CN108490416B - 一种伪码调制连续波雷达回波的高动态载波相位跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伪码调制连续波雷达回波的高动态载波相位跟踪方法，本方法的原理是采用锁频环并联锁相环，所述锁频环用于对所述伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行载波频率跟踪，从而消除高动态载波信号中的高阶动态分量；并且对锁频环进行锁定判决，利用锁频环的锁定判决结果，在锁频环锁定的情况下对锁相环进行锁定判决，使锁相环工作在较低动态下，从而实现对伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行载波相位的高精度跟踪。该方法充分发挥锁频环具有良好的动态跟踪能力、锁相环具有良好的载波相位跟踪精度的特点，能够有效解决在载体高机动调姿变轨引起探测信号严重非平稳下的高动态、非平稳载波信号的精密跟踪难题。

Description

一种伪码调制连续波雷达回波的高动态载波相位跟踪方法

技术领域

本发明涉及微波雷达测量技术领域，具体涉及一种伪码调制连续波雷达回波的高动态载波相位跟踪方法。

背景技术

在高动态环境下，由于多普勒频移的时变性，采用锁相环对载波相位进行跟踪具有较高的相位跟踪精度，但锁相环存在动态跟踪性能弱的不足；锁频环具有较好的多普勒频率动态跟踪性能，但存在相位跟踪性能弱的不足。为解决这一矛盾，2010年邓晓东和孙武在《现代防御技术》第38卷第4期第137-141页发表的《基于FLL+PLL的载波跟踪环路设计》提出了一种锁频环与锁相环相结合的载波信号跟踪环路，首先通过锁频环对载波频率进行跟踪，当锁频环滤波器输出小于一定阈值后，切换至锁相环对载波相位进行跟踪，当锁相环滤波器输出大于一定阈值后，重新切换至锁频环进行频率跟踪。该方法在一定程度上改善了动态跟踪能力与载波相位跟踪精度，但一方面由于锁频环与锁相环频繁切换环路结构与参数发生变化而产生较大的瞬态误差，另一方面这种环路结构在动态应力持续存在的场景下将长时间工作在单锁频环状态，造成载波相位跟踪性能的降低。

可见现有的方法无法解决高动态、低信噪比下的载波相位精密跟踪。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种伪码调制连续波雷达回波的高动态载波相位跟踪方法，能够在保持环路动态跟踪性能的同时，有效提高高动态、低信噪比下的载波相位跟踪精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种伪码调制连续波雷达回波的高动态载波相位跟踪方法，采用锁频环并联锁相环，锁频环用于对伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行载波频率跟踪，锁相环用于对伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行载波相位跟踪。

锁频环执行如下步骤：

获取预测的多普勒频率，对伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行数字正交下变频处理和积分清除处理，获得锁频环积分清除结果。

利用锁频环积分清除结果进行频率鉴别；频率鉴别结果进入锁频环路滤波器，获得锁频环路滤波结果。

锁频环路滤波结果与预测的多普勒频率、锁频环载波数字控制振荡器NCO的固定频率字偏置相加后控制锁频环载波NCO，产生用于锁频环数字正交下变频处理的互为正交的I、Q两路正弦信号。

锁频环中增加锁频环锁定判决模块，锁频环锁定判决模块用于，对频率鉴别结果进行判决并设置锁频环锁定计数器计数，具体步骤如下：

设置锁频环初始状态为未锁定；设置锁频环锁定门限和锁频环失锁门限，锁频环锁定门限小于锁频环失锁门限，当频率鉴别结果小于锁频环锁定门限时，锁频环锁定计数器加1；当频率鉴别结果大于锁频环失锁门限时，锁频环锁定计数器减1；锁频环锁定计数器以预设的初值M_init开始计数，当锁频环锁定计数器的计数值递增到预设的锁频环计数上限M_lock时，判决锁频环锁定；当锁频环锁定计数器的计数值递减到预设的锁频环计数下限M_unlock时，判决锁频环失锁。

锁相环执行如下步骤：

对伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行载波剥离和码剥离，然后进行积分清除，获得锁相环积分清除结果。

对锁相环积分清除结果进行相位鉴别；相位鉴别结果进入锁相环环路滤波器，获得环路滤波结果。

锁相环路滤波结果与预测的多普勒频率、锁频环路滤波结果、锁相环载波NCO的固定频率字偏置相加后控制锁相环载波NCO，产生用于锁相环载波剥离和码剥离的互为正交的I、Q两路正弦信号。

锁相环中增加锁相环锁定判决模块，锁相环锁定判决模块用于，获取锁频环锁定判决模块的判决结果，当判决结果为锁频环锁定后，对相位鉴别结果进行判决并设置锁相环锁定计数器计数，具体步骤如下：

设置锁相环初始状态为未锁定；设置锁相环锁定门限和锁相环失锁门限，锁相环锁定门限小于锁相环失锁门限，当相位鉴别结果小于锁相环锁定门限时，锁相环锁定计数器加1，当相位鉴别结果大于锁相环失锁门限时，锁相环锁定计数器减1；锁相环锁定计数器以预设的初值N_init开始计数，当锁相环锁定计数器的计数值递增到预设的锁相环计数上限N_lock时，判决锁相环锁定；当锁相环锁定计数器的计数值递减到预设的锁相环计数下限N_unlock时，判决锁相环失锁。

进一步地，利用锁频环积分清除结果进行频率鉴别，具体为：锁频环采用叉积、点积四象限反正切算法利用积分清除结果进行频率鉴别。

进一步地，锁频环路滤波器，具体为：采用最小均方误差原则设计锁频环路滤波器并确定锁频环路滤波器的环路带宽。

进一步地，对锁相环积分清除结果进行相位鉴别，具体为：锁相环通过四象限反正切鉴别算法对锁相环积分清除结果进行相位鉴别。

进一步地，锁相环环路滤波器，具体为：采用最小均方误差原则设计锁相环路滤波器并确定锁相环路滤波器的环路带宽。

有益效果：

1)本发明提出的一种伪码调制连续波雷达回波的高动态载波相位跟踪方法，采用锁频环跟踪伪码调制连续波雷达的回波信号的载波频率，消除高动态载波信号中的高阶动态分量，并通过与锁相环并联，使锁相环工作在较低动态下，从而实现对伪码调制连续波雷达的回波的载波相位的高精度跟踪。该方法充分发挥锁频环具有良好的动态跟踪能力、锁相环具有良好的载波相位跟踪精度的特点，能够有效解决在载体高机动调姿变轨引起探测信号严重非平稳下的高动态、非平稳载波信号的精密跟踪难题。

2)本发明中的锁频环和锁相环的跟踪环路中采用先积分清除然后进行环路跟踪的处理流程，降低了处理数据率，从而硬件资源可以分时复用，有效节省了电路硬件资源。

3)本发明中提供的锁频环和锁相环采用并行的工作方式，相比锁频环与锁相环分时切换的环路结构，该种并行的工作方式有效避免了环路频繁切换时造成滤波值不连续、引入测量误差甚至失锁的可能性。

附图说明

图1为本发明提出的一种伪码调制连续波雷达回波的高动态载波相位跟踪方法的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种伪码调制连续波雷达回波的高动态载波相位跟踪方法，本方法的原理是采用锁频环并联锁相环的结构，锁频环用于对伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行载波频率跟踪，从而消除高动态载波信号中的高阶动态分量，并通过与锁相环并联，使锁相环工作在较低动态下，从而实现对伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行载波相位的高精度跟踪。该方法充分发挥锁频环具有良好的动态跟踪能力、锁相环具有良好的载波相位跟踪精度的特点，能够有效解决在载体高机动调姿变轨引起探测信号严重非平稳下的高动态、非平稳载波信号的精密跟踪难题。

实施例1

本发明提供的伪码调制连续波雷达回波高动态载波相位跟踪方法，采用锁频环并联锁相环，如图1所示，锁频环用于对伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行载波频率跟踪，锁相环用于对伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行载波相位跟踪；

其中锁频环执行如下步骤：

1)获取预测的多普勒频率，对伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行数字正交下变频处理和积分清除处理，获得锁频环积分清除结果；

I(k)≈A·R[Δτ(k)]·sinc[Δω_d(k)·N/2]cosθ_k，k＝1,2,…(1)

Q(k)≈A·R[Δτ(k)]·sinc[Δω_d(k)·N/2]sinθ_k，k＝1,2,…(2)

其中I(k)、Q(k)分别为同相、正交两路积分清除结果；k为离散的时间；

为回波数字中频信号的幅度；P为回波数字中频信号的功率；

Δτ(k)为码相位残差；

R(·)为伪随机码理想的二电平自相关函数；

Δω_d(k)＝2π·Δf_d·T_S为角频率误差量，Δf_d为载波多普勒频率估计残差；T_S为采样的时间间隔；

N为积分清除的积分点数；

为相位误差，Δφ为初相位估计误差。

2)利用锁频环积分清除结果进行频率鉴别。

本实施例中，锁频环采用叉积、点积四象限反正切算法利用积分清除结果进行频率鉴别。

叉积计算公式如下：

cross＝Q(k)I(k-1)-I(k)Q(k-1)≈Asin(2π·Δf_d·N·T_s) (3)

点积计算公式如下：

dot＝I(k)I(k-1)+Q(k)Q(k-1)≈Acos(2π·Δf_d·N·T_s) (4)

其中Δf_d为载波多普勒频率估计残差；

锁频环频率鉴别算法如下：

3)频率鉴别结果进入锁频环路滤波器，获得锁频环路滤波结果。

本实施例中，采用最小均方误差原则设计环路滤波器并确定环路带宽。对一阶锁频环，最优环路带宽B_L1：

其中，n为环路阶数，选取经验值；

α为环路参数，ξ为环路参数阻尼系数；

T＝N·T_s为环路更新时间；

f⁽ⁿ⁾为f的n阶导数，f为目标动态导致的载波多普勒频率；

C/N₀为载波噪声功率比，C为载波的功率，N₀为噪声的功率；

F为常数值，本实施例中F＝2。

4)锁频环路滤波结果与预测的多普勒频率、锁频环载波数字控制振荡器NCO的固定频率字偏置相加后控制锁频环载波NCO，产生用于锁频环数字正交下变频处理的互为正交的I、Q两路正弦信号；

5)锁频环中增加锁频环锁定判决模块，锁频环锁定判决模块用于，对频率鉴别结果进行判决并设置锁频环锁定计数器计数，具体步骤如下：

设置锁频环初始状态为未锁定；设置锁频环锁定门限和锁频环失锁门限，锁频环锁定门限小于锁频环失锁门限，当频率鉴别结果小于锁频环锁定门限时，锁频环锁定计数器加1；当频率鉴别结果大于锁频环失锁门限时，锁频环锁定计数器减1；锁频环锁定计数器以预设的初值M_init开始计数，当锁频环锁定计数器的计数值递增到预设的锁频环计数上限M_lock时，判决锁频环锁定；当锁频环锁定计数器的计数值递减到预设的锁频环计数下限M_unlock时，判决锁频环失锁。

锁相环执行如下步骤：

a、对伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行载波剥离和码剥离，然后进行积分清除，获得锁相环积分清除结果，本实施例中锁相环积分清除结果如下：

I(k)≈A·R[Δτ(k)]·sinc[Δω_d(k)·N/2]cosθ_k，k＝1,2,…(7)

Q(k)≈A·R[Δτ(k)]·sinc[Δω_d(k)·N/2]sinθ_k，k＝1,2,…(8)

b、对锁相环积分清除结果进行相位鉴别。

本实施例中，对锁相环积分清除结果通过四象限反正切鉴别算法进行相位鉴别，得到相位误差量Δθ(k)如下：

ep_k＝atan2(Q(k),I(k))＝Δθ(k) (9)

c、相位鉴别结果进入锁相环环路滤波器，获得环路滤波结果。

本实施例中，相位鉴别结果进入锁相环环路滤波器，采用最小均方误差原则设计环路滤波器并确定环路带宽。对锁相环，最优环路带宽B_L2：

其中，n为环路阶数，选取经验值；

α为环路参数，ξ为环路参数阻尼系数；

ω为角频率，ω的n阶导数

T＝N·T_s为环路更新时间；

C/N₀为载波噪声功率比，C为载波的功率，N₀为噪声的功率。

d、锁相环路滤波结果与预测的多普勒频率、锁频环路滤波结果、锁相环载波NCO的固定频率字偏置相加后控制锁相环载波NCO，产生用于锁相环载波剥离和码剥离的互为正交的I、Q两路正弦信号。

e、锁相环中增加锁相环锁定判决模块，锁相环锁定判决模块用于，获取锁频环锁定判决模块的判决结果，当判决结果为锁频环锁定后，对相位鉴别结果进行判决并设置锁相环锁定计数器计数，具体步骤如下：

设置锁相环初始状态为未锁定；设置锁相环锁定门限和锁相环失锁门限，锁相环锁定门限小于锁相环失锁门限，当相位鉴别结果小于锁相环锁定门限时，锁相环锁定计数器加1，当相位鉴别结果大于锁相环失锁门限时，锁相环锁定计数器减1；锁相环锁定计数器以预设的初值N_init开始计数，当锁相环锁定计数器的计数值递增到预设的锁相环计数上限N_lock时，判决锁相环锁定；当锁相环锁定计数器的计数值递减到预设的锁相环计数下限N_unlock时，判决锁相环失锁。

实施例2

本实施例中，考虑伪码调制连续波雷达回波中频载波频率为16.384MHz，伪码速率8Mbps，伪码周期为8191，采样频率f_s＝1/T_s＝65.536MHz，载噪比C/N₀＝38dBHz。回波多普勒频率为10.25kHz，多普勒频率预测误差Δf_d＝250Hz，加速度应力导致的多普勒频率对时间的一阶导数f⁽¹⁾＝500Hz/s，加加速度应力导致的多普勒频率对时间的二阶导数f⁽²⁾＝9.8Hz/s²。

1)锁频环利用预测的多普勒频率，对伪码调制连续波雷达回波数字中频信号进行数字正交下变频、积分清除，积分清除周期为T＝N·T_s＝1ms，得到积分清除结果：

I(k)≈A·R[Δτ(k)]·sinc[Δω_d(k)·N/2]cosθ_k,k＝1,2,…，(11)

Q(k)≈A·R[Δτ(k)]·sinc[Δω_d(k)·N/2]sinθ_k,k＝1,2,…，(12)

2)I(k)、Q(k)两路积分清除的结果输入点积、叉积四象限反正切鉴频器进行频率鉴别，得到鉴别结果ef_k：

3)鉴频结果进入锁频环路滤波器，锁频环采用二阶环路，环路滤波器表达式为：

其中K₁＝K_d1·K_v1为鉴频器增益K_d1与NCO增益K_v1之积，在本例中K_d1＝1，K_v1＝1；对应滤波器阻尼系数。ω_F为锁频环环路的自然角频率，且有

式中B_L1为锁频环环路带宽，由最优环路带宽计算公式(6)，可计算得到锁频环等效噪声带宽B_L1＝5.7Hz。

4)环路滤波结果与捕获预测的载波多普勒频率、载波NCO固定频率字偏置相加后控制锁频环载波NCO产生I、Q两路正弦信号。

5)置锁频环锁定计数器初值M_init＝512，锁定门限设置为100Hz，失锁门限设置为250Hz。对频率鉴别结果进行判决：当鉴别结果小于100Hz时候，锁频环锁定计数器加1；当滤波值大于250Hz时，锁频环锁定计数器减1。当锁频环锁定计数器值达到M_lock＝1023时，判决锁频环锁定；当锁频环锁定计数器值达到M_unlock＝0时，判决锁频环失锁。

6)同时地，锁相环对雷达回波中频输入信号进行载波剥离、码剥离，然后进行积分清除，积分清除周期T＝N·T_s＝1ms，得到积分清除结果：

I(k)≈A·R[Δτ(k)]·sinc[Δω_d(k)·N/2]cosθ_k (16)

Q(k)≈A·R[Δτ(k)]·sinc[Δω_d(k)·N/2]sinθ_k (17)

7)对锁相环积分清除结果通过四象限反正切鉴别算法进行相位鉴别，得到相位误差量ep_k如下：

ep_k＝atan2(Q(k),I(k))＝Δθ(k) (18)

8)相位鉴别结果进入锁相环路滤波器，锁相环采用三阶跟踪环路，环路滤波器表达式为：

其中K₂＝K_d2·K_v2为鉴频器增益K_d2与NCO增益K_v2之积，在本例中K_d2＝1，K_v2＝1；ω_P为环路的自然频率，且有

ω_P＝1.2B_L2 (20)

式中，B_L2为锁相环环路带宽。由最优环路带宽计算公式(10)可算得锁相环等效噪声带宽B_L2＝42.2Hz。

9)锁相环环路滤波结果与预测的载波多普勒频率、锁频环环路滤波结果、载波NCO固定频率字偏置相加后控制锁相环载波NCO，产生互为正交的I、Q两路正弦信号进行载波剥离。

10)置锁相环锁定计数器初值N_init＝512，锁定门限设置为20°，失锁门限设置为40°。当锁频环锁定后，开始对锁相环鉴相器相位鉴别结果进行判决：若相位鉴别结果小于20°，锁相环锁定计数器加1；若相位鉴别结果大于40°，锁相环锁定计数器减1。当锁相环锁定计数器值达到N_lock＝1023，判决锁相环锁定；当锁相环锁定计数器值达到N_unlock＝0时，判决锁相环失锁。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种伪码调制连续波雷达回波的高动态载波相位跟踪方法，其特征在于，采用锁频环并联锁相环，所述锁频环用于对所述伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行载波频率跟踪，所述锁相环用于对所述伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行载波相位跟踪；

所述锁频环执行如下步骤：

获取预测的多普勒频率，对所述伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行数字正交下变频处理和积分清除处理，获得锁频环积分清除结果；

利用所述锁频环积分清除结果进行频率鉴别；频率鉴别结果进入锁频环路滤波器，获得锁频环路滤波结果；

所述锁频环路滤波结果与所述预测的多普勒频率、锁频环载波数字控制振荡器NCO的固定频率字偏置相加后控制锁频环载波NCO，产生用于锁频环数字正交下变频处理的互为正交的I、Q两路正弦信号；

所述锁频环中增加锁频环锁定判决模块，所述锁频环锁定判决模块用于对所述频率鉴别结果进行判决并设置锁频环锁定计数器计数，具体步骤如下：

设置所述锁频环的初始状态为未锁定；设置锁频环锁定门限和锁频环失锁门限，锁频环锁定门限小于锁频环失锁门限，当所述频率鉴别结果小于所述锁频环锁定门限时，锁频环锁定计数器加1；当所述频率鉴别结果大于所述锁频环失锁门限时，锁频环锁定计数器减1；所述锁频环锁定计数器以预设的初值M_init开始计数，当所述锁频环锁定计数器的计数值递增到预设的锁频环计数上限M_lock时，判决所述锁频环锁定；当锁频环锁定计数器的计数值递减到预设的锁频环计数下限M_unlock时，判决所述锁频环失锁；

所述锁相环执行如下步骤：

对所述伪码调制连续波雷达的回波数字中频信号进行载波剥离和码剥离，然后进行积分清除，获得锁相环积分清除结果；

对所述锁相环积分清除结果进行相位鉴别；相位鉴别结果进入锁相环环路滤波器，获得环路滤波结果；

所述锁相环路滤波结果与所述预测的多普勒频率、所述锁频环路滤波结果、锁相环载波NCO的固定频率字偏置相加后控制锁相环载波NCO，产生用于锁相环载波剥离和码剥离的互为正交的I、Q两路正弦信号；

所述锁相环中增加锁相环锁定判决模块，所述锁相环锁定判决模块用于，获取所述锁频环锁定判决模块的判决结果，当判决结果为所述锁频环锁定后，对所述相位鉴别结果进行判决并设置锁相环锁定计数器计数，具体步骤如下：

设置所述锁相环的初始状态为未锁定；设置锁相环锁定门限和锁相环失锁门限，锁相环锁定门限小于锁相环失锁门限，当所述相位鉴别结果小于所述锁相环锁定门限时，锁相环锁定计数器加1，当所述相位鉴别结果大于所述锁相环失锁门限时，锁相环锁定计数器减1；所述锁相环锁定计数器以预设的初值N_init开始计数，当所述锁相环锁定计数器的计数值递增到预设的锁相环计数上限N_lock时，判决所述锁相环锁定；当锁相环锁定计数器的计数值递减到预设的锁相环计数下限N_unlock时，判决所述锁相环失锁。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述锁频环积分清除结果进行频率鉴别，具体为：锁频环采用叉积、点积四象限反正切算法利用所述积分清除结果进行频率鉴别。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述锁频环路滤波器，具体为：

采用最小均方误差原则设计所述锁频环路滤波器并确定锁频环路滤波器的环路带宽。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述对所述锁相环积分清除结果进行相位鉴别，具体为：锁相环通过四象限反正切鉴别算法对所述锁相环积分清除结果进行相位鉴别。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述锁相环环路滤波器，具体为：

采用最小均方误差原则设计所述锁相环路滤波器并确定锁相环路滤波器的环路带宽。