CN112130140A - 一种伪码调相引信系统提高测速测距精度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种伪码调相引信系统提高测速测距精度的方法，包括：回波信号与本振信号混频，低通滤波后得到包含多普勒频率和伪码调相基带信号的中频信号；将中频信号正交解调得到包含多普勒频率的I、Q两路信号；通过相关运算和距离门重排法构造二维回波信号矩阵；将I、Q两路的相关结果求模；同时对I路回波信号矩阵的目标距离门单元所在列做CZT运算，得到多普勒频率，从而解算出目标相对速度。本发明运用基于Bluestein等式的CZT快速算法，可以更为准确的得到多普勒频率，提高系统的测速精度，同时由于正交解调I、Q两路输出相互正交的特性，通过求模的方式消去多普勒频率对相关输出的调制作用，解算出目标距离。

Description

一种伪码调相引信系统提高测速测距精度的方法
技术领域
本发明涉及信号系统近程探测技术，具体涉及一种伪码调相引信系统提高测速测距精度的方法。
背景技术
在现代电子战争中，小体积、低成本、低功耗的无线电近炸引信得到了越来越广泛的应用，伪码调相系统由于其良好的距离分辨力和抗干扰能力，成为了无线电近炸引信的一个重要组成部分。以往的伪码调相引信只具备定距功能，而忽略目标相对速度的影响，这就限制了其在一些特定情况下的应用，如在高速弹目交汇的情况下，目标相关峰值受到多普勒频率的调制作用，导致其测距出现偏差，因此在这类情况下，人们对伪码调相引信提出了精确测距测速的要求。
伪码调相引信通过回波信号与本地伪随机序列相关，由于相关输出具有目标多普勒信息，通过距离门重排法构造二维回波矩阵，对目标多普勒频率进行提取，目前主要是采用FFT算法获得多普勒频率的频谱，但是由于FFT算法具有栅栏效应，从而导致测出的速度有一定的偏差；对于目前常用的相关测距法，由于相关输出会受到多普勒频率的调制作用，目前大多数方法是对其进行多普勒补偿，例如基于全相位FFT的多普勒补偿方法，该方法的补偿精度很高，但是需要做全相位预处理，且需要对多组数据做全相位FFT运算，并求出其相位差，工程实现难度比较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种伪码调相引信系统提高测速测距精度的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种伪码调相引信系统提高测速测距精度的方法，具体步骤如下：
回波信号经过接收机处理后得到中频信号，中频信号经过正交解调得到相互正交的I、Q两路信号；
将I、Q两路信号分别进行相关运算，两路相关输出的结果进行距离门重排得到I、Q两路信号的二维回波矩阵；
对I、Q两路二维回波矩阵的行进行求模运算，消除多普勒频率对相关结果的调制作用，解算出目标距离；
对I路二维回波信号矩阵的目标距离门单元所在列做基于Bluestein等式的CZT快速运算，得到多普勒频率，根据多普勒频率与速度对应公式得到目标相对速度。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：本发明运用基于Bluestein等式的CZT快速算法，可以更为准确的得到多普勒频率，提高系统的测速精度；同时由于正交解调I、Q两路输出相互正交的特性，可以通过求模的方式消去多普勒频率对相关输出的调制作用；使用基于Bluestein等式的CZT快速算法相比于常规CZT算法，降低了系统的运算复杂度，提高了系统的运算效率，同时减少了资源消耗，具有低成本、低功耗等优势。
附图说明
图1为本发明的数据处理流程图。
图2为CZT算法在Z平面上的变换路径图。
图3为正交解调I路信号仿真图。
图4为正交解调Q路信号仿真图。
图5为I路距离门重排输出仿真图。
图6为Q路距离门重排输出仿真图。
图7为I、Q二维回波矩阵求模后输出仿真图。
图8为FFT算法测速结果仿真图。
图9为CZT快速算法测速结果仿真图。
图10为FFT算法与CZT快速算法测速效果对比仿真图。
具体实施方式
如图1所示，一种伪码调相引信系统提高测速测距精度的方法，包括接收机处理、正交解调、相关运算、距离门重排、求模运算、CZT运算，具体步骤如下：
接收机将回波信号与本振信号混频，通过低通滤波器得到包含多普勒频率和伪码调相基带信号的中频信号；
中频信号进行正交下变频后低通滤波得到两路相互正交的I、Q信号；
I、Q两路信号与本地延迟的伪随机序列进行相关运算；
相关输出按照伪随机码重复周期进行排列，构造二维回波信号矩阵，行代表伪随机序列重复周期数，列代表距离门单元；
I、Q两路回波矩阵的行做求模运算，求模后的峰值对应的距离门单元即为接收信号相对于发射信号的延时，由此可以得到目标的距离；
I路二维回波信号矩阵的目标距离门单元所在列做基于Bluestein等式的CZT快速运算，得到多普勒频率，根据多普勒频率与速度对应公式得到目标相对速度。
下面对各上述步骤进行详细说明。
回波信号Ur(t)与本振信号UL(t)混频，低通滤波后得到中频信号UI(t)：
Ur(t)＝Aru(t-τ)cos[2π(fd+fc+fo)t+θ1]
UL(t)＝ALcos(2πfot+θ2)
Figure BDA0002645809100000031
其中，Ar为回波信号幅度，AL为本振信号幅度，
Figure BDA0002645809100000032
为中频输出信号的幅度，u(t)为伪随机码调制信号，τ为延时时间，fo为载波频率，fd为多普勒频率，fc为基带信号频率，θ1为回波信号相位，θ2为本振信号相位，
Figure BDA0002645809100000033
为回波信号与本振信号的相位差。
中频信号进行正交下变频后低通滤波得到两路相互正交的I、Q信号：
Figure BDA0002645809100000034
Figure BDA0002645809100000035
其中，
Figure BDA0002645809100000036
为正交解调后的相位。
I、Q两路信号与本地伪随机序列ud(t)相关运算，本地伪随机码延迟的时间为τd，当多普勒信号的周期远小于伪随机序列重复周期Tr时，多普勒信号的幅度在单个伪码周期内基本不变。令τ′＝τ-τd，t′＝t-τd：
Figure BDA0002645809100000037
Figure BDA0002645809100000041
RI(t)、RQ(t)分别为I、Q两路信号的相关输出，可见相关输出是伪随机码波形的自相关函数R(τ′)与多普勒信号的乘积，且I、Q两路的相关输出相互正交。
相关输出按照伪随机码重复周期进行排列，构造二维回波信号矩阵，行代表伪随机序列重复周期数，列代表距离门单元，相关峰值受到多普勒信号的调制作用，因此多个伪随机码重复周期的相关峰值会存在多普勒信号的包络。
利用I、Q两路的相关输出相互正交的特性，通过求模运算，消除多普勒频率带来的调制作用，求模后的峰值对应的距离门单元即为接收信号相对于发射信号的延时，由此可以得到目标的距离。
对I路二维回波矩阵的相关峰值距离门单元所在列做CZT(Chirp Z Transform)运算，CZT算法在Z平面上的变换路径如图2所示，运算表达式为：
Figure BDA0002645809100000042
式中，x(n)为峰值距离门单元所在列的数值，其长度为N，在Z平面内，沿一段螺旋线将变量z等分角取值，得到取样点zk：
zk＝AW-k(k＝0,1,…,M-1)
其中，A、W为任意复数，M为输出频谱的长度，令
Figure BDA0002645809100000043
得到：
Figure BDA0002645809100000044
式中，A0为首个采样点的半径，θ0为其幅角，W0为螺旋线延展方向，
Figure BDA0002645809100000045
为相邻采样点间的频率间隔；
直接利用上述公式做CZT计算时，需要进行N·M次复数加法(N-1)·M次复数乘法以及多次复数幂运算，不利于工程上的实现，因此采用基于Bluestein等式的CZT快速算法提高运算效率，Bluestein等式为：
Figure BDA0002645809100000051
最终快速CZT算法的计算公式为：
Figure BDA0002645809100000052
令
Figure BDA0002645809100000053
可得
Figure BDA0002645809100000054
CZT变换是通过有限长序列g(n)与h(n)离散卷积得到。
经过CZT运算后得到的最大谱线所在的位置就是对应的多普勒频率，利用公式v＝cfd/2f0，其中c为光速，f0为载波频率，得到目标相对速度。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本实施例采用以下参数进行仿真：本振频率f0为35GHz，基带信号频率fc为25MHz，系统采样率fs为100MHz，伪码码元宽度Tc＝40ns，码元长度P＝63，伪随机码重复周期数为n＝64。假定目标起始距离30m，速度v＝200m/s，光速c＝3×108m/s，理论多普勒频率值为
Figure BDA0002645809100000055
图3和图4为经过正交解调后的I、Q两路信号，可以看出I、Q两路相位相差π/2，相互正交，同时可以看出多普勒频率与理论值46.7KHz相近。
图5和图6为I、Q两路正交信号经过相关运算和距离门重排后的三维图，从图中可以看出I、Q两个二维回波矩阵的相关峰值受到多普勒频率的调制作用，且相互正交。
图7为I、Q两路相关输出求模后的结果，从图中可以看出，求模后的峰值消除了多普勒频率的调制作用，从图中标记可以看出，此时峰值所在的距离门单元为20，每个距离门单元对应的距离为ΔR＝c/2fs＝1.5m，由于目标距离为30m，刚好为距离分辨率的整数倍，所以此时测得的目标距离没有误差。
对I路二维回波矩阵的目标距离门单元所在列即第20列分别做FFT运算和基于Bluestein等式的CZT快速运算，此时FFT运算的频率分辨率为
Figure BDA0002645809100000061
对应的测速精度为
Figure BDA0002645809100000062
得到的结果如图8所示，基于Bluestein等式的CZT快速运算，理论上只要运算点数取得足够大，测速结果可以非常准确，但是考虑工程实现问题和系统资源消耗问题，选择其运算点数为512，细化频段为伪码重复率的一半，符合奈奎斯特采样定律，得到的结果如图9所示，FFT测得的目标相对速度为212.6m/s，而基于Bluestein等式的CZT快速运算测得的目标相对速度为199.3m/s，可以看出基于Bluestein等式的CZT快速运算相较于FFT运算提高了测速精度。
现保持其他参数不变，目标速度设为0～800m/s，分别对两种算法进行仿真，得到的两种算法测速结果部分放大图如图10所示，可以看出FFT运算存在栅栏效应，基于Bluestein等式的CZT快速运算测速结果更为准确。

Claims (7)

1.一种伪码调相引信系统提高测速测距精度的方法，其特征在于，具体步骤如下：
回波信号经过接收机处理后得到中频信号，中频信号经过正交解调得到相互正交的I、Q两路信号；
将I、Q两路信号分别进行相关运算，两路相关输出的结果进行距离门重排得到I、Q两路信号的二维回波矩阵；
对I、Q两路二维回波矩阵的行进行求模运算，消除多普勒频率对相关结果的调制作用，解算出目标距离；
对I路二维回波信号矩阵的目标距离门单元所在列做基于Bluestein等式的CZT快速运算，得到多普勒频率，根据多普勒频率与速度对应公式得到目标相对速度。
2.根据权利要求1所述的伪码调相引信系统提高测速测距精度的方法，其特征在于，接收机将回波信号Ur(t)与本振信号UL(t)混频，通过低通滤波器得到包含多普勒频率和伪码调相基带信号的中频信号UI(t)：
Ur(t)＝Aru(t-τ)cos[2π(fd+fc+fo)t+θ1]
UL(t)＝ALcos(2πfot+θ2)
Figure FDA0002645809090000014
其中，Ar为回波信号幅度，AL为本振信号幅度，
Figure FDA0002645809090000011
为中频输出信号的幅度，u(t)为伪随机码调制信号，τ为延时时间，fo为载波频率，fd为多普勒频率，fc为基带信号频率，θ1为回波信号相位，θ2为本振信号相位，
Figure FDA0002645809090000012
为回波信号与本振信号的相位差。
3.根据权利要求2所述的伪码调相引信系统提高测速测距精度的方法，其特征在于，所述正交解调为将中频信号进行正交下变频后低通滤波得到两路相互正交的I、Q信号：
Figure FDA0002645809090000013
Figure FDA0002645809090000021
其中，
Figure FDA0002645809090000022
为正交解调后的相位。
4.根据权利要求3所述的伪码调相引信系统提高测速测距精度的方法，其特征在于，所述相关运算为I、Q两路信号与本地延迟的伪随机序列ud(t)进行相关运算，本地伪随机码延迟的时间为τd，当多普勒频率远小于伪随机序列重复周期Tr时，多普勒信号的幅度在单个伪码周期内基本不变；令τ′＝τ-τd，t′＝t-τd：
Figure FDA0002645809090000023
Figure FDA0002645809090000024
RI(t)、RQ(t)分别为I、Q两路信号的相关输出；
相关输出是伪随机码波形的自相关函数R(τ′)与多普勒信号的乘积，且I、Q两路的相关输出相互正交。
5.根据权利要求1所述的伪码调相引信系统提高测速测距精度的方法，其特征在于，所述距离门重排为：将相关输出按照伪随机码重复周期进行排列，构造二维回波信号矩阵，行代表伪随机序列重复周期数，列代表距离门单元。
6.根据权利要求1所述的伪码调相引信系统提高测速测距精度的方法，其特征在于，求模后的峰值对应的距离门单元即为接收信号相对于发射信号的延时，由此可得到目标的距离。
7.根据权利要求1所述的伪码调相引信系统提高测速测距精度的方法，其特征在于，对I路二维回波信号矩阵的目标距离门单元所在列做基于Bluestein等式的CZT快速运算，得到多普勒频率，根据多普勒频率与速度对应公式得到目标相对速度，具体如下：
Bluestein等式为：
Figure FDA0002645809090000031
基于Bluestein等式的CZT快速算法为：
Figure FDA0002645809090000032
令
Figure FDA0002645809090000033
可得
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CZT变换是通过有限长序列g(n)与h(n)离散卷积得到；
经过CZT运算后得到的最大谱线所在的位置就是多普勒频率，利用公式v＝cfd/2f0，其中c为光速，f0为载波频率，得到目标相对速度。
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