CN113626980A - 分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法,该方法使用ADS对探测系统的电路进行建模,具体包括:对探测系统中的天线等效电路进行建模、对振荡器的高频等效电路进行建模、对目标探测器的偏置和隔离电路以及检波器进行建模、对目标存在时天线阻抗的变化进行建模、对自差收发机电路进行建模、对探测系统中的信号处理电路进行建模。本发明通过软件系统的将无线电探测系统电路进行全面的建模,为实际应用研究提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及自差收发机和信号处理技术,具体涉及一种分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法。
背景技术
长期以来近程探测系统检验主要依靠实物或者半实物仿真来评估,然而实物仿真样机设备复杂,一般制作过程漫长,同时由于受电子元器件的参数精度以及腔体机械加工偏差等影响,实际制作有时不是一次就能达到预定目的,而且传统的近程探测系统性能检验通过靶场试验进行评估,如果发现问题再修改系统设计,会导致装备在研制过程中多次重复设计,从而使产品的研制周期加长,尤其是在装备尚未研制出来的情况下,更无法对近程探测系统的性能做出准确的预测或评估;半实物仿真虽然对解决一些实际试验问题有一定的好处,但建立包含物理实体的半实物仿真需要一定的成本和维护费用,同时还受场地、环境等因素的影响。
近年来,随着科学技术以及计算机技术的发展,基于电子计算机的系统仿真技术飞速发展起来。系统仿真技术是以计算机技术、相似原理和系统理论为基础,对实际或设想的系统建立模型并进行实验研究的一门综合技术,具有安全、经济和可多次重复等优点,己成为复杂系统设计、实验评估等不可缺少的重要手段,己经越来越受到人们的关注。
发明内容
本发明的目的在于提出一种分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法,该方法使用ADS对探测系统的电路进行建模,具体包括:对探测系统中的天线等效电路进行建模、对振荡器的高频等效电路进行建模、对目标探测器的偏置和隔离电路以及检波器进行建模、对目标存在时天线阻抗的变化进行建模、对自差收发机电路进行建模、对探测系统中的信号处理电路进行建模。
一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述分米波自差多普勒对地探测系统电路模型的构建方法。
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现上述分米波自差多普勒对地探测系统电路模型的构建方法。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:基于已有探测系统天线和电路,在理论分析的基础上建模,运用不同的仿真软件从建立符合要求的目标探测器和信号处理电路出发,对分米波自差多普勒对地探测系统的电路建立一个完整的系统仿真。
附图说明
图1为天线的结构图。
图2为天线的S参数图。
图3为天线的等效电路图。
图4为三点式振荡器仿真电路图。
图5为自差收发机仿真电路图。
图6为输出多普勒信号及频谱图。
图7为低频信号处理输出结果图。
具体实施方式
本发明提供一种分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法,分米波自差多普勒对地探测系统的主要组成部分包括天线、自差收发机和信号处理电路。工作波长为分米波段的多普勒型对地探测系统的工作原理主要是通过一副天线将得到的发射信号与接收信号混频,将混频得到的信号通过多普勒选通滤波,滤除高频分量进而取出含有目标信息的多普勒信号,将多普勒信号进行信号的识别与处理,推动执行级输出执行信号。该方法使用ADS对探测系统的电路进行建模,包括以下步骤:
步骤一、使用ADS对探测系统中的天线等效电路进行建模;
步骤二、使用ADS对振荡器的高频等效电路进行建模;
步骤三、使用ADS对目标探测器的偏置和隔离电路以及检波器进行建模;
步骤四、使用ADS对目标存在时天线阻抗的变化进行建模;
步骤五、使用ADS对自差收发机电路进行建模;
步骤六、使用ADS对探测系统中的信号处理系统进行建模。
进一步的,步骤一,利用传输线理论结合探测系统的天线结构,可以导出天线的等效电路。在夹层段内,它由两层平行敷铜板组成的,可以看成是一段终端开路的平行传输线。由于每段长度Li<<λg/4,λg为夹层介质中电磁波的波长,故它们都呈现容性电抗,因此这段夹层线可用一等效电容表示。在每个缝隙段中,它可以看成一根单线传输线,因此每个缝隙可用一个等效电感来表示。由于缝隙和夹层是依次间隔开的,因而就构成了串联形式。把探测系统天线上缝隙和夹层用等效电路组合起来,就得到探测系统天线的等效电路。
进一步的,步骤二,探测系统的自差机振荡器由集中参数元件和分布参数元器件构成。振荡回路的电感和电容由天线的等效电感和晶体三极管的极间电容来担任,该振荡器是一个电容三点式振荡器。
进一步的,步骤三,偏置电路由三个电阻组成,它为振荡管提供直流偏置。隔离电路的作用是把自差收发机的偏置电路与振荡回路隔开,以便消除它们之间的相互影响,保证振荡器工作的稳定性。隔离电路由射频扼流圈和结构电容所组成,其分别构成三个Γ型滤波器。利用二极管检波器检波,输出多普勒信号。
进一步的,步骤四,探测系统通过天线接收回波信号,从馈电端看,天线输入阻抗可用:ZA=RA+jxA表示。
在等效电路中,es(天线接收的回波等效电源电动势)的影响可以等效成天线输入阻抗的变化。式中ZA是天线输入阻抗,RA是输入阻抗的实部电阻值,xA是虚部电抗,复数j2=-1。利用克希荷夫定律可以得到当出现回波信号时天线输入阻抗为:
ZA+ΔZA=RA+jxA+es/IA
ZA是es=0的输入阻抗:变化部分ΔZA为
ΔZA含电阻部分和电抗部分。电阻部分将引起振荡器振荡信号幅度的变化,电抗部分将引起频率的变化。当探测器和目标以一定速度接近时会产生多普勒效应,多普勒信号的频率与ΔZA的电抗分量变化有关。
进一步的,步骤五,将前四个步骤整合,对自差收发机电路进行建模。
进一步的,步骤六,信号处理器由带通放大器,全波整流滤波器,采样脉冲产生器,幅度检测电路,增幅速度选择电路,模拟地电路(电压基准产生电路)等多个功能电路组成。
一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现任一项所述的方法进行分米波自差多普勒对地探测系统电路模型的构建。
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现任一项所述的方法进行分米波自差多普勒对地探测系统电路模型的构建。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
实施例
一种分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法,分米波自差多普勒对地探测系统的主要组成部分包括天线、自差收发机和信号处理电路。工作波长为分米波段的多普勒型对地探测系统的工作原理主要是通过一副天线将得到的发射信号与接收信号混频,将混频得到的信号通过多普勒选通滤波,滤除高频分量进而取出含有目标信息的多普勒信号,将多普勒信号进行信号的识别与处理,推动执行级输出执行信号。
使用ADS对探测系统的电路进行建模。本发明通过软件系统的将无线电探测系统电路进行全面的建模,为实际应用研究提供指导。构建方法包括以下步骤:
步骤一、使用ADS对探测系统中的天线等效电路进行建模;
探测系统的天线是双面敷铜制成的。如果将天线从馈电点处展开,可以把它看成是一段平行传输线。利用传输线理论结合探测系统的天线结构,可以导出天线的等效电路。把环状加载天线的每段缝隙和夹层均看成独立的一段传输线。夹层线可用一等效电容表示;缝隙段可用一个等效电感来表示。由于缝隙和夹层是依次间隔开的,因而就构成了串联形式。把探测系统天线缝隙和夹层用等效电路组合起来,就得到探测系统天线的等效电路。
步骤二、使用ADS对振荡器的高频等效电路进行建模;
探测系统的自差机振荡器由集中参数元件和分布参数元器件构成。振荡回路的电感和电容由天线的等效电感和晶体三极管的极间电容来担任。当已知探测系统工作频率时,可知天线输入阻抗,由此可以计算出在该频率下天线呈现的电感,进而得到振荡电容。计算出振荡管的静态工作点,为振荡管提供直流偏置。
步骤三、使用ADS对目标探测器的偏置和隔离电路以及检波器进行建模;
偏置电路为振荡管提供直流偏置。隔离电路把自差收发机的偏置电路与振荡回路隔开,以消除它们之间的相互影响,保证振荡器工作的稳定性。隔离电路由射频扼流圈和结构电容所组成,其分别构成三个Γ型滤波器。利用二极管检波器检波,输出多普勒信号。
步骤四、使用ADS对目标存在时天线阻抗的变化进行建模;
探测系统通过天线接收回波信号,从馈电端看,天线输入阻抗可用ZA=RA+jxA表示。在等效电路中,es(es为天线接收的回波等效电源电动势)的影响可以等效成天线输入阻抗的变化。式中ZA是天线输入阻抗,RA是输入阻抗的实部电阻值,xA是虚部电抗,复数j2=-1。利用克希荷夫定律可以得到当出现回波信号时天线输入阻抗为:
ZA+ΔZA=RA+jxA+es/IA
ZA是es=0的输入阻抗:变化部分ΔZA为
ΔZA含电阻部分和电抗部分。电阻部分将引起振荡器振荡信号幅度的变化,电抗部分将引起频率的变化。当探测器和目标以一定速度接近时会产生多普勒效应,多普勒信号的频率与ΔZA的电抗分量变化有关。
步骤五、使用ADS对探测系统中的探测系统信号处理系统进行建模;
信号处理器的输入信号是来自目标探测器输出的多普勒信号。经带通放大和滤波,抑制通带以外的干扰信号,放大有用信号。其输出分成两个通道,第一通道为多普勒信号的幅度检测通道,多普勒信号经全波整流滤波到达幅度检测电路,当其幅度超过设定的门限,则输出高电平给三与门的一端。从全波整流滤波器输出的另一部分经过衰减器形成增幅速度上限检测电路的动态上门限及增幅速度下限检测电路的增幅信号幅度信息的输入,与衰减器并行的一支路是将全波整流滤波器输出的多普勒信号幅度变化经积分器送给增幅速度上限检测电路的输入端作为动态信号与动态上门限比较,一旦超过门限该增幅速度上限检测电路将输出状态信息给与门的第二输入端,衰减电路输出的另一支路将幅度信号经微分后用为增幅速度下限检测电路的动态信号输入,一旦该信号超过动态下门限时,下限检测电路就输出状态信息给与门的第三输入端,增幅速度上、下限检测电路,同时作用的结果实质上就形成了增幅速度门,只有同时满足幅度检测要求及速度门要求的目标信号才能输出驱动探测系统执行级适时起爆。
为了验证本发明方案的有效性,进行如下仿真实验。
本实施例采用以下系统参数,探测系统与目标相对速度为329m/s,相对距离为16m,落角为68°;电路模型构建方法包括以下步骤:
步骤1、使用ADS对探测系统中的天线等效电路进行建模;
图1、图2、图3分别为天线的结构图、S参数图、等效电路图。
从对天线输入阻抗的实验测试可知,当探测系统工作频率为750MHz时,天线输入阻抗ZRi=(118.93+j42.54)Ω。
步骤2、使用ADS对振荡器的高频等效电路进行建模;
图4为三点式振荡器仿真电路图,该图仅为示意,具体电路结构不做描述。当电源电压Ec=28V,晶体管电流放大系数β=80,可计算出振荡管的静态工作点。
步骤3、使用ADS对目标探测器的偏置和隔离电路以及检波器进行建模;
隔离电路由四个集中参数的射频扼流圈和三个结构电容所组成,其分别构成三个Γ型滤波器。
根据电路底板的图形和尺寸,可以估算出结构电容相应的面积并计算出三个滤波电容的值。扼流圈的电感量取为0.4μH。可以按上述参数计算Γ型低通滤波器的截止频率,特性阻抗和传输系数。
图5为自差收发机仿真电路图,图6为输出多普勒信号及频谱图。
步骤4、使用ADS对目标存在时天线阻抗的变化进行建模;
经计算由ADS初始化建模电路数据仿真得到ΔZA。
步骤5、使用ADS对探测系统中的信号处理系统进行建模;图7为低频信号处理输出结果图。
如此,便通过联合仿真的方法进行了分米波自差多普勒对地探测系统电路模型的构建;由自差机电路得到多普勒信号并输入到信号处理电路输出特定的脉冲。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法,其特征在于,该方法使用ADS对探测系统的电路进行建模,具体包括:对探测系统中的天线等效电路进行建模、对振荡器的高频等效电路进行建模、对目标探测器的偏置和隔离电路以及检波器进行建模、对目标存在时天线阻抗的变化进行建模、对自差收发机电路进行建模以及对探测系统中的信号处理电路进行建模。
2.根据权利要求1所述的分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法,其特征在于,利用ADS对探测系统中的天线等效电路进行建模,具体为:
利用传输线理论结合探测系统的天线结构,导出天线的等效电路;将环状加载天线的每段缝隙和夹层均看成独立的一段传输线;在夹层段内,它由两层平行敷铜板组成的,可看成是一段终端开路的平行传输线;由于每段长度Li<<λg/4,λg为夹层介质中电磁波的波长,故它们均呈现容性电抗,因此这段夹层线用一等效电容表示;在每个缝隙段中,可看成一根单线传输线,可用一个等效电感来表示;由于缝隙和夹层是依次间隔开的,因而构成了串联形式。
3.根据权利要求2所述的分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法,其特征在于,将探测系统天线上的缝隙和夹层用等效电路组合起来,得到探测系统中天线的等效电路。
4.根据权利要求1所述的分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法,其特征在于,利用ADS对振荡器的高频等效电路进行建模,探测系统的自差机振荡器由集中参数元件和分布参数元器件构成;振荡回路的电感和电容由天线的等效电感和晶体三极管的极间电容来担任,该振荡器是一个电容三点式振荡器。
5.根据权利要求1所述的分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法,其特征在于,利用ADS对目标探测器的偏置和隔离电路以及检波器进行建模;偏置电路由三个电阻组成,为振荡管提供直流偏置;隔离电路的作用是把自差收发机的偏置电路与振荡回路隔开;隔离电路由四个集中参数的射频扼流圈和三个结构电容所组成,其分别构成三个Γ型滤波器;利用二极管检波器检波,输出多普勒信号。
6.根据权利要求1所述的分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法,其特征在于,利用ADS对目标存在时天线阻抗的变化进行建模;
探测系统通过天线接收回波信号,从馈电端看,天线输入阻抗为:
ZA=RA+jxA
在等效电路中,es的影响等效成天线输入阻抗的变化,es为天线接收的回波等效电源电动势;式中ZA是天线输入阻抗,RA是输入阻抗的实部电阻值,xA是虚部电抗,复数j2=-1;利用克希荷夫定律得到当出现回波信号时天线输入阻抗为:
ZA+ΔZA=RA+jxA+es/IA
变化部分ΔZA为
式中是es与IA的相位差,它与天线特性、地面特性和距离H有关,IA为天线激励端的电流;esm为天线接收的回波等效电源电动势的幅值;IAm为电流的幅值;ω0=2πf0,f0为工作频率;为多普勒信号的幅值;
ΔZA含电阻部分和电抗部分,电阻部分将引起振荡器振荡信号幅度的变化,电抗部分将引起频率的变化。
7.根据权利要求1所述的分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法,其特征在于,将前四个步骤进行整合,使用ADS对自差收发机电路进行建模。
8.根据权利要求1所述的分米波自差多普勒对地探测系统电路模型构建方法,其特征在于,使用ADS对探测系统中的信号处理电路进行建模;
信号处理电路由带通放大器,全波整流滤波器,采样脉冲产生器,幅度检测电路,增幅速度选择电路,模拟地电路组成;
信号处理电路的输入信号为来自目标探测器输出的多普勒信号;经带通放大和滤波,抑制通带以外的干扰信号,放大有用信号;其输出分成两个通道,第一通道为多普勒信号的幅度检测通道,多普勒信号经全波整流滤波到达幅度检测电路,当其幅度超过设定的门限,则输出高电平给三与门的一端;从全波整流滤波器输出的另一部分经过衰减器形成增幅速度上限检测电路的动态上门限及增幅速度下限检测电路的增幅信号幅度信息的输入,与衰减器并行的一支路是将全波整流滤波器输出的多普勒信号幅度变化经积分器送给增幅速度上限检测电路的输入端作为动态信号与动态上门限比较,一旦超过门限该增幅速度上限检测电路将输出状态信息给与门的第二输入端,衰减电路输出的另一支路将幅度信号经微分后用为增幅速度下限检测电路的动态信号输入,一旦该信号超过动态下门限时,下限检测电路就输出状态信息给与门的第三输入端,增幅速度上、下限检测电路,同时作用的结果形成增幅速度门。
9.一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-8任一项所述的方法进行分米波自差多普勒对地探测系统电路模型的构建。
10.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述的方法进行分米波自差多普勒对地探测系统电路模型的构建。
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