CN113189579A - 一种混合式单脉冲测角系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合式单脉冲测角系统及方法，该系统包括：电桥变换单元，对和、差中频信号进行π/2变换，得到右半天线信号和左半天线信号；对数变换单元，对和、差中频信号进行对数变换，得到和对数信号和差对数信号；数字鉴相单元，对右半天线信号和左半天线信号进行数字鉴相得到系统相位；相位测角单元，对系统相位进行方位计算，得到相位测角值；幅度测角单元，对和对数信号和差对数信号进行方位计算，得到幅度测角值；信噪比计算单元，计算差对数信号的信噪比，得到差通道信噪比；综合处理单元，对相位测角值和幅度测角值进行加权计算，得到方位角。本发明能够提升零深区域的测角精度，同时又消除幅度误差及相位误差对测角精度的影响。

Description

一种混合式单脉冲测角系统及方法

技术领域

本发明涉及单脉冲测角技术领域，特别是涉及一种混合式单脉冲测角系统及方法。

背景技术

二次雷达(secondary surveillance radar，SSR)系统采用协同方式工作，用于获取协同目标的编号、距离、航迹等信息。系统包括具有询问功能的设备(询问机)和具有应答功能的设备(应答机)。询问机通过询问－应答方式对目标进行识别、测距，并可与应答机之间进行数据传输。二次雷达是提供空中飞行情报及态势的重要信息来源，不仅是现代空管系统必配设备之一，还广泛应用于军事领域。

单脉冲测角技术是雷达测角的一个重要方法，它要求天线具有两个波束和对应的两个接收通道，这种技术只需一个目标的回波就能确定目标的位置，因此广泛运用于各雷达系统。单脉冲技术提高了方位测量精度及效率，也增加了飞机应答码的解码正确性。目前主要有幅度单脉冲测角技术和相位单脉冲测角技术。

幅度单脉冲测角技术的工作原理是将来自天馈系统的和(Σ)、差(Δ)波束经放大、混频、滤波后，生成和中频信号Σ_log和差中频信号Δ_log，对和中频信号和差中频信号进行对数变换得到和对数信号Σ_log和差对数信号Δ_log，通过查找OBA(目标偏离瞄准轴角)表，即可获得目标的方位偏差绝对值，目标的方位偏向可通过鉴别Σ、Δ通道的相位实现(Σ、Δ波束具有正交特性，根据目标偏离方向，相位相差±90°)。

相位单脉冲测角技术的工作原理是将来自天馈系统的和、差波束经π/2电桥混合后，生成右半天线信号Σ+jΔ、左半天线信号Σ-jΔ，将右半天线信号、左半天线信号进行放大、混频、滤波生成和中频信号Σ_log和差中频信号Δ_log，通过鉴别右半天线信号、左半天线信号的相位特性获得当前的方位角。

幅度单脉冲测角技术的缺点是：信号越靠近波束中心(称之为“零深”)，∑－△增益比急剧增大，导致在波束中心差通道信号迅速变小(信噪比恶化)，不能收到足够能量的解码信号，当差通道信号淹没在噪声中时，无法获得准确的信号差异测量值。因此无法获得准确的角度，而且随着天线口径的增大，∑-Δ增益比会进一步增大。

相位单脉冲测角技术的缺点是：虽然不存在幅度单脉冲测角技术的零深问题，但相位测量对系统在各种工作场景下的幅度误差及相位误差较为敏感，且受限于移相器移相精度，存在系统误差，影响测角精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合式单脉冲测角系统及方法，能够提升零深区域的测角精度，同时又消除幅度误差及相位误差对测角精度的影响。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种混合式单脉冲测角系统，包括电桥变换单元、对数变换单元、幅度测角单元、数字鉴相单元、相位测角单元、信噪比计算单元和综合处理单元：

所述电桥变换单元用于对和中频信号和差中频信号进行π/2变换，得到右半天线信号和左半天线信号，其中，所述和中频信号由和波束得到，差中频信号由差波束得到；

所述对数变换单元用于对和中频信号和差中频信号进行对数变换，得到和对数信号和差对数信号；

所述数字鉴相单元用于对右半天线信号和左半天线信号进行数字鉴相得到系统相位；

所述相位测角单元用于对系统相位进行方位计算，得到相位测角值；

所述幅度测角单元用于对和对数信号和差对数信号进行方位计算，得到幅度测角值；

所述信噪比计算单元用于计算差对数信号的信噪比，得到差通道信噪比；

所述综合处理单元用于对相位测角值和幅度测角值进行加权计算，得到方位角，计算公式为：

θ＝α×θ_phase+β×θ_amp

α+β＝1

其中，θ表示方位角，θ_phase表示相位测角值，θ_amp表示幅度测角值，α＝fun(Δ_SNR，θ_phase)，fun()为加权函数，Δ_SNR表示差通道信噪比。

优选的，α＝fun(Δ_SNR，θ_phase)的具体计算过程为：

θ_phase小于预设角度下限值时，

θ_phase在预设角度下限值和预设角度上限值之间时，

θ_phase大于预设角度上限值时，

优选的，所述相位测角值的计算公式为：

其中，d为左右天线间距，λ为信号波长。

优选的，所述相位测角单元还用于获取外部校准应答机输入的系统相位修正值，对系统相位和系统相位修正值进行方位计算，得到相位测角值，计算公式为：

其中，Φ_adj表示系统相位修正值。

优选的，还包括中频处理单元，所述中频处理单元用于获取外部天馈系统输入的和波束和差波束，对和波束进行放大、混频和滤波得到和中频信号，以及对差波束进行放大、混频和滤波得到差中频信号。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种混合式单脉冲测角方法，包括以下步骤：

S1：对和中频信号和差中频信号进行π/2变换，得到右半天线信号和左半天线信号，其中，所述和中频信号由和波束得到，差中频信号由差波束得到；

S2：对和中频信号和差中频信号进行对数变换，得到和对数信号和差对数信号；

S3：对右半天线信号和左半天线信号进行数字鉴相得到系统相位；

S4：对系统相位进行方位计算，得到相位测角值；

S5：对和对数信号和差对数信号进行方位计算，得到幅度测角值；

S6：计算差对数信号的信噪比，得到差通道信噪比；

S7：对相位测角值和幅度测角值进行加权计算，得到方位角，计算公式为：

θ＝α×θ_phase+β×θ_amp

α+β＝1

其中，θ表示方位角，θ_phase表示相位测角值，θ_amp表示幅度测角值，α＝fun(Δ_SNR，θ_phase)，fun()为加权函数，Δ_SNR表示差通道信噪比。

优选的，α＝fun(Δ_SNR，θ_phase)的具体计算过程为：

θ_phase小于预设角度下限值时，

θ_phase在预设角度下限值和预设角度上限值之间时，

θ_phase大于预设角度上限值时，

优选的，所述相位测角值的计算公式为：

其中，d为左右天线间距，λ为信号波长。

优选的，所述步骤S4具体包括：

获取外部校准应答机输入的系统相位修正值，对系统相位和系统相位修正值进行方位计算，得到相位测角值，计算公式为：

其中，Φ_adj表示系统相位修正值。

优选的，在所述步骤S1之前，所述混合式单脉冲测角方法还包括步骤：

S11：获取外部天馈系统输入的和波束和差波束，对和波束进行放大、混频和滤波得到和中频信号，以及对差波束进行放大、混频和滤波得到差中频信号。

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：

a)基于数字中频技术，采用了对数变换、数字鉴相等数字处理技术，相对于模拟处理方案，可靠性和稳定性更好；

b)融合了相位单脉冲测角技术与幅度单脉冲测角技术各自的优点，提升了测角精度。

附图说明

图1是本发明实施例的混合式单脉冲测角系统的组成示意图。

图2是幅度单脉冲测角与相位单脉冲测角的特性示意图。

图3是相位单脉冲测角的相位与角度的关系示意图。

图4是本发明实施例的混合式单脉冲测角方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，本发明实施例的混合式单脉冲测角系统包括电桥变换单元11、对数变换单元12、幅度测角单元13、数字鉴相单元14、相位测角单元15、信噪比计算单元16和综合处理单元17。

电桥变换单元11用于对和中频信号和差中频信号进行π/2变换，得到右半天线信号和左半天线信号，其中，和中频信号由和波束得到，差中频信号由差波束得到。图1中，和中频信号以Σ中频表示，差中频信号以Δ中频表示，右半天线信号以Σ+jΔ表示，左半天线信号以Σ-jΔ表示，和波束以Σ表示，差波束以Δ表示。

对数变换单元12用于对和中频信号和差中频信号进行对数变换，得到和对数信号和差对数信号。图1中，和对数信号以Σ_log表示，差中频信号以Δ_log表示。

数字鉴相单元14用于对右半天线信号和左半天线信号进行数字鉴相得到系统相位。图1中，系统相位以Φ表示。

相位测角单元15用于对系统相位进行方位计算，得到相位测角值。图1中，相位测角值以θ_phase表示。

幅度测角单元13用于对和对数信号和差对数信号进行方位计算，得到幅度测角值。图1中，幅度测角值以θ_amp表示。幅度测角单元13可以通过查找0BA表的方式得到幅度测角值。

信噪比计算单元16用于计算差对数信号的信噪比，得到差通道信噪比。图1中，差通道信噪比以Δ_SNR表示。

综合处理单元17用于对相位测角值和幅度测角值进行加权计算，得到方位角，计算公式为：

θ＝α×θ_phase+β×θ_amp

α+β＝1

其中，θ表示方位角，θ_phase表示相位测角值，θ_amp表示幅度测角值，α＝fun(Δ_SNR，θ_phase)，fun()为加权函数，Δ_SNR表示差通道信噪比。

在本实施例中，相位测角值的计算公式为：

其中，d为左右天线间距，λ为信号波长，Φ为系统相位。

对于方位角θ的测量，幅度单脉冲测角和相位单脉冲测角在不同差通道信噪比Δ_SNR及方位上表现出不同的精度特性，特性差异如图2所示，以4.5m天线(阵子间距为λ/2)为例：

幅度单脉冲测角中，从波束中心到和差通道呈现急剧的变化特性，假定幅度采样精度为0.5dB，在波束中心处可达到0.008，在交叉点附近，仅为0.09。在0°附近区域，幅度单脉冲处于零深区域，当目标较远时，差通道信噪比Δ_SNR较低，测量不准。

相位单脉冲测角中，相位与角度也满足上述相位测角值的计算公式。假定鉴相精度为1°，则在中心处

测角精度为1/51.38＝0.019度，变化不大。

因此，本发明的混合式单脉冲测角系统根据幅度单脉冲测角和相位单脉冲测角在不同差通道信噪比Δ_SNR及方位上的测角精度特性，将幅度单脉冲测角与相位单脉冲测角的测量结果进行加权融合，提升了测角精度。

具体而言，α＝fun(Δ_SNR，θ_phase)的具体计算过程为：

θ_phase小于预设角度下限值时，

θ_phase在预设角度下限值和预设角度上限值之间时，

θ_phase大于预设角度上限值时，

加权参数α、β的取值以及对应的方位角可以用表1表示：

表1加权参数表

其中，预设角度下限值和预设角度上限值需要根据天线及接收机特性设置，举例而言，对于4.5m天线，在0.25°附近，按照天线特性拟合，幅度单脉冲测角精度为0.02°，与相位单脉冲测角精度0.019°较为接近，预设角度下限值设为0.2°，预设角度上限值设为0.3°，为相位模糊区域，当相位测角值θ_phase在0.2°～0.3°区间时，如果Δ_SNR≥26dB，则：

θ＝α×θ_phase+β×θ_amp＝0.5×θ_phase+0.5×θ_amp

当相位测角值θ_phase在0.2°～0.3°区间时，如果26dB＞Δ_SNR≥15dB，则α＝0.3～0.5，(α，β)的取值例如为(0.3，0.7)，(0.4，0.6)，(0.5，0.5)。

当相位测角值θ_phase小于0.2°时，如果26dB＞Δ_SNR≥15dB，则α＝0.5～0.7，(α，β)的取值例如为(0.7，0.3)，(0.6，0.4)，(0.5，0.5)。

根据幅度与相位单脉冲测角在各种条件下的性能差异特性，在零深区域附近，为了改善相位测角性能，在本实施例中，相位测角单元15还用于获取外部校准应答机输入的系统相位修正值，对系统相位和系统相位修正值进行方位计算，得到相位测角值，计算公式为：

其中，Φ_adj表示系统相位修正值。

假定校准应答机的功率为33dBm，校准应答机距离为300M，天线口径为4.5M。通过计算得到校准应答机接收到差通道信号＝33(应答功率)-14(差通道增益)-98-20*log(0.3)＝-54dbm，噪声水平为-100dbm，因此差通道信噪比Δ_SNR＝46dB。在该条件下幅度单脉冲测角能获得较好的效果。

系统相位修正值的计算过程如下：

将校准应答机的幅度测角值JZ_θ_amp按照相位测角值的计算公式进行计算，得到幅度相位参考值JZ_Φ_amp，则Φ_adj＝JZ_Φ_amp-JZ_Φ，其中，JZ_Φ为校准应答机进行数字鉴相得到的系统相位参考值。

通过引入Φ_adj，可以修正系统由于温度、器件精度等引入的固定鉴相误差，从而提升测角精度。

在本实施例中，混合式单脉冲测角系统还包括中频处理单元18，中频处理单元18用于获取外部天馈系统输入的和波束和差波束，对和波束进行放大、混频和滤波得到和中频信号，以及对差波束进行放大、混频和滤波得到差中频信号。

参阅图2，本发明实施例还保护一种混合式单脉冲测角方法，该方法包括以下步骤：

S1：对和中频信号和差中频信号进行π/2变换，得到右半天线信号和左半天线信号，其中，和中频信号由和波束得到，差中频信号由差波束得到；

S2：对和中频信号和差中频信号进行对数变换，得到和对数信号和差对数信号；

S3：对右半天线信号和左半天线信号进行数字鉴相得到系统相位；

S4：对系统相位进行方位计算，得到相位测角值；

S5：对和对数信号和差对数信号进行方位计算，得到幅度测角值；

S6：计算差对数信号的信噪比，得到差通道信噪比；

S7：对相位测角值和幅度测角值进行加权计算，得到方位角，计算公式为：

θ＝α×θ_phase+β×θ_amp

α+β＝1

其中，θ表示方位角，θ_phase表示相位测角值，θ_amp表示幅度测角值，α＝fun(Δ_SNR，θ_phase)，fun()为加权函数，Δ_SNR表示差通道信噪比。

在本实施例中，α＝fun(Δ_SNR，θ_phase)的具体计算过程为：

θ_phase小于预设角度下限值时，

θ_phase在预设角度下限值和预设角度上限值之间时，

θ_phase大于预设角度上限值时，

在本实施例中，相位测角值的计算公式为：

其中，d为左右天线间距，λ为信号波长。

为了改善相位测角性能，步骤S4具体包括：

获取外部校准应答机输入的系统相位修正值，对系统相位和系统相位修正值进行方位计算，得到相位测角值，计算公式为：

其中，Φ_adj表示系统相位修正值。

在本实施例中，在步骤S1之前，混合式单脉冲测角方法还包括步骤：

S11：获取外部天馈系统输入的和波束和差波束，对和波束进行放大、混频和滤波得到和中频信号，以及对差波束进行放大、混频和滤波得到差中频信号。

通过上述方式，本发明实施例的混合式单脉冲测角系统及方法通过根据幅度测角和相位测角在不同差通道信噪比及方位上的测角精度特性，将幅度单脉冲测角与相位单脉冲测角的测量结果进行加权融合，从而能够提升零深区域的测角精度，同时又消除幅度误差及相位误差对测角精度的影响，提升了相位测角精度，提升了测角精度，可以与现有天馈系统兼容，并且采用对数变换、数字鉴相等数字处理技术，提升了系统可靠性。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种混合式单脉冲测角系统，其特征在于，包括电桥变换单元、对数变换单元、幅度测角单元、数字鉴相单元、相位测角单元、信噪比计算单元和综合处理单元：

所述电桥变换单元用于对和中频信号和差中频信号进行π/2变换，得到右半天线信号和左半天线信号，其中，所述和中频信号由和波束得到，差中频信号由差波束得到；

所述对数变换单元用于对和中频信号和差中频信号进行对数变换，得到和对数信号和差对数信号；

所述数字鉴相单元用于对右半天线信号和左半天线信号进行数字鉴相得到系统相位；

所述相位测角单元用于对系统相位进行方位计算，得到相位测角值；

所述幅度测角单元用于对和对数信号和差对数信号进行方位计算，得到幅度测角值；

所述信噪比计算单元用于计算差对数信号的信噪比，得到差通道信噪比；

所述综合处理单元用于对相位测角值和幅度测角值进行加权计算，得到方位角，计算公式为：

θ＝α×θ_phase+β×θ_amp

α+β＝1

其中，θ表示方位角，θ_phase表示相位测角值，θ_amp表示幅度测角值，α＝fun(Δ_SNR，θ_phase)，fun()为加权函数，Δ_SNR表示差通道信噪比。

2.根据权利要求1所述的混合式单脉冲测角系统，其特征在于，α＝fun(Δ_SNR，θ_phase)的具体计算过程为：

θ_phase小于预设角度下限值时，

θ_phase在预设角度下限值和预设角度上限值之间时，

θ_phase大于预设角度上限值时，

3.根据权利要求1所述的混合式单脉冲测角系统，其特征在于，所述相位测角值的计算公式为：

其中，d为左右天线间距，λ为信号波长，Φ为系统相位。

4.根据权利要求3所述的混合式单脉冲测角系统，其特征在于，所述相位测角单元还用于获取外部校准应答机输入的系统相位修正值，对系统相位和系统相位修正值进行方位计算，得到相位测角值，计算公式为：

其中，Φ_adj表示系统相位修正值。

5.根据权利要求1所述的混合式单脉冲测角系统，其特征在于，还包括中频处理单元，所述中频处理单元用于获取外部天馈系统输入的和波束和差波束，对和波束进行放大、混频和滤波得到和中频信号，以及对差波束进行放大、混频和滤波得到差中频信号。

6.一种混合式单脉冲测角方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对和中频信号和差中频信号进行π/2变换，得到右半天线信号和左半天线信号，其中，所述和中频信号由和波束得到，差中频信号由差波束得到；

S2：对和中频信号和差中频信号进行对数变换，得到和对数信号和差对数信号；

S3：对右半天线信号和左半天线信号进行数字鉴相得到系统相位；

S4：对系统相位进行方位计算，得到相位测角值；

S5：对和对数信号和差对数信号进行方位计算，得到幅度测角值；

S6：计算差对数信号的信噪比，得到差通道信噪比；

S7：对相位测角值和幅度测角值进行加权计算，得到方位角，计算公式为：

θ＝α×θ_phase+β×θ_amp

α+β＝1

其中，θ表示方位角，θ_phase表示相位测角值，θ_amp表示幅度测角值，α＝fun(Δ_SNR，θ_phase)，fun()为加权函数，Δ_SNR表示差通道信噪比。

7.根据权利要求6所述的混合式单脉冲测角方法，其特征在于，α＝fun(Δ_SNR，θ_phase)的具体计算过程为：

θ_phase小于预设角度下限值时，

θ_phase在预设角度下限值和预设角度上限值之间时，

θ_phase大于预设角度上限值时，

8.根据权利要求1所述的混合式单脉冲测角方法，其特征在于，所述相位测角值的计算公式为：

其中，d为左右天线间距，λ为信号波长。

9.根据权利要求8所述的混合式单脉冲测角方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

获取外部校准应答机输入的系统相位修正值，对系统相位和系统相位修正值进行方位计算，得到相位测角值，计算公式为：

其中，Φ_adj表示系统相位修正值。

10.根据权利要求1所述的混合式单脉冲测角方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，所述混合式单脉冲测角方法还包括步骤：

S11：获取外部天馈系统输入的和波束和差波束，对和波束进行放大、混频和滤波得到和中频信号，以及对差波束进行放大、混频和滤波得到差中频信号。

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