相位干涉仪的一种数字接收机方案

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1、制导与引信第 27 卷 第 1 期2006 年 3 月Vol . 27 No . 1Mar. 2006GUIDANCE & FUZE文章编号 :167120576 (2006) 0120009205相位干涉仪的一种数字接收机方案梁士龙(中国航天科工集团公司二院 25 所 , 北京 100854)摘要 : 相位干涉仪的相位测量精度受到带内噪声和接收机体制的影响 。模拟接收机的测相精度一般可以达到几度 ,受模拟器件的影响 ,进一步提高测相精度非常困难 。提出了一种 数字接收机方案 ,采用单比特接收机实现宽带 、高灵敏度测频 ;采用窄带数字接收机实现高的相位测量精度 。仿真结果表明 :本方案切实可行

2、 ,并可解决高灵敏度检测以及高测角精度问题 。关键词 : 相位干涉仪 ; 数字接收机 ; 灵敏度 ; 测角精度中图分类号 : TN85文献标识码 :AA Digital Receiver Scheme f or Phase InterferometerL IAN G S hi2long( Institute No . 25 of 2nd Academy of CASIC , Beijing 100854 , China)Abstract : The accuracy of phase measurement of phase interferometer is effected by nois

3、e level and the certain type of receiver . The accuracy of analogue2type receiver could be several degrees. It sdifficult to improve the accuracy of phase measurement furthermore due to the inherent characteristics of analogue devices. In this article , a digital receiver scheme is provided. On one

4、hand , the mono2bit receiver is utilized to achieving frequency measurement with wide band and high sensitivity. On the other hand , narrow band digital receiver is used to achieving high accuracy of phase measurement . Simulation result shows : The digital scheme is practical , and high receiving s

5、ensitivity can be achieved as well as high accuracy of angel measurement .Key words : phase interferometer ; digital receiver ; sensibility ; angle measurement accuracy于实现多模制导等特点 ,尤其比单脉冲比幅体制具有更好的角度测量精度 。对应的 ,在相同测角 精度的要求下 ,相位干涉仪能够覆盖更低的频段 ,0 引言1因而在制导领域得到较为广泛的应用 。但在低频段应用时 ,由于信号波长大 ,天线基线短 ( 受空 间限制) ,天线相

6、位灵敏度不高 ,对接收机相位测 量精度提出了较高的要求 。目前 ,模拟接收机的相位干涉仪系统具有宽视角 、宽频段覆盖 、易收稿日期 :2005 - 11 - 04作者简介 :梁士龙 ( 1971 - ) , 男 , 博士 , 主要从事雷达导引头 信息处理 、数字中频接收技术等领域的研究与设计工作 。测相精度一般可以达到几度 ,受模拟器件的影响 ,进一步提高测相精度非常困难 。另外存在一个问 题 :相位干涉仪的天线一般要求有宽视角 ,天线增 益无法做大 ,因此要求接收机具有较高的灵敏度 。 信道化接收机灵敏度高 ,但设备复杂 。瞬时测频( IFM) 接收机则灵敏度较低2 ,3 。 本文提出了一种

7、数字接收机方案 ,采用单比特接收机实现宽带高灵敏度测频 ; 采用窄带数字 接收机实现高精度测角及其他参数测量 ,目的是 解决高测角精度和高灵敏度检测问题 。引导 :a) 上位机引导射频本振 LORF ,使目标信号频 谱落入射频带宽内 ;b) 单比特接收机在射频带宽内测量目标信号频率 ,引导中频本振 LOIF ,使目标信号落入中频 通带内 ;c) 窄带数字接收机内部的数字鉴频器测量数字下变频之后的剩余载波分量 ,引导数字本振LOD ,使剩余载波分量尽可能小 ,之所以对剩余载 波进行补偿 ,是因为剩余载波影响脉宽 、脉幅以及相位等参数的测量 。本文采用的接收机三重频引导示意图如图 1所示 。1接收

8、机的多重频率引导本方案采用多重频率引导接收机 ,包括三重图 1 频率引导示意图单比特接收机原理框图如图 2 所示 ,主要由2单比特接收机射频前端 (低噪声放大器和混频器) 、限幅放大器 、AD 变换器 、多路转换器 、FFT(快速傅立叶变换) 、单比特接收机的作用 : 在射频带宽内检测目标信号的载波频率 ,用目标信号载频引导窄带接 收机数字本振 ,使目标信号落入窄带接收机中频 通带内 。对单比特接收机的基本要求 :a) 宽频率覆盖 ;b) 高灵敏度和大动态范围 ;c) 适当的频率分辨率 。频率编码器组成 。由于接收机需要较高的灵敏度 ,因此接收机 的瞬时带宽不宜做得过大 ,只要能覆盖捷变频雷

9、达的频率变化范围即可 。通过上位机装订的数据 引导射频本振 ,使目标信号落入接收机中频通带内 。射频前端用于提供足够的射频增益 ,并把信 号 变 换 到 中 频 。限 幅 放 大 器 提 供 足 够 的 中 频 增梁士龙 :相位干涉仪的一种数字接收机方案第 1 期11益 ,并通过硬限幅增加动态范围 。采样率的选择受中频滤波器的中心频率 、带 宽以及 AD 变换器的采样速率限制4 。FFT 芯片 不能直接接受 AD 变换器输出的高速信号 。多 路转换器的功能是把 1 路高速串行数据流转换成多路低速并行数据流 ,并进行必要的电平转换 ,其 输出作为 FFT 芯片可接受的输入信号 。FFT 芯片是单

10、比特接收机的核心部件 。采用 单比特接收机的出发点是消除 FFT 运算中的乘 法 ,有两种方法 : 一是输入信号量化为 1 比特 ; 二是 FFT 蝶形运算的核函数 (旋转因子) 量化为 1 比 特 。文献 5 和 6 指明 ,对旋转因子做 1 比特量 化要比对输入信号做 1 比特量化的效果好 ,实际 上两者各有优缺点 ,方案的选择要视具体应用而定 。本方案中 : 频率分辨率为 10 MHz , 理论上能够检测到的最窄脉冲宽度为 100 ns 。 频率编码器要以 FFT 的输出为输入 ,并确定输入信号的个数及各自的频率值 。3四通道窄带数字接收机四通道窄带数字接收机用于接收空间上正交放置 的

11、两 对 天 线 的 信 号 , 测 量 脉 幅 ( PA) 、脉 宽( PW) 、到达时间 ( TOA) 、脉冲重复频率 ( PRF) 、到 达角 (AOA) 以及鉴相 、鉴频等功能 。接收机组成框图如图 3 所示 。主要由射频前 端 、中频电路 、ADC (AD 变换器) 、缓存器 、DDC ( 数 字下变频器) 、参数编码器等组成 。图 3 窄带数字接收机组成框图各通道的射频前端与单比特接收机相同 ,射频前端用于提供足够的射频增益和动态范围 ,并 把信号变换到中频 。其中 ,通道 1 与单比特接收 机共用一个射频前端 。单比特测频接收机的测频结 果 引 导 中 频 本 振 ,使目标信号落入

12、中频通带内 。中频电路的原理框图如图 4 所示 。中频电路把第一中频信号变 换到第二中频 ,并提供足够的中频增益和衰减 ,以 获得合适的动态范围 ,最后经过抗混叠带通滤波 器 ,把信号输出给ADC 。其中四个通道的数控衰减器统一由通道 1 来控制 ,以便对通道间幅相一致性进行校正 。与单比特接收机相比 ,窄带数字接收机是一 个线性系统 ,要保证足够的线性动态范围和相位 测量精度 , 因此 AD 变换器的位数不能太少 , 一 般应保证有效转换位数不低于 10 比特 。DDC 的原理框图如图 5 所示 。作用是把二中 频信号变换到零中频 ,其输出送给参数编码器进 行参数提取和编码 。DDC 的本振

13、信号还有另外 两个功能 :一是通过频率精调对混频后的剩余载 波进行补偿 ;二是通过设置通道之间不同的本振初始相位 ,进行通道间的相位补偿 。四通道 DDC的数字本振相位必须同步 。通 道 1 的 参 数 编 码 器 完 成 脉 幅 ( PA) 、脉 宽( PW) 、到达时间 ( TOA) 、脉冲重复频率 ( PRF) 、到 达角 ( AOA) 测量以及鉴相 、鉴频等功能 。其他三图 4 中频电路原理框图图 5 数字下变频器原理框图个通道只进行鉴相 ,并送给通道 1 ,以便实现 AOA测量 。数字接收机的输出送给信息处理机 ,信息处 理机的主要功能是 :a) 实现系统自检 ;b) 实现通道间幅相

14、一致性校正 ;c) 实现三重频率引导 ( 射频本振 、中频本振 和 DDC 本振) ;d) 进行目标匹配 ;e) 监测系统的工作状态 ;f) 与上位机进行信息交换等 ,由于不是本文 重点讨论的内容 ,在此不详述 。图 7 单比特接收机检测概率可以 看 出 , 如 果 信 噪 比 大 于 2 dB , 则 可 以 保 证90 %以上的检测概率 ; 如果信噪比大于 10 dB ,则 检测性能不再与信噪比有关 ,而且几乎可以保证100 %的检测概率 。 第二项仿真内容为窄带数字接收机的电相位测量精度 。图 8 给出了仿真配置示意图 。图中除了下面的两个测角通道之外 ,还增加了上面的一路辅助通道 ,

15、用于精测频和脉冲参数辅助测量 。增加的原因 :尽管 FFT 从理论上可以提供 5 MHz的频率分辨率 ,而且可以通过适当插值进一步提 高分辨率 ,但在工程应用时 ,由于噪声的影响 ,信号频谱不一定出现在正确的位置上 ,而是有可能 向左右两侧邻近的位置偏移 。在 FFT 测频精度不 高的条件下 ,必须在工程上保证把信号准确无误 地引导到窄带接收机的通带内 。辅助通道的带宽选择的原则 : 确保 FFT 测频结果可以把信号引导到辅助通道的通频带内 ,而 辅助通道的测频结果进一步引导信号到测角通道 内 。另外 ,可以利用辅助通道进行更准确的脉冲 参数测量 。图 9 给出了相位测量标准偏差的仿真结果(

16、每 个 点 测 量1 0 0 0 次 ) 。图 中 粗 线 为 浮 点 算 法 的4性能仿真在三方面进行了仿真 :a) 单比特接收机的性能 ;b) 窄带数字接收机电相位测量精度 ; c) 辅助通道频率测量精度 。 首先进行单比特接收机性能仿真 ,目的在于通过仿真确定单比特接收机这样一个非线性系统 的检测性能 。仿真配置示意图如图 6 所示 ,AD变换器的位数在量化器中设置 。图 7 给出了 ADC 为 1 比特 、单输入信号条件 下 检 测 概 率 的 仿 真 结 果 ( 每 个 点 测 量1 0 0 0 次 ) 。梁士龙 :相位干涉仪的一种数字接收机方案第 1 期13图 8 窄带数字接收机仿

17、真配置示意图测量结果 。从图中可以看出 ,定点算法的有限字长效应对测量结果的影响可以忽略 。当信噪比大 于 25 dB 时 ,相位测量标准差将小于 1,可以保证 大信噪比条件下相位测量精度满足工程需要 。图 10频率测量精度案 。该方案采用单比特接收机进行宽带 、高灵敏度接收 ,采用窄带数字接收机实现高的电相位角 测量精度 ,同时能够实现精测频和雷达脉冲参数 测量 。仿真结果表明 : 单比特接收机具有可靠的单 信号检测能力 ,信噪比大于 2 dB 时可以保证 90 % 以上的检测概率 ;信噪比大于 10 dB 时 ,几乎能够 保证 100 %的检测概率 。仿真结果表明 : 可以利用单比特接收机

18、的测频结果 ,把目标信号可靠地引导到窄带数字接收 机的通带内 ,并可以保证相位测量精度 。频率引 导误差为零时 ,如果信噪比大于 25 dB ,则相位测 量精度将小于 1,可以保证大信噪比条件下工程 所需的相位测量精度 。通过辅助通道测频 ,进行 频率引导 ,可以把频率引导误差控制在允许的范 围内 ,以保证相位测量精度 。(下转第 25 页)图 9 相位测量精度第三项仿真内容是辅助通道的频率测量精度 。图 10 给出的是辅助通道频率测量标准差的 仿真结果 (每个点测量 1000 次) 。可以看到 ,当信噪比为 5 dB 时 ,频率测量标准差小于 2 . 5 MHz ;当信噪比大于 25 dB

19、时 , 频率测量标准差小于 0 . 5MHz ,因此辅助通道可以保证以合适的精度把信 号引导到窄带测角接收通道 。5结论本文提出了一种相位干涉仪数字接收机方中段使用全球定位系统制导 ,采用抗干扰的多频主动 雷 达 自 动 寻 的 制 导 系 统 进 行 末 制 导 ; 法 国 ANF 反舰巡航导弹 ,接近目标时使用主动雷达自 动寻的进行末制导 ; 德国 KEPD350 空对陆巡航导 弹 ,中段采用全球定位系统制导 ,末段使用红外成像制导 。击 ,随后迅速转向另一个目标 ,在目标区“巡逻”时间长达 60 min 。3结束语巡航导弹已成为现代高技术战争的一种重要的精确攻击武器 。本文对现役巡航导弹

20、所采用的 基本制导体制进行了介绍 ,并对每种制导体制的 优缺点进行了详细分析 ,最后根据巡航导弹缺点 和现代战争发展要求指出了巡航导弹的几种发展趋势 。对巡航导弹的制导体制的深入研究 ,对巡 航导弹的研制和使用都是非常必要的 。2. 4 发展智能巡航导弹智能巡航导弹可以实时进行目标识别 、作战 效能评估 ,机动变弹道飞行 ;远程智能化精确打击巡航导弹采用多模复合末制导技术 ,可使导弹命 中精度 CEP 小于等于 1 m ; 在任务规划系统中设 计新的计算算法 ,协调进攻能力 ,缩短任务规划时 间至几分钟 ;建立导弹之间的通信链路 ,未来的巡 航导弹能够在飞行中利用通信链路交换数据 ,识别特定目

21、标和进行毁伤评估 。例如 ,美国的“刀迷”导弹 ,装有红外前视设备 和二氧化碳激光雷达或毫米波雷达 。抵达目标区 上空后 ,能自动搜索 、发现 、识别 、定位几平方千米 范围内的目标 ,并自动选用合适的子弹药进行攻参考文献1郭修煌 ,何松华 ,孟庆华. 精确制导技术 M . 北京 :国防工业出版社 . 1999.时兆峰 ,王德. 实战中的战斧导弹及其发射舰艇 J .飞航导弹 ,2000 (11) :124.闫肃 ,王明海 ,刘新学. 巡航导弹制导方式分析 J .飞航导弹 ,2000 (7) :55257.23(上接第 13 页)单比特接收机和窄带数字接收机的核心算法 可以用可编程阵列或 ASI

22、C 来实现 。仿真结果表明 :本方案切实可行 ,可以解决高灵敏度检测以及 高测相精度问题 。由于有更高的灵敏度 ,因此有 更多的天线类型可供选择 ,从而降低了天线的设 计难度 。3Timothy W. Fields , David L . Sharpin , J ames B. Y.Tsui . Digital Channelized IFM Receiver J . IEEE MTT 2S Digest , 1994.J ames B Y. Tsui , J ames P. Stephens , Sr. Digital Microwave Receiver Technology J . IE

23、EE Trans. on Microwave Theory and Techniques , 2002 , 50(3) .J ames B. Y. Tsui , John J . Schamus , David H. Kaneshiro. Monobit Receiver J . IEEE MTT 2S Digest ,1997.J ames B. Y. Tsui . Digital Techniques for WidebandReceivers ( Second Edition) M . USA : Artech House ,2001.胡来招 . 瞬 时 测 频 M . 北 京 : 国 防 工 业 出 版 社 ,2002.45参考文献1J . F. Gulick , J . S. Miller. Missile Guidance :Interferometer Homing Using Body2fixed Antennas P . USA :ADA119957 , 1982.J ames B. Y. Tsui . Microwave Receivers with ElectronicWarfare Applications J . John Willey & Sons , 1986.672