脉冲相参应答机同频干扰处理系统

摘要

本发明提出了一种脉冲相参应答机的同频干扰处理系统，利用本发明可解决脉冲相参应答机同频干扰的自激问题，确保应答机的工作稳定性。本发明通过下述技术方案予以实现：脉冲应答机天线接收到射频信号后，射频信号FR通过环形器进入场放模块，该信号经过场放模块滤波放大后，再通过微波开关控制，控制后的射频信号与本振信号混频输出中频信号，中频信号通过中放模块放大和检波后，送数字电路模块的A/D采集，采集信号经过数字延迟线存储转发，数字延迟线的时序控制由收发时序控制电路控制,转发信号送D/A变换器输出中频信号，中频信号经过发射信道模块上变频后，通过功放模块放大，放大后的信号FT经过环形器输出。本发明解决了脉冲收发同频的自激问题。

说明书

技术领域

本发明是关于脉冲体制测量系统的单脉冲应答机中，脉冲相参应答机的同频干扰处理系统。

背景技术

单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达。测量精度一般用雷达输出的数据误差的大小来表示。它每发射一个脉冲，天线能同时形成若干个波束，将各波束回波信号的振幅和相位进行比较，当目标位于天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位相等，信号差为零；当目标不在天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位不等，产生信号差，驱动天线转向目标直至天线轴线对准目标，这样便可测出目标的高低角和方位角，从各波束接收的信号之和，可测出目标的距离，从而实现对目标的测量和跟踪。它的测距系统在单脉冲精密测量雷达里占据非常重要的地位，其功能是通过对雷达回波的处理来获得雷达径向距离的测量跟踪，伺服系统在此基础上进行空间角度位置跟踪，两者构成了单脉冲精密跟踪测量雷达的测量基础。单脉冲是指单个脉冲能够提取目标角位置信息所依赖的回波脉冲的个数方面的信息。而单脉冲测量雷达则是属于同时波瓣法测角，它仅需要比较各个波束接收的同一个回波脉冲，就能够获得目标的全部信息。不过由于对目标的观测和测量具有连续性的特点，雷达就需要连续不断的接收目标的回波信号和连续的发射脉冲，在获得了一系列的目标信息之后，对这些信息就可以进行科学的处理，从而获得对目标高精度和高真实性的信息。早期的单脉冲精密测量雷达测距分系统都是一个独立的分系统，跟踪测量的目标通常为无杂波干扰的“纯净目标"(即为高空目标)。当面对地杂波干扰等复杂电磁环境时，现代测距机需要采用相参积累、杂波对消、恒虚警检测、游标测距和宽带测距等复杂高强度实时处理技术，现代测距机的数字信号处理功能越来越突出，与信号处理分系统的界限越来越模糊，两者一体化融合设计处理将是发展方向。单脉冲精密测量雷达测距系统通常具备以下特点…:1)距离测量精度高，雷达的测距精度受多种因素的影响，如距离零值装定、接收机迟延、目标运动引起的动态滞后、应答机迟延、传播误差、热噪声误差、量化误差和定时抖动等等。这些误差可划分为系统误差和随机误差，系统误差是指那些随测量时间的变化测量幅度大小保持恒定或按某种规律缓慢变化的的误差，具有可预测性，在侧量前或者测量后都可以进行适当的校对和对技术进行部分修改；随机误差是指随着时间变化其测量幅度大小不确定或快速变化的误差，这类误差测量前不能做出预测，测量后也不能校对修改，只能通过一些方法来减小这种误差，一般用的方法是滤波技术。系统误差主要有轴系误差、数据传递系统误差、动态滞后误差和大气传播误差。而随机误差主要由热噪声所引起。随机误差主要有测量过程中，由于目标闪动造成的测量噪声，这些噪声大都符合“白过程”高斯白噪声。系统误差需要进行修正来消除，随机误差则可以通过平滑滤波来抑制。在雷达系统误差中，通常轴系误差和数据传递系统误差造成的影响较大。雷达在对角坐标进行测量时出现的误差就是角度跟踪测量误差，误差源有三种，分别是跟踪误差、转换误差和传播误差，造成的后果是雷达的天线轴偏离目标角，轴角报告不准确，这三个误差源又各自包含了各自的系统误差和随机误差。距离跟踪测量误差会导致雷达距离波门或目标选通脉冲与目标回波脉冲的形心偏离。与雷达相关的转换误差会导致波门或选通脉冲的延迟形成的错误报告，并影响到与目标有关的跟踪误差和传播误差。

雷达要探测的目标，通常是运动着的物体，例如空中的飞行器，海上舰船艇地面的车辆等。但在目标的周围经常存在着各种背景，例如各种地物、云雨、海浪及释放的金属丝干扰。这些背景可能是完全不动的，如山和建筑物，也可以是缓慢运动的，如有风时的海浪和金属丝干扰，一般来说，其运动速度远较目标小，这些背景产生的回波称为杂波或无源干扰。当杂波和运动目标回波在雷达显示器上同时显示时，会使目标的观察变得很困难。如果目标处在杂波背景内，弱目标湮没在强杂波中，特别是当强杂波使接收系统过载，发现目标十分困难。目标不在杂波背景内时，要在成片杂波中很快分辨出运动目标回波也不容易。如果雷达终端采用自动检测和数据处理系统，由于大量杂波的存在会赢棋终端过载或者不必要的增加系统的容量和复杂性。因此，无论从抗干扰或改善雷达跟踪质量的角度出发，选择运动目标回波而抑制固定杂波背景都是一个很重要的问题。现代雷达信号处理动目标检测(MTD)通常采用数字处理技术，通过对回波信号作A/D变换后进行数字化处理，即用一个特定频率时钟信号驱动，对雷达回波从重复周期处起始采样直到重复周期结束，每一个时钟周期对应一个距离门。信号处理机根据雷达工作方式控制指令字可对重复周期内的全部或部分距离门数据进行处理。从雷达测量精度上分析，上述处理机制存在一些缺陷:1)现代雷达常采用线性调频信号，经过匹配压缩处理后其信号视频包络为钟形，在钟形包络的顶峰位置采样则信号不损失而在其它位置采样则信号略有损失。如果采样时钟频率足够高，则采样损失可以忽略不计，但由此造成巨大的处理数据量而不能应用在工程实际中。故此方法存在信噪比轻微损失问题。现代雷达信号处理动目标检测(MTD)通常采用驻留问重频参差，如果某个驻留内MTD处理时回波信号落在FFT的清晰滤波器单元则不改变重频，否则就需要改变重频，控制方式一般按照[重频l，重频2，…，重频，依次循环递推。采用上述方法，在目标加速度不大情况下基本解决了“盲速”问题，偶尔出现的个别驻留周期信号落在FFT的非清晰滤波器单元情况不影响测量精度。该方法的优点在于不需要精确的目标速度测量信息，尤其在低信噪比条件下目标速度测量比较困难时起效。缺点在于仍有个别驻留重频发生回波信号落在FFT非清晰滤波器情况，对于追求每个回波都能被有效检测等精密测量要求则还需改进。

在测距系统的常规工作流程中，测距机在搜索目标时，信号处理分系统以波门为中心，在指定的检测范围内进行搜索，并设置一次门限和二次门限，按照设定的门限检测准则发现目标后，将目标所在检测单元距波门中心的距离值及有效标志等信息送给测距机，测距机根据检测信息调整波门位置，然后进入宽波门跟踪(即宽带跟踪)，回路调整稳定后，便转入窄带跟踪。当测距机转跟踪后，信号处理分系统在波门范围内对回波进行检测，并提取距离误差，供测距机进行闭环滤波用。若在记忆跟踪过程中又满足检测准则，则清除记忆跟踪标志，转为正常跟踪。在跟踪过程中，测距需要根据需要进行消模糊、避盲、应反转换和多站工作…。

在错综复杂、瞬息万变的电磁环境中雷达抗干扰问题是一个十分重要的问题。为完成整个任务段的跟踪测量，往往需要多台同频雷达接力跟踪测量同一个目标。为了增加测量的冗余度,在实际工作中,往往采用多站工作方式,这就带来了一个问题,就是多站同频干扰。干扰严重时,易引起雷达跟踪目标丢失。同频干扰是指无用信号的载频与有用信号的载频相同，并对接收同频有用信号的接收机造成的干扰。通常各雷达的任务段有交叉重叠部分，也就是说任务过程中会出现多台雷达同时跟踪同一个目标的情况.以便实现测量数据的接力和冗余。由于多站雷达是同频工作且共用同一套应答机，而应答机在同一时刻只能响应一个触发信号，因此当多套雷达触发信号同时到达应答机时，将只有一个信号被应答，可能导致其他雷达丢失目标。同频干扰已经成为了影响正常跟踪测量的一个关键因素，许多单脉冲测控设备已经将跟踪过程中的同频干扰现象识别为主要风险。但是抗同频干扰的机制却没有相应的改进，目前主要采用的是在波门前方设立卫门区，通过检测卫门区域干扰信号并结合移相避免同频干扰。因为现有单脉冲雷达一般不能直接区分他站干扰信号与本站相参信号，因此在应答式跟踪时，必须对飞行器载体反射信号所在位置进行扣除处理，进而导致卫门盲区。。现有抗同频干扰机制由于同频干扰问题对跟踪测量过程会产生较大影响，目前主要采用的是在波门之前设立卫门检测区来降低同频干扰的风险。避盲过程导致同频干扰还有一种情况，B站雷达未跟踪上目标，此时前卫门也不起作用，当B站信号从后方靠近A站正常跟踪的信号时，就会慢慢进入A站波门，造成测量数据误差增大。由于雷达不能区分他站干扰信号与本站相参信号，导致卫门检测时误把本站相参反射信号当作他站干扰信号，或者把落人卫门盲区的他站干扰信号认为是本站相参信号，从而在不该进行移相时启动移相动作，而本该进行移相时却没有正确启动。因此，雷达不能区分信号相参性是问题的根源。如果雷达能够识别出卫门区域内的信号是不是本站发出的，那么卫门盲区也就不需要了，从而也就提高了抗同频干扰的可靠性，这就要求各雷达的发射脉冲具有自身的“独特性”。同频干扰是同型号雷达近距离工作时常常遇到的情况,它导致雷达在发现设脉冲相参应答机接收信号频率为f_R，发射信号频率为f_T，本振频率为f_o，接收中频信号频率为f_IR，发射中频信号频率为f_IT。

根据脉冲应答机的频率关系设计方案有：

f_R＝f_IR+f_o(1)

f_T＝f_IT+f_o(2)

当要求f_R＝f_T时，(1)式和(2)式相等，很容易推导出f_IR＝f_IT。可见，根据计算，要保证脉冲应答机的相参转发特性，只需要保证中频信号的相参转发特性即可，与本振信号无关。

敌方目标前已经受到己方雷达的强同频干扰,雷达探测性能急剧下降,甚至完全瘫痪。目前对同频干扰的抑制,主要是从时域、频域、空域和极化域等方面找出干扰与真实回波的区别,采取措施加以消除。

如何解决同频干扰问题，成为解决脉冲应答机相参转发设计的核心问题。特别是发射信号经过功率放大后，信号能量较大，在脉冲应答机内部会直接进入接收信道，导致脉冲应答机自收自发，出现自激问题。现有技术对脉冲应答机自激问题，一般采用收发分时工作的处理方案。但传统模拟体制的脉冲应答机，采用了基于微波开关的模拟电路方案，受限于环形器、微波开关等模拟电路的隔离度指标，当发射信号功率较大时，仍然会干扰接收通道，导致脉冲应答机转发自发脉冲，工作出现异常。

综上所述，在单脉冲雷达测量系统中，为了保证测量系统的距离分辨率、测距精度，一般要求脉冲信号的脉冲宽度越窄越好，且要求脉冲应答机转发时延稳定；为了保证测速精度，要求脉冲应答机转发的下行信号载波频率等于雷达上行信号载波频率且相参，相当于相参转发比，脉冲应答机收发信号同频，设计中必须考虑同频干扰问题。同时，经过脉冲应答机的相参转发处理后，可提高转发时延的稳定性，提高转发信号的脉冲功率，从而提高地面站接收到的回波信号质量，最终提高地面雷达的作用距离和测量精度。

发明内容

为了解决脉冲雷达测量系统中单脉冲应答机的收发信号同频干扰问题，提高抗同频干扰的可靠性，保证单脉冲应答机可靠工作，避免单脉冲应答机出现自激问题，本发明提供一种简单可靠、灵活性和扩展性的脉冲相参应答机的同频干扰处理系统。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种脉冲相参应答机同频干扰处理系统，包括：环形器、接收信号模块、功放模块、发射信道模块、本振和数字电路模块，其特征在于：脉冲应答机选用接收频率与发射频率同频的射频信号F_R通过环形器送入接收信号模块与本振信号混频输出中频信号，中频信号经中放模块放大和检波后分为两路，一路送入数字电路模块A/D采集转换为数字信号，该数字信号在FPGA电路中进行时间延迟存储，另一路经中放模块输出的脉冲检波信号在数字电路模块中，通过收发时序控制电路以基准脉冲的前沿脉冲为参考，产生延时转发控制脉冲、微波开关脉冲延迟和功放检波脉冲，在可编程门阵列FPGA电路中产生完全封闭接收信号的时序处理，采用脉冲时序控制对收到的脉冲检波信号进行时序控制，产生再生的检波基准脉冲控制延迟存储电路实现数字延迟线，A/D数字信号采集信号经过数字延迟线存储转发，转发信号送D/A变换器，经D/A转换为模拟中频信号，该模拟中频信号通过发射信道模块上变频送入功放模块进行放大；功放模块在功放检波脉冲为高电平时，将放大后的射频信号F_T经过环形器输出脉冲调制信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

简单可靠。本发明当脉冲应答机接收到信号后，通过场放模块对接收信号进行滤波放大，放大后的信号与混频器进行下混频，混频获得的中频信号通过中放模块进行放大检波，并送A/D转换器进行采样，转换为数字信号，该数字信号在FPGA电路中进行一定时间的延迟存储(该延迟时间可编程)，延迟后的信号通过D/A转换为模拟中频信号，该模拟中频信号经过发射信道上变频后，通过功放模块放大输出。通过同频相参转发设计，简化了脉冲应答机的信道设计。

具有灵活性和扩展性。本发明脉冲应答机天线接收到射频信号后，射频信号F_R通过环形器进入场放模块，该信号经过场放模块滤波放大后，再通过微波开关控制，控制后的射频信号与本振信号混频输出中频信号，中频信号通过中放模块放大和检波后，可编程门阵列通过数字存储的方式，送数字电路模块的A/D采集，采集信号经过数字延迟线存储转发，转发信号送D/A变换器输出中频信号，中频信号经过发射信道模块上变频后，通过功放模块放大，放大后的信号F_T经过环形器输出。实现脉冲应答机的时延可编程，增强了脉冲应答机的灵活性和扩展性。

解决了脉冲应答机出现的自激问题。本发明在基于微波开关的模拟电路方案基础上，增加基于数字电路的脉冲时序控制，实现脉冲应答机的收发分时工作，即当功放工作时，在可编程门阵列FPGA电路中产生完全封闭接收信号的时序处理。在数字电路模块中，收发时序控制电路接收中放模块输出的脉冲检波信号，并采用脉冲时序控制的方法对该信号进行时序控制，产生微波开关脉冲、延迟转发控制脉冲和功放检波脉冲，从根本上彻底解决了传统模拟体制的脉冲应答机，采用基于微波开关的模拟电路隔离度指标，受限于环形器，当发射信号功率较大会干扰接收通道，导致脉冲应答机转发自发脉冲，同频干扰的自激，工作出现异常脉冲应答机问题。本发明通过再生的脉冲时序控制，在基准信号上屏蔽了由于功放发射信号干扰接收信道而产生的自激检波脉冲，从而有效解决了脉冲收发同频的自激问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

图1是本发明脉冲相参应答机同频干扰处理系统的电路原理示意图。

图2是图1脉冲相参应答机的脉冲时序控制波形图。

图3是脉冲应答机的脉冲测量原理示意图。

具体实施方式

参阅图1。在以下实施例中，一种脉冲相参应答机同频干扰处理系统，包括：环形器、接收信号模块、功放模块、发射信道模块、本振和数字电路模块。首先，为了保证脉冲应答机的相参转发，脉冲应答机频率关系选用接收频率与发射频率同频，相参转发比。同时，为了应答机的小型化设计，脉冲应答机收发信号均采用一次变频方案，共用本振。脉冲应答机选用接收频率与发射频率同频的射频信号F_R通过环形器送入接收信号模块与本振信号混频输出中频信号，中频信号经中放模块放大和检波后分为两路，一路送入数字电路模块A/D采集转换为数字信号，该数字信号在FPGA电路中进行时间延迟存储，另一路中放模块输出的脉冲检波信号在数字电路模块中，通过收发时序控制电路以基准脉冲的前沿脉冲为参考，产生延时转发控制脉冲、微波开关脉冲延迟和功放检波脉冲，在可编程门阵列FPGA电路中产生完全封闭接收信号的时序处理，采用脉冲时序控制对收到的脉冲检波信号进行时序控制，再生的检波基准脉冲控制延迟存储电路实现数字延迟线，A/D数字信号采集信号经过数字延迟线存储转发，转发信号送D/A变换器，经D/A转换为模拟中频信号，该输出模拟中频信号通过发射信道模块上变频送入功放模块进行放大；功放模块在功放检波脉冲为高电平时，将放大后的射频信号F_T经过环形器输出脉冲调制信号。

设脉冲相参应答机接收信号频率为f_R，发射信号频率为f_T，本振频率为f_o，接收中频信号频率为f_IR，发射中频信号频率为f_IT°

根据脉冲应答机的频率关系设计方案有：

f_R＝f_IR+f_o(1)

f_T＝f_IT+f_o(2)

当要求f_R＝f_T时，(1)式和(2)式相等，很容易推导出f_IR＝f_IT。可见，根据计算，要保证脉冲应答机的相参转发特性，只需要保证中频信号的相参转发特性即可，与本振信号无关。

接收信道模块包括：顺次串联的场放模块、微波开关和混频器，频脉冲应答机天线接收到射频信号后，射频信号F_R通过环形器进入场放模块，射频信号F_R经过场放模块滤波放大后，通过微波开关控制输出的射频信号与本振信号混频输出中频信号，中频信号通过中放模块放大和检波后，送入收发时序控制电路对中放检波输出的脉冲检波信号进行再生处理，将该脉冲信号取反后，与微波开关脉冲的取反脉冲相与，获取新的基准检波脉冲，以该基准脉冲的前沿脉冲为参考，产生延时转发控制脉冲，采集信号经过数字延迟线存储转发，转发信号通过D/A变换器输出中频信号。

中频信号经过发射信道模块上变频后，通过功放模块放大，放大后的信号F_T经过环形器输出。同时，在数字电路模块中，收发时序控制电路接收中放模块输出的脉冲检波信号，并采用脉冲时序控制的方法对该信号进行时序控制，产生微波开关脉冲、延迟转发控制脉冲和功放检波脉冲。微波开关将脉冲送至接收信道模块的微波开关控制端，当功放工作时及时关闭接收信道。收发时序控制电路将延迟转发控制脉冲送数字延迟线，在FPGA内部编程延迟时间，将脉冲相参应答机的延时转发控制产生的功放检测脉冲送至功放模块，只有当功放检波脉冲为高电平时，功放模块才有脉冲调制信号输出。

根据图2波形图所示，脉冲检波信号为中放模块检波输出的脉冲宽度为0.6us的负脉冲信号。微波开关脉冲是控制接收信道模块微波开关通断的控制脉冲信号，该控制脉冲信号为脉冲宽度为35.7us的正脉冲信号，该信号为高电平时，表示接收信道关闭。收发时序控制电路再生检波脉冲将中放模块输出的脉冲检波信号取反后，与微波开关脉冲的取反脉冲相与，获取新的基准检波脉冲；功放检测脉冲时候控制功放工作的开关信号，该信号为脉冲宽度为3.3us的正脉冲，延迟转发控制脉冲是控制脉冲相参应答机的延迟转发精度的控制脉冲，该脉冲为脉宽为0.6us的正脉冲，且该脉冲前沿与脉冲检波信号下降沿之间的时间差为脉冲应答机的转发延时值，图中设置为16.4us，该时间可以通过收发时序控制电路的软件设置，可任意编程控制。

参阅图3。单脉冲雷达测量系统通过脉冲雷达地面站重复发射上行脉冲调制信号，飞行器上的脉冲应答机收到该信号相参转发回地面，地面站测量收发信号的时延差，即可计算获得飞行器目标的径向距离；地面站测量脉冲应答机转发的下行脉冲信号内调制的载波信号多普勒频率值，即可计算获得飞行器目标的径向速度。

若脉冲重复周期为T，脉冲宽度Δ，传播时延τ,

则上行脉冲调制信号：

s(t)＝Ac(t)cos(2πf_ot+θ)

下行脉冲调制信号：

s(t-τ)＝Ac(t-τ)cos[2πf_o(t-τ)+θ]

则有：

目标距离：

最大探测目标距离：

距离分辨率：

将代入下行脉冲调制信号得：

其中，多普勒频率

根据(3)、(6)式，可测量距离和速度值。分析(4)、(5)式，可以知道：发射脉冲越窄，其距离分辨率越高，测距精度就越高；重复周期越长，最大探测距离越大，但重复合周期越大，其脉冲的平均功率越低，反过来制约作用距离。

以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，比如，从上面的描述可以看出，根据系统使用要求更改脉冲宽度、延迟转发时间等参数，实现不同延迟转发时间要求的脉冲相参应答机。这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。