数字式干涉仪高精度鉴相技术

何冠良,张　娟,张玉喜

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

数字式干涉仪高精度鉴相技术

何冠良,张娟,张玉喜

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要：干涉仪测向体制中相位测量误差直接影响信号测角误差。介绍了基于矢量平均鉴相的相位测量技术,并与一阶差分相位测量技术进行了对比,结果证明:在低信噪比条件下矢量平均鉴相的相位测量技术明显地提高了相位测量精度。

关键词:数字式干涉仪；矢量平均；鉴相；测角

0引言

随着电子技术的不断发展,电子侦察系统面临着越发复杂多变的电子信号环境,它必须对信号进行实时测量。干涉仪测向系统中利用天线所接收的回波信号之间的相位差进行测向。 相位差测量的准确与否决定着测角的准确性。因此,如何保证相位差的测量精度成了干涉仪测向系统的关键所在。由于传统的一阶差分平均相位差测量技术在低信噪比下存在测相模糊,导致信号相位差在低信噪比下测量误差较大。本文提出了基于矢量平均鉴相的相位差测量技术,解决了低信噪比下存在相位差测量模糊的问题。

1通道间相位差测量原理

通道间相位差的测量是在多通道对同一信号进行接收的情况下测量该信号在同一采样时刻点各通道之间的相位差。由于噪声的存在,尤其是低信噪比情况下,单一时刻点通道间相位差的测量值存在随机误差,因此通过统计信号到达期间(脉冲范围内)相邻通道各对应点的相位差的均值来消除该随机误差。以下按照两个通道进行分析,多通道相位差测量与此类似。

(1) 单频信号相位差测量

通道1单频脉冲信号的复包络为

通道2单频脉冲信号的复包络为

两通道相位差函数为

(2) 线性调频信号相位差测量

通道1线性调频脉冲信号的复包络为

通道2线性调频脉冲信号的复包络为

两通道相位差函数为

(3) 二相编码信号相位差测量

通道1二相编码脉冲信号的复包络为

通道2二相编码脉冲信号的复包络为

两通道相位差函数为

2两种鉴相方法比较

传统鉴相方法采用一阶差分平均求取相位差均值,但该方法在低信噪比下相位差测量会存在大量跨越360°的测相模糊,而矢量平均鉴相法则不会有测相模糊的问题。下面重点比较两种鉴相方法的异同。

(1) 矢量平均鉴相原理

设采样两通道对应两点为

如果采用矢量平均鉴相法,对于线性调频信号,由于相位差函数:

为了能够控制测相误差,需要:

当前端两通道中频信号到达相对时间差为20ns时,采用矢量平均鉴相法能够测量线性调频信号的最大带宽为50MHz。通过与线性调频信号相同分析过程得出能够测量的二相编码信号的最大带宽为B≤1/(2*t0)。在前端两通道中频信号到达时间差为20ns时,采用矢量平均鉴相法能够测量二相编码信号的最大带宽为25MHz。

(2) 一阶差分鉴相原理

设采样两通道对应两点为

3两种鉴相方法的区别

这里以单频信号为例,采用率设置为600MHz,信号中频为90MHz,脉宽为60μs,产生两路脉冲信号,第二路信号比第一路信号延迟3个采样周期。使用一阶差分鉴相法仿真得到在不同信噪比下的两路信号的相位差如图1和图2所示。

图1　SNR=20 dB

图2　SNR=10 dB

图1中,中间一段是脉冲相位差计算结果,横坐标为采样点数,纵坐标为相位值。可以看出,在信噪比为20dB时,相位差测量不存在突变值。对该段相位差求取均值可以得到较为接近真实值的相位差均值。由图2可以看出,在信噪比为10dB时,相位差测量存在大量的突变,如果对该段相位差测量值求取均值,则均值会偏离真实值较大。如果采用矢量平均法求取相位均值,则相位突变不会影响最终测量结果。如果没有噪声,则两通道间信号相位差测量函数为ø(t)=exp(ω0τ)=a+b*i(a较大且a<0,b较小且b>0),真实相位差为2*π*90*3/600。由于实际环境中都有噪声存在,则实际相位差测量函数为

其中c(t)+d(t)*i为环境噪声。在a较大的情况下c(t)对ø1(t)实部分量影响较小,在b较小的情况下,d(t)对ø1(t)虚部分量影响较大。这可能改变虚部符号,就会引起相位由π到-π突变。

如果先求相位,再求均值,则均值可能会偏离真实值较大,这显然不能反映真实值。但如果先进行矢量累加再求取相位均值,则计算结果会在π附近。这是由于矢量累加平均不但运用了向量的角度信息,而且运用了向量的幅度信息。表1、2、3分别列出了3种信号形式在不同信噪比下采用两种测量方法的测试结果:

(1) 输入为单频信号,脉宽20μs,中心频率122.7MHz,采样率600MHz。

(2) 输入为线性调频信号,脉宽20μs,带宽10MHz,中心频率122.7MHz,采样率600MHz。

(3) 输入为二相编码信号,脉宽2.6μs,带宽5MHz,中心频率122.7MHz,采样率600MHz。

表1　单频信号相位差测试值

表2　线性调频信号相位差测试值

表3　二相编码信号相位差测试值

仿真结果证明一阶差分平均法在低信噪比下已经不能够准确检测相位差,而矢量平均法在低信噪比下仍能够准确地检测相位差信息。

4结束语

数字式干涉仪测向体制中相位差信息的测量精度决定了测向精度,因此能够在低信噪比下准确地检测出相位差尤为重要。矢量平均鉴相法,相对于一阶差分平均法,能够更加准确地在低信噪比条件下去除鉴相模糊,准确检测相位信息,因此在干涉仪测向体制的设备中具有很强的应用价值。

参考文献:

[1]陈海忠,赵巾卫,朱伟强.数字式干涉仪测向技术鉴相算法研究[J].航天电子对抗,2004(4).

[2]李莉,朱伟强.数字干涉仪实时鉴相技术[J].航天电子对抗,2005.

[3]赵国庆.雷达对抗原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999.

[4]胡来招.雷达侦察接收机设计[M].北京:国防工业出版社,2000.

High-precision phase discrimination technology

for digital interferometer

HE Guan-liang, ZHANG Juan, ZHANG Yu-xi

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:Phase measurement error directly affects signal angle measurement error in the direction finding system of the interferometer. The phase measurement technology is introduced based on the vector average phase discrimination, and it can greatly improve the phase measurement precision at the low SNR, compared with the one-order differential phase measurement technology.

Keywords:digital interferometer; vector average; phase discrimination; angle measurement

中图分类号:TN911.7

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2015)04-0043-03

作者简介:何冠良(1985-),男,工程师,硕士,研究方向:信号与信息系统；张娟(1981-),女,高级工程师,硕士,研究方向:信号与信息系统；张玉喜(1979-),男,工程师,硕士,研究方向:信号与信息系统。

收稿日期:2015-05-28；修回日期:2015-07-27