陳曉威　李彥志　何文波

摘 要： 線性調(diào)頻（LFM）信號(hào)是當(dāng)前雷達(dá)廣泛應(yīng)用的一種信號(hào)形式。傳統(tǒng)的瞬時(shí)測(cè)頻（IFM）系統(tǒng)無(wú)法分析LFM信號(hào)的內(nèi)部頻率情況，所以會(huì)影響對(duì)LFM信號(hào)的測(cè)頻準(zhǔn)確性。通過(guò)簡(jiǎn)要介紹IFM的基本原理，分析了多路鑒相器組合的IFM系統(tǒng)的解頻率模糊方法。在此基礎(chǔ)上建立IFM系統(tǒng)處理LFM信號(hào)的模型，分析了引起IFM系統(tǒng)對(duì)LFM信號(hào)測(cè)頻誤差的原因。通過(guò)對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證，為工程實(shí)際中的瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)提供了理論參考。

關(guān)鍵詞： 瞬時(shí)測(cè)頻； 線性調(diào)頻信號(hào)； 測(cè)頻誤差； 調(diào)頻系數(shù)

中圖分類號(hào)： TN917+.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）19?0028?05

Abstract： Linear frequency modulation （LFM） signal is a signal form widely used by radars. Since the traditional instantaneous frequency measurement （IFM） system is unable to analyze the internal frequency structure of LFM signal，which can influence the frequency measurement accuracy of LFM signal，the fundamental of IFM is introduced briefly，and the frequency ambiguity resolution method of IFM system with multi-channel phase discriminators is analyzed. Based on this，the model of processing the LFM signal by IFM system was established，and the reason why frequency measurement error of LFM signal is generated by IFM system was analyzed. The results of theoretical analysis were simulated and verified，which provided a theoretical reference for IFM technology in engineering application.

Keywords： instantaneous frequency measurement； linear frequency modulation signal； frequency measurement error； frequency modulation coefficient

0 引 言

在電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)的環(huán)境中，使用戰(zhàn)術(shù)電子偵察裝備實(shí)時(shí)截獲敵方電磁頻譜信息、快速獲取戰(zhàn)術(shù)電磁情報(bào)和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，為立即采取電子進(jìn)攻或其他作戰(zhàn)行動(dòng)的戰(zhàn)術(shù)目的服務(wù)，包括威脅告警和快速無(wú)源定位等已成為一種重要的技術(shù)手段和發(fā)展趨勢(shì)[1]。其中敵方雷達(dá)信號(hào)的載頻信息是電子情報(bào)不可缺少的一項(xiàng)重要內(nèi)容。出于實(shí)時(shí)、快速的需要，戰(zhàn)術(shù)電子偵察裝備多采用瞬時(shí)測(cè)頻（IFM）技術(shù)對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行處理，從而獲取頻率信息。一方面，為了降低雷達(dá)在探測(cè)目標(biāo)時(shí)被偵察方截獲到的概率，當(dāng)前各國(guó)在機(jī)載、地面廣泛采用相控陣?yán)走_(dá)，線性調(diào)頻（LFM）信號(hào)是各類相控陣?yán)走_(dá)的常用信號(hào)之一；另一方面，采用瞬時(shí)測(cè)頻原理的戰(zhàn)術(shù)電子偵察裝備在1個(gè)脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)只進(jìn)行1次頻率測(cè)量，因而無(wú)法準(zhǔn)確獲取線性調(diào)頻信號(hào)以及其他脈內(nèi)調(diào)頻信號(hào)的脈沖內(nèi)部頻率變化信息[2]。

因此，在當(dāng)前技術(shù)條件下，傳統(tǒng)的IFM系統(tǒng)處理LFM信號(hào)得到的頻率測(cè)量結(jié)果是反映LFM信號(hào)的載頻信息還是脈沖內(nèi)部的其他頻率信息，以及頻率測(cè)量結(jié)果隨LFM信號(hào)特征的變化規(guī)律是值得深入研究的重要問(wèn)題；本文為此展開研究。

1 瞬時(shí)測(cè)頻原理

瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)具有截獲概率高、瞬時(shí)帶寬寬、測(cè)頻精度高、速度快、性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)。它采用相位自相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)頻測(cè)量，能夠有效地解決截獲概率和頻率分辨率之間的矛盾，使接收機(jī)不僅具有接近100%的截獲，而且擁有[11 000]以上的頻率分辨率[3]。IFM系統(tǒng)的核心部件為鑒相器，由3 dB耦合器、功分器加上延時(shí)線和平方律檢波器構(gòu)成。圖1為鑒相器的簡(jiǎn)要組成結(jié)構(gòu)圖。

2 多路鑒相器并行的IFM接收機(jī)

實(shí)際的IFM系統(tǒng)中，為了解決測(cè)頻精度和測(cè)頻范圍之間的矛盾，并不直接由式（1）～式（8）求出頻率[f，]而是采用多路帶有不同長(zhǎng)度延遲線的鑒相器并行輸出[5]多組[UI]和[UQ；]然后將[UI]和[UQ]送入量化編碼電路進(jìn)行極性量化和數(shù)字編碼，以便于后續(xù)處理，直到最后輸出頻率碼[6]。[k]路鑒相器并行的IFM接收機(jī)如圖2所示。相鄰鑒相組合的延遲時(shí)間比嚴(yán)格地取為[2N，]受實(shí)際工藝制作的限制，[N]不能太大，一般等于1，2，4，8。各個(gè)鑒相組合輸出的相位碼在0～2π之間。

2.1 相位（頻率）模糊原理

采用如圖2所示的[k]路鑒相器的IFM接收機(jī)，既能擴(kuò)大測(cè)頻范圍，又能提高頻率分辨率。若延時(shí)1的延時(shí)最短，則可提供無(wú)模糊的測(cè)頻范圍，但是頻率分辨率最低[7]。之后隨著延時(shí)增長(zhǎng)，根據(jù)公式[φ=2πτf]可知，增長(zhǎng)后的延時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際相位大于[2π，]但是鑒相器只能輸出在0～2π之間的相位碼。因此，相位碼以及頻率碼是有模糊的，并且延時(shí)越長(zhǎng)模糊越嚴(yán)重，頻率分辨率卻隨著延時(shí)增長(zhǎng)而提高[8]。

延時(shí)與測(cè)頻范圍（2～6 GHz）和頻率分辨率的關(guān)系可以用圖3表述。從圖3可以看出，鑒相組合1輸出的相位碼和頻率是一一對(duì)應(yīng)的，而且極性量化后的頻率分辨率也是最低的。隨著延遲時(shí)間以4倍增加，鑒相組合輸出的相位和頻率不再是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，每個(gè)相位碼均對(duì)應(yīng)多個(gè)頻率值，因此通常對(duì)相位碼進(jìn)行解模糊處理。但曲線斜率卻增加了4倍、16倍，使得頻率分辨率提高了。endprint

2.2 解模糊原理

3 IFM接收機(jī)處理LFM信號(hào)

為了研究分析IFM接收機(jī)偵收處理LFM信號(hào)的具體過(guò)程，需要先建立數(shù)學(xué)模型，然后做具體分析。

3.1 IFM系統(tǒng)的LFM信號(hào)處理模型及誤差分析

從式（16）可以看出，產(chǎn)生測(cè)頻誤差的根源是鑒相誤差。鑒相誤差主要來(lái)自鑒相器元件性能與理想狀態(tài)偏差所引起的誤差、IFM接收機(jī)內(nèi)部噪聲以及相位量化誤差。考慮這3個(gè)影響因素時(shí)，IFM接收機(jī)不論測(cè)量哪一種類型信號(hào)的載頻均會(huì)產(chǎn)生測(cè)頻誤差?，F(xiàn)假設(shè)在理想條件下，不存在上述3種誤差。此時(shí)IFM接收機(jī)測(cè)量單載頻信號(hào)是沒有誤差的。但是由于IFM接收機(jī)在1個(gè)脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)只進(jìn)行1次頻率測(cè)量，因而無(wú)法準(zhǔn)確獲取線性調(diào)頻信號(hào)的載頻。即使在理想條件下，仍存在因LFM信號(hào)的特點(diǎn)引起的鑒相誤差。在這個(gè)思路的啟發(fā)下，本文再對(duì)LFM信號(hào)的鑒相輸出進(jìn)行研究。

3.2 LFM信號(hào)測(cè)頻誤差分析

式（18）表明，[finst]是輸入信號(hào)相位[ψt]關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，并且[finst]是關(guān)于時(shí)間變化的。為了獲得信號(hào)的相位變化情況，需要對(duì)信號(hào)的脈沖進(jìn)行采樣。而IFM接收機(jī)能滿足上述要求，它是屬于采樣接收機(jī)，采樣頻率[10]為20～40 MHz。當(dāng)前的IFM接收機(jī)大多是對(duì)輸入脈沖信號(hào)的脈沖前端進(jìn)行一次采樣的測(cè)頻，得到瞬時(shí)頻率。上述解釋與第1節(jié)的瞬時(shí)測(cè)頻原理在本質(zhì)上是相同的。因?yàn)镮FM接收機(jī)是對(duì)自相關(guān)后的信號(hào)相位進(jìn)行采樣的。

LFM脈沖信號(hào)的脈內(nèi)頻率是變化的，從而信號(hào)的相位是隨時(shí)間變化的。結(jié)合式（14）和式（18）可知，信號(hào)的瞬時(shí)頻率[fins]是隨時(shí)間變化的。在解頻率模糊時(shí)，在采樣間隔內(nèi)的瞬時(shí)頻率變化量[Δfins]與測(cè)頻無(wú)模糊周期[1Ri-1·T]相比，若較大并存在相位跳變，那么瞬時(shí)頻率測(cè)量結(jié)果就可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。此外，IFM接收機(jī)1次采樣的時(shí)刻偏離脈沖起始時(shí)間越大，也可能導(dǎo)致相位跳變，使得輸出的頻率較大地偏離LFM信號(hào)的載頻。

4 仿真驗(yàn)證與分析

4.1 LFM信號(hào)測(cè)頻誤差仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出IFM接收機(jī)對(duì)固定載頻信號(hào)的測(cè)頻精度，以及瞬時(shí)頻率變化量[Δfins]對(duì)LFM信號(hào)測(cè)頻精度的影響，采用Matlab軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。IFM接收機(jī)為4路延時(shí)鑒相組合的接收機(jī)，其測(cè)頻范圍在2～6 GHz之間，對(duì)應(yīng)的最短延遲時(shí)間為0.25 ns。IFM接收機(jī)的延遲時(shí)間比設(shè)為4。

根據(jù)第3.2節(jié)的分析可知，IFM接收機(jī)對(duì)LFM信號(hào)的測(cè)頻誤差的大小取決于調(diào)頻系數(shù)和采樣時(shí)刻的乘積與測(cè)頻無(wú)模糊周期（最小頻率單元）的大小關(guān)系。為了詳細(xì)驗(yàn)證LFM信號(hào)的2個(gè)特征（載頻、調(diào)頻系數(shù)）和IFM接收機(jī)自身參數(shù)對(duì)測(cè)頻輸出的影響，現(xiàn)在設(shè)置IFM接收機(jī)的參數(shù)：延遲時(shí)間比[R=4，]測(cè)頻范圍為2～6 GHz，IFM接收機(jī)的采樣時(shí)刻為50～1 000 ns。LFM信號(hào)的調(diào)頻系數(shù)變化范圍為1～15 MHz/μs。

首先通過(guò)仿真觀察采樣時(shí)刻的選取對(duì)測(cè)頻誤差的影響。IFM接收機(jī)的采樣時(shí)刻選取為50～1 000 ns。并且假設(shè)LFM信號(hào)載頻為2 496 MHz，調(diào)頻系數(shù)為1 MHz/μs， 5 MHz/μs，10 MHz/μs和15 MHz/μs。仿真得到圖4所示的測(cè)頻誤差變化情況。

然后通過(guò)仿真觀察調(diào)頻系數(shù)的大小對(duì)測(cè)頻誤差的影響。LFM信號(hào)的調(diào)頻系數(shù)變化范圍為1～15 MHz/μs。選取IFM接收機(jī)的采樣時(shí)刻為50 ns，200 ns，500 ns，800 ns。最后得到如圖5所示的測(cè)頻誤差變化情況。

4.2 仿真結(jié)果分析

從以上建立模型、信號(hào)處理和最后的仿真驗(yàn)證可以看出，IFM接收機(jī)處理LFM信號(hào)是存在誤差的。一方面，是由IFM接收機(jī)進(jìn)行一次采樣測(cè)頻的時(shí)刻引起的；另一方面，是由LFM信號(hào)的調(diào)頻系數(shù)引起的。從仿真圖可以看到，測(cè)頻誤差的總體變化趨勢(shì)隨著采樣測(cè)頻時(shí)刻的推遲而變大，隨著調(diào)頻系數(shù)的增加而變大。綜上，IFM接收機(jī)對(duì)LFM信號(hào)是存在測(cè)頻誤差的。

5 結(jié) 論

由以上的信號(hào)處理模型以及仿真驗(yàn)證表明，IFM系統(tǒng)在對(duì)LFM信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻時(shí)，存在測(cè)頻誤差，該誤差是由LFM信號(hào)的特點(diǎn)造成的。在實(shí)際電磁環(huán)境中，由于IFM接收機(jī)的性能與理想狀態(tài)有所偏差，以及信號(hào)和接收機(jī)噪聲的存在，會(huì)使得IFM接收機(jī)在測(cè)量LFM信號(hào)頻率時(shí)相比單載頻信號(hào)有更大的誤差。錯(cuò)誤的測(cè)頻結(jié)果可能會(huì)影響相位干涉儀的測(cè)向精度，并有可能進(jìn)一步影響目標(biāo)輻射源電子情報(bào)的準(zhǔn)確性。本文的理論分析結(jié)果對(duì)工程實(shí)際中IFM接收機(jī)處理LFM信號(hào)具有一定的指導(dǎo)意義，并且能夠?yàn)楦倪M(jìn)IFM接收機(jī)提供理論參考。

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