CN110596659A - 一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号处理领域，公开了一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法，本发明一共包括七个步骤：校准控制、校准脉冲编码、校准源发射、校准信号接收、校准信号采样上报、校准补偿值计算下发、接收信号补偿运算；该方法不需要额外搭建外部校准环境，通过二次雷达内部的软硬件实现，降低对外部环境的需求和维护成本；同时，可以在二次雷达使用过程中对和/差通道幅相进行实时校准，提高二次雷达的目标测角精度。

Description

一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域，尤其涉及一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法。

背景技术

二次雷达能够精确探测飞机的方位、高度、速度信息，广泛运用于军民航路飞行监视、日常及军演飞行保障等空中交通管制领域。在二次雷达中应用单脉冲测角技术可以大大提高对目标的探测精度，而单脉冲测角技术需要准确得到和/差两个波束的幅相，进而计算得到准确的符号位和目标角度，由于前端模拟接收通道的差异性，导致传输给后端数字处理设备的和/差通道信号的幅相特性相较于天线端存在较大的偏差，从而导致计算得到的目标角度出现较大偏差。

现有的校准方法，需要在暗室进行测试对和/差通道的幅相特性进行标定，然后在设备里进行固定补偿，但由于出厂后的使用环境存在很大的差异以及日常维护和检修，都可能造成和/差通道的特性出现变化，最终导致传输给后端数字处理设备的和/差通道信号的幅相特性相较于天线端存在较大的偏差，影响符号位计算和目标测角的精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法，该方法可以通过二次雷达内部的软硬件实现,在二次雷达使用过程中对和/差通道幅相进行实时校准，提高二次雷达的目标测角精度。

本发明采用的技术方案如下：一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法，包括：

步骤1：由信号处理CPU下发第一校准参数、第二校准参数和校准命令给信号处理FPGA，产生校准触发；

步骤2：信号处理FPGA在校准命令触发生效时，根据信号处理CPU下发的第一校准参数，进行校准编码，并输出校准编码信号；通过修改设置不同的校准参数得到不一样的编码信号；

步骤3：接收模块内的校准源接收信号处理FPGA输送过来的校准编码信号，并将校准编码信号调制为校准信号，然后将校准信号分别发送到接收模块的和通道与差通道；

步骤4：接收模块通过和通道与差通道分别接收校准源发送的校准信号，并将校准信号转换成数字I/Q信号，发送给信号处理FPGA；

步骤5：信号处理FPGA按照信号处理CPU下发的校准参数确定采样时刻，分别对和通道与差通道的数字I/Q信号进行采样，并将得到的校准采样I/Q值上报给信号处理CPU；

步骤6：信号处理CPU利用接收到的校准采样I/Q值，计算和通道与差通道的I/Q补偿系数并下发给信号处理FPGA；

步骤7：信号处理FPGA利用信号处理CPU下发的I/Q补偿系数，对和通道与差通道的原始接收的I/Q数据进行补偿运算。

进一步的，所述校准编码信号包括校准源功放开关信号AM和编码脉冲信号ASK。

进一步的，所述第一校准参数包括：校准编码信号AM前沿滞后校准触发时间、校准编码信号ASK前沿滞后校准触发时间、校准编码信号AM宽度和校准编码信号ASK脉冲宽度；所述第二校准参数包括校准编码采样点滞后AM前沿时间。

进一步的，所述步骤3中，校准信号为频率1090Mhz的模拟信号。

进一步的，所述步骤3中，校准信号通过射频连接线和环形器发送到接收模块的和通道与差通道，保证校准信号的稳定输送。

进一步的，所述步骤6中，将和通道的校准采样I/Q值用I_{Σ_cal}和Q_{Σ_cal}表示，和通道的校准采样I/Q补偿系数用I_{Σ_bc}和Q_{Σ_bc}表示，差通道的校准采样I/Q值用I_{Δ_cal}和Q_{Δ_cal}表示，差通道的校准采样I/Q补偿系数用I_{Δ_bc}和Q_{Δ_bc}表示，则和通道与差通道的I/Q补偿系数的计算公式如下：

I_{Σ_bc}＝(A_cal/A_{Σ_cal})*COS(-θ_{Σ_cal})；

Q_{Σ_bc}＝(A_cal/A_{Σ_cal})*SIN(-θ_{Σ_cal})；

I_{Δ_bc}＝(A_cal/A_{Δ_cal})*COS(-θ_{Δ_cal})；

Q_{Δ_bc}＝(A_cal/A_{Δ_cal})*SIN(-θ_{Δ_cal})；

其中A_{Σ_cal}表示和通道幅度，θ_{Σ_cal}表示和通道相位；A_{Δ_cal}表示差通道幅度，θ_{Δ_cal}表示差通道相位。

进一步的，所述和通道幅度A_{Σ_cal}的表达公式为：

所述和通道相位θ_{Σ_cal}的表达公式为：

θ_{Σ_cal}＝ATAN(Q_{Σ_cal}/I_{Σ_cal})；

所述差通道幅度A_{Δ_cal}的表达公式为：

所述差通道相位θ_{Δ_cal}的表达式为：

θ_{Δ_cal}＝ATAN(Q_{Δ_cal}/I_{Δ_cal})；

所述校准参考幅度A_cal的值为将A_{Σ_cal}与A_{Δ_cal}相比较大的值。

进一步的，所述步骤7中，将和通道的接收信号I/Q原始值用I_Σ和Q_Σ表示，和通道的接收信号I/Q补偿后的值用I′_Σ和Q′_Σ表示，差通道的接收信号I/Q原始值用I_Δ和Q_Δ表示，差通道的接收信号I/Q补偿后的值用I_{Δ_bc}和Q_{Δ_bc}表示，则和通道与差通道的接收信号I/Q补偿后的值计算公式如下：

I′_Σ＝(I_Σ*I_{Σ_bc}-Q_Σ*Q_{Σ_bc})；

Q′_Σ＝(I_Σ*Q_{Σ_bc}+Q_Σ*I_{Σ_bc})；

I′_Δ＝(I_Δ*I_{Δ_bc}-Q_Δ*Q_{Δ_bc})；

Q′_Δ＝(I_Δ*Q_{Δ_bc}+Q_Δ*I_{Δ_bc})。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明不需要额外搭建外部校准环境，通过二次雷达内部的软硬件实现，降低对外部环境的需求和维护成本；同时，可以在二次雷达使用过程中对和/差通道幅相进行实时校准，提高二次雷达的目标测角精度。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

如图1所示，一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法，包括以下7个步骤：校准控制、校准脉冲编码、校准源发射、校准信号接收、校准信号采样上报、校准补偿值计算下发、接收信号补偿运算。

步骤1：校准控制

由信号处理CPU下发第一校准参数和第二校准参数给信号处理FPGA(现场可编程门阵列,下同)，第一校准参数包括：校准编码信号AM(校准源功放开关信号，下同)前沿滞后校准触发时间、校准编码信号ASK(编码脉冲信号，下同)前沿滞后校准触发时间、校准编码信号AM宽度和校准编码信号ASK脉冲宽度等；第二校准参数包括校准编码采样点滞后AM前沿时间等；通过修改设置不同的参数，得到想要的处理结果。

同时，由信号处理CPU下发校准命令给信号处理FPGA，产生校准触发。

步骤2：校准脉冲编码

信号处理FPGA按照信号处理CPU下发的第一校准参数，在校准触发有效时进行校准编码，输出校准编码信号AM和ASK。

步骤3：校准源发射

接收模块的校准源接收信号处理FPGA送过来的校准编码信号AM和ASK，并调制为校准信号，校准信号为1090Mhz模拟信号；然后把校准信号发送到接收模块的和/差通道(和/差通道表示和通道与差通道，下同)。

步骤4：校准信号接收

接收模块通过和/差通道分别接收校准源发送的校准信号(1090Mhz模拟信号)，转换成数字I/Q信号后，发送给信号处理FPGA。

步骤5：校准信号采样上报

信号处理FPGA按照信号处理CPU下发的第二校准参数(校准编码采样点滞后AM前沿时间)确定采样时刻，对和/差通道的校准I/Q信号进行采样并上报给信号处理CPU。

步骤6：校准补偿值计算下发

信号处理CPU利用接收到的校准采样I/Q值，计算和/差通道的I/Q补偿系数并下发给信号处理FPGA。

将和通道的校准采样I/Q值用I_{Σ_cal}和Q_{Σ_cal}表示，和通道的校准采样I/Q补偿系数用I_{Σ_bc}和Q_{Σ_bc}表示，差通道的校准采样I/Q值用I_{Δ_cal}和Q_{Δ_cal}表示，差通道的校准采样I/Q补偿系数用I_{Δ_bc}和Q_{Δ_bc}表示，则和通道与差通道的I/Q补偿系数的计算公式如下：

I_{Σ_bc}＝(A_cal/A_{Σ_cal})*COS(-θ_{Σ_cal})……………………(1)；

Q_{Σ_bc}＝(A_cal/A_{Σ_cal})*SIN(-θ_{Σ_cal})……………………(2)；

I_{Δ_bc}＝(A_cal/A_{Δ_cal})*COS(-θ_{Δ_cal})……………………(3)；

Q_{Δ_bc}＝(A_cal/A_{Δ_cal})*SIN(-θ_{Δ_cal})……………………(4)；

其中和通道幅度和通道相位θ_{Σ_cal}＝ATAN(Q_{Σ_cal}/I_{Σ_cal})；差通道幅度差通道相位θ_{Δ_cal}＝ATAN(Q_{Δ_cal}/I_{Δ_cal})，通过A_{Σ_cal}和A_{Δ_cal}两者相比较，取较大的值作为校准参考幅度A_cal的值(做归一化处理)。

步骤7：接收信号补偿运算

信号处理FPGA利用信号处理CPU下发的的I/Q补偿系数，对和/差通道的原始接收I/Q数据进行补偿运算。

将和通道的接收信号I/Q原始值用I_Σ和Q_Σ表示，和通道的接收信号I/Q补偿后的值用I′_Σ和Q′_Σ表示，差通道的接收信号I/Q原始值用I_Δ和Q_Δ表示，差通道的接收信号I/Q补偿后的值用I_{Δ_bc}和Q_{Δ_bc}表示，则和通道与差通道的接收信号I/Q补偿后的值计算公式如下：

I′_Σ＝(I_Σ*I_{Σ_bc}-Q_Σ*Q_{Σ_bc})……………………(5)；

Q′_Σ＝(I_Σ*Q_{Σ_bc}+Q_Σ*I_{Σ_bc})……………………(6)；

I′_Δ＝(I_Δ*I_{Δ_bc}-Q_Δ*Q_{Δ_bc})……………………(7)；

Q′_Δ＝(I_Δ*Q_{Δ_bc}+Q_Δ*I_{Δ_bc})……………………(8)。

本发明针对二次雷达和/差通道幅相校准，通过二次雷达内部的软硬件实现，在二次雷达使用过程中对和/差通道幅相进行实时校准，提高二次雷达的目标测角精度。

实施例2

在实施例1的基础上，优选地，校准信号通过射频连接线和环形器发送到接收模块的和/差通道。保证校准信号准确稳定地输入到接收模块的和/差通道。

实施例3

在实施例1的基础上，优选地，可以将校准源和接收机的源频率由1090Mhz扩展设计适应其他任意频率，实现在不同频率信号接收处理系统下对通道校准需求的应用。

实施例4

在实施例1的基础上，优选地，可以将和/差两通道扩展设计适应两个以上的接收通道，实现在多通道信号接收处理系统下对通道校准需求的应用。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法，其特征在于，包括：

步骤1：由信号处理CPU下发第一校准参数、第二校准参数和校准命令给信号处理FPGA，产生校准触发；

步骤2：信号处理FPGA在校准命令触发生效时，根据信号处理CPU下发的第一校准参数，进行校准编码，并输出校准编码信号；

步骤3：接收模块的校准源接收信号处理FPGA输送过来的校准编码信号，并将校准编码信号调制为校准信号，然后将校准信号分别发送到接收模块的和通道与差通道；

步骤4：接收模块通过和通道与差通道分别接收校准源发送的校准信号，并将校准信号转换成数字I/Q信号，发送给信号处理FPGA；

步骤5：信号处理FPGA按照信号处理CPU下发的第二校准参数确定采样时刻，分别对和通道与差通道的数字I/Q信号进行采样，并将得到的校准采样I/Q值上报给信号处理CPU；

步骤6：信号处理CPU利用接收到的校准采样I/Q值，计算和通道与差通道的I/Q补偿系数并下发给信号处理FPGA；

步骤7：信号处理FPGA利用信号处理CPU下发的I/Q补偿系数，对和通道与差通道的原始接收的I/Q数据进行补偿运算。

2.根据权利要求1所述的一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法，其特征在于，所述校准编码信号包括校准源功放开关信号AM和编码脉冲信号ASK。

3.根据权利要求1所述的一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法，其特征在于，所述第一校准参数包括：校准编码信号AM前沿滞后校准触发时间、校准编码信号ASK前沿滞后校准触发时间、校准编码信号AM宽度和校准编码信号ASK脉冲宽度；所述第二校准参数包括校准编码采样点滞后AM前沿时间。

4.根据权利要求1所述的一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法，其特征在于，所述步骤3中，校准信号为频率1090Mhz的模拟信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法，其特征在于，所述步骤3中，校准信号通过射频连接线和环形器发送到接收模块的和通道与差通道。

6.根据权利要求1所述的一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法，其特征在于，所述步骤6中，将和通道的校准采样I/Q值用I_{Σ_cal}和Q_{Σ_cal}表示，和通道的校准采样I/Q补偿系数用I_{Σ_bc}和Q_{Σ_bc}表示，差通道的校准采样I/Q值用I_{Δ_cal}和Q_{Δ_cal}表示，差通道的校准采样I/Q补偿系数用I_{Δ_bc}和Q_{Δ_bc}表示，则和通道与差通道的I/Q补偿系数的计算公式如下：

I_{Σ_bc}＝(A_cal/A_{Σ_cal})*COS(-θ_{Σ_cal})；

Q_{Σ_bc}＝(A_cal/A_{Σ_cal})*SIN(-θ_{Σ_cal})；

I_{Δ_bc}＝(A_cal/A_{Δ_cal})*COS(-θ_{Δ_cal})；

Q_{Δ_bc}＝(A_cal/A_{Δ_cal})*SIN(-θ_{Δ_cal})；

其中A_{Σ_cal}表示和通道幅度，θ_{Σ_cal}表示和通道相位；A_{Δ_cal}表示差通道幅度，θ_{Δ_cal}表示差通道相位，A_cal表示校准参考幅度。

7.根据权利要求6所述的一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法，其特征在于，所述和通道幅度A_{Σ_cal}的表达公式为：

所述和通道相位θ_{Σ_cal}的表达公式为：

θ_{Σ_cal}＝ATAN(Q_{Σ_cal}/I_{Σ_cal})；

所述差通道幅度A_{Δ_cal}的表达公式为：

所述差通道相位θ_{Δ_cal}的表达式为：

θ_{Δ_cal}＝ATAN(Q_{Δ_cal}/I_{Δ_cal})；

所述校准参考幅度A_cal的值通过将A_{Σ_cal}与A_{Δ_cal}两者相比较，取较大的值确定。

8.根据权利要求1所述的一种基于二次雷达单脉冲测角内部校准源回环自校准方法，其特征在于，所述步骤7中，将和通道的接收信号I/Q原始值用I_Σ和Q_Σ表示，和通道的接收信号I/Q补偿后的值用I′_Σ和Q′_Σ表示，差通道的接收信号I/Q原始值用I_Δ和Q_Δ表示，差通道的接收信号I/Q补偿后的值用I_{Δ_bc}和Q_{Δ_bc}表示，则和通道与差通道的接收信号I/Q补偿后的值计算公式如下：

I′_Σ＝(I_Σ*I_{Σ_bc}-Q_Σ*Q_{Σ_bc})；

Q′_Σ＝(I_Σ*Q_{Σ_bc}+Q_Σ*I_{Σ_bc})；

I′_Δ＝(I_Δ*I_{Δ_bc}-Q_Δ*Q_{Δ_bc})；

Q′_Δ＝(I_Δ*Q_{Δ_bc}+Q_Δ*I_{Δ_bc})。