基于干涉儀的擴頻雷達多通道時分復用技術*

趙賽果，姚玉維，孫武，蔣清富

(北京遙感設備研究所,北京 100854)

基于干涉儀的擴頻雷達多通道時分復用技術*

趙賽果，姚玉維，孫武，蔣清富

(北京遙感設備研究所,北京 100854)

在基于多基線相位干涉儀的擴頻測向雷達系統中，多通道間的增益與相位差異以及不同環境下群時延變化特性差異一直是測量誤差的主要來源。多通道時分復用技術通過最大限度共用接收通道降低通道差異導致的測量誤差；同時，合理分配各通道時隙，采用多時隙信號相干積累的辦法兼顧動態跟蹤能力和測量精度。相比傳統的多通道接收系統，該方法提高了測量精度，降低了硬件復雜度與系統成本，體積與功耗均進一步降低。

擴頻雷達；時分復用；相位干涉儀

0 引言

干涉儀測向雷達采用多輻射單元天線陣列，通過計算各輻射單元的來波相位求解目標在雷達視場內的角度信息。多基線相位干涉儀測向算法采用長基線天線輻射單元提高測向精度，同時利用短基線解決相位模糊問題，因其測量精度高，不需要伺服機構，在現代測量雷達系統中得到廣泛應用[1-3]。

這種多通道測向雷達系統，為提高接收機的檢測靈敏度與動態范圍，接收通道多采用超外差接收和多級信號預選濾波器，復雜的接收增加了各接收通道間固有的相位差異和因溫度等原理導致的相位差異[4]，未校準的通道相位不一致性會導致測量精度下降甚至錯誤的測量結果，而高精度的校準實現困難，同時會增加系統的復雜度。有源校準的精度較高，通過增加校準信號源和開關矩陣，對各通道進行同源相位延遲標校，但是這種方法無法消除因溫度等環境因素導致的通道相位誤差[5]。

本文以某 “直接序列擴頻測向雷達”研制項目為例，利用多基線干涉儀無模糊高精度測向的優勢，創新性地提出了多通道時分復用技術，對通道進行時隙劃分，干涉儀各天線接收通道分時復用同一個硬件接收通道，有針對性的解決了由通道不一致性導致的測量精度問題。

1 時分復用接收系統設計

“直接序列擴頻測向雷達”采用周期為1 ms的偽隨機碼直接調制的連續波信號，測向接收系統采用9饋源天線陣列。系統共有9路接收通道，其中主接收通道完成解調解擴，4路俯仰測角通道，4路方位測角通道。

時分復用接收系統如圖1所示，主要的功能電路包括：接收天線、俯仰單刀四擲開關、方位單刀四擲開關、俯仰接收通道、方位接收通道、主接收通道、信號處理機。

來波信號由接收天線同時接收并分別傳輸給俯仰單刀四擲開關、方位單刀四擲開關和主接收通道；主接收通道對接收信號進行低噪放、下變頻和AGC放大，信號處理機完成偽碼的捕獲和載波跟蹤，提取出測向通道所需的載波頻率與相位信息。

俯仰單刀四擲開關(或方位單刀四擲開關)在信號處理的控制下，同一段時間(稱為一個時隙)僅選通一路，其他三路關閉，并將當前導通的通道信號傳輸給俯仰接收通道(或方位接收通道)，經過接收通道低噪聲放大、下變頻和AGC放大，向信號處理機輸出功率穩定的中頻信號，信號處理機對俯仰接收通道(或方位接收通道)輸出的中頻信號利用主接收通道提取出的載波頻率和相位信息進行快速鎖定跟蹤，得到載波相位。信號處理機通過統計各時隙的來波相位計算目標飛行器在雷達視場內的俯仰角與方位角。

時序關系如圖2所示。

圖1 直接序列擴頻測向雷達時分復用接收系統Fig.1 Time domain multiplexing receiver of RVD radar

圖2 接收通道時分復用時序Fig.2 Flow chart of time-domain multiplexing receiver

2 信號處理算法

2.1 信號結構

“直接序列擴頻測向雷達”采用偽碼連續波信號，接收通道對接收信號進行選通、放大、下變頻，信號處理機對模擬信號進行采樣并量化為數字信號，其可用數學表達式表示為

(1)

式中：tk=kts，ts為采樣間隔；Ps為信號功率；PN(tk+τ)為帶有延時量τ的偽碼，偽碼周期1 ms；ωI為中頻頻率；ωd為載波多普勒頻率；n(tk)為噪聲。

2.2 主通道捕獲跟蹤算法

式(1)中，未知量主要有偽碼延遲τ與載波多普勒頻率ωd，為了求解這2個未知量，主通道捕獲算法利用偽隨機序列自相關函數的性質，當本地偽碼與接收偽碼對齊時，能獲得最大的自相關值[6-7]。

將1 ms接收數據分成P段，每段L點數據，經過數字正交下變頻和L點部分相關，得到I，Q2路信號為

n=0,1,…,P-1，

(2)

n=0,1,…,P-1.

(3)

對z(n)=I(n)+jQ(n)進行N(N≥P)點的FFT運算：

(4)

(5)

式中:kZmax為FFT峰值對應的k的取值。

再生偽碼發生器以捕獲預測的偽碼相位為基礎進行偽碼相位的跟蹤，分別產生超前1/2碼片、即時碼片和滯后1/2碼片三路偽碼序列。采用三路積分清除結果進行偽碼誤差鑒別。采用歸一化的點積功率鑒別器進行偽碼相位鑒別，鑒別的結果經過環路濾波器輸出后調整再生偽碼發生器，完成對偽碼相位的跟蹤[10]。

主通道完成偽碼捕獲后，產生的再生偽碼提供給主接收通道、俯仰接收通道、方位接收通道完成解調解擴。

主接收通道除完成偽碼的捕獲跟蹤外，還利用鎖頻環完成載波頻率跟蹤，鎖頻環采用點積、叉積四象限反正切算法來實現頻率鑒別，合理設置環路濾波器和鎖定判決門限，在鎖頻環穩定跟蹤情況下，頻率估計誤差小于10 Hz。

2.3 通道相位跟蹤算法

為兼顧跟蹤能力和跟蹤精度，跟蹤算法采用鎖頻環和鎖相環串聯，由鎖頻環消除大部分動態，鎖相環實現精密載波相位跟蹤。鎖相環相位鑒別器采用四象限反正切鑒相方法，鑒別結果送入環路濾波器，濾波后的誤差信號不斷調整鎖相環載波NCO，保持載波相位的精確跟蹤。載波相位提取的原理如圖4所示。

中頻信號經載波剝離、再生偽碼解擴后與鎖相環NCO進行聯合處理。

(6)

(7)

式中：A為幅值；R[τe(k)]為碼相位(延時)估計偏差引入項；sinc[Δωd(k)·N/2]為多普勒估計殘差引入項。經過上述的相位旋轉運算后，采用四象限反正切算法進行相位鑒別，通過環路濾波器、鎖相環NCO共同構成載波鎖相環提取各通道載波相位[11-12]。

2.4 通道時分復用參數設計

“直接序列擴頻測向雷達”微波雷達采用通道時分復用技術后，接收通道由9個合并為3個，4個俯仰測角接收通道復用一個硬件通道，4個方位測角接收通道復用一個硬件通道，每個通道分時占用接收通道時隙，當測量目標相比測量雷達有大動態運動時，各通道采樣時間的不一致和鎖相環載波NCO更新時間的不一致會導致通道測向誤差。為減小這種效應，通道時隙應該設計得盡量小。

另一方面，微波開關的切換并不是理想的，存在開關延遲和信號建立時間。這段時間內，信號處理機采集的信號樣本是不可用的，常見的微波開關的轉換時間大約在100～150 ns，記為Tn，假設系統設計的時隙為Ts,那么由轉換時間造成的信號功率損失為

(8)

為了避免造成大的信號功率損失， 設計時隙Ts應遠大于Tn。

時隙的設計應兼顧上述2種效應，結合“直接序列擴頻測向雷達”的應用情況， “直接序列擴頻測向雷達”的時隙設計為2.5 μs，對應微波開關的切換頻率為400 kHz。

圖3 載波相位跟蹤環路框圖Fig.3 Carrier phase tracking loop block diagram

與主接收通道跟蹤環不同的是，各測角接收通道的跟蹤只利用了1/4的數據，這種部分相關算法會導致信噪比損失。為進一步提高跟蹤靈敏和測角精度，測角跟蹤環路的積分清除時間并未設計成偽隨機碼周期1 ms,而是通過多周期相干積累進一步提高信噪比。這種處理方式也成功的應用于“某直接序列擴頻測向雷達”，具體的做法是：

(1) 每8 ms進行一次積分清除，每通道提供約2 ms的有效數據；

(2) 每8 ms更新一次載波鎖相環NCO。

3 性能仿真

結合“直接序列擴頻測向雷達”應用情況，設置如下仿真條件：信噪比為-20 dB、多普勒殘差為10 Hz，設置合理的鎖相環路帶寬。分別對采用獨立通道、通道分時復用2種工作模式進行仿真。獨立通道仿真時，積分清除時間按照偽碼周期1 ms進行；通道分時復用時，積分清除時間分2種方式進行仿真，分別為1 ms積分清除時間和8 ms積分清楚時間。

仿真結果如圖4～6所示。

圖4 獨立通道1 ms積分清除相位誤差Fig.4 Phase error of receiving used 1 ms integrate/dump filter with independent channel

圖5 通道分時復用1 ms積分清除相位誤差Fig.5 Phase error of receiving used 1ms integrate/dump filter with time-domain multiplexing channel

圖6 通道分時復用8 ms積分清除相位誤差Fig.6 Phase error of receiving used 8ms integrate/dump filter with time-domain multiplexing channel

圖中3種設計均能正常進行鎖定跟蹤，前2種方式載波鎖相環NCO更新時間相同，因此具有相同的鎖定時間，通道分時復用8 ms積分清除方式因為載波鎖相環NCO更新時間不同，對跟蹤速度造成影響。仿真表明，鎖定時間與積分清除時間(或載波鎖相環NCO更新時間)成正比。

對3種方式在跟蹤狀態下的相位誤差進行仿真并統計相位誤差的標準差，統計結果如表1所示。

表1 相位誤差標準差統計Table 1 Phase error standard deviation statistics SNR

表1表明，在通道分時復用工作方式時，相位誤差相對較大，這將對直接序列擴頻測向雷達的測角誤差帶來不良影響。“直接序列擴頻測向雷達”采用的多周期相干積累的方法減弱了這種不良影響。

4 結束語

多通道分時復用技術解決了多基線相位干涉儀測向雷達各接收通道間的增益與相位差異以及不同環境下群時延變化特性差異導致的測量誤差大的問題，同時，較大程度上減小了系統的體積、重量和功耗。仿真和實踐表明，分時復用帶來的跟蹤時間延長等問題均在“某直接序列擴頻測向雷達”技術指標可容許的范圍內。

多通道分時復用技術適用于寬帶干涉儀測量雷達，可應用于民用或航天雷達系統中，對其他多通道接收機的系統設計也具有一定的借鑒意義。

[1] 周亞強，皇甫堪.噪擾條件下數字式多基線相位干涉儀解模糊問題[J].通信學報，2005,26(8):16-19. ZHOU Ya-qiang，HUANG-FU Kan. Solving Ambiguity Problem of Digitized Multi-Baseline Interferometer Under Noisy Circumstance[J].Journal on Communications,2005,26(8):16-19.

[2] ERNEST J.Ambiguity Resolution in Interferometer[J]. IEEE Trans.AES,1981,l17(6): 766-780.

[3] MALLOY N J.Analysis and Synthesis of General Planar Interferometer Arrays[C]∥IEEE ICASSP,1983:352-355.

[4] In-BokKong,Kim Seung-Woo.Portable Inspection of Precision Surfaces by Phase-Shifting Interferometry with Automatic Suppression of Phase-Shift Errors[J].Optical Engineering,1995,34(5):1400-1404.

[5] 張文旭,司錫才,蔣伊琳.相位干涉儀測向系統相位誤差研究[J].系統工程與電子技術，2006，28(11)：1631-1632. ZHANG Wen-xu,SI Xi-cai,JIANG Yi-lin.Research on Phase Error in the System of Direction Finding by Phase Interferometer[J].Systems Engineering and Electronics,2006,28(11)：1631-1632.

[6] 劉娣,薄煜明,吳盤龍.基于偽碼自相關特性與三次樣條插值的GPS信號快速捕獲算法[J].信息與控制,2011.40(2):187-189. LIU Di,BO Yu-ming,WU Pan-long.GPS Signal Fast Acquisition Algorithm Based on PN Code Auto-Correlation Property and Cubic-Spline Interpolation Method,2011，40(2):187-189.

[7] KAPLAN E D.Understanding GPS:Principles and Applications[M].Norwood,MA,USA:Artech House,1996:142-150.

[8] VAN Nee D J R,COENEN A J R M.New Fast GPS Acquisition Technique Using FET [J].Electronic Letters(S0013-5194),1991,27(2):158-160.

[9] 劉曉莉，李云榮.一種基于FFT的高動態GPS 信號快速捕獲方法[J].系統仿真學報,2007，19(10):2151-2155. LIU Xiao-li, LI Yun-rong. Fast Acquisition Based on FFT for High Dynamic GPS Signals[J]. Journal of System Simulation,2007，19(10):2151-2155.

[10] Ilir F Progri,Clifford W Kelley,GAO Guo-jiang,et al.Discrete vs.Continuous Carrier Tracking Loop Theory,Implementation,and Testing with Large BnT[C]∥20th Intemational Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation.Fort Worth,Texas USA:ION,2007：2584-2610.

[11] 姜毅，張淑芳，胡青，等.改進的基于四象限反正切函數的鑒別器算法[J].吉林大學學報,2011，41(3):849-854. JIANG Yi,ZHANG Shu-fang,HU Qing,et al.Improved Discriminator Algorithm Based on Four-Quadrant Arctangent Function[J].Journal of Jinlin University, 2011,41(3):849-854.

[12] 唐小妹，黃仰博，王飛雪.導航接收機中基于反正切鑒別器載波環路的分析及優化設計[J].電子與信息學報，2010,32(7):1747-1751. TANG Xiao-mei,HUANG Yang-bo,WANG Fei-xue.Performance and Design of Carrier Tracking Loop Based on Atan Detector in GNSS Receiver[J].Journal of Electromics & Information Technology, 2010,32(7):1747-1751.

Time-Domain Multiplexing of Spread Spectrum Radar Based on Phase Interferometer

ZHAO Sai-guo,YAO Yu-wei,SUN Wu,JIANG Qing-fu

(Beijing Institute of Remote Sensing Equipment,Beijing 100854,China)

In spread spectrum direction-finding radar receiving system based on multi-baseline phase interferometer, the main sources of measuring error include the amplitude unbalance, phase unbalance between multi-channels and the group delay characteristics under different environments. The multi-channel time-division multiplexing reduces measuring error by maximum shared receiving channels. In addition, rational distribution of the channel time slot and coherent integration can compromise the dynamic tracking performance and measuring precision. Comparing with traditional multi-channel receiving system, this method not only improves the measuring precision, but also reduces the hardware complexity and the system cost. Furthermore, the system volume and power are decreased greatly.

spread spectrum radar; time-division multiplexing; phase interferometer

2014-11-13；

2014-12-09

趙賽果(1982-)，男，湖南寧鄉人。高工，碩士，主要從事微波雷達系統研究工作。

通信地址：100854 北京142信箱205分箱十一室 E-mail：zhaosaiguo@hotmail.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.04.013

TN957

A

1009-086X(2015)-04-0074-06