CN101923157B - 一种星载双通道角跟踪校准*** - Google Patents
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Abstract
一种星载双通道角跟踪校准***及方法,包括天线装置、极化双工器、合成网络、和路接收器、差路接收器、发射器和数字信号处理器,其特征在于还包括校准装置。通过加入校准装置使得***可以实现对角误差信号在每个周期内的实时补偿,提高了***的精度。同时,本发明中的校准装置还具有简单、易于实现的优点。
Description
技术领域
本发明涉及星载双通道角跟踪体制雷达的通道相位校准技术,是一种新的幅度相位不一致性实时校准方法。
背景技术
雷达的接收通道是有源设备,内部含低噪声放大器、滤波器、衰减器等,而且接收通道的本振信号源由频率综合器提供,由于这些设备的存在使得两路接收通道的幅度与相位不仅一致性差,并且会随着温度的变化而变化。因此,对于星载双通道角跟踪***,必须对两路接收通道的幅度与相位一致性进行实时校准。
单脉冲测角技术属于同时波瓣测角技术的一种。在一个平面内,两个相同的波束部分重叠,其交叠方向即为等信号轴。将这两个波束同时收到的信号进行比较,就可以取得目标在这个平面上的角误差信号。
双通道角跟踪体制,天线接收目标回波信号,差模耦合器输出“和”信号∑,“方位差”信号Δα和“俯仰差”信号Δβ,这两路信号经过合成网络后输出“差”信号Δ,“差”信号Δ是“方位差”信号Δα及“俯仰差”信号Δβ的矢量和,这两矢量互相垂直。“和”信号∑和“差”信号Δ分别经过两路下变频通道后输入数字信号处理器完成角度的求取。
角误差信号的求取是在和信号实现目标检测后,作为基准信号进行角误差求取,其实质就是求取差信号在和信号上的投影。差信号是方位角误差信号和俯仰角误差信号的正交矢量和,那么在求取角误差时应该进行方位差和仰角差分解。
杨峰辉在“飞行器测控学报”2003年第3期上发表题为“自动校相技术在现代测控雷达中的实现”中叙述双通道角跟踪***相位校准方法和设备。它是在方位鉴相器前信道中串一个可调移相器,在俯仰鉴相器前信道中串一个可调移相器,在执行跟踪任务前,天线接收标校塔发来的标校信号。分别调节移相器,使方位角误差特性的斜率、极性、交叉耦合达到规定要求,使俯仰角误差特性的斜率、极性、交叉耦合达到规定的要求。
李珂在“电讯技术”2007年第6期上发表题为“一种双通道角跟踪的快速校相方法”,介绍了单脉冲双通道角跟踪接收机中一种不用寻找自跟踪零点的校相方法。
刘云飞在“无线电通信技术”2003年第2期的题为“舰载测控***的标校”中叙述舰载角跟踪***相位校准方法和设备,它是在船头适当高度设置标校信标,这个距离比到标校塔距离(标准要求)小的很多。舰船出海前,分别用标校塔信标校准,同时用船头信标标校并记忆两者之差。出海后用船头信标标校,并考虑“记忆”的两者之差。
毛南平在“电讯技术”2004年第1期的题为“船载测控雷达海上无塔校相技术”中提出一种海上放标校球进行动态标校的方案。测量设备对标定球光跟踪,微光电视分离出光轴与目标(球)的方位角误差电压ΔVA光、俯仰角误差电压ΔVE光,可以在ΔVA光上人为叠加一偏置电压ΔVA偏,此时在光跟踪状态下,角跟踪***对目标方位进行了偏置跟踪,控制偏置电压ΔA偏的大小和极性,即可控制方位偏角的大小和极性,就可以实行角跟踪***方位校相。
前面叙述的校准方法有两点不足:a只对信道的相位不一致进行了校准,没有幅度不一致的校准;b设备在使用之前进行校准,使用过程中不能实时校准。
对于星载角跟踪***的相位校准,最典型的是中继星这样的同步轨道卫星的Ka天线跟踪***的相位校准,用户星这样的低轨道卫星Ka天线跟踪***的相 位校准。它们的共同点都有卫星姿态变化对相位校准的影响,不同点是中继星天线可以对准地球表面的标校站进行相位校准,用户星没这个条件。
发明内容
本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足,提供了一种星载双通道角跟踪校准***以及利用该***进行角跟踪校准的方法,可在每个周期内对两个通道独立的进行误差校准数据的计算,进而可实现对目标角误差信号的补偿,通过添加简单易于实现的硬件解决了***所需精度较高时对目标角误差信号的实时补偿校准。
本发明的技术解决方案:
一种星载双通道角跟踪校准***,其特征在于包括天线装置、极化双工器、合成网络器、和路接收器、差路接收器、发射器、校准装置和数字信号处理器,其中天线装置又包括双向射频天线和模耦合器,校准装置又包括射频开关、魔T以及两个校准耦合器;所述的***在每个雷达处理周期中,先后工作在通道校准模式和角度求取模式;在通道校准模式下,数字信号处理器将1个校准信号输出到发射器,将校准控制信号输出到射频开关,射频开关只打开向魔T的输出;发射器将校准信号转换为射频校准信号后通过射频开关输出到魔T;魔T将输入的射频校准信号分为幅度相等、相位相同的两路校准信号,并分别送入两个校准耦合器;两个校准耦合器将输入信号衰减后分别输出到和路接收器和差路接收器;和路接收器和差路接收器分别将输入信号下变频至中频后输出到数字信号处理器;数字信号处理器利用输入的两路信号计算幅度与相位的补偿值;在角度求取模式下,数字信号处理器将多个测量信号先后输出到发射器,将测量控制信号输出到射频开关,射频开关只打开向极化双工器的输出;发射器将输入的测量信号转化为射频测量信号后经射频开关输出到极化双工器;极化双工器将射频测量信号送入天线装置发射出去;当天线装置的双向射频天线接收到目标回波信号后,通过模耦合器将回波信号分为和路信号、方位差信号和俯仰差信号后输出;极化双工器用于接收和路信号,合成网络器用于接收方 位差信号和俯仰差信号并合成为一路差路信号;两个校准耦合器直接将和路信号与差路信号分别送入和路接收器和差路接收器;和路接收器和差路接收器将输入信号下变频至中频后输出到数字信号处理器;数字信号处理器利用和路与差路的中频信号获取角误差信号,并利用本雷达处理周期内的幅度与相位的补偿值进行补偿。
数字信号处理器,在通道校准模式下,对和路接收器与差路接收器输出的和路与差路的中频信号进行数字采样、数字下变频和脉冲压缩处理;分别选择两路信号在峰值点处的信号作为和路向量校准信号与差路向量校准信号;将差路向量校准信号的模值除以和路向量校准信号的模值得到幅度补偿值,计算差路向量校准信号相对于和路向量校准信号的夹角得到相位补偿值;在角度求取模式下,分别将目标回波信号输入和路接收器与差路接收器;将和路接收器与差路接收器输出的中频信号进行数字采样、数字下变频、脉冲压缩处理和多脉冲积累处理后获得和路向量信号与差路向量信号;以和路向量信号为基准信号进行目标检测;计算差路向量信号在和路向量信号上的投影,获得角误差信号;利用通道校准模式下获得的幅度和相位补偿值对角误差信号进行补偿。
一种星载双通道角跟踪校准方法,其特征在于:在每一个雷达处理周期中通过以下步骤获得目标的角误差信号,
首先,进行校准处理步骤:
A1、产生两路幅度相等、相位相同的射频校准信号;
A2、将射频校准信号分别送入和路接收通道与差路接收通道;
A3、分别将和路接收通道与差路接收通道中的射频校准信号下变频至中频后输出;
A4、分别对两路中频校准信号进行数字采样、数字下变频和脉冲压缩处理后,选取两路信号在峰值点处的信号作为和路向量校准信号与差路向量校准信号;
A5、利用和路向量校准信号与差路向量校准信号,计算相位补偿值和幅度 补偿值,
然后,进行角度求取计算角误差信号,并利用幅度和相位补偿值对角误差信号进行校准。
角度求取通过以下步骤实现:
B1、将接收到的目标回波信号分别分为和路信号、方位差信号和俯仰差信号;
B2、将和路信号送入和路接收通道,将方位差信号和俯仰差信号合成为一路差路信号后送入差路接收通道;
B3、分别将和路接收通道和差路接收通道内的和路信号和差路信号下变频至中频后输出;
B5、分别对两路中频信号进行数字采样、数字下变频、脉冲压缩处理,并对目标回波信号进行多脉冲积累处理后产生和路向量信号与差路向量信号;
B6、将和路向量信号作为基准信号进行目标检测,计算差路信号在和路信号上的投影获得角误差信号。
幅度和相位补偿值的计算方法为将差路向量校准信号的模值除以和路向量校准信号的模值得到幅度补偿值,将差路向量校准信号相对于和路向量校准信号夹角作为相位补偿值。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
(1)利用本发明的***可在角误差信号的求取前首先对和路与差路两个通道的误差分别进行测量,同时由于该***中还包括校准装置,因此使得***可以在每个周期内即使在双通道各自幅度和相位不一致的情况下,仍能准确获得误差校准信号。
(2)利用本发明的方法使***在每一个雷达周期内分别工作于通道校准模式与角度求取模式,在通道校准模式下用于测量双通道误差的计算方法快捷、简单,且具有高实时性的优点。相对于现有技术仅对双通道误差一次性测量的方法提高了对角误差信号的测量精度。
(3)***主要是通过校准装置实现了对双通道的误差测量的,而校准装置还具有设计简单、易于实现的优点。
附图说明
图1为本发明的***框图;
图2为本发明的方法流程图;
图3为和路与差路信号向量图;
图4为ADC、DDC原理图;;
图5为接收通道校准流程图;
图6为本发明的时序图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式做进一步的描述。
一、***综述
如图1所示为本发明中的***框图,本发明中的***包括:天线装置、化双工器、合成网络器、和路接收器、差路接收器、发射器、数字信号处理器和校准装置,其中校准装置又包括射频开关、魔T以及两个校准耦合器。从图中可见各个部件的连接关系。其中,和路接收器构成和路接收通道;差路接收器构成差路接收通道。
在每一个周期内,采用本***首先可以对当前周期内两个通道的误差进行测量,分别获得幅度补偿值和相位补偿值。然后再进行目标角的检测,获得角误差信号后再利用幅度补偿值和相位补偿值进行补偿。幅度/相位补偿值与角误差信号的获取分别在***的通道校准模式与角度求取模式下进行。
在通道校准模式下,数字信号处理器向发射器输入校准信号,并利用校准控制信号打开射频开关向魔T方向的输出。校准信号经发射器转换为射频形式后,被魔T被分为两路幅度相等、相位相同的两路信号分别送入两个校准耦合器。一个校准耦合器的输出送入和路接收器;另一个校准耦合器的输出送入差路接收器。和路接收器和差路接收器的输出同时送入数字信号处理器,并利用 数字信号处理器计算幅度/相位补偿信号。
在角度求取模式下,数字信号处理器向发射器输入测量信号,并利用测量控制信号打开射频开关向天线装置方向的输出,射频形式的测量信号经极化双工器后通过双向射频天线辐射出去。双向射频天线将接收到的目标回波信号经模耦合器后分为和路信号、方位差信号和俯仰差信号。和路信号经极化双工器、一个校准耦合器与和路接收器后送入数字信号处理器。方位差信号和俯仰差信号经合成网络器合成为一路差路信号后经另一个校准耦合器与和差路接收器后送入数字信号处理器。数字信号处理器利用和路信号与差路信号获取角误差信号并利用幅度/相位补偿值进行补偿。
二、部件介绍
1、天线装置
本实施例天线按功能可进一步划分为双向射频天线与模耦合器,天线根据TE21天线体制进行设计具有双向收发的功能。工作于角度求取模式,当***在发射信号时,用于将极化双工器的射频测量信号进行发射;当***在接收信号时,用于将射频测量信号遇到目标后的回波信号进行接收。利用其中的模耦合器将回波信号分为和路信号∑、方位差信号Δα和俯仰差信号Δβ。
2、极化双工器与合成网络器
极化双工器用于在角度求取模式下控制输入信号的输出方向,当***在发信号时,将输入信号向天线装置的模耦合器输入;当***在接收信号时,将天线装置的模耦合器的输入的和路信号∑向校准耦合器输出。
合成网络器用于在角度求取模式下将输入的方位差信号Δα和俯仰差信号Δβ合成一路差路信号Δ。如图3所示,方位差信号Δα和俯仰差信号Δβ为两路相互正交的信号,差路信号Δ为方位差信号Δα与俯仰差信号Δβ的矢量和。
3、和路接收器与差路接收器
和路接收器与差路接收器分别构成***的和路接收通道与差路接收通道,用于分别将输入的和路信号∑和差路信号Δ下变频至中频处理。在本实施例中, 通过下变频处理将输入信号变化至大约100MHz。主要技术指标要求为:接收器中频输出信号的-1dBm压缩点的功率P0-1:≥+10dBm;通道增益:100dB±2dB;自动增益控制范围:64dB。
4、发射器
发射器用于将数字信号处理器输入的测量信号或校准信号转化为射频形式后输出到校准装置中的射频开关。
5、校准装置
校准装置包括射频开关、魔T和两个校准耦合器。
射频开关用于根据数字信号处理器的控制信号对输入信号进行选择路输出。
魔T仅在通道校准模式下工作,通过功分处理将输入的射频校准信号分为幅度相等、相位相同的信号分别输出给两个校准耦合器。主要技术指标要求:驻波比:≤1.2;隔离度:≥25dB;***损耗:≤0.5dB。
校准耦合器用于将输入的射频信号耦合进两个接收通道。在通道校准模式下,对输入信号进行衰减以保证进入接收通道的信号不会过饱和;在角度求取模式下,直接将输入信号送入接收通道。主要技术指标为:耦合度:-32±2dB;隔离度:≥25dB;驻波比:≤1.1;***损耗:≤0.25dB。
采用以上技术指标,在通道校准模式下,射频开关输出的射频校准信号大小为0dBm,经过魔T后输出两路射频校准信号大小为-3.5dBm,经校准耦合器耦合进入接收通道的信号大小为-35.5dBm,控制接收通道自动增益衰减60dB,接收器中频输出信号为4.5dBm。
6、数字信号处理器
数字信号处理器主要用于在每个周期内对输入信号进行计算。在通道校准模式下,完成幅度/相位补偿信号的计算;在角度求取模式下,利用幅度/相位补偿值完成目标角误差信号的求取。
三、方法介绍
下面就结合图2、3、4、5、6对本发明中的方法结合具体实施例作进一步介绍。
以脉冲雷达为例,首先图6的所示的方法时序图,在每一个雷达处理周期,通道校准模式下时***发射1个脉冲信号,角度求取模式下***发射N-1个脉冲信号,在本实施例中N取129,即在角度求取模式下***发射128个脉冲信号。因此通道校准模式所占用的时间很少。通道校准模式与角度求取模式在时间上先后进行,和路与差路接收器在高电平是接收信号,其工作状态用图6中“接收机工作状态”轴表示。
图2所示为方法流程图。首先***判断控制信号类型,当为校准控制信号时,校准指令判断为真,***进入通道校准模式,发送与接收两个通道的校准信号,然后进行接收通道校准。然后,***进入角度求取模式,发送射频测量信号并接收目标回波信号,完成目标的角误差信号求取。最后进行指令判断,所判断结果为假,则重复进行如上过程。
以下说明均以脉冲多普勒体制为例,发射信号为线性调频信号
1、接收通道校准
接收通道校准步骤中利用和路与差路的校准信号获得幅度/相位补偿值的过程在数字信号处理器中进行。如图5,计算步骤包括A/D采样(ADC)、数字下变频(DDC)、数字脉冲压缩(DPC)与计算。
1.1、ADC与DDC
如图4所示,利用A/D采样获得离散的中频数字序列,如同模拟正交相干检波处理一样,进行数字相干检波,采样率转换,获得数字序列。采样率为100MHz。
1.2、DPC
线性调频信号属于大时宽带宽积信号的一种,它采用非线性相位实现脉冲频谱展宽,提高了雷达距离分辨力。采用匹配滤波器,可以将接收通道接收到的宽脉冲信号经过处理得到窄脉冲信号,实现脉冲压缩,同时提高信噪比。
假设雷达发射信号的归一化复信号x(t)如式(3)所示,
其归一化匹配滤波器的冲击响应h(t)如式(4)所示,
则x(t)经过h(t)后的输出y(t)如式(5)
1.3、幅度/相位补偿信号计算
和差两路接收通道内的校准信号在完成了数字脉冲压缩(DPC)后,分别提取出和路信号与差路信号在峰值点处的信号作为和路向量校准信号与差路向量校准信号。
差路向量校准信号的模值除以和路向量校准信号的模值即为幅度补偿值,差路向量校准信号相对于和路向量校准信号的夹角即为相位补偿值。
2、角误差信号求取
2.1、测量信号的发送与接收
在角度求取步骤中,首先***向外辐射N-1个脉冲的测量信号,测量信号通过数字信号处理器产生,经过射频开关后输入到极化双工器经天线装置发射。在当前周期内,对接收到的目标回波信号再分为和路与差路信号后分别经和路接收通道与差路接收通道后送入数字信号处理器。
在数字信号处理器中,对于每对输入的和路与差路信号完成上述的ADC、DDC和DPC后,再将N-1个发射脉冲的目标回波信号进行多脉冲累计处理, 从而产生和路信号与差路信号。
2.1、目标检测
角误差信号的求取是在利用和路实现目标检测后进行的。目标检测就是在满足一定虚警率Pfa的条件下来进行门限估计,即信号电平与噪声电平进行比较。
首先进行噪声电平估计。在通常情况下,高斯白噪声经过包络检波后服从瑞利分布,如式(6),则其统计平均值M(x)的值如式(7),
在本实施例中,***要求虚警率为Pfa=10-5,则门限V0=4.7985。
2.2、角误差计算
以和路信号∑为基准信号实现了目标检测。则角误差信号求取的过程实质上就是求取差路信号Δ在和路信号∑上的投影。由于差路信号Δ是方位差信号Δα和俯仰差信号Δβ的正交矢量和,则首先将差路信号Δ再分解为方位差信号Δα和俯仰差信号Δβ,如图3所示。方位差信号Δα为差路信号Δ在和路信号∑同相分量上的投影,如式(9),
俯仰差信号Δβ为差路信号Δ在和路信号∑正交分量上的投影,如式(10),
在获得两个投影信号后,再利用上述的幅度/相位补偿信号进行补偿。对于幅度补偿信号,通过和路信号除以差路信号获得,则将幅度补偿信号再乘于求得的角误差信号之上;对于相位补偿信号,则至于加减于求得的角误差信号的相位之上即可。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (2)
1.一种星载双通道角跟踪校准***,其特征在于包括天线装置、极化双工器、合成网络器、和路接收器、差路接收器、发射器、校准装置和数字信号处理器,其中天线装置又包括双向射频天线和模耦合器,校准装置又包括射频开关、魔T以及两个校准耦合器;
所述的***在每个雷达处理周期中,先后工作在通道校准模式和角度求取模式;
在通道校准模式下,数字信号处理器将1个校准信号输出到发射器,将校准控制信号输出到射频开关,射频开关只打开向魔T的输出;发射器将校准信号转换为射频校准信号后通过射频开关输出到魔T;魔T将输入的射频校准信号分为幅度相等、相位相同的两路校准信号,并分别送入两个校准耦合器;两个校准耦合器将输入信号衰减后分别输出到和路接收器和差路接收器;和路接收器和差路接收器分别将输入信号下变频至中频后输出到数字信号处理器;数字信号处理器利用输入的两路信号计算幅度补偿值与相位补偿值;
在角度求取模式下,数字信号处理器将多个测量信号先后输出到发射器,将测量控制信号输出到射频开关,射频开关只打开向极化双工器的输出;发射器将输入的测量信号转化为射频测量信号后经射频开关输出到极化双工器;极化双工器将射频测量信号送入天线装置发射出去;当天线装置的双向射频天线接收到目标回波信号后,通过模耦合器将回波信号分为和路信号、方位差信号和俯仰差信号后输出;极化双工器用于接收和路信号,合成网络器用于接收方位差信号和俯仰差信号并合成为一路差路信号;两个校准耦合器直接将和路信号与差路信号分别送入和路接收器和差路接收器;和路接收器和差路接收器将输入信号下变频至中频后输出到数字信号处理器;数字信号处理器利用和路与差路的中频信号获取角误差信号,并利用本雷达处理周期内的幅度补偿值与相位补偿值进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种星载双通道角跟踪校准***,其特征在于所述的数字信号处理器,在通道校准模式下,对和路接收器与差路接收器输出的和路与差路的中频信号进行数字采样、数字下变频和脉冲压缩处理;分别选择两路信号在峰值点处的信号作为和路向量校准信号与差路向量校准信号;将差路向量校准信号的模值除以和路向量校准信号的模值得到幅度补偿值,计算差路向量校准信号相对于和路向量校准信号的夹角得到相位补偿值;在角度求取模式下,分别将目标回波信号输入和路接收器与差路接收器;将和路接收器与差路接收器输出的中频信号进行数字采样、数字下变频、脉冲压缩处理和多脉冲积累处理后获得和路向量信号与差路向量信号;以和路向量信号为基准信号进行目标检测;计算差路向量信号在和路向量信号上的投影,获得角误差信号;利用通道校准模式下获得的幅度补偿值和相位补偿值对角误差信号进行补偿。
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