脉冲雷达高度表数字跟踪检测电路设计

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  摘 要:本文主要介绍了脉冲高度表信号跟踪和检测的相关知识和原理,并且介绍了一种数字跟踪和检测方法。
  关键词:高度表;相关检测;脉冲积累
  1 概述
  无线电高度表是飞行器必备的导航设备。它能在各种气候条件下精确、快速的测量飞行体距离地面的真实高度。传统的脉冲高度表由于复杂电磁环境下干扰信号极易进入高度表跟踪系统,从而出现错误高度信息;复杂地形下由于回波信号强弱变化较大,极易出现失锁现象。本文针对脉冲高度表上述问题进行分析设计的数字跟踪检测电路可以有效改善接收信号质量,提高信噪比和检测性能,有利于降低发射功率或扩大测高范围,大幅提高高度表复杂电磁环境下的抗干扰能力和复杂地形下的高度稳定输出。
  2 组成及工作原理
  脉冲高度表主要由天线、微波发射模块、微波接收模块、信号跟踪电路、高度计算电路、电源滤波电路和接口电路组成。原理框图如图1所示。
  高度表是一部以大地为目標的测高雷达,正常测高时,微波发射模块在信号处理部件控制下通过发射天线向地面辐射高频脉冲信号。从地面反射的高频回波脉冲信号经接收天线传输到微波接收模块,进行混频、放大、检波等处理,形成回波视频脉冲信号输入到信号处理部件进行准确跟踪,并形成停止脉冲,根据微波发射模块输入的开始脉冲和停止脉冲形成高度门,并根据高度门宽度进行脉冲计数,通过数理统计测量出飞机距地面或水面的真实高度。接口部件把高度信息通过总线上传给飞机系统。
  3 信号检测跟踪电路设计
  3.1 设计框图
  为了简化信号检测跟踪电路和算法,同时又不降低信号检测处理的性能,高度表信号检测采用二进制积累的处理方法,对回波信号的精确跟踪采用双前沿跟踪处理方法。具体原理见图2。
  包络检波输出的视频脉冲送入量化器,量化成0/1的数字信号,同步送入距离门,安装距离单元对量化器中的数字信号1进行计数,如果在M个采样周期里面有K个以上的量化脉冲则判决为有效信号,输出1,否则输出0。
  由于距离门是通过脉冲计数延迟产生,距离门有固定的阶梯误差,无法实现对回波信号连续跟踪。为了保证测高精度,同时避免误跟踪干扰信号,采用双前沿跟踪技术。通过M次脉冲积累产生的回波信号前沿和当前实时信号的前沿位置确定跟踪门,这样既能保证跟踪到回波信号前沿位置又能对干扰信号进行滤除,避免误跟踪。
  3.2 FPGA中实现信号检测和跟踪
  FPGA中实现信号检测和跟踪的原理框图如图3所示。FPGA电路的主要设计文件是用VHDL语言编写,主要由距离延迟电路、距离门产生电路、脉冲积累检测电路和距离延迟控制电路组成。主要设计思路如下:
  1) 距离延迟电路
  在距离延迟控制电路的控制下产生一个相对同步脉冲延迟0us到80us之间宽度为300ns的跟踪门。
  2) 距离门产生电路
  在采用时钟的控制下产生宽度为10ns的30个相邻的距离门。
  3) 脉冲积累检测电路
  对每个距离门下的脉冲进行计数,M个周期采样大于K个时输出“1”(有信号)。
  4) 距离延迟控制电路
  根据每个距离门下脉冲积累检测电路输出结果,控制距离延迟电路延迟时间,及跟踪门相对同步脉冲的位置;同时控制脉冲积累检测电路进行M-1次积累数据的移位操作,保证当前距离门下的积累脉冲相对同步脉冲延迟一致。
  3.3 实验测试
  设计选用ALTERA公司的Cyclone系列FPGA,脉冲积累数M为36,量化脉冲判决门限K为9,同步脉冲和视频脉冲频率f=10kHz,实验时其上叠加噪声,其SNR=1∶2,时钟频率CLK为100MHz, 信号跟踪检测波形如图4所示:即使在SNR=1:2情况下,跟踪门(4)仍能准确跟踪视频脉冲(3)。
  3.4 检测性能分析
  对回波信号进行检测和跟踪时要求与发射触发信号具有相关性。相关检测示意框图,如图5所示。如果发送信号的频率已知,就可在接收端发出一个频率与发送信号相同的本地信号,将其与混有噪声和干扰的输入信号进行相关,就能提高回波信号的信噪比和抗干扰性能。
  输入信号是f1(t),本地信号f2(t),则互相关函数为:
  由于信号与干扰是不相关的,根据互相关函数的性质知,Rns2(τ)=0,则有R12(τ)=RS1S2(τ),从而相关检测只检测出与本地信号相关输出,去掉了干扰信号和噪声。由于单个回波脉冲能量有限,为了提高信噪比,采用对一个距离门(波门)M个重复周期内多个脉冲串进行叠加处理,设一个周期的目标回波R(t)由理想回波信号S(t)和噪声N(t)叠加而成:
  R(t)=S(t)+N(t) (0≤t≤T)
  其中,S(t)为确定信号,各个周期完全相同,而N(t)为随机信号,各个周期相互独立。则其信噪比为:
  M 个周期的目标回波简单叠加可表示为:
  叠加后信号的信噪比为:
  由于各个周期的噪声满足统计独立条件,有:
  所以:
  至此,可以看出,脉冲相关积累可以有效改善接收信号质量,理想情况下,M个周期的回波积累,可使信噪比提高M倍,提高检测性能,有利于降低发射功率或扩大测高范围,大幅提高高度表复杂电磁环境下的抗干扰能力和复杂地形下的高度稳定输出。
  4 结论
  针对脉冲雷达在测高方面的应用,其对回波信号的检测性能取决于回波信噪比。本文分析了脉冲积累的检测性能,给出了试验结果,并设计了一种基于FPGA 的数字跟踪检测电路,该电路能有效提高接收脉冲信噪比,从而改善雷达的检测性能,且实现简单,采样该方案设计的脉冲雷达高度表可以实现脉冲高度表的小型化以及信号处理器的数字化和部分功能的智能化,有较强的工程应用价值。
  参考文献
  [1] 陈佰孝,等.现代雷达系统分析与设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2012.
  [2] 张承畅,杨力生,杨士中.一种改善脉冲雷达检测性能的方法[J].计算机工程与应用,2010,46(14):225-227.
  作者简介:
  罗 维(1980- ),男,湖南株洲人,工程师,主要研究方向:雷达电子线路设计。
  张波涛(1985- ),男,陕西乾县人,助理工程师,主要研究方向:雷达软件设计。
  闫锦丽(1966- ),女,陕西宝鸡人,高级程师,主要研究方向:雷达电子线路设计。
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