一種改進(jìn)型脈沖重復(fù)間隔測(cè)量系統(tǒng)

摘 要:脈沖重復(fù)間隔(PRI)是雷達(dá)信號(hào)的重要參數(shù)之一。分析了脈沖計(jì)數(shù)法在脈沖重復(fù)間隔測(cè)量中的實(shí)現(xiàn)方法，指出了該方法中存在的三種主要誤差，闡述了改進(jìn)型脈沖計(jì)數(shù)法在脈沖重復(fù)間隔測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:脈沖重復(fù)間隔脈沖計(jì)數(shù)法內(nèi)插采樣

中圖分類號(hào):TN95文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)08(b)-0009-03

Abstract:The PRI is one of important radar signal parameters.This paper analyzed Pulse counter to PRI measurement，and three errors in it， explained the advanced version pulse counter in PRI measurement system's application.

Key words:Pulse repetition interval;Pulse counter;Interpolating sampling

1 概述

脈沖重復(fù)間隔是雷達(dá)信號(hào)參數(shù)中重要的參數(shù)之一，是雷達(dá)測(cè)距，雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)信號(hào)分選、告警、個(gè)體識(shí)別等的重要依據(jù)。而脈沖重復(fù)間隔的測(cè)量技術(shù)，無(wú)論是在雷達(dá)，還是電子戰(zhàn)系統(tǒng)中，早已是非常成熟的技術(shù)[1]。但是，現(xiàn)今的系統(tǒng)中，一般對(duì)脈沖重復(fù)間隔的測(cè)量精度不是很高，隨著科技的進(jìn)步、器件的發(fā)展以及人們對(duì)系統(tǒng)的性能提出更高的要求，一種快速精確地測(cè)量雷達(dá)信號(hào)脈沖重復(fù)間隔技術(shù)就顯得十分重要了[2]。

本文探討了一種針對(duì)目前常用的脈沖重復(fù)間隔測(cè)量方法——脈沖計(jì)數(shù)法中存在的原理誤差、觸發(fā)誤差、時(shí)標(biāo)誤差等造成測(cè)量精度下降的主要原因的改進(jìn)技術(shù)，并加以實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。

2 內(nèi)插采樣法測(cè)量PRI

當(dāng)前，脈沖重復(fù)間隔測(cè)量方法大多是以脈沖計(jì)數(shù)法為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，主要包括脈沖計(jì)數(shù)法、模擬內(nèi)插法、延遲線內(nèi)插法、游標(biāo)法以及時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換方法等。綜合以上測(cè)量方法，內(nèi)插采樣法測(cè)量脈沖重復(fù)間隔具有測(cè)量精度高、范圍大、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)[3][4]。

傳統(tǒng)脈沖計(jì)數(shù)法測(cè)量脈沖重復(fù)間隔的原理是:采用時(shí)鐘計(jì)數(shù)器對(duì)量化時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，在待測(cè)脈沖的上升沿輸出計(jì)數(shù)值，相鄰待測(cè)脈沖對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值之差與量化時(shí)鐘周期的乘積為測(cè)量所得的脈沖時(shí)間間隔值。

當(dāng)待測(cè)脈沖上升沿到來(lái)且超過(guò)某一門限時(shí)，時(shí)鐘計(jì)數(shù)器輸出所計(jì)量化時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)m，n，則脈沖計(jì)數(shù)法得到的脈沖時(shí)間間隔為:

(1)

其中，T1、T2為原理誤差值，圖1。

內(nèi)插采樣法測(cè)量脈沖重復(fù)間隔的原理是:基準(zhǔn)信號(hào)是由量化時(shí)鐘產(chǎn)生的同頻正弦信號(hào)，頻率為，某個(gè)脈沖上升沿觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行采樣，得到采樣值，則可得:

(2)

同理，假設(shè)下一個(gè)脈沖觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行采樣，得到采樣值，如圖2所示。則有:

(3)

因此，可以得到脈沖間隔為

(4)

由式(2)、(3)代入(4)，，得:

(5)

即前后脈沖到達(dá)時(shí)間的差值。

可見(jiàn)，脈沖重復(fù)間隔由計(jì)數(shù)器輸出值m、n，基準(zhǔn)信號(hào)頻率，內(nèi)插采樣點(diǎn)相位、，決定。式(5)中的每一項(xiàng)(脈沖到達(dá)時(shí)間TOA由兩部分組成，當(dāng)某個(gè)脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，分別由脈沖計(jì)數(shù)法和內(nèi)插采樣法得到其高位與低位，且能夠完成實(shí)時(shí)測(cè)量。當(dāng)完成每個(gè)脈沖TOA測(cè)量后，脈沖時(shí)間間隔最后依據(jù)得到。該方法的測(cè)量范圍由脈沖計(jì)數(shù)器決定，通過(guò)擴(kuò)展計(jì)數(shù)器的位數(shù)能夠得到很大的測(cè)量范圍。圖3所示為基于內(nèi)插采樣技術(shù)的脈沖時(shí)間間隔測(cè)量原理圖。

3 浮動(dòng)門限設(shè)計(jì)

在一般的測(cè)量系統(tǒng)中，雷達(dá)波束掃過(guò)測(cè)量系統(tǒng)天線時(shí)會(huì)引起脈間的幅度變化。脈沖的到達(dá)時(shí)間是以跨越某個(gè)固定門限來(lái)確定，而非零值的上升時(shí)間加上幅度的變化就會(huì)產(chǎn)生到達(dá)時(shí)間誤差。如果幅度增加，那么每個(gè)相繼的脈沖就會(huì)提前一點(diǎn)跨越門限;如果幅度降低，那么情況相反。對(duì)于幅度接近門限值的脈沖來(lái)說(shuō)，即使脈沖幅度只有1dB的變化，也會(huì)產(chǎn)生超過(guò)上升時(shí)間15%的明顯的脈沖重復(fù)間隔變化[5]。

所以將這一門限設(shè)為50%的幅度點(diǎn)，當(dāng)脈沖前沿隨時(shí)間線性上升時(shí)，到達(dá)時(shí)間不會(huì)受脈沖幅度變化的影響。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是使脈沖前沿的斜率增加，改善了信噪比不變情況下的測(cè)量精度。利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)脈沖幅度進(jìn)行采樣，并通過(guò)反饋電路實(shí)時(shí)控制門限設(shè)置值，達(dá)到在低信噪比條件下的脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)量精度的提高。為了減小模/數(shù)轉(zhuǎn)換器帶來(lái)的精度誤差，選用高量化位數(shù)和采樣速率的器件[6]。

4 時(shí)標(biāo)選擇

脈沖重復(fù)間隔測(cè)量的核心是一個(gè)定時(shí)基準(zhǔn)振蕩器，用于產(chǎn)生離散的時(shí)間刻度，作為測(cè)量雷達(dá)脈沖之間時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。定時(shí)基準(zhǔn)振蕩器有兩點(diǎn)限制:一是由于基準(zhǔn)振蕩器的不穩(wěn)定性造成的限制，它給脈沖重復(fù)間隔測(cè)量帶來(lái)了誤差和漂移;二是由于脈沖到達(dá)時(shí)間和基準(zhǔn)振蕩器之間的非相干性帶來(lái)的量化誤差。

常用的最典型的是石英晶體振蕩器，而更高標(biāo)準(zhǔn)的是原子頻率振蕩器(銣鐘、銫鐘)。石英晶體振蕩器具有極好的短穩(wěn)性能，銣鐘則有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。

長(zhǎng)期穩(wěn)定度影響到漂移值的測(cè)量，并影響比較不同時(shí)間(如間隔數(shù)小時(shí)或數(shù)天)測(cè)量值的能力。如果基準(zhǔn)振蕩器可用其在一個(gè)脈沖時(shí)間間隔內(nèi)的均方根相對(duì)頻率偏差(或艾倫偏差)來(lái)表征，即:

(6)

那么一個(gè)理想的穩(wěn)定脈沖串的脈沖周期測(cè)量值的均方根偏差應(yīng)為:

(7)

通常，量化誤差是更重要的誤差，在雷達(dá)脈沖之間對(duì)基準(zhǔn)振蕩器的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生這種結(jié)果。根據(jù)雷達(dá)脈沖的相對(duì)相位和基準(zhǔn)振蕩器的周期，用基準(zhǔn)振蕩器的計(jì)數(shù)周期對(duì)一個(gè)理想的穩(wěn)定脈沖串所測(cè)得的脈沖重復(fù)間隔會(huì)差1個(gè)計(jì)數(shù)。對(duì)于給定的穩(wěn)定脈沖周期和穩(wěn)定基準(zhǔn)，當(dāng)相位不同時(shí)，計(jì)數(shù)只會(huì)變化1個(gè)數(shù)。如果測(cè)量單個(gè)脈沖周期，就無(wú)法知道在不同的相位關(guān)系下，計(jì)數(shù)是增加了1還是減少了1。因此，即使量化誤差至多只有1個(gè)之差，脈沖重復(fù)間隔值也會(huì)有正、負(fù)1個(gè)計(jì)數(shù)的模糊范圍。由于數(shù)字電路的計(jì)數(shù)速率超過(guò)數(shù)百兆赫，因此，基準(zhǔn)振蕩器的穩(wěn)定度直接影響脈沖重復(fù)間隔的測(cè)量精度[5]。目前原子頻率振蕩器的長(zhǎng)期穩(wěn)定度可以達(dá)到10-12量級(jí)，是比較理想的選擇。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

基于以上對(duì)脈沖重復(fù)間隔測(cè)量誤差的改進(jìn)措施，設(shè)計(jì)了脈沖重復(fù)間隔測(cè)量系統(tǒng)。圖4所示為該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)示意圖。其工作原理是，天饋伺服系統(tǒng)完成對(duì)雷達(dá)信號(hào)的偵收以及方位碼分別報(bào)送給接收機(jī)和測(cè)量控制模塊，接收機(jī)完成頻率的測(cè)量，將頻率碼發(fā)送給測(cè)量控制模塊，并接受測(cè)量控制模塊控制，同時(shí)解調(diào)輸出中頻信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)放大、檢波、視頻放大等處理輸送至測(cè)量控制模塊。測(cè)量控制模塊主要完成頻率信息、方位信息的接收，并測(cè)量得到脈沖幅度、脈寬、脈沖重復(fù)間隔等信號(hào)參數(shù)，并將這些參數(shù)輸送至綜合顯示模塊，同時(shí)測(cè)量控制模塊還有對(duì)伺服系統(tǒng)、接收機(jī)等的控制功能。

本系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件任意刪減模塊，獨(dú)立或合裝于其它系統(tǒng)中。經(jīng)過(guò)與其它現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備比較，本系統(tǒng)的脈沖重復(fù)間隔測(cè)量精度比其它設(shè)備要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)以上。表1所示為本系統(tǒng)在同樣測(cè)試條件下的脈沖重復(fù)間隔測(cè)量數(shù)據(jù)比較。

6 結(jié)語(yǔ)

脈沖重復(fù)間隔是雷達(dá)信號(hào)最重要的參數(shù)之一，其應(yīng)用背景也相當(dāng)廣泛，例如雷達(dá)測(cè)距、測(cè)高以及由此衍生出的雷達(dá)定位、識(shí)別、電子情報(bào)系統(tǒng)等。本文探討了一種大幅度提高脈沖重復(fù)間隔測(cè)量精度的方法，使得以脈沖重復(fù)間隔為重要應(yīng)用系統(tǒng)的測(cè)量精度也大幅提高。然而，實(shí)際環(huán)境的變化(如:自然環(huán)境、系統(tǒng)前端更換等)往往會(huì)使測(cè)量的結(jié)果與環(huán)境變化前后不一致，這是下一步研究亟需解決的問(wèn)題。

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