没有增加，适应多信号同时到达情况时的频率测量和数字鉴相。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1基于抛物线拟合的单脉冲鉴相技术流程图。
具体实施方式
结合图1，基于抛物线拟合的单脉冲鉴相技术，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，利用数字信道化测量主天线中频信号的脉冲标记和中频在信道化中的通道位置，利用数字信道化输出的通道号与FFT输出的序号的对应关系，计算出通道位置对应在512点FFT(快速傅立叶变换)时的序号，然后将序号左右各扩展3-5个点后作为FFT最大值搜索范围；
步骤11，定义数字信道化实通道数为2M1，FFT点数为
中频在数字信道化中的通道号为i，M1和N1为自然数；
步骤12，因为数字信道化求出的通道号i是第二奈奎斯特区，FFT序号是第一奈奎斯特区，所以中频在数字信道化中的通道号i对应于FFT中的序号的
步骤2，对FPGA(现场可编程门阵列)输入中频信号做匹配延时，与数字信道化输出脉冲标记对齐，并将中频输入信号转换为四相，当有效中频信号不足512点时，将不足部分置零后作为测频的中频输入；
步骤3，利用两组128点复数FFT运算，对输入的四相中频信号做FFT，将两路复数FFT运算结果合成512点FFT，并分两项将前256点有效结果输出；
步骤31，中频信号x(n)，四相中频信号的1、2两相(x(4n)、x(4n+1))和3、4两相(x(4n+2)、x(4n+3))分别接入两路128点复数FFT，计算出两组复数128点FFT结果，分别为Y1(k)和Y2(k)，j为复数量。公式如下所示：
Y1(k)＝FFT(x(4n)+j×x(4n+1))；
Y2(k)＝FFT(x(4n+2)+j×x(4n+3))；
n为自然数，取值范围为0到
N2为FFT点数，此处设定的为512，k为自然数，取值范围为0到
步骤32，将复数128点FFT输出与其共轭反序结果相加得到第一相中频的128点FFT结果，复数128点FFT输出与其共轭反序结果相减得到第二相中频的128点FFT结果，进而求出的四相128点四路FFT结果，第一相为X11(k)、第二相为X12(k)、第三相为X21(k)、第四相为X22(k)；
步骤33，四相中频分别求取128点的FFT结果分别乘上四组不同的旋转因子，便得到512点的FFT，512点FFT只需要输出前256点的FFT结果表示为X(k)和
结果如下所示：
步骤4，对并行两路的FFT结果串形求取其模，然后利用串形比较求取最大值和左右次最大值以及对应的序号，最后在两路中并行求取最大值和左右次最大值以及对应的序号；
步骤5，利用最大值和左右次最大值以及对应的序号对512点FFT结果进行第一次拟合，得出结果大于或等于-0.2且小于或等于0.2的FFT序号修正值Delta，然后对Delta附近的两点做单点DFT运算；
步骤51，分别求取最大值和左右次最大值的模，FFT最大值对应的序号N3与FFT(N3)，求出FFT(N3-1)与FFT(N3+1)；
步骤52，设定左次最大值的模减去右次最大值的模为A，N倍最大值的模加上M倍右次最大值的模减去L倍左次最大值的模为B，A除以B即为Delta，公式如下所示：
步骤53、对Delta附近的两点做单点DFT运算，结果为y1和y2，两点为：
y1＝DFT(N3+delta+0.2)
y2＝DFT(N3+delta-0.2)
步骤6，利用DFT运算结果对512点FFT结果进行第二次拟合，得到第二次修正值Deltb，利用Deltb引导对干涉仪四个天线对应的中频进行512点的单点DFT运算；
步骤61，对步骤53中y1和y2两点做单点DFT，结果表示为：x1和x2；
步骤62，将四相中频匹配延时与上一步中两点对齐；
步骤63，分别对四相中频做两点的单点DFT，结果分别表示为，第一相数据对y1点做DFT结果表示为FFT1_1、第二相数据对y1点做DFT结果表示为FFT1_2、第三相数据对y1点做DFT结果表示为FFT1_3、第四相数据对y1点做DFT结果表示为FFT1_4、第一相数据对y2点做DFT结果表示为FFT2_1、第二相数据对y2点做DFT结果表示为FFT2_2、第三相数据对y2点做DFT结果表示为FFT2_3、第四相数据对y2点做DFT结果表示为FFT2_4；
求取y1和y2的DFT公式如下：
x1＝DFT(y1)；
x1＝FFT1_1+FFT1_2+FFT1_3+FFT1_4；
x2＝DFT(y2)；
x2＝FFT2_1+FFT2_2+FFT2_3+FFT2_4；
步骤64，四相中频分别乘上各自旋转因子后求和，便得到两点的512点DFT结果；
步骤65，利用两点的512点DFT结果对Delta进行修正便得到第二次修正值deltb：
步骤66，将干涉仪四路中频a1、a2、a3、a4与deltb延时匹配对齐；
步骤67，对延时匹配对齐后的中频做deltb单点的512点DFT运算，结果表示为：b1、b2、b3、b4
步骤7，对上述四路DFT运算结果进行反正切运算，分别求出四路中频的相位，根据干涉仪基线关系求出对应天线间的相位差，最后，利用最大值序号、Deltb、采样率和FFT点数求出频率值；
步骤71，对上述四路中频的DFT结果b1、b2、b3、b4做反正切运算结果为：
ph1＝arctan(b1)；
ph2＝arctan(b2)；
ph3＝arctan(b3)；
ph4＝arctan(b4)；
步骤72，根据干涉仪基线关系求取3路相位差，结果为：
ph1-2＝ph1-ph2；
ph1-3＝ph1-ph3；
ph1-4＝ph1-ph4；
步骤73，利用采样率和FFT点数计算出频率值：
fs为采样率，f_est为精测结果。
实施例
设1部重频固定雷达脉冲信号，脉冲重复周期为500μs，脉宽为0.3μs，采样率2500MHz，中频频率1698MHz，数字信道化具有64实通道，测量出脉冲标记和通道号。此脉冲标记和通道号进入本专利公开的基于抛物线拟合的单脉冲鉴相技术，其步骤具体如下：
步骤1，利用数字信道化测量中频信号的脉冲标记和中频在信道化中的通道号为10，利用数字信道化输出的通道号与FFT输出的序号的对应关系，计算出通道位置对应在512点FFT时的序号为176，然后将序号左右各扩展3-5个点后作为FFT最大值搜索范围为171-180；
步骤11，定义数字信道化实通道数为64，FFT点数为512，中频在数字信道化中的通道号为10；
步骤12，因为数字信道化求出的通道号10是第二奈奎斯特区，FFT序号是第一奈奎斯特区，所以中频在数字信道化中的通道号12对应于FFT中的序号的176；
步骤2，对FPGA输入中频信号做匹配延时，与数字信道化输出脉冲标记对齐，并将中频输入信号转换为四相，当有效中频信号不足512点时，将不足部分置零后作为测频的中频输入；
步骤3，利用两组128点复数FFT运算，对输入的四相中频信号做FFT，将两路复数FFT运算结果合成512点FFT，并分两项将前256点有效结果输出；
步骤31，中频信号x(n)，四相中频信号的1、2两相(x(4n)、x(4n+1))和3、4两相(x(4n+2)、x(4n+3))分别接入两路128点复数FFT，计算出两组复数128点FFT结果，分别为Y1(k)和Y2(k)，j为复数量。公式如下所示：
Y1(k)＝FFT(x(4n)+j×x(4n+1))；
Y2(k)＝FFT(x(4n+2)+j×x(4n+3))；
n为自然数，取值范围为0到
N2为FFT点数，此处设定的为512，k为自然数，取值范围为0到
步骤32，将复数128点FFT输出与其共轭反序结果相加得到第一相中频的128点FFT结果，复数128点FFT输出与其共轭反序结果相减得到第二相中频的128点FFT结果，进而求出的四相128点四路FFT结果，第一相为X11(k)、第二相为X12(k)、第三相为X21(k)、第四相为X22(k)；
步骤33，四相中频分别求取128点的FFT结果分别乘上四组不同的旋转因子，便得到512点的FFT，512点FFT只需要输出前256点的FFT结果，结果如下所示：
步骤4，对并行两路的FFT结果串形求取其模，然后利用串形比较求取最大值和左右次最大值以及对应的序号，最后在两路中并行求取最大值和左右次最大值以及对应的序号，最大值序号求出为174；
步骤5，利用最大值和左右次最大值以及对应的序号对512点FFT结果进行第一次拟合，得出结果大于或等于-0.2且小于或等于0.2的FFT序号修正值Delta＝-0.0048，然后对Delta附近的两点做单点DFT运算；
步骤51，分别求取最大值和左右次最大值的模，FFT最大值对应的序号N3与FFT(N3)，求出FFT(N3-1)与FFT(N3+1)；
步骤52，设定左次最大值的模减去右次最大值的模为A，N倍最大值的模加上M倍右次最大值的模减去L倍左次最大值的模为B，A除以B即为Delta，公式如下所示：
步骤53，对Delta附近的两点做单点DFT运算，结果为y1和y2，两点为：
y1＝DFT(N3+delta+0.2)＝174.1952
y2＝DFT(N3+delta-0.2)＝173.7952
步骤6，利用DFT运算结果对512点FFT结果进行第二次拟合，得到第二次修正值Deltb＝-0.1258，利用Deltb引导对干涉仪四个天线对应的中频进行512点的单点DFT运算，四路DFT运算结果分别为：b1＝
步骤61，对步骤53中y1和y2两点做单点DFT，结果表示为：x1和x2；
步骤62，将四相中频匹配延时与上一步中两点对齐；
步骤63，分别对四相中频做两点的单点DFT，结果分别表示为，第一相数据对y1点做DFT结果表示为FFT1_1、第二相数据对y1点做DFT结果表示为FFT1_2、第三相数据对y1点做DFT结果表示为FFT1_3、第四相数据对y1点做DFT结果表示为FFT1_4、第一相数据对y2点做DFT结果表示为FFT2_1、第二相数据对y2点做DFT结果表示为FFT2_2、第三相数据对y2点做DFT结果表示为FFT2_3、第四相数据对y2点做DFT结果表示为FFT2_4；
求取y1和y2的DFT公式如下：
x1＝DFT(y1)；
x1＝FFT1_1+FFT1_2+FFT1_3+FFT1_4；
x2＝DFT(y2)；
x2＝FFT2_1+FFT2_2+FFT2_3+FFT2_4；
步骤64，四相中频分别乘上各自旋转因子后求和，便得到两点的512点DFT结果；
步骤65，利用两点的512点DFT结果对Delta进行修正便得到第二次修正值deltb：
步骤66，将干涉仪四路中频a1、a2、a3、a4与deltb延时匹配对齐；
步骤67，对延时匹配对齐后的中频做deltb单点的512点DFT运算，结果表示为：b1、b2、b3、b4
步骤7，对上述四路DFT运算结果进行反正切运算，分别求出四路中频的相位，根据干涉仪基线关系求出对应天线间的相位差，最后，利用最大值序号174、Deltb＝-0.1258、采样率＝2500MHz和FFT点数512求出频率值。
步骤71，对上述四路中频的DFT结果b1、b2、b3、b4做反正切运算结果为：
ph1＝arctan(b1)＝-151.0654°
ph2＝arctan(b2)＝-151.2215°
ph3＝arctan(b3)＝-150.4031°
ph4＝arctan(b4)＝-152.7020°
步骤72，根据干涉仪基线关系求取3路相位差，结果为：
Ph1-2＝ph1-ph2＝0.1561°
ph1-3＝ph1-ph3＝-0.6623°
ph1-4＝ph1-ph4＝1.6366°
步骤73，利用采样率和FFT点数计算出频率值：
fs为采样率，f_est为精测结果。
Claims (6)
1.一种基于抛物线拟合的单脉冲鉴相方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，利用数字信道化测量主天线中频信号的脉冲标记和中频在信道化中的通道位置，利用数字信道化输出的通道号与FFT输出的序号的对应关系，计算出通道位置对应在512点FFT时的序号，然后将序号左右各扩展3-5个点后作为FFT最大值搜索范围；
步骤2，对FPGA输入主天线中频信号做匹配延时，与数字信道化输出脉冲标记对齐，并将该中频输入信号转换为四相，当该中频有效信号不足512点时，将不足部分置零后作为测频的中频输入；
步骤3，利用两组128点复数FFT运算，对输入的四相中频信号做FFT，将两路复数FFT运算结果合成512点FFT，并分两项将前256点有效结果输出；
步骤4，对并行两路的FFT结果串形求取其模，然后利用串形比较求取最大值和左右次最大值以及对应的序号，最后在两路中并行求取最大值和左右次最大值以及对应的序号；
步骤5，利用最大值和左右次最大值以及对应的序号对512点FFT结果进行第一次拟合，得出结果大于或等于-0.5且小于或等于0.5的FFT序号修正值Delta，然后对Delta附近的两点做单点DFT运算；
步骤6，利用DFT运算结果对512点FFT结果进行第二次拟合，得到第二次修正值Deltb，利用Deltb引导对干涉仪四个天线对应的中频进行512点的单点DFT运算；
步骤7，对上述四路DFT运算结果进行反正切运算，分别求出四路中频的相位，根据干涉仪基线关系求出对应天线间的相位差，最后，利用最大值序号、Deltb、采样率和FFT点数求出频率值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1数字信道化通道号与 FFT序号的对应关系计算方法为：
步骤11，定义数字信道化实通道数为
FFT点数为
中频在数字信道化中的通道号为i，M1和N1为自然数；
步骤12，数字信道化求出的通道号i是第二奈奎斯特区，FFT序号是第一奈奎斯特区，中频在数字信道化中的通道号i对应于FFT中的序号的
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3两路复数128点FFT实现512点实数FFT具体包括以下步骤：
步骤31，中频信号x(n)，四相中频信号的1、2(x(4n)、x(4n+1))两相和3、4两相(x(4n+2)、x(4n+3))分别接入两路128点复数FFT，计算出两组复数128点FFT结果，分别为Y1(k)和Y2(k)，j为复数量，公式如下所示：
n为自然数，N2为FFT点数且取值为512，k为自然数且取值范围为0到
步骤32，将复数128点FFT输出与其共轭反序结果相加得到第一相中频的128点FFT结果，复数128点FFT输出与其共轭反序结果相减得到第二相中频的128点FFT结果，进而求出的四相128点四路FFT结果，第一相为X11(k)， 第二相为X12(k)， 第三相为X21(k)， 第四相为X22(k)，
步骤33，四相中频分别求取128点的FFT结果分别乘上四组不同的旋转因子，便得到512点的FFT，512点FFT只需要输出前256点的FFT结果表示为X(k)和
结果如下所示：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5计算第一次拟合结果FFT序号修正值Delta具体包括以下步骤：
步骤51，分别求取最大值和左右次最大值的模，FFT最大值对应的序号N3与FFT(N3)，求出FFT(N3-1)与FFT(N3+1)；
步骤52，设定左次最大值的模减去右次最大值的模为A，N倍最大值的模加上M倍右次最大值的模减去L倍左次最大值的模为B，A除以B即为Delta，公式如下所示：
步骤53，对Delta附近的两点做单点DFT运算，结果为y1和y2，两点为：
y1＝DFT(N3+delta+0.2)
y2＝DFT(N3+delta-0.2)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤6计算第二次拟合结果Deltb具体包括以下步骤：
步骤61，对步骤53中y1和y2两点做单点DFT，结果表示为x1和x2；
步骤62，将四相中频匹配延时与上一步中两点对齐；
步骤63，分别对四相中频做两点的单点DFT，结果分别表示为，第一相数据对y1点做DFT结果表示为FFT1_1、第二相数据对y1点做DFT结果表示为FFT1_2、第三相数据对y1点做DFT结果表示为FFT1_3、第四相数据对y1点做DFT结果表示为FFT1_4、第一相数据对y2点做DFT结果表示为FFT2_1、第二相数据对y2点做DFT结果表示为FFT2_2、第三相数据对y2点做DFT结果表示为FFT2_3、第四相数据对y2点做DFT结果表示为FFT2_4；
求取y1和y2的DFT公式如下：
x1＝DFT(y1)
x1＝FFT1_1+FFT1_2+FFT1_3+FFT1_4
x2＝DFT(y2)
x2＝FFT2_1+FFT2_2+FFT2_3+FFT2_4
步骤64，四相中频分别乘上各自旋转因子后求和，便得到两点的512点DFT结果；
步骤65，利用两点的512点DFT结果对Delta进行修正便得到第二次修正值deltb：
步骤66，将干涉仪四路中频a1、a2、a3、a4与deltb延时匹配对齐；
步骤67，对延时匹配对齐后的中频做deltb单点的512点DFT运算，结果表示为b1、b2、b3、b4
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤7的具体过程为：
步骤71，对上述四路中频的DFT结果b1、b2、b3、b4做反正切运算结果为：
ph1＝arctan(b1)
ph2＝arctan(b2)
ph3＝arctan(b3)
ph4＝arctan(b4)；
步骤72，根据干涉仪基线关系求取3路相位差，结果为：
ph1-2＝ph1-ph2
ph1-3＝ph1-ph3
ph1-4＝ph1-ph4；
步骤73，利用采样率和FFT点数计算出频率值：
fs为采样率，f_est为精测结果。
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|---|---|
| CN108226850A (zh) | 2018-06-29 |
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