CN116027315A - 一种无线电高度表系统、控制方法及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线电高度表技术领域，公开了一种无线电高度表系统、控制方法及存储介质，所述无线电高度表系统中发射天线与功率放大器连接，功率放大器与频率综合器连接；频率综合器与接收机连接，接收机分别与接收天线和信号处理单元连接，信号处理单元与频率综合器连接。频率综合器设置有恒温晶振，恒温晶振经二功分器分成两路信号，一路直接输出给DDS做时钟，另一路给锁相环PLL做时钟。在飞行器低空飞行需要测高时，调频高度表波束可更好扫描地面，识别树木房屋等可能存在的干扰反射面，通过天线方向的调整适应飞行器飞行姿态，从而更加准确的在各种复杂环境中反应飞行器于地面之间的真实距离。
Description
技术领域
本发明属于无线电高度表技术领域，尤其涉及一种无线电高度表系统、控制方法及存储介质。
背景技术
目前，无线电高度表所应用的技术原理为雷达测距原理。雷达(radar)原是“无线电探测与定位”的英文缩写。雷达的基本任务是探测感兴趣的目标，测定有关目标的距离、方位、速度等状态参数。雷达主要由天线、发射机、接收机（包括信号处理机）和显示器等部分组成。
雷达发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传送给天线。天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取。天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号。由于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减，雷达回波信号非常微弱，几乎被噪声所淹没。接收机放大微弱的回波信号，经过信号处理机处理，提取出包含在回波中的信息，送到显示器，显示出目标的距离、方向、速度等。为了测定目标的距离，雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间，这个延迟时间是电磁波从发射机到目标，再由目标返回雷达接收机的传播时间。根据电磁波的传播速度，可以确定目标的距离为：S=CT/2；其中S：目标距离；T：电磁波从雷达到目标的往返传播时间；C：光速。
现有技术方案应用脉冲波进行测距，测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量，测量仰角靠窄的仰角波束测量。根据仰角和距离就能计算出目标高度，测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。但是脉冲高度表用于高度，主要工作在10000米左右。这种高度的划分是由于在高度工作时，调频式高度表需要过多的功率，而在低高度（如30米以下）应用脉冲高度表要产生很窄的脉冲，以避免对回波的遮挡，因而有困难。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中的高度表在调频过程中，需要过多的功率；在低高度应用脉冲高度表要产生很窄的脉冲，易产生对回波的遮挡。
解决以上问题及缺陷的难度为：
（1）弹上或机上电源动力来自供配电系统，一般采用不可循环的热电池或电瓶作为供电来源，因此高度表调频功率提高受到使用环境整体电力配额的限制；其次，降低发射功率，则会导致回波能量经地面反射后大幅衰减，使得设备无法正常工作；
（2）因不同高度需采用不同频幅的脉冲，因此需要射频发射频率可调，增加了系统设计难度和生产成本，降低了整体稳定性。
解决以上问题及缺陷的意义为：
（1）可以保证弹上或机上供配电总体平衡，为其他有效载荷节余更多电力，提高系统整体设计冗余度和稳定性；（2）缓解低高度应用中回波阻挡问题，提高设备在全高度全距离的工作稳定性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无线电高度表系统、控制方法及存储介质。
调频式无线电高度表是搭载于飞行器的电子设备，用于测量载体距离地面的真实高度。该发明解决了在雨雪等复杂气候条件下，在较低高度范围内精确快速测量高度的问题。
本发明是这样实现的，一种无线电高度表系统，所述无线电高度表系统设置有发射天线；
发射天线与功率放大器连接，功率放大器与频率综合器连接；
频率综合器与接收机连接，接收机分别与接收天线和信号处理单元连接，信号处理单元与频率综合器连接。
进一步，所述频率综合器设置有恒温晶振，恒温晶振经二功分器分成两路信号，一路直接输出给DDS做时钟，另一路给锁相环PLL做时钟。
进一步，所述DDS与低通滤波器连接，低通滤波器与混频器连接，混频器与带通滤波器连接。
进一步，所述PLL与环路滤波器连接，环路滤波器与压控振荡器VCO连接，压控振荡器VCO与混频器连接，混频器与带通滤波器连接。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述无线电高度表系统的无线电高度表控制方法，所述无线电高度表控制方法，包括：
频率综合器产生三角波调制信号，送给功率放大器通过发射天线辐射到地面；另外把调制信号耦合一部分送给接收机混频器，接收机把从接收天线收到的回波信号和频率综合器送来的FMCW信号进行混频，混频后的回波信号经过一定的滤波、放大以及频率增益控制后，送给信号处理单元进行高度解算，最终解算结果通过RS422接口以任务书要求的协议输出。
进一步，所述频率综合器设置有恒温晶振，恒温晶振经二功分器分成两路信号，一路直接输出给DDS做时钟，另一路给锁相环做时钟；
DDS将恒温晶振的时钟信号通过内部锁相环倍频到1GHz，以此作为DDS内部的主时钟，在1GHz时钟下，DDS输出50-200MHz的线性调频信号；
锁相环产生C波段的单频信号和DDS输出的调频信号进行混频，并经带通滤波器滤波，最终产生高度表频率综合器的输出信号。
进一步，所述接收机中回波信号经低噪放后与一路耦合的频综信号混频，混频输出差拍基带信号，之后经滤波放大送入信号处理单元。
进一步，所述回波信号和频综信号在混频器中混频输出差拍信号，经低通滤波放大的差拍模拟信号首先通过ADC转换为数字信号，然后对采集的数字信号做Chirp_Z变换；经过变换后的频谱信息通过频谱前沿检测算法，找到高度信息所对应的差频，之后通过多普勒消除和高度信息解算，最终输出载体与地面的高度值。
进一步，所述多普勒消除具体过程为：
对于正向调制段得到的差拍信号可以写成：
；
而对于负向调制段得到的差拍信号频率可以写成：
；
式中为没有多普勒频移的差拍频率，而为多普勒频移引起的差频误差，则实际的差拍信号频率为：
；
通过上式就可以将多普勒频移引起的测高误差消除；
Chirp_Z变换具体过程为：
有限长序列 x(n) 0≤n≤N−1的离散傅立叶变换实际上就是在单位圆上Z变换的N 点均匀采样，N个采样点均匀分布在2π范围内；均匀采样也使 DFT 的频率分辨率限制在，CZT 突破了 DFT 的局限性，在 Z平面任取一个自定义的弧段，只在该弧段上进行序列 Z 变换的均匀采样，而且采样间隔自由确定；
CZT 应属于窄带高分辨率算法，具体过程为：
设序列x(n)的长度为N，要分析Z平面上M点频谱采样值，分析点为；
；
其中，，；
把上式代入如下Z变换公式：
；
整理得：
；
其中，，；
当，时可以实现在单位圆上细化；
频谱前沿检测具体过程为：
在面目标的情况下，差拍信号的频谱会被展宽，即不是只有一根谱线带有主要的回波能量，而是很多根谱线或谱线带都具有相同级的回波能量，所以不能像对待点目标一样来检测差拍频谱最大值以得到载体对地高度；
一般系统只能跟踪这个频谱中某一加权平均谱线带，而这个被跟踪的谱线带通常不是对应最短的回波延迟，即最低高度；
在搜索得到的最大相关峰的基础上，设置一个正比于在搜索窗中的最大相关峰峰值的门限，将等于此门限值的相关峰前沿的点作为前沿检测的时间估计值。
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述无线电高度表控制方法包括下列步骤：
频率综合器产生三角波调制信号，送给功率放大器通过发射天线辐射到地面，另外把调制信号耦合一部分送给接收机混频器，接收机把从接收天线收到的回波信号和频率综合器送来的FMCW信号进行混频，混频后的回波信号经过一定的滤波、放大以及频率增益控制后，送给信号处理单元进行高度解算，最终解算结果通过RS422接口以任务书要求的协议输出。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
采用单FPGA芯片方案，不采用常见的DSP+FPGA构架，降低了设备功耗和成本，提高了设备工作的稳定性。调频连续波体制避免了传统脉冲式高度表存在的中低距离采样精度低、测量频率少的问题，能够满足高动态设备的距离测量需求。
在飞行器低空飞行需要测高时，调频高度表波束可更好扫描地面，识别树木房屋等可能存在的干扰反射面，通过天线方向的调整适应飞行器飞行姿态，从而更加准确的在各种复杂环境中反应飞行器于地面之间的真实距离。
附图说明
图1是本发明实施例提供的无线电高度表系统结构示意图；
图中：1、发射天线；2、功率放大器；3、频率综合器；4、信号处理单元；5、接收机；6、接收天线。
图2是本发明实施例提供的频率综合器原理框图。
图3是本发明实施例提供的接收机原理图。
图4是本发明实施例提供的接收机链路增益分配图。
图5是本发明实施例提供的天线仿真模型图。
图6是本发明实施例提供的天线仿真结果图。
图7是本发明实施例提供的信号处理单元实现框图。
图8是本发明实施例提供的三角波调制的特性曲线示意图。
图8中：图a、发射信号与回波信号关系；图b、差拍信号频率。
图9是本发明实施例提供的前沿检测示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无线电高度表系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供的无线电高度表系统业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的无线电高度表系统仅仅是一个具体实施例而已。
如图1所示，本发明实施例提供的无线电高度表系统中发射天线1与功率放大器2连接，功率放大器2与频率综合器3连接，频率综合器3与接收机5连接，接收机5分别与接收天线6和信号处理单元4连接，信号处理单元4与频率综合器3连接。系统中频率综合器产生三角波调制信号，送给功率放大器通过发射天线辐射到地面，另外把调制信号耦合一部分送给接收机混频器，接收机把从接收天线收到的回波信号和频率综合器送来的FMCW信号进行混频，混频后的回波信号经过一定的滤波、放大以及频率增益控制后，送给信号处理单元进行高度解算，最终解算结果通过RS422接口以任务书要求的协议输出。
频率综合器3设置有恒温晶振，恒温晶振经二功分器分成两路信号，一路直接输出給DDS做时钟，另一路给锁相环PLL做时钟。DDS与低通滤波器连接，低通滤波器与混频器连接，混频器与带通滤波器连接；PLL与环路滤波器连接，环路滤波器与压控振荡器VCO连接，压控振荡器VCO与混频器连接，混频器与带通滤波器连接；DDS将恒温晶振的时钟信号通过内部锁相环倍频到1GHz，以此作为DDS内部的主时钟，在1GHz时钟下，DDS输出50-200MHz的线性调频信号。锁相环产生C波段的单频信号，和DDS输出的调频信号进行混频，并经带通滤波器滤波，产生高度表频率综合器的输出信号。
接收机中回波信号经低噪放后与一路耦合的频综信号混频，混频输出差拍基带信号，之后经滤波放大送入信号处理单元。根据指标要求，接收机噪声系数要求小于5dB，接收机带宽200KHz。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细的描述。
1高度表体制选择
根据无线电高度表的指标要求，本发明选用三角波调制的线性调频连续波（FMCW）作为无线电高度表发射波形。
2总体设计
为了完成高度表的设计要求，这里选用定重频、定斜率的FMCW发射信号。高度表主要由天线、收发和频率综合单元以及信号处理单元三部分组成。
天线采用收、发分置的双天线模式，收发和频率综合单元与信号处理单元采用背靠背的安置方式，中间采用物理隔离。
频率综合单元使用直接数字频率合成（简称DDS）产生fI±△F调频信号，频率调制特性为三角波调制。DDS生成的调频信号和锁相环产生的C波段发射信号f0混频后，生成雷达的发射信号f，此信号被功率放大后，从发射天线定向发射至地面(或海面)，经过时间延迟τ后由地面反射到接收天线接收并送到混频器，延时τ是电磁波从飞行器至地面的往返时间，该时间正比于飞行器与地面的相对高度，二者由混频器差出的信号频率为fb：
；
因此，混频器输出的差频信号fb与高度信息成正比，计算出差频频率就可以得到高度表的高度信息。
由于多普勒频率的影响，高度表检测高度信息后需要根据上、下两个调制周期得到的频率信息得到最终的高度。
三角波调制的特性曲线如图8。
3参数设计
重频选择，根据无线电高度表任务书要求数据传输周期为1帧/5ms，因此要求高度表至少在5ms时间内能够准确测量高度信息，考虑高度表的垂直降落速度问题，这里重频周期选择1ms，即重频为1KHz。
发射带宽，任务书要求的测量精度达到±(0.2m+2%H)，测量范围为：10m~200m。因此高度表的最小测量精度为±0.4m，这里选择高度表发射信号带宽为150MHz。
中心频率，根据任务书指标要求，这里选择C波段作为高度表的载频频段。
天线指标，根据总体指标要求，制定天线的指标如下：增益：≥8dB；工作频率：C波段；波瓣宽度：E面≥±20°；H面≥±35°；驻波系数：VSWR≤2（标称阻抗50Ω）；天线隔离度：隔离度≥40dB；带宽：≥200MHz。
频综和发射机指标，中心频率：C波段；信号带宽：150MHz；波形：FMCW
；发射功率：≥10mW；带内起伏：≤1dB；杂散： ≤-60dB(带内)；相噪：≤-110dBc/Hz/10KHz；频率稳定度：短稳优于1×10-9（τ：10～20ms）；频率漂移：≤2×10-4（T：-40℃～＋60℃）；功耗：≤5W；供电：28±4V。
接收机，系统增益：45±2dB；噪声系数：≤5dB；低噪声放大器带宽：≥200MHz；零中频接收机带宽：200KHz；接收机动态范围：≥40dB；接收机最大输出信号：≤10dBm；功耗：≤2W；供电：28±4V。
信号处理单元指标，最大输入信号：10dBm；最小输入信号：-50dBm；动态范围：≥60dB；最终处理带宽：≤500Hz；采样率：≥400KHz；功耗：≤3W；
供电：28±4V；接口：串口RS422；数据输出速率：5ms/次。
结构，按照无线电高度表任务书要求执行。
4系统组成及原理
无线电高度表系统组成框图，见图1所示。
系统中频率综合器产生三角波调制信号，送给功率放大器通过发射天线辐射到地面，另外把调制信号耦合一部分送给接收机混频器，接收机把从接收天线收到的回波信号和频率综合器送来的FMCW信号进行混频，混频后的回波信号经过一定的滤波、放大以及频率增益控制后，送给信号处理单元进行高度解算，最终解算结果通过RS422接口以任务书要求的协议输出。
5频率综合器
频率综合器产生高度表所需的三角波调制信号。针对频率综合器指标要求的相位噪声高、信号带宽等特点，采用直接数字频率合成（DDS）+锁相环（PLL）+混频方式，原理框图见图2。
恒温晶振经二功分器分成两路信号，一路直接输出給DDS做时钟，另一路给锁相环做时钟。
DDS首先将恒温晶振的时钟信号通过内部锁相环倍频到1GHz，以此作为DDS内部的主时钟，在1GHz时钟下，DDS输出50-200MHz的线性调频信号。
锁相环产生C波段的单频信号，和DDS输出的调频信号进行混频，并经带通滤波器滤波，最终产生高度表频率综合器的输出信号。
DDS采用ADI公司的AD9910。AD9910时钟可达1GHz，最高可以产生400MHz的输出信号，内部具有32bit的频率控制字，可以使频率输出精度达到0.23Hz，同时AD9910具有低相位噪声、低杂散、捷变频等特性，完全满足设计需求。
锁相环芯片采用Hittite公司的HMC833，HMC833是一款低噪声、宽带、小数N分频锁相环（PLL），集成基频范围为1500MHz-3000MHz的压控振荡器（VCO），以及集成式VCO输出分配器（1/2/4/6…/60/62分频）和倍频器，共同支持HMC833产生范围为25MHz至6000MHz。
HMC833具有超低的相位噪声和良好的杂散性能，噪底性能为-170dBc/Hz，品质因数为-227dBc/Hz，可以满足频率综合器的设计需求。
6发射机
发射机的功能是将频率综合器输出的信号进行功率放大，最终输出功率大于10mW的高度表发射信号，利用一级放大器就可以将频综输出的小信号放大到10mW。
7接收机
接收机采用零中频式接收机，原理框图如图3。
回波信号经低噪放后与一路耦合的频综信号混频，混频输出差拍基带信号，之后经滤波放大送入信号处理单元。根据指标要求，接收机噪声系数要求小于5dB，接收机带宽200KHz。
低噪放选用Hittite公司的HMC392，主要电气指标如表1所示。
表1 电气指标
接收机的整个链路增益分配见图4。
从图中可以看出，接收机的噪声系数指标计算为3.64dB，满足指标要求。末级放大器的1dB压缩点输出大于10dBm，在增益为45dB情况下，输入信号为-35dBm。整个接收机输入动态范围47dB，优于指标要求的40dB。
8天线
天线分为接收和发射天线，分别用于接收回波信号和将发射机信号辐射到地面（海面）。天线形式采用柱面共形微带阵列天线，收发天线左右对称分布。天线波束指向：与天线法线方向成55°夹角（波束偏向飞行方向），波束宽度：沿飞行方向波束宽度40°，垂直于飞行方向的波束宽度70°，极化方式：线极化，交叉极化电平：＜-25dB，接口采用任务书要求的接口。天线仿真模型及结果见下图5和图6。
9信号处理单元
信号处理单元的作用是采集接收机的回波信号，通过频率估算，找到载体与地面的垂直高度信息，并通过RS422接口输出，如图7所示。
回波信号和频综信号在混频器中混频输出差拍信号，经低通滤波放大的差拍模拟信号首先通过ADC转换为数字信号，然后为了提高测高精度，对采集的数字信号做Chirp_Z变换。经过变换后的频谱信息通过频谱前沿检测算法，找到高度信息所对应的差频，之后通过多普勒消除和高度信息解算，最终输出载体与地面的高度值。
为了提高信号处理单元的动态范围，这里采用浮点的数字信号处理器，作为主处理器。DSP芯片选用ADI的ADSP-21489。
ADSP-21489具有450MHz的主频时钟，5MBit的片上RAM，FFT加速器等资源，并且具有丰富的外部接口，可以和A/D转换器直接连接。还具有UART接口，通过RS422转换器后可以直接输出数据。
A/D转换器采用ADI公司的AD7915。AD7915最高采样率1MSPS，具有16位分辨率，信噪比可达94dB，具有95dB的动态范围，数据输出接口可以采用SPI或QSPI，与DSP直接兼容，完全能够满足高度表要求。
10供电单元
由于整个系统采用28±4V的电压供电，为了简化系统电源设计，首先采用DC-DC芯片，把28V电源变换到6V，然后把6V电源直接输出给各分系统，作为分系统的电源。
DC-DC芯片采用TI公司的LMZ14203电源模块，LMZ14203 电源模块是一款易于使用的降压直流至直流 (DC-DC) 解决方案，此解决方案能够以出色的功率转换效率、线路和负载调节以及输出精度驱动高达 3A 的负载。 LMZ14203 采用创新型封装，此封装可提高热性能并可实现手工或机器焊接。
LMZ14203 可接受 6V 到 42V 之间的输入电压，提供低至 0.8V 的可调且高精确度输出电压。 LMZ14203 只需 3 个外部电阻器和 4 个外部电容器即可完成电源解决方案。 LMZ14203 是一款具有以下保护特性的可靠且稳定耐用的设计：热关断、输入欠压闭锁、输出过压保护、短路保护、输出电流限制并允许启动至一个预偏置输出。还可以通过一个单个电阻器将开关频率调节至 1MHz。同时LMZ14203具有以下特性：
集成屏蔽式电感器；简单印刷电路板 (PCB) 布局布线；使用外部软启动和精密使能的灵活启动排序；防止涌入电流和诸如输入欠压闭锁 (UVLO) 和输出短路等故障；-40°C至 125°C 的工作结点温度范围。
11多普勒消除
本无线电高度表方案中使用三角波调制的线性调频连续波信号作为发射信号，目的在于消除多普勒频移引起的测高误差。如图8所示。
对于正向调制段得到的差拍信号可以写成：
而对于负向调制段得到的差拍信号频率可以写成
式中为没有多普勒频移的差拍频率，而为多普勒频移引起的差频误差。则实际的差拍信号频率为：
通过上式就可以将多普勒频移引起的测高误差消除。
12 Chirp_Z变换
有限长序列 x(n) 0≤n≤N−1的离散傅立叶变换（DFT）实际上就是在单位圆上Z变换的 N 点均匀采样，N个采样点均匀分布在2π范围内。但这种均匀采样也使 DFT 的频率分辨率限制在。CZT 突破了 DFT 的局限性，可以在 Z平面任取一个自定义的弧段，只在该弧段上进行序列 Z 变换的均匀采样，而且采样间隔也可以自由确定。因此 CZT 应属于窄带高分辨率算法，而且是一种经典的频域细化方法。
设序列x(n)的长度为N，要分析Z平面上M点频谱采样值，分析点为，
其中，，。
把上式代入如下Z变换公式：
整理得：
其中，，。
当，时可以实现在单位圆上细化。
13频谱前沿检测
在面目标的情况下，差拍信号的频谱会被展宽，即不是只有一根谱线带有主要的回波能量，而是很多根谱线或谱线带都具有相同级的回波能量，所以不能像对待点目标一样来检测差拍频谱最大值以得到载体对地高度。一般系统只能跟踪这个频谱中某一加权平均谱线带，而这个被跟踪的谱线带通常不是对应最短的回波延迟，即最低高度。本发明采用一种频谱前沿检测算法，其核心思想是在搜索得到的最大相关峰的基础上，设置一个正比于在搜索窗中的最大相关峰峰值的门限，将等于此门限值的相关峰前沿的点作为前沿检测的时间估计值。前沿检测示意图如图9所示。
14主要指标论证
1） 测量范围
无线电高度表的测量范围为10m~200m，本发明选择发射带宽ΔF为150M，重频周期Tm为1ms，差频公式为：
由上式计算差频范围为10KHz~200KHz，同时设置信号处理单元的采样率≥400KHz，采用数字信号处理的方法做鉴频，完全可以实现对差频的测定，从而实现高度表10m~200m的测量范围。
2） 测量精度
从对差频信号的分析可知，频谱的各个谐波分量是调制周期的整数倍，在大多数情况下用调频信号测量距离是不连续的，这种不连续性导致了与距离无关的误差：固定误差。本发明中频偏ΔF为150MHz，由频谱离散性引起的固定误差为：
同时根据差频公式推导得出测高误差为：
由上式可知，测高误差除来自由频谱离散性引起的固定误差外，还来自测频误差。按照任务书要求，测量精度达到±(0.2m+2%H)，测量范围为：10m~200m，因此高度表的最小测量精度为±0.4m。而系统固定误差为1m，要满足±0.4m的最小测量精度，需测频误差最小为400Hz，模拟差频信号经过ADC变为数字信号后，通过Chirp_Z变换进行频谱细化，完全可以实现400Hz的测频误差。
3）接收灵敏度
任务书要求接收灵敏度优于-82dBm，本发明中接收机采用零中频式接收机，接收机带宽为200KHz，噪声系数小于5dB。因此，接收机灵敏度为：
设计指标完全满足系统灵敏度-82dBm的要求。
4）适应飞行姿态
任务书要求高度表能够适应的飞行姿态为：末端俯仰40°～80°(弹体纵轴与水平面的夹角)，滚转-35°～+35°。本发明中天线的波束宽度为：沿飞行方向波束宽度40°，垂直于飞行方向的波束宽度70°。天线的波束指向为：与天线法线方向成60°夹角（波束偏向飞行方向），满足在一定飞行姿态下还可以准确测量载体高度的要求。
15设计符合性矩阵
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无线电高度表系统，其特征在于，所述无线电高度表系统设置有；
发射天线；
发射天线与功率放大器连接，功率放大器与频率综合器连接；
频率综合器与接收机连接，接收机分别与接收天线和信号处理单元连接，信号处理单元与频率综合器连接。
2.如权利要求1所述无线电高度表系统，其特征在于，所述频率综合器设置有恒温晶振，恒温晶振经二功分器分成两路信号，一路直接输出给DDS做时钟，另一路给锁相环做时钟。
3.如权利要求2所述无线电高度表系统，其特征在于，所述DDS与低通滤波器连接，低通滤波器与混频器连接，混频器与带通滤波器连接。
4.如权利要求2所述无线电高度表系统，其特征在于，所述PLL与环路滤波器连接，环路滤波器与压控振荡器VCO连接，压控振荡器VCO与混频器连接，混频器与带通滤波器连接。
5.一种实施如权利要求1~4任意一项所述无线电高度表系统的无线电高度表控制方法，其特征在于，所述无线电高度表控制方法，包括：频率综合器产生三角波调制信号，送给功率放大器通过发射天线辐射到地面；另外把调制信号耦合一部分送给接收机混频器，接收机把从接收天线收到的回波信号和频率综合器送来的FMCW信号进行混频，混频后的回波信号经过一定的滤波、放大以及频率增益控制后，送给信号处理单元进行高度解算，最终解算结果通过RS422接口以任务书要求的协议输出。
6.如权利要求5所述无线电高度表控制方法，其特征在于，所述频率综合器设置有恒温晶振，恒温晶振经二功分器分成两路信号，一路直接输出给DDS做时钟，另一路给锁相环做时钟；
DDS将恒温晶振的时钟信号通过内部锁相环倍频到1GHz，以此作为DDS内部的主时钟，在1GHz时钟下，DDS输出50-200MHz的线性调频信号；
锁相环产生C波段的单频信号和DDS输出的调频信号进行混频，并经带通滤波器滤波，最终产生高度表频率综合器的输出信号。
7.如权利要求5所述无线电高度表控制方法，其特征在于，所述接收机中回波信号经低噪放后与一路耦合的频综信号混频，混频输出差拍基带信号，之后经滤波放大送入信号处理单元。
8.如权利要求7所述无线电高度表控制方法，其特征在于，所述回波信号和频综信号在混频器中混频输出差拍信号，经低通滤波放大的差拍模拟信号首先通过ADC转换为数字信号，然后对采集的数字信号做Chirp_Z变换；经过变换后的频谱信息通过频谱前沿检测算法，找到高度信息所对应的差频，之后通过多普勒消除和高度信息解算，最终输出载体与地面的高度值。
9.如权利要求8所述无线电高度表控制方法，其特征在于，所述多普勒消除具体过程为：
对于正向调制段得到的差拍信号可以写成：
；
而对于负向调制段得到的差拍信号频率可以写成：
；
式中为没有多普勒频移的差拍频率，而为多普勒频移引起的差频误差，则实际的差拍信号频率为：
；
通过上式就可以将多普勒频移引起的测高误差消除；
Chirp_Z变换具体过程为：
有限长序列 x(n) 0≤n≤N−1的离散傅立叶变换实际上就是在单位圆上Z变换的 N 点均匀采样，N个采样点均匀分布在2π范围内；均匀采样也使 DFT 的频率分辨率限制在，CZT 突破了 DFT 的局限性，在 Z平面任取一个自定义的弧段，只在该弧段上进行序列 Z 变换的均匀采样，而且采样间隔自由确定；
CZT 应属于窄带高分辨率算法，具体过程为：
设序列x(n)的长度的长度为N，要分析Z平面上M点频谱采样值，分析点为；
；
其中，，；
把上式代入如下Z变换公式：
；
整理得：
；
其中，，；
当，时可以实现在单位圆上细化；
频谱前沿检测具体过程为：
在面目标的情况下，差拍信号的频谱会被展宽，即不是只有一根谱线带有主要的回波能量，而是很多根谱线或谱线带都具有相同级的回波能量，所以不能像对待点目标一样来检测差拍频谱最大值以得到载体对地高度；
一般系统只能跟踪这个频谱中某一加权平均谱线带，而这个被跟踪的谱线带通常不是对应最短的回波延迟，即最低高度；
在搜索得到的最大相关峰的基础上，设置一个正比于在搜索窗中的最大相关峰峰值的门限，将等于此门限值的相关峰前沿的点作为前沿检测的时间估计值。
10.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求5~9任意一项所述无线电高度表控制方法包括下列步骤：
频率综合器产生三角波调制信号，送给功率放大器通过发射天线辐射到地面，另外把调制信号耦合一部分送给接收机混频器，接收机把从接收天线收到的回波信号和频率综合器送来的FMCW信号进行混频，混频后的回波信号经过一定的滤波、放大以及频率增益控制后，送给信号处理单元进行高度解算，最终解算结果通过RS422接口以任务书要求的协议输出。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211712839.9A CN116027315A (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 一种无线电高度表系统、控制方法及存储介质 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211712839.9A CN116027315A (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 一种无线电高度表系统、控制方法及存储介质 |
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| CN (1) | CN116027315A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117639907A (zh) * | 2024-01-26 | 2024-03-01 | 福建福大北斗通信科技有限公司 | 一种基于北斗基带的自适应系统时钟稳定系统 |
-
2022
- 2022-12-30 CN CN202211712839.9A patent/CN116027315A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117639907A (zh) * | 2024-01-26 | 2024-03-01 | 福建福大北斗通信科技有限公司 | 一种基于北斗基带的自适应系统时钟稳定系统 |
| CN117639907B (zh) * | 2024-01-26 | 2024-04-16 | 福建福大北斗通信科技有限公司 | 一种基于北斗基带的自适应系统时钟稳定系统 |
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