何冠良,張　娟,張玉喜

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

數(shù)字式干涉儀高精度鑒相技術(shù)

何冠良,張娟,張玉喜

(中國船舶重工集團(tuán)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(shù),并與一階差分相位測量技術(shù)進(jìn)行了對比,結(jié)果證明:在低信噪比條件下矢量平均鑒相的相位測量技術(shù)明顯地提高了相位測量精度。

關(guān)鍵詞:數(shù)字式干涉儀；矢量平均；鑒相；測角

0引言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,電子偵察系統(tǒng)面臨著越發(fā)復(fù)雜多變的電子信號環(huán)境,它必須對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。干涉儀測向系統(tǒng)中利用天線所接收的回波信號之間的相位差進(jìn)行測向。 相位差測量的準(zhǔn)確與否決定著測角的準(zhǔn)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(tǒng)的關(guān)鍵所在。由于傳統(tǒng)的一階差分平均相位差測量技術(shù)在低信噪比下存在測相模糊,導(dǎo)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(shù),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(jìn)行接收的情況下測量該信號在同一采樣時(shí)刻點(diǎn)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(shí)刻點(diǎn)通道間相位差的測量值存在隨機(jī)誤差,因此通過統(tǒng)計(jì)信號到達(dá)期間(脈沖范圍內(nèi))相鄰?fù)ǖ栏鲗?yīng)點(diǎn)的相位差的均值來消除該隨機(jī)誤差。以下按照兩個(gè)通道進(jìn)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(fù)包絡(luò)為

通道2單頻脈沖信號的復(fù)包絡(luò)為

兩通道相位差函數(shù)為

(2) 線性調(diào)頻信號相位差測量

通道1線性調(diào)頻脈沖信號的復(fù)包絡(luò)為

通道2線性調(diào)頻脈沖信號的復(fù)包絡(luò)為

兩通道相位差函數(shù)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(fù)包絡(luò)為

通道2二相編碼脈沖信號的復(fù)包絡(luò)為

兩通道相位差函數(shù)為

2兩種鑒相方法比較

傳統(tǒng)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(diǎn)比較兩種鑒相方法的異同。

(1) 矢量平均鑒相原理

設(shè)采樣兩通道對應(yīng)兩點(diǎn)為

如果采用矢量平均鑒相法,對于線性調(diào)頻信號,由于相位差函數(shù):

為了能夠控制測相誤差,需要:

當(dāng)前端兩通道中頻信號到達(dá)相對時(shí)間差為20ns時(shí),采用矢量平均鑒相法能夠測量線性調(diào)頻信號的最大帶寬為50MHz。通過與線性調(diào)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(dá)時(shí)間差為20ns時(shí),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(shè)采樣兩通道對應(yīng)兩點(diǎn)為

3兩種鑒相方法的區(qū)別

這里以單頻信號為例,采用率設(shè)置為600MHz,信號中頻為90MHz,脈寬為60μs,產(chǎn)生兩路脈沖信號,第二路信號比第一路信號延遲3個(gè)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(jì)算結(jié)果,橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù),縱坐標(biāo)為相位值?？梢钥闯?在信噪比為20dB時(shí),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(shí)值的相位差均值。由圖2可以看出,在信噪比為10dB時(shí),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(shí)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(jié)果。如果沒有噪聲,則兩通道間信號相位差測量函數(shù)為?(t)=exp(ω0τ)=a+b*i(a較大且a<0,b較小且b>0),真實(shí)相位差為2*π*90*3/600。由于實(shí)際環(huán)境中都有噪聲存在,則實(shí)際相位差測量函數(shù)為

其中c(t)+d(t)*i為環(huán)境噪聲。在a較大的情況下c(t)對?1(t)實(shí)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(shí)值較大,這顯然不能反映真實(shí)值。但如果先進(jìn)行矢量累加再求取相位均值,則計(jì)算結(jié)果會在π附近。這是由于矢量累加平均不但運(yùn)用了向量的角度信息,而且運(yùn)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(jié)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(diào)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(diào)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(jié)果證明一階差分平均法在低信噪比下已經(jīng)不能夠準(zhǔn)確檢測相位差,而矢量平均法在低信噪比下仍能夠準(zhǔn)確地檢測相位差信息。

4結(jié)束語

數(shù)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(zhǔn)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(zhǔn)確地在低信噪比條件下去除鑒相模糊,準(zhǔn)確檢測相位信息,因此在干涉儀測向體制的設(shè)備中具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

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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(xiàn)標(biāo)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(tǒng)；張娟(1981-),女,高級工程師,碩士,研究方向:信號與信息系統(tǒng)；張玉喜(1979-),男,工程師,碩士,研究方向:信號與信息系統(tǒng)。

收稿日期:2015-05-28；修回日期:2015-07-27