一種新的雷達(dá)信號(hào)旋轉(zhuǎn)干涉儀測(cè)向解模糊算法?

何 明，李昀豪，唐 斌

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，成都611731）

一種新的雷達(dá)信號(hào)旋轉(zhuǎn)干涉儀測(cè)向解模糊算法?

何 明??，李昀豪，唐 斌

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，成都611731）

研究了一種新的旋轉(zhuǎn)干涉儀測(cè)向解模糊算法。首先分析了旋轉(zhuǎn)干涉儀測(cè)向時(shí)的相位差變化規(guī)律，然后針對(duì)Ka頻段雷達(dá)信號(hào)在使用旋轉(zhuǎn)干涉儀測(cè)向時(shí)相位差變化大的問(wèn)題，建立了進(jìn)行兩次修正的解模糊算法。該方法硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易應(yīng)用于被動(dòng)導(dǎo)引頭中。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證算法的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，當(dāng)信噪比高于－8 dB時(shí)，解模糊成功率超過(guò)90％。

Ka頻段雷達(dá)信號(hào)；旋轉(zhuǎn)式干涉儀；測(cè)向；解模糊；被動(dòng)導(dǎo)引頭

1 引 言

干涉儀測(cè)向系統(tǒng)及其各種改進(jìn)方式已廣泛應(yīng)用于被動(dòng)雷達(dá)測(cè)向領(lǐng)域［1］，并且二維多基線干涉儀可同時(shí)測(cè)量方向角與俯仰角［2］。隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的逐步發(fā)展，Ka頻段的雷達(dá)信號(hào)越來(lái)越多地出現(xiàn)在電子對(duì)抗環(huán)境中，隨之而來(lái)的是更多高次模糊相位差值，導(dǎo)致常規(guī)的干涉儀測(cè)向體制在這樣的環(huán)境中難以較好地完成測(cè)向解模糊。文獻(xiàn)［3］用數(shù)字積分器原理進(jìn)行測(cè)向解模糊，但難以應(yīng)對(duì)相鄰脈沖到達(dá)干涉儀相位差變化超過(guò)2π情況。文獻(xiàn)［4］基于半圓陣任意基線，研究了多組模糊集求交集的解模糊算法，具有系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單以及天線布局靈活等優(yōu)點(diǎn)，但其多接收通道結(jié)構(gòu)會(huì)增加系統(tǒng)體積和功耗等。

針對(duì)現(xiàn)有干涉儀測(cè)向系統(tǒng)及其算法局限性，本文以旋轉(zhuǎn)干涉儀體制為基礎(chǔ)，研究了一種采用數(shù)字積分器進(jìn)行第一次模糊修正，判別數(shù)字積分結(jié)果是否存在二階差分突變而進(jìn)行第二次修正的算法。仿真結(jié)果表明，該算法具有較高的解模糊成功率。

2 信號(hào)模型

圖1中，干涉儀AB基線在XOY平面上旋轉(zhuǎn)，距離為d，信號(hào)波長(zhǎng)為λ。直線l為目標(biāo)視線，其與Z軸夾角為β，0≤β＜π/2，視線l在XOY面上的投影與X軸正方向夾角為α，α∈［0，2π），干涉儀轉(zhuǎn)角速度為ω，基線初始位置為X軸（A正軸、B負(fù)軸），則兩接收天線分別位于A、B兩點(diǎn)時(shí)，第n（n＝1，2，…，N）個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)兩天線之間的相位差為

其中，Δt為雷達(dá)脈沖到達(dá)時(shí)間間隔（PRI），以第一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)間作為起始零時(shí)刻；β的范圍一般為（0°，40°）［5］；由于脈沖到達(dá)時(shí)間間隔相對(duì)于彈旋周期很短，因此認(rèn)為α、β為常量，式（1）表明旋轉(zhuǎn)式干涉儀相位差在短時(shí)間內(nèi)變化只隨脈沖到達(dá)時(shí)間呈正弦規(guī)律；Ka頻段信號(hào)波長(zhǎng)λ范圍為［8.33，8.98］mm。假設(shè)干涉儀旋轉(zhuǎn)角速度ω＝20πrad/s，基線長(zhǎng)度d＝150mm，則當(dāng)β＝π/6時(shí)，｜φ（n）｜≤π。由于實(shí)際求出的？（n）∈（－π，π），故φAB存在周期模糊，且有

式中，c（n）為2π的整數(shù)倍。

圖1 待測(cè)角與彈體坐標(biāo)關(guān)系

3 解模糊原理

目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)脈沖重復(fù)頻率（PRF）為20 kHz時(shí)，有

上述參數(shù)條件下，｜Δφ（n）｜≤0.09π。故可通過(guò)數(shù)字積分器對(duì)模糊相位進(jìn)行積分［1］，引入修正序列c′（n）。數(shù)字積分器原理如式（4）：

于是，有

通過(guò)該方法，可正確地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解模糊，如圖2所示。仿真中信號(hào)載頻為36 GHz。但是，由于（1）∈（－π，π），而φ（1）∈［－18π，18π］，故（1）與φ（1）不一致，導(dǎo)致（n）與φ（n）相差一直流U。

圖2 模糊相位差及數(shù)字積分輸出

由于毫米波頻段雷達(dá)信號(hào)波長(zhǎng)較小，所以旋轉(zhuǎn)式干涉儀接收到的兩通道相位差變化范圍很大，特別是當(dāng)目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)脈沖重復(fù)頻率（PRF）相對(duì)較低時(shí)，兩相鄰脈到達(dá)時(shí)間間隔較大，或者干涉儀基線旋轉(zhuǎn)速度較快時(shí)，相鄰到達(dá)脈沖干涉儀相位差變化Δφ（n）有可能超過(guò)π，即會(huì)出現(xiàn)周期模糊區(qū)域，數(shù)字積分器失效。例如，其他參數(shù)同前，目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)PRF由20 kHz降低為1 kHz，干涉儀旋轉(zhuǎn)角速度ω提高到30πrad/s時(shí)，max（Δφ（n ））≈1.70π。模糊相位差及數(shù)字積分器輸出結(jié)果如圖3所示。

圖3 錯(cuò)誤的數(shù)字積分結(jié)果

在一個(gè)基線旋轉(zhuǎn)周期中，數(shù)字積分器在相位變化較大的部分無(wú)法得到理想輸出。但是，在相位差變化正弦曲線波峰和波谷位置及其鄰近部分，相鄰脈沖到達(dá)時(shí)相位差變化仍然不超過(guò)π，數(shù)字積分器的輸出仍然正確。當(dāng)數(shù)字積分器輸出錯(cuò)誤時(shí)，其輸出結(jié)果的二階差分值（n）會(huì)出現(xiàn)突變，如圖4所示。

圖4 相位差二階差分

判斷是否存在差分突變就可以找到數(shù)字積分器錯(cuò)誤輸出，并依此對(duì)數(shù)字積分器輸出c（n）進(jìn)行第二次修正。從波峰（波谷）位置向后進(jìn)行第二次修正具體步驟如下。

并從P點(diǎn)開(kāi)始第二次修正，p＝P。

從序號(hào)P至N脈沖的模糊相位差第二次修正完成后，從P－1至起序號(hào)為1的第二次修正與上述過(guò)程原理完全一樣。從波峰位置開(kāi)始進(jìn)行第二次修后的結(jié)果如圖5所示。

圖5 完成二次修正后的相位差

完成整個(gè)基線旋轉(zhuǎn)周期的二次修正后，為了消除直流分量，減去相位差均值，就可以得到無(wú)模糊的相位差。突變門限Thφ設(shè)定視具體實(shí)際而定。不難得到結(jié)論，受噪聲對(duì)測(cè)向精度的影響，Th稍大于可能出現(xiàn)的最大相位二階差分值即可。

4 相位測(cè)量及算法仿真

4.1 相位測(cè)量

旋轉(zhuǎn)干涉儀接收及信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，兩天線接收到射頻信號(hào)后由射頻前端下變頻輸出中頻信號(hào)。為保證兩接收通道ADC采樣在時(shí)間上同步，采用單片雙通道ADC芯片，其兩通道的采樣時(shí)間由同一時(shí)鐘源提供。

圖6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

設(shè)A、B兩通道的離散復(fù)信號(hào)為

其中，vA（n）、vB（n）都是零均值的高斯白噪聲。

對(duì)sA（n）和sB（n）進(jìn)行DFT，可得

其中，k＝0，1，2，…，N－1，N為信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)。兩通道的初相信息包含在SA（k）、SB（k）中信號(hào)的DFT部分。若令m＝m′＋Δm＝π，其中m′為整數(shù)，Δm為絕對(duì)值小于1的實(shí)數(shù)，且S1（m′）為S1（k ）中的最大項(xiàng)。將m′代入前面兩式的第一求和項(xiàng)中，有

其中：

上式無(wú)法準(zhǔn)確求出兩通道各自的信號(hào)初始相位，但是可以計(jì)算出它的相位差

4.2 計(jì)算機(jī)仿真

為了驗(yàn)證上述解模糊算法的有效性，進(jìn)行了如下仿真。仿真中，圖1模型中的β在0～π/6內(nèi)隨機(jī)取值，α在0～2π內(nèi)隨機(jī)取值，信號(hào)PRF為0.5kHz，中頻頻率為100MHz，脈沖寬度為5μs，基線長(zhǎng)度d＝150mm，射頻波長(zhǎng)λ＝8.33mm。針對(duì)不同采樣頻率和不同中頻信號(hào)信噪比分別進(jìn)行500次Monte-Carlo實(shí)驗(yàn)，得出如圖7所示的結(jié)果。

圖7 解模糊成功率仿真結(jié)果

從圖7看出，信噪比相同時(shí)，解模糊成功率隨數(shù)字化采樣頻率的提高而提高。同樣，當(dāng)采樣頻率相同時(shí)，解模糊成功率也隨信噪比的提高而提高。這都是相位測(cè)量精度受采樣速率及信噪比影響的直接體現(xiàn)，和文獻(xiàn)［6］對(duì)測(cè)量精度的分析結(jié)果相同。仿真表明，當(dāng)數(shù)字化采樣頻率高于信號(hào)頻率3倍、信噪比優(yōu)于－8dB時(shí)，解模糊成功率超過(guò)90％；而數(shù)字化采樣頻率高于信號(hào)頻率7倍、信噪比優(yōu)于－10dB時(shí)，解模糊成功率超過(guò)90％。另外，仿真用到的信噪比參數(shù)是中頻信號(hào)的，在工程實(shí)際中，通過(guò)數(shù)字信道化等措施提升信噪比可進(jìn)一步提高解模糊成功率。

5 結(jié)論

本文研究了Ka頻段雷達(dá)信號(hào)旋轉(zhuǎn)干涉儀測(cè)向解模糊算法，解決了單基線測(cè)向模糊問(wèn)題。結(jié)合超外差式接收機(jī)及高速數(shù)字信號(hào)處理芯片使用，可以實(shí)現(xiàn)厘米頻段和毫米頻段的雷達(dá)輻射源空間定位。其旋轉(zhuǎn)式單基線結(jié)構(gòu)與多基線體制相比較，接收通道數(shù)減少、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化以及功耗降低，利于在被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭中應(yīng)用。與已經(jīng)發(fā)表的研究成果相比，本文采用數(shù)字積分修正的方法，將復(fù)雜的多通道結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成了數(shù)值計(jì)算。在對(duì)原理樣機(jī)的測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，實(shí)際結(jié)果與理論預(yù)期基本相符，未產(chǎn)生例外情況。鑒于信噪比對(duì)系統(tǒng)結(jié)果有較大影響，在進(jìn)一步的研究中，建議采用穩(wěn)健高概率的信號(hào)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)技術(shù)來(lái)提升解模糊的成功率。

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何明（1987—），男，山東人，2010年于電子科技大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦咚贁?shù)據(jù)采集與處理；

HEMing was born in Shandong Province，in 1987.He received the B.S.degree in 2010.He is now a graduate student.His research direction is high speed data acquisition and processing.

Email：892560569＠qq.com

李勻豪（1987—），男，四川人，2009年于西安電子科技大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為博士研究生；

LIJun-haowas born in Sichuan Province，in 1987.He received the B.S.degree from Xidian University in 2009.He is currently working toward the Ph.D.degree.

唐斌（1964—），男，四川廣安人，教授、博士生導(dǎo)師，主要從事電子對(duì)抗、雷達(dá)抗干擾和新一代通信技術(shù)方面的研究。

TANG Binwasborn in Guang′an，Sichuan Province，in 1964.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research interests include electronic countermeasure，radar anti-jamming technology and new-generation communication technology.

Email：bint＠ee.uestc.edu.cn

A New Method for Ambiguity Solving Based on Rotary Interferometer

HEMing，LIYun-hao，TANG Bin
（School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Based on rotary interferometer，an approach for phase differencemeasurementand ambiguity solving is presented.First the changes of phase difference are analyzed when using a rotating interferometer to find direction，then aiming at the problem that for Ka-band radar signals the phase difference becomes greaterwhen using a rotating interferometer to find direction，twicemodified ambiguity solving algorithm is established.Adopting thismethod，the hardware structure is easy to be achieved in the passive seeker.According to the simulation result，probability of ambiguity solving is better than 90％when SNR（Signal-to-Noise Ratio）is above－8 dB.

Ka-band radar signal；rotary interferometer；direction finding；ambiguity solving；passive seeker

TN971.1

A

1001－893X（2013）03－0297－05

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.03.014

2012－10－22；

2013－01－21 Received date：2012－10－22；Revised date：2013－01－21

??通訊作者：892560569＠qq.com Corresponding author：892560569＠qq.com