CN108802715B - 一种数字化脉冲体制的无线电高度表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化脉冲体制的无线电高度表，主要解决现有技术在多部高度表同时使用时易出现同频和外界射频干扰的问题。其包括：收发天线、微波发射、微波接收、信号处理、接口和电源单元，其中信号处理单元由FPGA及其信号调理电路组成，该FPGA中设有产生脉冲时序、信号检测和跟踪、计算高度、控制微波接收单元增益、控制参数、接口和对高度进行自检的各功能模块；信号调理电路产生两路幅值不同的视频脉冲，第一路送入信号检测与跟踪模块进行信号跟踪并计算出高度，第二路送入AGC增益控制模块控制微波接收单元的增益并稳定视频脉冲幅度。本发明能避免本机高度表在使用时与他机的信号干扰，提高多机编队时的测高稳定性，可用于航空航天飞行器中。

Description

一种数字化脉冲体制的无线电高度表

技术领域

本发明属于雷达测距技术领域，特别涉及一种无线电高度表，可用于航空航天及弹用飞行器中在多机编队和复杂环境下对飞行高度的高精度及高稳定跟踪测量。

背景技术

无线电高度表是一种测距雷达，对飞机或导弹等高速飞行的设备进行实时真实的高度测量，可广泛应用于航空、航天装备等领域，无线电高度表目前主要有三种工作体制:脉冲体制、调频连续波体制以及伪码连续波测高体制。

脉冲体制高度表工作原理是：通过脉冲产生电路产生发射脉冲，通过微波发射单元将脉冲信号调制到射频，经发射天线辐射到地面或水面，地面返回的射频信号经过接收天线进入微波接收系统，经低噪放和混频后产生中频信号，经增益控制和信号跟踪电路输出视频回波脉冲信号，经高度数据处理和计算电路、接口电路输出高度和状态信息送给飞行器上的其它设备。

现有脉冲无线电高度表采用的是模拟信号跟踪测距技术，信号跟踪测量包括对回波信号即目标的搜索、捕获和自动跟踪三个互相联系的部分。其中高度信号自动跟踪系统主要包含时间鉴别器、控制器和跟踪脉冲产生器三部分。回波信号通过接收机输出后，经过处理使之成为满足一定幅度要求的视频脉冲信号，将该信号和跟踪脉冲产生器输出的跟踪脉冲同时送入时间鉴别器。时间鉴别器对跟踪脉冲与回波脉冲在时间上加以比较，比较出它们之间的时间间隔。如果跟踪脉冲在时间上与回波脉冲完全重合，即两者的延迟时间相同则输出误差电压为零；反之将输出误差电压，误差电压大小与时间的差值成正比，通过其正负值表示跟踪脉冲与回波脉冲的前后相互关系。控制器读取误差电压，根据误差电压的正负和值的大小产生一个控制信号，该控制信号的作用是控制跟踪脉冲移动的时间和移动的方向，其目的是使跟踪脉冲相对于基准脉冲的延迟时间朝着与视频脉冲相对于基准脉冲的延迟时间相同的方向变化，使跟踪脉冲和视频脉冲完全重合。自动跟踪系统是一个闭环的随动系统，跟踪脉冲相对于基准脉冲的延迟时间随着视频脉冲相对于基准脉冲的延迟时间的变化而自动跟随变化。

用上述现有的模拟信号跟踪方法应用于雷达高度表进行测高,会存在以下不足:

随着飞机和导弹等高速度、高机动飞行器上装备的设备越来越多，电磁环境日益复杂，且多数飞机需要编队飞行，每架飞机上装备至少有一部无线电高度表,设备内部和设备之间存在着干扰，还存在其他机载雷达的同频干扰，当用模拟信号跟踪方法进行测高时,由于模拟跟踪电路对本机、他机回波信号或噪声信号不能有效识别，若多机编队飞行时，一架飞机上的无线电高度表可能会错误跟踪其他雷达的回波信号或跟踪噪声信号，这种错误的跟踪将会导致输出错误的测高结果，影响飞机编队飞行安全和正常跟踪。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种脉冲体制数字化无线电高度表，以避免与他机的无线电信号干扰，提高多机编队时的测高稳定性。

本发明的技术思路是：通过FPGA内部的脉冲时序产生逻辑产生随机的调制脉冲，信号调理电路产生两路高低幅值不同的两路视频脉冲，第一路送入FPGA内部的信号检测和跟踪逻辑，通过多个纳秒级距离门对第一路信号进行相关积累，当积累的脉冲数大于跟踪门限值时，根据距离门和视频脉冲重合产生停止脉冲；根据触发脉冲和停止脉冲的延迟时间采用数理统计的方法计算出高度；第二路送入FPGA内部的AGC控制逻辑，AGC控制逻辑对第二路视频脉冲进行二进制采样，根据采样的0或1产生AGC控制电压，控制接收机的灵敏度，使得不同回路衰减下接收机输出的第二路视频脉冲幅度控制在I/O门限幅值附近，即二进制采样的门限值附近，从而使得第一路视频脉冲的幅度比第二路视频脉冲大2倍左右，保证跟踪的稳定性和不同强弱的回波信号下的测高精度。

根据上述思路,本发明提出的脉冲体制数字化无线电高度表，包括：接收天线、发射天线、微波发射单元、微波接收单元、信号处理单元、接口单元和电源单元，其特征在于：信号处理单元,由FPGA及其信号调理电路组成，其包括：

脉冲时序功能模块，用于产生随机变化的发射机加电脉冲、调制脉冲及信号处理单元的同步脉冲；

信号调理电路，用于产生两路高低幅值不同的视频脉冲，且第一路视频脉冲的幅值是第二路视频脉冲的2倍，第一路视频脉冲送入信号检测和跟踪功能模块，第二路视频脉冲送入AGC增益控制功能模块；

信号检测与跟踪功能模块，用于对微波接收单元输出的回波信号进行同步积累后，进行跟踪定位，产生跟踪门，该跟踪门与第一路视频脉冲重合产生停止脉冲，送给高度计算功能模块；

高度计算功能模块,用于测量停止脉冲相对于发射触发脉冲的延迟时间，并采用脉冲统计计数的方式实现高度测量；

AGC增益控制功能模块，用于对信号调理电路输出的第二路视频脉冲进行二进制采样，根据采样的结果产生AGC控制电压，控制接收机的灵敏度，使得在不同回路衰减下第二路视频脉冲幅值等于采样门限，并且使信号调理电路输出的第一路视频脉冲的幅值为采样门限幅值的2倍，以保证信号检测与跟踪模块的跟踪检测稳定性和回波信号强弱变化时的测高精度；

参数控制功能模块，用于对高度表的剩余高度、灵敏度、噪声幅度、高度AGC曲线这些参数进行设置和存储，同时根据直达波的大小动态控制低高度灵敏度，根据噪声幅度动态控制高度表的跟踪门限值K；

接口控制功能模块，用于将高度及状态信息转换为符合EIA-RS-422A总线标准和HB 6096总线标准的信号，将符合HB 6096总线标准的信号与外部设备交联，接收外部设备输入的控制信息，根据该控制信息向其输出高度及状态信息；将符合EIA-RS-422A总线标准的信号与测试接口连接，用于设置高度表的内部参数和高度信息监测；

自检控制功能模块，用于周期性对高度表的状态信号进行检查，输出正常或故障信息。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明通过信号处理单元的脉冲时序功能模块发射随机变化的脉冲信号，信号检测和跟踪功能模块检测时对回波信号进行相关检测和积累，可避免跟踪他机信号或干扰信号，实现脉冲雷达高度表高稳定、高可靠性测距，解决了现有技术高度表多机编队和多部雷达同时工作时不能稳定测高的问题；

2.本发明通过信号处理单元的信号调理电路产生两路高低幅值不同的视频脉冲信号，实现了通过多门限进行信号的检测和跟踪以及AGC控制，有效解决了二进制采样处理的幅值量化误差，信号跟踪时能够使回波信号的幅度保持稳定，保证测高精度，即使在复杂的地形环境下和低信噪比下仍然能够实现信号的稳定跟踪，保证高度输出的可靠性；

3.本发明通过信号处理单元双前沿重合产生高度计算的停止脉冲和数理统计的方法进行高度计算，解决了数字处理方法中由于采样频率限制导致高度表分辨率较低和精度不高的问题。

4.本发明信号处理单元通过一块FPGA芯片实现，与其他数字处理方法相比外围电路大幅简化，与采用模拟跟踪的高度表相比，元器件数量更是大幅度减少便于实现小型化和低成本。

附图说明

图1是本发明的整体框图；

图2是本发明中的信号处理单元结构框图；

图3是本发明中的信号处理单元的信号检测与跟踪模块结构图；

图4是本发明中的信号处理单元的高度计算模块结构图；

图5是本发明中的微波发射单元结构图；

图6是本发明中的微波接收射单元结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细描述。

参照图1，本发明包括接收天线、发射天线、接收天线高频电缆、发射天线高频电缆、微波发射单元、微波接收单元、信号处理单元、接口单元和电源单元。微波发射单元在信号处理单元产生的随机触发脉冲控制下产生4300MHz的高频脉冲信号，由发射天线通过高频电缆传输到发射天线向地面辐射。接收天线将接收到的回波信号由接收天线通过高频电缆传输给微波接收单元，微波接收单元在信号处理单元产生的AGC控制电压的控制下对回波信号增益进行控制，输出视频脉冲信号给信号处理单元。信号处理单元对该视频脉冲信号进行跟踪定位，计算出高度，并将高度及状态信息转换为符合EIA-RS-422A总线标准和HB6096总线标准的信号。接口单元将信号处理单元输出的HB 6096总线标准和EIA-RS-422A总线标准的信号调制成符合HB 6096总线电平信号和EIA-RS-422A总线电平信号传输给外部机上的设备。电源单元将外部机上输入的28V直流电源进行滤波，通过DC/DC电源模块转换成为+5V和±12V直流电源，并将+5V直流电源分别供给信号处理单元和接口单元，将±12V直流电源分别供给微波发射单元、微波接收单元和接口单元。

参照图2，所述信号处理单元，由FPGA及信号调理电路组成，其包括脉冲时序功能模块1、信号调理电路2、信号检测与跟踪功能模块3、高度计算功能模块4、AGC增益控制功能模块5、参数控制功能模块6、接口控制功能模块7和自检控制功能模块8。其中：

所述脉冲时序功能模块1，用于产生随机变化加电脉冲、调制脉冲给微波发射单元，控制微波发射单元产生随机的高频脉冲信号，同时产生随机变化的同步脉冲给信号检测与跟踪功能模块3，进行跟踪检测的同步；

所述调理电路2，用于对微波接收单元输出的视频脉冲信号进行滤波和截噪声后产生两路高低幅值不同的视频脉冲，第一路视频脉冲送入信号检测和跟踪功能模块3及参数控制模块6，第二路视频脉冲送入AGC增益控制功能模块5；

所述信号检测与跟踪功能模块3，用于根据参数控制模块6输出的跟踪门限值，对信号调理电路2输出的第一路视频脉冲进行检测跟踪，产生跟踪门，该跟踪门与第一路视频脉冲重合产生停止脉冲，送给高度计算功能模块4；

所述高度计算功能模块4，用于根据脉冲时序功能模块1产生的触发脉冲和信号检测与跟踪功能模块3产生的停止脉冲进行高度计算，计算出当前高度，根据参数控制模块6输出的剩余高度参数对计算高度进行修正后输出给接口控制模块7；

所述AGC增益控制功能模块5，用于对信号调理电路2输出的第二路视频脉冲进行二进制采样，根据采样的数值与参数控制模块6输出的高度AGC曲线和低高度灵敏度参数比较输出AGC控制电压，控制微波接收单元的灵敏度，使得在不同回路衰减下第二路视频脉冲幅值等于采样门限，并且使信号调理电路2输出的第一路视频脉冲的幅值为采样门限幅值的2倍，以保证信号检测与跟踪模块3的跟踪检测稳定性和回波信号强弱变化时的测高精度；

所述参数控制模块6，由FPGA控制逻辑和FLASH芯片组成，用于实现四种功能：一是读取存储在FLASH芯片内的高度表的剩余高度参数、灵敏度参数、高度AGC曲线；二是对信号调理电路2输出第一路视频脉冲的纯噪声区进行采样得到跟踪门限值K；三是将剩余高度参数输出给高度计算模块4，将灵敏度参数、高度AGC曲线输出给AGC增益控制模块5,将跟踪门限值K输出给信号检测与跟踪模块3；四是读取接口控制功能模块7输入的剩余高度参数、灵敏度参数和高度AGC曲线修改指令，并对存储在FLASH芯片内的高度表的剩余高度参数、灵敏度参数、高度AGC曲线进行修改；

所述接口控制模块7，用于对高度计算功能模块4输入的高度信号和自检控制功能模块8输入的正常或故障信息转换为符合EIA-RS-422A总线标准和HB 6096总线标准的信号输出给接口单元；读取接口单元输入的剩余高度参数、灵敏度参数和高度AGC曲线修改的指令，将剩余高度参数、灵敏度参数和高度AGC曲线修改的数值输出给参数控制模块6；

所述自检控制功能模块8，用于周期性对高度表的状态信号进行检查，输出正常或故信息给接口控制模块7。

参照图3，所述信号处理单元的信号检测与跟踪功能模块3，包括距离延迟子模块31、距离门产生子模块32、脉冲积累检测子模块33和距离延迟控制子模块34。

所述距离延迟子模块31，用于根据距离延迟控制子模块34输出的延迟时间，产生一个相对同步脉冲延迟0us到80us之间的跟踪门输出给距离门产生子模块32；

距离门产生子模块32，用于根据距离延迟子模块31输出的跟踪门与采样时钟重合，产生宽度为10ns的多个相邻的距离门输出给脉冲积累检测子模块33；

脉冲积累检测子模块33，用于根据距离延迟控制子模块34输入的移位控制信息，对距离门进行移位操作，同步读取各距离门下信号调理电路2输出的第一路视频脉冲采样值0或1,对每个距离门下的第一路视频脉冲采样值为1的个数进行计数，当M个采样周期采样到1的个数大于跟踪门限K时，输出高电平的有效信号给距离延迟控制子模块34；

距离延迟控制子模块34，用于根据各距离门下脉冲积累检测子模块33输出有效信号的结果，控制距离延迟子模块31的跟踪门的移动方向及距离门产生子模块32中各距离门移动方向，使得第一路视频脉冲前沿与跟踪门的位置保持不变，同时输出移位控制信息给脉冲积累检测子模块33进行M-1次积累数据的移位操作。

参照图4，为本发明信号处理单元的高度计算模块4，高度计算功能模块4由触发器、时间间隔/脉冲数变换器、脉冲计数器、数理统计计数器组成。其中：

所述触发器41，用于根据脉冲时序功能模块1输出的发射触发脉冲和信号检测与跟踪模块3输出的停止脉冲通过触发器形成高度门，输出给时间间隔/脉冲数变换器42和数理统计计数器44；

所述时间间隔/脉冲数变换器42，用于根据触发器41输出的高度门通过时间间隔/脉冲数变换器形成脉冲串，输出给脉冲计数器43；

所述脉冲计数器43，用于对时间间隔/脉冲数变换器42输出的脉冲串进行计数，将计数脉冲转换成高度输出给接口控制模块7，根据数理统计计数器44输出的清除脉冲对脉冲计数器进行清零；

所述数理统计计数器44，用于对触发器41输出的高度门进行计数，当计数值等于512时产生清除脉冲，输出给脉冲计数器43。

参照图5，所述的微波发射单元，由频率综合器、调制器和脉冲功率放大器组成。频率综合器产生4300MHz高频信号，在信号处理单元输出的触发脉冲控制下，通过调制器将频率综合器输出的4300MHz高频信号调制形成频率4300MHz的高频脉冲信号，脉冲功率放大器将调制器输出的4300MHz的高频脉冲信号进行功率放大，传输到发射天线向地面辐射。

参照图6，所述微波接收单元，由限幅器、低噪声放大器、频率综合器、混频器、中频放大器、视频放大器和自动增益控制电路组成。接收天线输入的射频回波脉冲，经过限幅器限幅后输出给低噪声放大器；低噪声放大器对限幅器输出的射频回波脉冲进行前置放大后输出给混频器；频率综合器产生4240MHz的本振信号输出给混频器；混频器对低噪声放大器输出的射频回波脉冲信号与频率综合器输出的4240MHz的本振信号进行混频，得到变频为60MHz的中频脉冲信号输出给中频放大器；中频放大器根据自动增益控制电路输出的增益控制电压，对混频器输出的60MHz的中频脉冲信号进行放大并检波出视频脉冲信号输出给视频放大器；视频放大器对中频放大器输出的视频脉冲信号进行放大并输出到信号处理单元；自动增益控制电路，用于根据信号处理单元输入的AGC增益控制电压，对中频放大器的增益进行控制，以保持视频脉冲幅度稳定。

本发明的效果可通过以下试验进一步证明：

1.测高精度试飞验证：

飞机在雷达高度表的测高范围12000m内，选择300m、500m、1000m、3000m、6000m、8000m和11000m这些不同的高度层飞行。通过光电经纬仪跟踪测量飞机的飞行轨迹参数或差分GPS结合数字地形高程得到飞机的真实高度，将飞机的真实高度与本发明测试的雷达高度进行比较，得到本发明测高精度误差统计，如表1。

表1雷达高度表测高精度统计

序号	高度层(H)	指标	误差均值	误差方差(2δ)
					1	300m	±4.5	-0.81	1.25m
2	500m	±7.5	-1.47	3.07m
					3	1000m	±15	1.65	7.48m
4	3000m	±45	2.29	14.52m
					5	6000m	±90	2.87	23.75m
6	8000m	±120	7.64	23.71m
					7	11000m	±165	-6.79	22.16m

通过表1可以看出，本发明高度表的测高精度满足指标规定的：1m或1％H。

2.同频干扰试验、电磁兼容和电源特性试验

将本发明的脉冲雷达高度表装在机上进行试飞验证，高度表输出稳定；

在试验室进行高度表的同频干扰试验，8部高度表同时工作未受干扰；

在高度表跟踪临界状态进行电磁兼容敏感度相关试验，高度表均跟踪正常，未受干扰；

综上，通过试飞、同频干扰试验、电磁兼容和电源特性试验，表明本发明可以避免与他机的信号干扰，提高多机编队时的测高稳定性。

Claims (5)

1.一种数字化脉冲体制的无线电高度表，包括：接收天线、发射天线、微波发射单元、微波接收单元、信号处理单元、接口单元和电源单元，其特征在于：信号处理单元由FPGA及其信号调理电路组成，其包括：

脉冲时序功能模块(1)，用于产生随机变化的发射机加电脉冲、调制脉冲及信号处理单元的同步脉冲；

信号调理电路(2)，用于产生两路高低幅值不同的视频脉冲，且第一路视频脉冲的幅值是第二路视频脉冲的2倍，第一路视频脉冲送入信号检测和跟踪功能模块(3)，第二路视频脉冲送入AGC增益控制功能模块(5)；

信号检测和跟踪功能模块(3)，用于对微波接收单元输出的回波信号进行同步积累后，进行跟踪定位，产生跟踪门，该跟踪门与第一路视频脉冲重合产生停止脉冲，送给高度计算功能模块(4)；

高度计算功能模块(4),用于测量停止脉冲相对于发射触发脉冲的延迟时间，并采用脉冲统计计数的方式实现高度测量；

AGC增益控制功能模块(5)，用于对信号调理电路(2)输出的第二路视频脉冲进行二进制采样，根据采样的结果产生AGC控制电压，控制接收机的灵敏度，使得在不同回路衰减下第二路视频脉冲幅值等于采样门限，并且使信号调理电路(2)输出的第一路视频脉冲的幅值为采样门限幅值的2倍，以保证信号检测和跟踪功能模块(3)的跟踪检测稳定性和回波信号强弱变化时的测高精度；

参数控制功能模块(6)，用于对高度表的剩余高度、灵敏度、噪声幅度、高度AGC曲线这些参数进行设置和存储，同时根据直达波的大小动态控制低高度灵敏度，根据噪声幅度动态控制高度表的跟踪门限值K；

所述FPGA中还包括：

接口控制功能模块(7)，用于将高度及状态信息转换为符合EIA-RS-422A总线标准和HB6096总线标准的信号，将符合HB 6096总线标准的信号与外部设备交联，接收外部设备输入的控制信息，根据该控制信息向其输出高度及状态信息；将符合EIA-RS-422A总线标准的信号与测试接口连接，用于设置高度表的内部参数和高度信息监测；

自检控制功能模块(8)，用于周期性对高度表的状态信号进行检查，输出正常或故障信息；

所述信号检测和跟踪功能模块(3)，包括：

距离延迟子模块(31)，用于在距离延迟控制子模块(34)的控制下，根据其输入的延迟时间，产生一个相对同步脉冲延迟0us到80us之间的跟踪门；

距离门产生子模块(32)，用于跟踪门和采样时钟重合，产生宽度为10ns的多个相邻的距离门；

脉冲积累检测子模块(33)，用于根据距离延迟控制子模块(34)输入的移位控制信息，对距离门进行移位操作，读取当前距离门下的视频脉冲采样值0或1,对每个距离门下的脉冲采样值为1的个数进行计数，当M个采样周期采样到1的个数大于跟踪门限K时，输出高电平的有效信号；

距离延迟控制子模块(34)，用于根据每个距离门下脉冲积累检测子模块(33)输出有效信号的结果，控制距离延迟子模块(31)的跟踪门的移动方向及距离门产生子模块(32)中各距离门移动方向，使得第一路视频脉冲前沿与跟踪门的位置保持不变，同时控制脉冲积累检测子模块(33)进行M-1次积累数据的移位操作。

2.根据权利要求1所述的数字化脉冲体制无线电高度表，其特征在于，微波发射单元，包括：

频率综合器，用于产生4300MHz高频信号；

调制器，用于在信号跟踪处理单元产生的触发脉冲的控制下，通过微波开关将频率综合器输出的4300MHz高频信号调制形成工作频率4300MHz的高频脉冲信号；

脉冲功率放大器，将调制器输出的4300MHz的高频脉冲信号进行功率放大，传输到发射天线向地面辐射。

3.根据权利要求1所述的数字化脉冲体制无线电高度表，其特征在于，微波接收单元，包括：

限幅器，用于对接收天线输入的射频回波脉冲进行限幅；

低噪声放大器，用于对限幅器输出的射频回波脉冲进行前置放大；

频率综合器，用于产生4240MHz的本振信号；

混频器，用于对低噪声放大器输出的射频回波脉冲信号与频率综合器输出的4240MHz的本振信号进行混频，得到变频为60MHz的中频脉冲信号；

中频放大器，用于对混频器输出的60MHz的中频脉冲信号进行放大并检波出视频脉冲信号；

视频放大器，用于对中频放大器输出的视频脉冲信号进行放大并输出到信号处理单元；

自动增益控制电路，用于根据信号处理单元输入的AGC增益控制电压，对中频放大器的增益进行控制，以保持视频脉冲幅度稳定。

4.根据权利要求1所述的数字化脉冲体制无线电高度表，其特征在于，电源单元，包括：

滤波电路，用于将机上输入的28V直流电源进行滤波；

DC/DC电源模块，用于将滤波电路滤波输出的直流28V电源变换为+5V和±12V直流电源，并将+5V直流电源分别供给信号处理单元和接口单元，将±12V直流电源分别供给微波发射单元、微波接收单元和接口单元。

5.根据权利要求1所述的数字化脉冲体制无线电高度表，其特征在于，接口单元，包括：

HB 6096总线驱动器，用于在信号处理单元输出的TTL电平的总线信号控制下，将总线信号调制为双极型归零的HB 6096总线信号；

HB 6096总线接收器，用于将外部设备输入的双极型归零的的HB 6096总线信号解调为TTL电平信号；

EIA-RS-422A总线收发器，用于将信号处理单元输出的TTL电平信号转换为符合EIA-RS-422A总线电平的信号，同时将外部输入的EIA-RS-422A总线电平信号转换为TTL电平信号给信号处理单元。