CN113242114B - 一种猝发式窄脉冲信号的检测系统及方法 - Google Patents

一种猝发式窄脉冲信号的检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及RF信号检测技术领域，具体公开了一种猝发式窄脉冲信号的检测系统及方法，该系统包括信号接收模块、单比特测频模块、快速视频检波模块和参数融合模块。该系统针对脉宽在10ns～100ns之间、带宽在0.8GHz～18GHz之间的猝发式窄脉冲信号，采用单比特测频模块实现频率、脉宽和周期的测量，采用快速视频检波模块实现幅度的测量，采用参数融合模块将频率、脉宽、周期和幅度进行融合。单比特测频模块采用超高速采样方式实现全频段瞬时覆盖，能够实现对窄脉冲信号的100％截获，对信号的频率、时间参数可以准确测量，但是没有幅度信息。快速视频检波模块完成对应的幅度测量。两者结合可100％截获猝发式窄脉冲信号，并形成PDW参数。

Description

一种猝发式窄脉冲信号的检测系统及方法
技术领域
本发明涉及RF信号检测技术领域，尤其涉及一种猝发式窄脉冲信号的检测系统及方法。
背景技术
现有RF信号检测技术主要是信道化检测，也就是将1GHz的带宽划分为若干的子信道进行检测。目前信道化接收机的瞬时检测带宽一般为1GHz，检测的最小脉宽适应性为100ns，无法适用于更大带宽和更小脉宽的检测场景。
发明内容
本发明提供一种猝发式窄脉冲信号的检测系统及方法，解决的技术问题在于：如何检测更大带宽和更小脉宽的RF信号。
为解决以上技术问题，本发明提供一种猝发式窄脉冲信号的检测系统，包括信号接收模块、单比特测频模块、快速视频检波模块和参数融合模块；
所述信号接收模块用于接收脉宽在10ns～100ns之间、带宽在0.8GHz～18GHz之间的猝发式窄脉冲信号；
所述单比特测频模块用于对所述猝发式窄脉冲信号进行单比特采样，输出对应的频率、脉宽和周期；
所述快速视频检波模块用于对所述猝发式窄脉冲信号进行视频采样，输出对应的脉冲幅度；
所述参数融合模块用于对所述频率、所述脉宽、所述周期和所述脉冲幅度进行融合，得到所述猝发式窄脉冲信号的PDW参数。
优选的，所述单比特测频模块采用滑动半个时间窗口测量的方式，其FFT积累时间TC满足：
Figure BDA0003055253240000021
优选的，所述单比特测频模块从信号开始的位置选取两段长度为TC的信号进行FFT运算，然后找到峰值位置后，计算对应两段FFT谱线的相位差，从而计算所述猝发式窄脉冲信号的频率。
优选的，所述单比特测频模块采用旋转因子方式计算FFT。
优选的，所述单比特测频模块的采样率在10GHz以上；所述快速视频检波模块的上升沿指标为5ns。
本发明还提供一种猝发式窄脉冲信号的检测方法，包括步骤：
S1：接收脉宽在10ns～100ns之间、带宽在0.8GHz～18GHz之间的猝发式窄脉冲信号；
S2：对所述猝发式窄脉冲信号进行单比特采样，输出对应的频率、脉宽和周期；
S3：对所述猝发式窄脉冲信号进行视频采样，输出对应的脉冲幅度；
S4：对所述频率、所述脉宽、所述周期和所述脉冲幅度进行融合，得到所述猝发式窄脉冲信号的PDW参数。
进一步地，所述步骤S2进行单比特采样时，FFT积累时间TC满足：
Figure BDA0003055253240000022
进一步地，所述步骤S2中，计算频率的步骤包括：
S21：找到信号开始的位置；
S22：选取两段长度为TC的信号进行FFT运算，得到两段FFT谱线；
S23：找到两端FFT谱线的峰值位置并据此计算两段FFT谱线的相位差；
S24：根据两段FFT谱线的相位差计算所述猝发式窄脉冲信号的频率。
进一步地，所述步骤S22中，采用旋转因子方式计算FFT。
进一步地，所述步骤S2中，所述单比特采样的采样率在10GHz以上；所述步骤S3中，视频采样的上升沿指标为5ns。
本发明提供的一种猝发式窄脉冲信号的检测系统及方法，针对脉宽在10ns～100ns之间、带宽在0.8GHz～18GHz之间的猝发式窄脉冲信号，采用单比特测频模块实现频率、脉宽和周期的测量，采用快速视频检波模块实现幅度的测量，采用参数融合模块将频率、脉宽、周期和幅度进行融合，形成PDW参数。单比特测频模块采用超高速采样方式实现全频段瞬时覆盖，能够实现对窄脉冲信号的100％截获，对信号的频率、时间参数可以准确测量，但是没有幅度信息。快速视频检波模块完成对应的幅度测量。两者结合可100％截获猝发式窄脉冲信号，并形成PDW参数。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种猝发式窄脉冲信号的检测系统的模块结构图；
图2是本发明实施例提供的采样率14Gsps、64点FFT精测频误差计算结果；
图3是本发明实施例提供的计算10ns精确频率码的过程示意图；
图4是本发明实施例提供的本系统对10ns脉宽、1.7GHz信号的验证结果图；
图5是本发明实施例提供的本系统对30ns脉宽、1.7GHz信号的验证结果图；
图6是本发明实施例提供的本系统对10ns脉宽、4.2GHz信号的验证结果图；
图7是本发明实施例提供的本系统对30ns脉宽、4.2GHz信号的验证结果图；
图8是本发明实施例提供的本系统对40ns脉冲进行SDLVA视频检波的结果图；
图9是本发明实施例提供的本系统对10ns脉冲进行SDLVA视频检波的结果图；
图10是本发明实施例提供的本系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
为了实现大带宽、小脉宽的射频信号检测，本发明实施例首先提供一种猝发式窄脉冲信号的检测系统，如图1的模块结构图所示，包括信号接收模块、单比特测频模块、快速视频检波模块和参数融合模块；
信号接收模块用于接收脉宽在10ns～100ns之间、带宽在0.8GHz～18GHz之间的猝发式窄脉冲信号；单比特测频模块用于对猝发式窄脉冲信号进行单比特采样，输出对应的频率、脉宽和周期；快速视频检波模块用于对猝发式窄脉冲信号进行视频采样，输出对应的脉冲幅度；参数融合模块用于对频率、脉宽、周期和脉冲幅度进行融合，得到猝发式窄脉冲信号的PDW参数。
单比特测频模块采用超高速采样方式实现全频段瞬时覆盖，能够实现对窄脉冲信号的100％截获，对信号的频率、时间参数(频域信息)可以准确测量。其测频精度指标主要取决于信号带内信噪比和信号积累时间，对于一个矩形RF脉冲信号，测频精度frms的理论极限可表示为：
Figure BDA0003055253240000041
其中，T为观察时间，S/N为信噪比。
本例信号最小检测脉宽为10ns，考虑到实际工程中观测测量的限制条件，假定观测时间T＝5ns。同时猝发式窄脉冲的特点是信号功率很强，此时信噪比SNR很高，考虑到实际情况下频域处理后带宽为400MHz，此时假设最小输入信号的功率为-50dBm，射频链路噪声系数为10dB，那么对应的信噪比S/N＝28dB。
按照此时的数值，求得frms＝1.6MHz。
因此本例的单比特测频模块对这种猝发式窄脉冲的测频精度理论极限值可以达到1.6MHz(r.m.s)，远远小于技术指标要求。
根据猝发式窄脉冲信号最小脉宽为10ns的特点，考虑到10ns信号的信号短，需要降低FFT长度，避免信号不满窗带来的噪声影响，以及在相位差精测过程中，如果计算相位的数据不满窗，就会产生较大的相位误差，从而导致测频出现较大误差。在设计过程中，如果FFT时间太小，此时FFT单个信道宽度宽，精测频结果误差会变大；而如果信号不满窗，也会导致大的误差，如图2所示。
故针对10ns～100ns的需求，本例改进了处理算法。即要求单比特测频模块采用滑动半个时间窗口精测的方式，其FFT积累时间TC满足：
Figure BDA0003055253240000051
如此，既可以使信号满窗而避免噪声影响，还能保证FFT单个信道宽度适中而避免测频误差较大。而最佳的FFT积累时间为6ns左右，此时滑动半个时间窗后，合起来计算时间为9ns，刚好小于10ns脉冲信号宽度。
本例采用滑动半个时间窗口精测的方式实现高精度的频率值测量。计算过程参考图3，包括三步：
步骤一：寻找到信号开始位置；
步骤二：(从信号开始的位置)选取两段长度为TC的信号进行FFT运算；
步骤三：找到(两段FFT谱线的)峰值位置后，计算对应两段FFT谱线的相位差，从而计算猝发式窄脉冲信号的频率。
为了进一步提高测频精度，本例采用旋转因子方式计算FFT。且单比特测频模块的采样率在10GHz以上，以保证FFT点数。
如图4至图7所示的测量结果图，本例对单比特测频模块的测频效果进行了验证。图4示出的是对输入的脉宽10ns、带宽1.7GHz的猝发式窄脉冲信号进行测量的结果，可以看到，测量的脉宽在1686.5～1709.5MHz之间，最大测频误差为1700-1686.5＝13.5MHz。图5示出的是对输入的脉宽30ns、带宽1.7GHz的猝发式窄脉冲信号进行测量的结果，可以看到最大测频误差为14.5MHz。图6示出的对输入的脉宽10ns、带宽4.1GHz的猝发式窄脉冲信号进行测量的结果，可以看到最大测频误差为14.5MHz。图7示出的是对输入的脉宽30ns、带宽4.1GHz的猝发式窄脉冲信号进行测量的结果，可以看到最大测频误差为13.5MHz。从验证的情况来说，采用单比特测频的方式可以实现高精度的频率、脉宽和周期的测量，但是发现没有幅度信息。
为了测得幅度信息，本实施例使用快速视频检波模块(视频检波接收机)，即SDLVA(连续检测对数视频放大器)。若采用目前的AD8317(上升沿10ns)进行测试，测试结果如图8、9所示。图8所示是40ns脉宽的SDLVA测试波形，从图8中可以读到视频幅度值。降低脉宽到10ns，此时波形变化如图9所示，从图9中可以看到信号波形已经失真。可以看到，若直接采用AD8317，得到以下结论：
a)SDLVA视频检波器的上升沿可以设计达到10ns的上升沿指标，实测为12ns；
b)10ns上升沿指标的SDLVA满足不了10ns视频幅度的测量要求，需要采用更高上升沿指标的芯片。
故本例所用视频检波接收机(SDLVA)采用上升沿时间更小的高性能芯片重新设计，由于需要对最小脉宽为10ns的脉冲信号进行测量，因此对视频检波器SDLVA的脉冲沿响应时间提出了很高要求，目前最高可以有上升沿时间5ns的器件，包括HMC813、HMC913、HMC1013芯片，均可达到5ns的上升沿时间，且该芯片的幅度测量动态也达到55dB，可以满足对窄脉冲幅度测量的技术性能指标需求。
在工作过程中，本例所述系统优先判断外部是否有高功率猝发式窄脉冲信号，一旦有自动采集存储和报警，具体的流程如图10所示。系统开始采集工作，此时单比特测频模块和快速视频检波模块测得的参数融合后形成PDW参数，根据是否过门限自动采集存储，若幅度超过门限则自动采集存储并上报(上报完成后进入待机状态)，反之不允上传并重新开始采集。
对应于上述系统，本发明还提供一种猝发式窄脉冲信号的检测方法，包括步骤：
S1：接收脉宽在10ns～100ns之间、带宽在0.8GHz～18GHz之间的猝发式窄脉冲信号；
S2：对猝发式窄脉冲信号进行单比特采样，输出对应的频率、脉宽和周期；
S3：对猝发式窄脉冲信号进行视频采样，输出对应的脉冲幅度；
S4：对频率、脉宽、周期和脉冲幅度进行融合，得到猝发式窄脉冲信号的PDW参数。
进一步地，步骤S2进行单比特采样时，FFT积累时间TC满足：
Figure BDA0003055253240000071
进一步地，对应于图3，步骤S2中，计算频率的步骤包括：
S21：找到信号开始的位置；
S22：选取两段长度为TC的信号进行FFT运算，得到两段FFT谱线；
S23：找到两端FFT谱线的峰值位置并据此计算两段FFT谱线的相位差；
S24：根据两段FFT谱线的相位差计算猝发式窄脉冲信号的频率。
进一步地，步骤S22中，采用旋转因子方式计算FFT。步骤S2中，所述单比特采样的采样率在10GHz以上。步骤S3中，视频采样的上升沿指标为5ns。
综上，本发明实施例提供的一种猝发式窄脉冲信号的检测系统及方法，针对脉宽在10ns～100ns之间、带宽在0.8GHz～18GHz之间的猝发式窄脉冲信号，采用单比特测频模块实现频率、脉宽和周期的测量，采用快速视频检波模块实现幅度的测量，采用参数融合模块将频率、脉宽、周期和幅度进行融合，形成PDW参数。经实验验证，单比特测频模块采用超高速采样方式(10G以上)实现全频段瞬时覆盖，能够实现对窄脉冲信号的100％截获，对信号的频率、时间参数可以准确测量，但是没有幅度信息。快速视频检波模块完成对应的幅度测量。两者结合可100％截获猝发式窄脉冲信号，并形成PDW参数。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种猝发式窄脉冲信号的检测系统，其特征在于：包括信号接收模块、单比特测频模块、快速视频检波模块和参数融合模块；
所述信号接收模块用于接收脉宽在10ns～100ns之间、带宽在0.8GHz～18GHz之间的猝发式窄脉冲信号；
所述单比特测频模块用于对所述猝发式窄脉冲信号进行单比特采样，输出对应的频率、脉宽和周期；
所述快速视频检波模块用于对所述猝发式窄脉冲信号进行视频采样，输出对应的脉冲幅度；
所述参数融合模块用于对所述频率、所述脉宽、所述周期和所述脉冲幅度进行融合，得到所述猝发式窄脉冲信号的PDW参数；
所述单比特测频模块采用滑动半个时间窗口测量的方式，其FFT积累时间TC满足：
Figure FDA0003839859270000011
所述单比特测频模块从信号开始的位置选取两段长度为TC的信号进行FFT运算，然后找到峰值位置后，计算对应两段FFT谱线的相位差，从而计算所述猝发式窄脉冲信号的频率；
所述单比特测频模块采用旋转因子方式计算FFT；
所述单比特测频模块的采样率在10GHz以上；所述快速视频检波模块的上升沿指标为5ns。
2.一种猝发式窄脉冲信号的检测方法，其特征在于，包括步骤：
S1：接收脉宽在10ns～100ns之间、带宽在0.8GHz～18GHz之间的猝发式窄脉冲信号；
S2：对所述猝发式窄脉冲信号进行单比特采样，输出对应的频率、脉宽和周期；
S3：对所述猝发式窄脉冲信号进行视频采样，输出对应的脉冲幅度；
S4：对所述频率、所述脉宽、所述周期和所述脉冲幅度进行融合，得到所述猝发式窄脉冲信号的PDW参数；
所述步骤S2进行单比特采样时，FFT积累时间TC满足：
Figure FDA0003839859270000021
所述步骤S2中，计算频率的步骤包括：
S21：找到信号开始的位置；
S22：选取两段长度为TC的信号进行FFT运算，得到两段FFT谱线；
S23：找到两端FFT谱线的峰值位置并据此计算两段FFT谱线的相位差；
S24：根据两段FFT谱线的相位差计算所述猝发式窄脉冲信号的频率；所述步骤S22中，采用旋转因子方式计算FFT；
所述步骤S2中，所述单比特采样的采样率在10GHz以上；所述步骤S3中，视频采样的上升沿指标为5ns。
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