CN108594216A - 一种混沌码调相线性调频复合探测***及信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混沌码调相线性调频复合探测***及信号处理方法，探测***包括混沌码产生器、延时器、线性调频器、固态源、定向耦合器、0/π调相器、环行器、混频器、低噪声放大器、低通滤波器、信号处理器、比较器和执行级。本发明利用混沌码调相体制信号十分理想的距离截止特性及速度分辨力，同时利用线性调频信号峰值功率低、时宽带宽大、无距离盲区等优点，将混沌码调相与线性调频复合，不仅能够改变单一信号的频谱，增加***的抗干扰性能，还能降低***的被截获概率，提高对目标测距测速的精度。

Description

一种混沌码调相线性调频复合探测***及信号处理方法
技术领域
本发明涉及一种无线电引信探测***及其信号处理方法，特别是一种混沌码调相线性调频复合探测***的信号处理方法。
背景技术
由于在未来高科技电子战争中的环境复杂而多变，测距***的发展目标进而转为寻求陡峭的距离截止特性和优越的探测性能以及良好的抗干扰性能。这些性能的优劣与引信的波形调制方式是分不开的，采用复合波形的调制体制代替单一波形的调制体制可使得波形更加复杂，频带宽度更宽。
目前，广泛研究的引信复合探测***已经有伪码调相与正线调频复合探测***、伪码调相与PAM复合探测***、伪码调相与线性调频复合探测***等。但是，普通伪随机码作为调制信号，密码强度低，周期长度有限，相关特性不是非常理想。并且，在传统的伪码调相与线性调频复合探测***中，是通过牺牲差频信号来减小伪码调相信号的多普勒敏感问题，这使得差频信息不能加以利用，测距方法单一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混沌码调相线性调频复合探测***及信号处理方法，使得引信探测***具有理想的距离、速度分辨力，拥有优越的探测性能和良好的抗干扰能力。
实现本发明目的的技术方案为：一种混沌码调相线性调频复合探测***，包括混沌码产生器、延时器、线性调频器、固态源、定向耦合器、0/π调相器、环行器、混频器、低噪声放大器、低通滤波器、信号处理器、比较器和执行级；
信号处理器产生锯齿波信号，与微波固态源产生的电磁波进行线性调频后得到锯齿波调频信号，作为载波信号；混沌码产生器产生混沌码，将混沌码与锯齿波线性调频信号通过0/π调相器进行调相得到复合调制信号，经过定向耦合器、环形器后通过天线辐射到空间中；在发射信号遇到运动目标后，部分能量被反射并被接收天线接收，天线接收到信号后通过环形器输入探测***，通过低噪放放大后与锯齿波线性调频信号进行混频，将混频输出信号经过低通滤波器，作前期处理后送入信号处理器得到距离和速度信息；通过门限比较后驱动执行级，输出启动信号。
进一步的，所述信号处理器包括AD采样模块、DA输出模块、混沌码相关模块、包络提取模块、差频测距模块和多普勒测速模块；其中
AD采样模块用于采集经过滤波放大后的回波信号；
DA输出模块用于输出锯齿波信号；
混沌码相关模块用于将回波信号与本地混沌码相关，得到相位差；并根据相位差计算出回波信号相对发射信号的延迟时间，计算得到距离信息；
包络提取模块用于提取回波信号的包络，得到差频信号；
差频测距模块用于对提取到的差频信号作FFT得到信号频率，根据差频频率计算得到距离信息；
多普勒测速模块用于提取差频信号中的多普勒信号，测量多普勒频率，计算得到速度信息。
一种基于混沌码调相线性调频复合探测***的信号处理方法，包括以下步骤：
步骤1，AD采集回波信号，DA输出锯齿波以及同步脉冲；
步骤2，在同步脉冲的使能下进行混沌码相关，输出回波信号相对本地混沌码的相位差以及目标的距离信息；
步骤3，根据相位差，将本地混沌码延迟到相同相位，与回波信号相乘提取包络，得到差频；
步骤4，测量差频频率，计算输出距离信息；
步骤5，对差频信号进行欠采样得到多普勒信号，测量多普勒频率，计算输出速度信息。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)利用具有自相关函数似白噪声，初值敏感性强且可确定的混沌码作为调制信号，将抗干扰能力极强的混沌码调相信号与时宽带宽大、测距测速精度高的线性调频信号进行复合，使得发射信号具有更强的抗干扰能力和抗截获能力；(2)能够通过混沌码相关或者提取差频完成测距，充分利用回波信号中的混沌码信息和差频信息，测距方法多样化。
附图说明
图1为本发明的混沌码调相线性调频复合探测***原理框图。
图2为本发明信号处理器原理框图。
图3为本发明探测***的回波信号波形图。
图4为本发明提取出的差频信号波形图。
图5为本发明通过混沌码相关法得到的距离误差与时间关系波形图。
图6为本发明通过测量差频频率得到的距离误差与时间关系波形图。
图7为本发明通过测量多普勒频率得到的速度误差与时间关系波形图。
具体实施方式
结合图1，一种混沌码调相线性调频复合探测***，包括混沌码产生器、延时器、线性调频器、固态源、定向耦合器、0/π调相器、环行器、混频器、低噪声放大器、低通滤波器、信号处理器、比较器和执行级；
信号处理器产生锯齿波信号，与微波固态源产生的电磁波进行线性调频后得到锯齿波调频信号，作为载波信号；
混沌码产生器产生混沌码，将混沌码与锯齿波线性调频信号通过0/π调相器进行调相得到复合调制信号，经过定向耦合器、环形器后通过天线辐射到空间中；
在发射信号遇到运动目标后，部分能量被反射并被接收天线接收，天线接收到信号后通过环形器输入探测***，通过低噪放放大后与锯齿波线性调频信号进行混频，将混频输出信号经过低通滤波器，作前期处理后送入信号处理器得到距离和速度信息；通过门限比较后驱动执行级，输出启动信号。
如图2所示，所述信号处理器包括AD采样模块、DA输出模块、混沌码相关模块、包络提取模块、差频测距模块和多普勒测速模块；其中
AD采样模块用于采集经过滤波放大后的回波信号；
DA输出模块用于输出锯齿波信号；
混沌码相关模块用于将回波信号与本地混沌码相关，得到相位差；并根据相位差计算出回波信号相对发射信号的延迟时间，计算得到距离信息；
包络提取模块用于提取回波信号的包络，得到差频信号；
差频测距模块用于对提取到的差频信号作FFT得到信号频率，根据差频频率计算得到距离信息；
多普勒测速模块用于提取差频信号中的多普勒信号，测量多普勒频率，计算得到速度信息。
一种基于所述混沌码调相线性调频复合探测***的信号处理方法，包括以下步骤：
(1)AD采集回波信号，DA输出锯齿波以及同步脉冲；
(2)在同步脉冲的使能下进行混沌码相关，输出回波信号相对本地混沌码的相位差以及目标的距离信息；
对于混频滤波后的回波信号：
uI(t)＝1/2ARs(t-τ)cos[2π(kτ2/2-ktτ-f0τ)]
其中，AR为回波信号幅度，s(t-τ)为回波信号中的混沌码序列，k为线性调频频率，τ为回波信号相对发射信号的延时时间，f0为载波频率。
由于引信的作用距离一般为几米到几十米，τ为几十至几百纳秒，因此τ的二次项可以忽略，归一化处理后的信号表达式为：
其中，R0为探测***距目标的初始距离，v为目标运动的速度，fd为多普勒频率。
将本地混沌码与其进行相关处理，采用FFT循环相关法得到相位差，进而计算得到延时时间，完成测距。相关得到的输出信号为：
其中，T为相关周期长度，R(τ-τ0)为混沌码的自相关函数。
(3)根据相位差，将本地混沌码延迟到相同相位，与回波信号相乘提取包络，得到差频；具体为：
根据混沌码相关得到的相位差，将本地混沌码延迟到相同的相位，与回波信号相乘(完全同相的两路双极性混沌码相乘后值都为1)，消除回波信号中的混沌码，提取出差频信号。
(4)测量差频频率，计算输出距离信息；
提取到的差频信号为：
其中，△FM为调频频偏，TM为调频周期，c为光速，R为目标距离。
根据差频信号公式，差频频率中包含距离信息。因此，距离可通过测量差频信号频率求出。为了提高测频精度，可采用CZT算法细化频谱得到更加精确的频率值。
(5)对差频信号进行欠采样得到多普勒信号，测量多普勒频率，计算输出速度信息；具体为：
根据提取到的差频信号，从中利用欠采样算法提取出多普勒信号：
其中，f0为载频，v是目标速度。
根据多普勒信号公式，多普勒频率中包含速度信息。因此，速度可通过测量多普勒信号频率求出。
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
实施例
(1)同步混沌码：由于混沌码的非周期性，在相关过程中，最重要的一点就是保持混沌码的同步，否则将无法通过混沌码相关得到回波信号与本地混沌码之间的相位差。所以，设置一个同步脉冲，将同步脉冲作为混沌码相关的使能信号即可完成同步。
(2)混沌码相关：通过FFT循环相关法得到回波信号与本地信号的相位差，通过相位差即可得知回波信号相对发射信号的延时时间，根据延时时间可计算出目标的距离。FFT循环相关法是一种时域并行捕获相位的算法，实际上就是在时域完成卷积运算，利用FFT变换将时域卷积转换到频域相乘，可节省运算时间，还可以节省资源。
设两个有限长度都为N的序列x(n)和y(n)，对应的Fourier变换分别为X(k)和Y(k)，即满足如下对应关系：
x(n)和y(n)的互相关运算可以表示为：
其中，z(n)为x(n)和y(n)的互相关函数。
对上式做FFT变换可得：
其中，Z(k)为z(n)对应的Fourier变化，Y*(k)为Y(k)的共轭函数。
由上述推导可知，时域的相关运算可以变换到频域的共轭相乘运算，这样的变换可以大大提高运算速度，得到准确的相位差。
(3)提取差频信号：因为差频信号表达式为：
其中，△FM为调频频偏，TM为调频周期，c为光速，R为目标距离。
那么根据差频信号的频率就可计算得到目标的距离。由于回波信号是一种调幅信号，且差频受到混沌码的调制，所以要想从回波信号的提取出差频信息，必须提取回波信号的包络。提取包络的方法如下：
首先通过混沌码相关得到回波信号与本地混沌码之间的相位差，然后产生一个与回波信号中混沌码相位相同的延迟混沌码信号。由于本地延迟混沌码与回波信号相位完全吻合，且回波信号及本地码都是双极性信号，将延迟码与回波信号相乘即可消除回波信号内部的混沌码，从而只留下含有差频信息的包络。最后将相乘后的信号通过低通滤波器，滤除杂波，即可提取出差频信号。
(4)提取多普勒信号：因为多普勒信号表达式为：
其中，f0为载频，v是目标速度。
那么根据多普勒信号的频率就可计算得到目标的速度。
差频信号表达式为：
cos(△φ1)＝cos2π(△FMfmτt+f0τ)
＝cos2πf0τcos2π△FMfmτt-sin2πf0τsin2π△FMfmτt
其中，f0为载波频率，τ为回波信号相对发射信号的延时时间，△FM为调频带宽，fm为调频频率。
将f0τ展开为：
f0τ＝f02(R0-vt)/c＝2f0R0/c-fdt
其中，R0为初始距离，v为目标的速度，c为光速，fd为多普勒频率。所以，由上式可知，差频频率中包含多普勒频率。
根据差频信号表达式，信号的两项被cos(2πf0τ)和sin(2πf0τ)加权，前半部分是偶函数，其傅里叶级数系数Bn为零，后半部分是奇函数，其傅里叶级数系数An为零，则
其中，u0为调频斜率，n为谐波分量次数。
为了表达式书写方便，令：
则An＝an cos(2πf0τ)，Bn＝bn sin(2πf0τ)，A0＝a0 cos(2πf0τ)
差频信的傅里叶三角级数分解表达式为：
以频率对于e(t)进行采样，则
其中，信号的频率远小于cos(2πf0τ)多普勒信号的频率，因此e(k)信号是被信号调制的cos(2πf0τ)多普勒信号。
根据以上推导，欠采样定理可以将差频信号中的各次谐波nfm频率混频至零频，得到受到复杂低频信号调制的多普勒信号。即，通过欠采样可以从差频信号中提取出多普勒信号。
本实施例采用以下***参数：码元宽度T＝50ns，调频周期Tm＝100us，频偏△F＝50MHz，目标运动距离16m～12.5m,运动速度60m/s，差频采样率fs＝100MHz。
如图1所示，混沌码调相线性调频复合探测***的工作过程如下：信号处理器产生锯齿波信号，与微波固态源产生的电磁波进行线性调频后得到锯齿波调频信号，作为载波信号。混沌码产生器产生混沌码，将混沌码与锯齿波线性调频信号通过0/π调相器进行调相得到复合调制信号，经过定向耦合器、环形器后通过天线辐射到空间中。在发射信号遇到运动目标后，部分能量被反射并被接收天线接收。天线接收到信号后通过环形器输入探测***，通过低噪放放大后与锯齿波线性调频信号进行混频，将混频输出信号经过低通滤波器，作前期处理后送入信号处理器得到距离和速度信息。通过门限比较后驱动和执行级，输出启动信号。
如图2所示，本发明信号处理部分包括以下步骤：
(1)AD采集回波信号，DA输出锯齿波以及同步脉冲。
(2)在同步脉冲的使能下进行混沌码相关，输出回波信号相对本地混沌码的相位差以及目标的距离信息。
(3)根据相位差，将本地混沌码延迟到相同相位，与回波信号相乘提取包络，也就是提取差频。
(4)测量差频频率，计算输出距离信息。
(5)对差频信号进行欠采样得到多普勒信号，测量多普勒频率，计算输出速度信息。
图3为本复合探测***的回波信号波形图，横坐标为目标运动时间，纵坐标为回波信号的幅度。由图3可知，回波信号波形是一调幅信号，差频信号受到混沌码的调制，与回波信号公式uI(t)＝1/2ARALs(t-τ)cos[2π(kτ2/2-ktτ-f0τ)]相符。
图4为从回波信号中提取出的差频信号波形，横坐标为坐标为目标运动时间，纵坐标为差频信号的幅度。由图4可知，差频信号基本为规则的正弦波信号，中间包含有不规则区域，说明差频信号提取成功。
图5为通过混沌码相关法测得的距离误差与时间的关系图，横坐标为目标运动时间，纵坐标为距离误差。由图5可知，通过混沌码相关测量距离，误差在-1.5m～2.5m，测距基本准确。
图6为通过测量差频频率得到的距离误差与时间的关系图，横坐标为目标运动时间，纵坐标为距离误差。由图6可知，通过差频频率测量距离，误差在-1.5m～1.5m，误差较相关测距小，测距更加精准。
图7为通过测量多普勒频率得到的速度误差与时间的关系图，横坐标为目标运动时间，纵坐标为速度误差。由图7可知，通过多普勒频率测量速度，误差在-0.2344m/s，测速误差很小。

Claims (7)

1.一种混沌码调相线性调频复合探测***，其特征在于，包括混沌码产生器、延时器、线性调频器、固态源、定向耦合器、0/π调相器、环行器、混频器、低噪声放大器、低通滤波器、信号处理器、比较器和执行级；
信号处理器产生锯齿波信号，与微波固态源产生的电磁波进行线性调频后得到锯齿波调频信号，作为载波信号；混沌码产生器产生混沌码，将混沌码与锯齿波线性调频信号通过0/π调相器进行调相得到复合调制信号，经过定向耦合器、环形器后通过天线辐射到空间中；在发射信号遇到运动目标后，部分能量被反射并被接收天线接收，天线接收到信号后通过环形器输入探测***，通过低噪放放大后与锯齿波线性调频信号进行混频，将混频输出信号经过低通滤波器，作前期处理后送入信号处理器得到距离和速度信息；通过门限比较后驱动执行级，输出启动信号。
2.根据权利要求1所述的混沌码调相线性调频复合探测***，其特征在于，所述信号处理器包括AD采样模块、DA输出模块、混沌码相关模块、包络提取模块、差频测距模块和多普勒测速模块；其中
AD采样模块用于采集经过滤波放大后的回波信号；
DA输出模块用于输出锯齿波信号；
混沌码相关模块用于将回波信号与本地混沌码相关，得到相位差；并根据相位差计算出回波信号相对发射信号的延迟时间，计算得到距离信息；
包络提取模块用于提取回波信号的包络，得到差频信号；
差频测距模块用于对提取到的差频信号作FFT得到信号频率，根据差频频率计算得到距离信息；
多普勒测速模块用于提取差频信号中的多普勒信号，测量多普勒频率，计算得到速度信息。
3.一种基于权利要求2所述混沌码调相线性调频复合探测***的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，AD采集回波信号，DA输出锯齿波以及同步脉冲；
步骤2，在同步脉冲的使能下进行混沌码相关，输出回波信号相对本地混沌码的相位差以及目标的距离信息；
步骤3，根据相位差，将本地混沌码延迟到相同相位，与回波信号相乘提取包络，得到差频；
步骤4，测量差频频率，计算输出距离信息；
步骤5，对差频信号进行欠采样得到多普勒信号，测量多普勒频率，计算输出速度信息。
4.根据权利要求3所述的混沌码调相线性调频复合探测***的信号处理方法，其特征在于，步骤2具体为：
对于混频滤波后的回波信号：
uI(t)＝1/2ARs(t-τ)cos[2π(kτ2/2-ktτ-f0τ)]
其中，AR为回波信号幅度，s(t-τ)为回波信号中的混沌码序列，k为线性调频频率，τ为回波信号相对发射信号的延时时间，f0为载波频率。
忽略τ的二次项，归一化处理后的信号表达式为：
其中，R0为探测***距目标的初始距离，v为目标运动的速度，fd为多普勒频率；
将本地混沌码与其进行相关处理，采用FFT循环相关法得到相位差，进而计算得到延时时间，完成测距；相关得到的输出信号为：
其中，T为相关周期长度，R(τ-τ0)为混沌码的自相关函数。
5.根据权利要求3所述的混沌码调相线性调频复合探测***的信号处理方法，其特征在于，步骤3具体为：
根据混沌码相关得到的相位差，将本地混沌码延迟到相同的相位，与回波信号相乘，完全同相的两路双极性混沌码相乘后值都为1，消除回波信号中的混沌码，提取出差频信号。
6.根据权利要求3所述的混沌码调相线性调频复合探测***的信号处理方法，其特征在于，步骤4中提取到的差频信号为：
其中，△FM为调频频偏，TM为调频周期，c为光速，R为目标距离。
7.根据权利要求3所述的混沌码调相线性调频复合探测***的信号处理方法，其特征在于，步骤5具体为：
根据提取到的差频信号，利用欠采样算法提取多普勒信号：
其中，f0为载频，v是目标速度；
根据多普勒信号公式，多普勒频率中包含速度信息，通过测量多普勒信号频率求出速度信息。
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