CN108931759A - 一种基于接收通道复用的连续波雷达相位干涉测角方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于接收通道复用的连续波雷达相位干涉测角方法，能够在较低资源代价下实现低信噪比雷达回波的高精度相位干涉测角。连续波雷达的天线阵列由L支测角天线构成，设置天线切换控制信号，控制各接收通道接收到的连续波信号通过多选一开关，产生时分复用的单通道测角信号。将天线切换控制信号进行与接收通道延迟匹配的延迟处理后生成分选控制信号。针对时分复用的单通道测角信号进行信号处理后得到包含同相和正交支路的复基带信号。在分选控制信号控制下，对复基带信号进行分选，得到L路独立脉冲调制接收信号，分段积分后，恢复成连续波信号，得到L路独立的测量信号，进行锁相跟踪，提取载波相位信息完成相位干涉测角。

Description

一种基于接收通道复用的连续波雷达相位干涉测角方法

技术领域

本发明涉及微波雷达测量技术领域，具体涉及一种基于接收通道复用的连续波雷达相位干涉测角方法。

背景技术

在相位干涉仪测角系统中,通常利用与天线单元一一互连的多个独立通道接收雷达回波，利用各接收通道输出信号的相位进行测角。然而，由于接收通道元器件固有的不一致以及工作温度对接收通道影响的不一致等原因，相位干涉仪的各个测角通道一般存在相位延迟误差，且该相位延迟误差随时间漂移，严重影响了干涉仪测角的精度。2011年，韩月涛、吴嗣亮、潘玮萍等在《电子测量与仪器学报》第25卷第8期第682-687页发表的《干涉仪宽带实时校准方法研究》一文中，提出了一种利用校准信号对接收通道相位延迟进行在线标校的方法，但该方法需要额外设计一路校准信号产生电路，增加了硬件资源开销。2016年，谭世川、吴伟佳《电子信息对抗技术》第31卷第3期第12-15页发表的《单通道干涉仪测向方法仿真研究》一文中，提出了一种通道复用简单脉冲体制雷达测角的方法，所提方法使用模拟鉴相器进行载波相位测量，因此要求雷达回波具有较高的信噪比，限制了该方法在微弱目标雷达探测领域的应用。

目前尚未有一种测角方法能够在较低资源代价下实现低信噪比雷达回波的高精度相位干涉测角。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于接收通道复用的连续波雷达相位干涉测角方法，能够在较低资源代价下实现低信噪比雷达回波的高精度相位干涉测角。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供的一种基于接收通道复用的连续波雷达相位干涉测角方法，包括如下步骤：

连续波雷达的天线阵列由L支测角天线构成，则每个测角天线作为一个接收通道，设置天线切换控制信号，天线切换控制信号用于控制各接收通道接收到的连续波信号通过多选一开关，产生时分复用的单通道测角信号。

将天线切换控制信号进行与接收通道延迟匹配的延迟处理后生成分选控制信号。

针对时分复用的单通道测角信号进行信号处理后得到包含同相和正交支路的复基带信号。

在分选控制信号控制下，对复基带信号进行分选，得到L路独立脉冲调制接收信号。

对L路独立的脉冲调制接收信号进行分段积分，并将分段积分后的L路独立的脉冲调制接收信号恢复成连续波信号，获得L路独立的测量信号。

对L路独立的测量信号分别进行锁相跟踪，提取载波相位信息完成相位干涉测角。

进一步地，各接收通道接收到的连续波信号分别为：

s_r,l(t)为第l个接收通道在t时刻接收到的连续波信号；f_c为连续波雷达的载波信号频率；为第l个接收通道对应测角天线在t时刻接收雷达回波的相位。

天线切换控制信号用于控制各接收通道接收到的连续波信号通过多选一开关，产生时分复用的单通道测角信号，时分复用的单通道测角信号为：

其中，rect(·)为矩形函数；T_switch为根据天线切换控制信号确定的接收通道切换周期，p＝0,1,2,…为天线切换周期整周数。

进一步地，针对时分复用的单通道测角信号进行信号处理后得到包含同相和正交支路的复基带信号，包括：

针对时分复用的单通道测角信号s_r(t)进行下变频处理，得到中频接收信号s_IF(t)。

对中频接收信号s_IF(t)按照预先设定的采样率f_s进行模数转换后，得到数字中频信号：

其中N_delay为离散化的t_delay，N_delay＝t_delay·f_s；N_switch为离散化的T_switch，N_switch＝f_s·T_switch；l＝1,2,…,L；f_IF是指中频接收信号s_IF(t)的频率；离散化之后的k是指离散化之后的t。

利用同相数字载波cos(2π·k·f_IF/f_s)和正交数字载波-sin(2π·k·f_IF/f_s)，对数字中频信号s_IF(k)进行数字正交下变频，得到包含同相和正交支路的复基带信号S_I(k)+jS_Q(k)。

其中j为虚部符号，S_I(k)为复基带信号的实部，S_Q(k)为复基带信号的虚部。

进一步地，在分选控制信号控制下，对复基带信号进行分选，得到L路独立脉冲调制接收信号，具体为:

对复基带信号S_I(k)+jS_Q(k)进行分选，得到L路独立的测角脉冲调制信号S_I,l(k)+jS_Q,l(k)(l＝1,2,…L)，其中实部S_I,l(k)、虚部S_Q,l(k)表达式分别为：

进一步地，对L路独立的脉冲调制接收信号进行分段积分，并将分段积分后的L路独立的脉冲调制接收信号恢复成连续波信号，获得L路独立的测量信号，具体为：

对L路S_I,l(k)、L路S_Q,l(k)分别进行N_acc点分段积分，其中N_acc为设定的分段积分点数，取值N_acc>N_switch，累加抽取的同时实现低通滤波，得到：

L路独立的复测量信号I_l(m)+jQ_l(m)(l＝1,2,…,L)，I_l(m)为实部，Q_l(m)为虚部。

有益效果：

1)本发明采用的基于接收通道复用的相位干涉测角方法，有效避免了传统多通道相位干涉仪接收通道不同引入的相位延迟不一致，大幅提高了干涉测角的精度。且本发明提供的测角方法相比传统的多通道接收机相位干涉测角方法，有效节省了硬件资源。

2)本发明通过对分选后的多路信号进行分段积分，在实现累加抽取的同时起到了低通滤波作用，避免了设计额外的低通滤波器，实现简单，代价低。

附图说明

图1为本发明提供的基于接收通道复用的连续波雷达相位干涉测角方法流程图；

图2为本发明提供的基于接收通道复用的连续波雷达相位干涉测角方法原理框图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于接收通道复用的连续波雷达相位干涉测角方法，其流程如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤一、连续波雷达的天线阵列由L支测角天线构成，则每个测角天线作为一个接收通道，设置天线切换控制信号，天线切换控制信号用于控制各接收通道接收到的连续波信号通过多选一开关，产生时分复用的单通道测角信号。

步骤二、将天线切换控制信号进行与接收通道延迟匹配的延迟处理后生成分选控制信号。

步骤三、针对时分复用的单通道测角信号进行信号处理后得到包含同相和正交支路的复基带信号。

步骤四、在分选控制信号控制下，对复基带信号进行分选，得到L路独立脉冲调制接收信号。在该步骤中通过对分选后的多路信号进行分段积分，在实现累加抽取的同时起到了低通滤波作用，避免了设计额外的低通滤波器，实现简单，代价低。

步骤五、对L路独立的脉冲调制接收信号进行分段积分，并将分段积分后的L路独立的脉冲调制接收信号恢复成连续波信号，获得L路独立的测量信号。

步骤六、对L路独立的测量信号分别进行锁相跟踪，提取载波相位信息完成相位干涉测角。

本发明采用的基于接收通道复用的相位干涉测角方法，有效避免了传统多通道相位干涉仪接收通道不同引入的相位延迟不一致，大幅提高了干涉测角的精度。且相比传统的多通道接收机相位干涉测角方法，有效节省了硬件资源。

实施例1

本实施例依据本发明的设计原理，通过如图2所示的结构原理图实现连续波雷达相位干涉测角。

步骤一、连续波雷达的天线阵列由L支测角天线构成，L为大于1的正整数；则每个测角天线作为一个接收通道，设置天线切换控制信号，天线切换控制信号用于控制各接收通道接收到的连续波信号通过多选一开关，产生时分复用的单通道测角信号。天线切换控制信号可以在FPGA芯片中进行设置。

各接收通道接收到的连续波信号分别为：

其中s_r,l(t)为第l个接收通道在t时刻接收到的连续波信号，该种表达形式为常见的连续波信号表达形式，其他连续波信号表达形式也可以转换为该种表达形式；f_c为连续波雷达的载波信号频率；为第l个接收通道对应测角天线在t时刻接收雷达回波的相位。

天线切换控制信号用于控制各接收通道接收到的连续波信号通过多选一开关，产生时分复用的单通道测角信号，时分复用的单通道测角信号为：

其中，rect(·)为矩形函数，定义为：

T_switch为根据天线切换控制信号确定的接收通道切换周期，p＝0,1,2,…为天线切换周期整周数。

步骤二、将天线切换控制信号进行与接收通道延迟匹配的延迟处理后生成分选控制信号，分选控制信号在FPGA芯片中设置。

步骤三，针对时分复用的单通道测角信号进行信号处理后得到包含同相和正交支路的复基带信号，其中信号处理包括下变频处理、数模转换以及数字正交下变频，在下变频处理之前还可以进行放大滤波等常规的信号处理。

其中下变频处理可以采用混频器进行，如图2所示，采用混频器针对时分复用的单通道测角信号s_r(t)进行下变频处理，得到中频接收信号s_IF(t)；

数模转换可以采用数模转换器进行，如图2所示，采用数模转换器对中频接收信号s_IF(t)按照预先设定的采样率f_s进行模数转换后，得到数字中频信号：

其中N_delay为离散化的t_delay，N_delay＝t_delay·f_s；

N_switch为离散化的T_switch，N_switch＝f_s·T_switch，；

l＝1,2,…,L；

f_IF是指中频接收信号s_IF(t)的频率；

离散化之后的k是指离散化之后的t；

数字正交下变频可以采用FPGA进行处理，如图2所示，利用同相数字载波cos(2π·k·f_IF/f_s)和正交数字载波-sin(2π·k·f_IF/f_s)，对数字中频信号s_IF(k)进行数字正交下变频，得到包含同相和正交支路的复基带信号S_I(k)+jS_Q(k)；其中j为虚部符号，S_I(k)为复基带信号的实部，S_Q(k)为复基带信号的虚部。

步骤四、在分选控制信号控制下，对复基带信号进行分选，得到L路独立脉冲调制接收信号，具体为:

对复基带信号进行分选，可以在FPGA中执行，如图2所示，在FPGA中集成数据分选模块对复基带信号S_I(k)+jS_Q(k)进行分选，得到L路独立的测角脉冲调制信号S_I,l(k)+jS_Q,l(k)(l＝1,2,…L)，其中实部S_I,l(k)、虚部S_Q,l(k)表达式分别为：

步骤五、对L路独立的脉冲调制接收信号进行分段积分，并将分段积分后的L路独立的脉冲调制接收信号恢复成连续波信号，获得L路独立的测量信号，具体为：

对L路独立的脉冲调制接收信号进行分段积分，可以在FPGA中执行，如图2所示，在FPGA中集成分段积分模块对L路S_I,l(k)、L路S_Q,l(k)分别进行N_acc点分段积分，其中N_acc为设定的分段积分点数，取值N_acc>N_switch，累加抽取的同时实现低通滤波，得到：

L路独立的复测量信号I_l(m)+jQ_l(m)(l＝1,2,…,L)，I_l(m)为实部，Q_l(m)为虚部。

步骤六、对L路独立的测量信号分别进行锁相跟踪，提取载波相位信息完成相位干涉测角。

具体地，可以在FPGA中执行，如图2所示，在FPGA中集成载波相位跟踪模块执行对L路独立的测量信号分别进行锁相跟踪，在FPGA中集成相位干涉测角模块执行对载波相位信息的相位干涉测角。

实施例2

本实施例中，假设接收机采用L＝4路天线，分别为天线1、天线2、天线3和天线4；接收信号射频频率f_c＝13GHz，中频信号频率f_IF＝16MHz，采样率f_s＝64MHz，开关切换周期为T_switch＝10μs，对应采样点数N_switch＝640，单次切换时间2.5μs；由开关切换到数字中频信号输入FPGA的电路延时t_delay＝1μs，电路延迟对应的时钟周期个数N_delay＝64。

1)通过4支独立天线单元接收无线射频信号l＝1,2,3,4；

2)利用高速切换开关，依次在4路天线间快速切换，产生时分复用的单通道测角信号

其中，p＝0,1,2,…为天线切换周期整周数，l＝1,2,3,4。将天线切换控制信号延时1μs后作为分选控制信号；

3)通过混频器将合并后的单通道射频信号s_r(t)下变频为中频信号s_IF(t)

4)对中频信号按照采样率f_s＝64MHz进行模数转换得到数字中频信号

其中q＝0,1,2,…为天线切换周期整周数，将s_IF(k)输入通道处理FPGA；

5)FPGA产生本地同相数字载波cos(2π·k·f_IF/f_s)和正交数字载波-sin(2π·k·f_IF/f_s)，对s_IF(k)进行数字正交下变频，得到S_I(k)+jS_Q(k)复基带信号；

6)在分选控制信号的控制下，对S_I(k)、S_Q(k)数据分离得到4路测角通道信号：

7)对S_I,l(k)、S_Q,l(k)分别进行N_acc＝512000点分段积分，累加抽取的同时实现了低通滤波功能，提取出连续波测角基准分量I_l(m)、Q_l(m)：

8)对4路独立的复测量信号I_l(m)+jQ_l(m)(l＝1,2,3,4)分别进行锁相跟踪，分别实现对4支天线单元接收信号的原始载波相位的测量。

9)利用4个测量值，通过相位干涉原理进行角度测量。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于接收通道复用的连续波雷达相位干涉测角方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

所述连续波雷达的天线阵列由L支测角天线构成，则每个测角天线作为一个接收通道，设置天线切换控制信号，所述天线切换控制信号用于控制各接收通道接收到的连续波信号通过多选一开关，产生时分复用的单通道测角信号；

将所述天线切换控制信号进行与接收通道延迟匹配的延迟处理后生成分选控制信号；

针对所述时分复用的单通道测角信号进行信号处理后得到包含同相和正交支路的复基带信号；

在所述分选控制信号控制下，对所述复基带信号进行分选，得到L路独立脉冲调制接收信号；

对L路独立的脉冲调制接收信号进行分段积分，并将分段积分后的L路独立的脉冲调制接收信号恢复成连续波信号，获得L路独立的测量信号；

对所述L路独立的测量信号分别进行锁相跟踪，提取载波相位信息完成相位干涉测角。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各接收通道接收到的连续波信号分别为：

s_r,l(t)为第l个接收通道在t时刻接收到的连续波信号；

f_c为所述连续波雷达的载波信号频率；

为第l个接收通道对应测角天线在t时刻接收雷达回波的相位；

所述天线切换控制信号用于控制各接收通道接收到的连续波信号通过多选一开关，产生时分复用的单通道测角信号，所述时分复用的单通道测角信号为：

其中，rect(·)为矩形函数；

T_switch为根据所述天线切换控制信号确定的接收通道切换周期，p＝0,1,2,…为天线切换周期整周数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述针对所述时分复用的单通道测角信号进行信号处理后得到包含同相和正交支路的复基带信号，包括：

针对所述时分复用的单通道测角信号s_r(t)进行下变频处理，得到中频接收信号s_IF(t)；

对所述中频接收信号s_IF(t)按照预先设定的采样率f_s进行模数转换后，得到数字中频信号：

其中N_delay为离散化的t_delay，N_delay＝t_delay·f_s；

N_switch为离散化的T_switch，N_switch＝f_s·T_switch，；

l＝1,2,…,L；

f_IF是指中频接收信号s_IF(t)的频率；

离散化之后的k是指离散化之后的t；

利用同相数字载波cos(2π·k·f_IF/f_s)和正交数字载波-sin(2π·k·f_IF/f_s)，对数字中频信号s_IF(k)进行数字正交下变频，得到包含同相和正交支路的复基带信号S_I(k)+jS_Q(k)；

其中j为虚部符号，S_I(k)为复基带信号的实部，S_Q(k)为复基带信号的虚部。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在所述分选控制信号控制下，对所述复基带信号进行分选，得到L路独立脉冲调制接收信号，具体为:

对所述复基带信号S_I(k)+jS_Q(k)进行分选，得到L路独立的测角脉冲调制信号S_I,l(k)+jS_Q,l(k)(l＝1,2,…L)，其中实部S_I,l(k)、虚部S_Q,l(k)表达式分别为：

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对L路独立的脉冲调制接收信号进行分段积分，并将分段积分后的L路独立的脉冲调制接收信号恢复成连续波信号，获得L路独立的测量信号，具体为：

对L路S_I,l(k)、L路S_Q,l(k)分别进行N_acc点分段积分，其中N_acc为设定的分段积分点数，取值N_acc>N_switch，累加抽取的同时实现低通滤波，得到：

L路独立的复测量信号I_l(m)+jQ_l(m)(l＝1,2,…,L)，I_l(m)为实部，Q_l(m)为虚部。