數字式干涉儀高精度鑒相技術

何冠良,張　娟,張玉喜

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

數字式干涉儀高精度鑒相技術

何冠良,張娟,張玉喜

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要：干涉儀測向體制中相位測量誤差直接影響信號測角誤差。介紹了基于矢量平均鑒相的相位測量技術,并與一階差分相位測量技術進行了對比,結果證明:在低信噪比條件下矢量平均鑒相的相位測量技術明顯地提高了相位測量精度。

關鍵詞:數字式干涉儀；矢量平均；鑒相；測角

0引言

隨著電子技術的不斷發展,電子偵察系統面臨著越發復雜多變的電子信號環境,它必須對信號進行實時測量。干涉儀測向系統中利用天線所接收的回波信號之間的相位差進行測向。 相位差測量的準確與否決定著測角的準確性。因此,如何保證相位差的測量精度成了干涉儀測向系統的關鍵所在。由于傳統的一階差分平均相位差測量技術在低信噪比下存在測相模糊,導致信號相位差在低信噪比下測量誤差較大。本文提出了基于矢量平均鑒相的相位差測量技術,解決了低信噪比下存在相位差測量模糊的問題。

1通道間相位差測量原理

通道間相位差的測量是在多通道對同一信號進行接收的情況下測量該信號在同一采樣時刻點各通道之間的相位差。由于噪聲的存在,尤其是低信噪比情況下,單一時刻點通道間相位差的測量值存在隨機誤差,因此通過統計信號到達期間(脈沖范圍內)相鄰通道各對應點的相位差的均值來消除該隨機誤差。以下按照兩個通道進行分析,多通道相位差測量與此類似。

(1) 單頻信號相位差測量

通道1單頻脈沖信號的復包絡為

通道2單頻脈沖信號的復包絡為

兩通道相位差函數為

(2) 線性調頻信號相位差測量

通道1線性調頻脈沖信號的復包絡為

通道2線性調頻脈沖信號的復包絡為

兩通道相位差函數為

(3) 二相編碼信號相位差測量

通道1二相編碼脈沖信號的復包絡為

通道2二相編碼脈沖信號的復包絡為

兩通道相位差函數為

2兩種鑒相方法比較

傳統鑒相方法采用一階差分平均求取相位差均值,但該方法在低信噪比下相位差測量會存在大量跨越360°的測相模糊,而矢量平均鑒相法則不會有測相模糊的問題。下面重點比較兩種鑒相方法的異同。

(1) 矢量平均鑒相原理

設采樣兩通道對應兩點為

如果采用矢量平均鑒相法,對于線性調頻信號,由于相位差函數:

為了能夠控制測相誤差,需要:

當前端兩通道中頻信號到達相對時間差為20ns時,采用矢量平均鑒相法能夠測量線性調頻信號的最大帶寬為50MHz。通過與線性調頻信號相同分析過程得出能夠測量的二相編碼信號的最大帶寬為B≤1/(2*t0)。在前端兩通道中頻信號到達時間差為20ns時,采用矢量平均鑒相法能夠測量二相編碼信號的最大帶寬為25MHz。

(2) 一階差分鑒相原理

設采樣兩通道對應兩點為

3兩種鑒相方法的區別

這里以單頻信號為例,采用率設置為600MHz,信號中頻為90MHz,脈寬為60μs,產生兩路脈沖信號,第二路信號比第一路信號延遲3個采樣周期。使用一階差分鑒相法仿真得到在不同信噪比下的兩路信號的相位差如圖1和圖2所示。

圖1　SNR=20 dB

圖2　SNR=10 dB

圖1中,中間一段是脈沖相位差計算結果,橫坐標為采樣點數,縱坐標為相位值。可以看出,在信噪比為20dB時,相位差測量不存在突變值。對該段相位差求取均值可以得到較為接近真實值的相位差均值。由圖2可以看出,在信噪比為10dB時,相位差測量存在大量的突變,如果對該段相位差測量值求取均值,則均值會偏離真實值較大。如果采用矢量平均法求取相位均值,則相位突變不會影響最終測量結果。如果沒有噪聲,則兩通道間信號相位差測量函數為?(t)=exp(ω0τ)=a+b*i(a較大且a<0,b較小且b>0),真實相位差為2*π*90*3/600。由于實際環境中都有噪聲存在,則實際相位差測量函數為

其中c(t)+d(t)*i為環境噪聲。在a較大的情況下c(t)對?1(t)實部分量影響較小,在b較小的情況下,d(t)對?1(t)虛部分量影響較大。這可能改變虛部符號,就會引起相位由π到-π突變。

如果先求相位,再求均值,則均值可能會偏離真實值較大,這顯然不能反映真實值。但如果先進行矢量累加再求取相位均值,則計算結果會在π附近。這是由于矢量累加平均不但運用了向量的角度信息,而且運用了向量的幅度信息。表1、2、3分別列出了3種信號形式在不同信噪比下采用兩種測量方法的測試結果:

(1) 輸入為單頻信號,脈寬20μs,中心頻率122.7MHz,采樣率600MHz。

(2) 輸入為線性調頻信號,脈寬20μs,帶寬10MHz,中心頻率122.7MHz,采樣率600MHz。

(3) 輸入為二相編碼信號,脈寬2.6μs,帶寬5MHz,中心頻率122.7MHz,采樣率600MHz。

表1　單頻信號相位差測試值

表2　線性調頻信號相位差測試值

表3　二相編碼信號相位差測試值

仿真結果證明一階差分平均法在低信噪比下已經不能夠準確檢測相位差,而矢量平均法在低信噪比下仍能夠準確地檢測相位差信息。

4結束語

數字式干涉儀測向體制中相位差信息的測量精度決定了測向精度,因此能夠在低信噪比下準確地檢測出相位差尤為重要。矢量平均鑒相法,相對于一階差分平均法,能夠更加準確地在低信噪比條件下去除鑒相模糊,準確檢測相位信息,因此在干涉儀測向體制的設備中具有很強的應用價值。

參考文獻:

[1]陳海忠,趙巾衛,朱偉強.數字式干涉儀測向技術鑒相算法研究[J].航天電子對抗,2004(4).

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[4]胡來招.雷達偵察接收機設計[M].北京:國防工業出版社,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

中圖分類號:TN911.7

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2015)04-0043-03

作者簡介:何冠良(1985-),男,工程師,碩士,研究方向:信號與信息系統；張娟(1981-),女,高級工程師,碩士,研究方向:信號與信息系統；張玉喜(1979-),男,工程師,碩士,研究方向:信號與信息系統。

收稿日期:2015-05-28；修回日期:2015-07-27