摘 要:脉冲重复间隔(PRI)是雷达信号的重要参数之一。分析了脉冲计数法在脉冲重复间隔测量中的实现方法,指出了该方法中存在的三种主要误差,阐述了改进型脉冲计数法在脉冲重复间隔测量系统中的应用。
关键词:脉冲重复间隔脉冲计数法内插采样
中图分类号:TN95文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)08(b)-0009-03
Abstract:The PRI is one of important radar signal parameters.This paper analyzed Pulse counter to PRI measurement,and three errors in it, explained the advanced version pulse counter in PRI measurement system"s application.
Key words:Pulse repetition interval;Pulse counter;Interpolating sampling
1 概述
脉冲重复间隔是雷达信号参数中重要的参数之一,是雷达测距,雷达电子战系统信号分选、告警、个体识别等的重要依据。而脉冲重复间隔的测量技术,无论是在雷达,还是电子战系统中,早已是非常成熟的技术[1]。但是,现今的系统中,一般对脉冲重复间隔的测量精度不是很高,随着科技的进步、器件的发展以及人们对系统的性能提出更高的要求,一种快速精确地测量雷达信号脉冲重复间隔技术就显得十分重要了[2]。
本文探讨了一种针对目前常用的脉冲重复间隔测量方法——脉冲计数法中存在的原理误差、触发误差、时标误差等造成测量精度下降的主要原因的改进技术,并加以实现的系统。
2 内插采样法测量PRI
当前,脉冲重复间隔测量方法大多是以脉冲计数法为基础发展起来的,主要包括脉冲计数法、模拟内插法、延迟线内插法、游标法以及时间幅度转换方法等。综合以上测量方法,内插采样法测量脉冲重复间隔具有测量精度高、范围大、实时性好等特点[3][4]。
传统脉冲计数法测量脉冲重复间隔的原理是:采用时钟计数器对量化时钟脉冲进行计数,在待测脉冲的上升沿输出计数值,相邻待测脉冲对应的计数值之差与量化时钟周期的乘积为测量所得的脉冲时间间隔值。
当待测脉冲上升沿到来且超过某一门限时,时钟计数器输出所计量化时钟脉冲个数m,n,则脉冲计数法得到的脉冲时间间隔为:
(1)
其中,T1、T2为原理误差值,图1。
内插采样法测量脉冲重复间隔的原理是:基准信号是由量化时钟产生的同频正弦信号,频率为,某个脉冲上升沿触发模数转换器对基准信号进行采样,得到采样值,则可得:
(2)
同理,假设下一个脉冲触发模数转换器对基准信号进行采样,得到采样值,如图2所示。则有:
(3)
因此,可以得到脉冲间隔为
(4)
由式(2)、(3)代入(4),,得:
(5)
即前后脉冲到达时间的差值。
可见,脉冲重复间隔由计数器输出值m、n,基准信号频率,内插采样点相位、,决定。式(5)中的每一项(脉冲到达时间TOA由两部分组成,当某个脉冲上升沿到来时,分别由脉冲计数法和内插采样法得到其高位与低位,且能够完成实时测量。当完成每个脉冲TOA测量后,脉冲时间间隔最后依据得到。该方法的测量范围由脉冲计数器决定,通过扩展计数器的位数能够得到很大的测量范围。图3所示为基于内插采样技术的脉冲时间间隔测量原理图。
3 浮动门限设计
在一般的测量系统中,雷达波束扫过测量系统天线时会引起脉间的幅度变化。脉冲的到达时间是以跨越某个固定门限来确定,而非零值的上升时间加上幅度的变化就会产生到达时间误差。如果幅度增加,那么每个相继的脉冲就会提前一点跨越门限;如果幅度降低,那么情况相反。对于幅度接近门限值的脉冲来说,即使脉冲幅度只有1dB的变化,也会产生超过上升时间15%的明显的脉冲重复间隔变化[5]。
所以将这一门限设为50%的幅度点,当脉冲前沿随时间线性上升时,到达时间不会受脉冲幅度变化的影响。这样做的优点是使脉冲前沿的斜率增加,改善了信噪比不变情况下的测量精度。利用模/数转换器对脉冲幅度进行采样,并通过反馈电路实时控制门限设置值,达到在低信噪比条件下的脉冲到达时间测量精度的提高。为了减小模/数转换器带来的精度误差,选用高量化位数和采样速率的器件[6]。
4 时标选择
脉冲重复间隔测量的核心是一个定时基准振荡器,用于产生离散的时间刻度,作为测量雷达脉冲之间时间的标准。定时基准振荡器有两点限制:一是由于基准振荡器的不稳定性造成的限制,它给脉冲重复间隔测量带来了误差和漂移;二是由于脉冲到达时间和基准振荡器之间的非相干性带来的量化误差。
常用的最典型的是石英晶体振荡器,而更高标准的是原子频率振荡器(铷钟、铯钟)。石英晶体振荡器具有极好的短稳性能,铷钟则有良好的长期稳定度。
长期稳定度影响到漂移值的测量,并影响比较不同时间(如间隔数小时或数天)测量值的能力。如果基准振荡器可用其在一个脉冲时间间隔内的均方根相对频率偏差(或艾伦偏差)来表征,即:
(6)
那么一个理想的稳定脉冲串的脉冲周期测量值的均方根偏差应为:
(7)
通常,量化误差是更重要的误差,在雷达脉冲之间对基准振荡器的周期进行计数时就会产生这种结果。根据雷达脉冲的相对相位和基准振荡器的周期,用基准振荡器的计数周期对一个理想的稳定脉冲串所测得的脉冲重复间隔会差1个计数。对于给定的稳定脉冲周期和稳定基准,当相位不同时,计数只会变化1个数。如果测量单个脉冲周期,就无法知道在不同的相位关系下,计数是增加了1还是减少了1。因此,即使量化误差至多只有1个之差,脉冲重复间隔值也会有正、负1个计数的模糊范围。由于数字电路的计数速率超过数百兆赫,因此,基准振荡器的稳定度直接影响脉冲重复间隔的测量精度[5]。目前原子频率振荡器的长期稳定度可以达到10-12量级,是比较理想的选择。
5 系统应用
基于以上对脉冲重复间隔测量误差的改进措施,设计了脉冲重复间隔测量系统。图4所示为该系统的设计示意图。其工作原理是,天馈伺服系统完成对雷达信号的侦收以及方位码分别报送给接收机和测量控制模块,接收机完成频率的测量,将频率码发送给测量控制模块,并接受测量控制模块控制,同时解调输出中频信号。中频信号经放大、检波、视频放大等处理输送至测量控制模块。测量控制模块主要完成频率信息、方位信息的接收,并测量得到脉冲幅度、脉宽、脉冲重复间隔等信号参数,并将这些参数输送至综合显示模块,同时测量控制模块还有对伺服系统、接收机等的控制功能。
本系统可根据实际应用条件任意删减模块,独立或合装于其它系统中。经过与其它现有的测量设备比较,本系统的脉冲重复间隔测量精度比其它设备要高出几个数量级以上。表1所示为本系统在同样测试条件下的脉冲重复间隔测量数据比较。
6 结语
脉冲重复间隔是雷达信号最重要的参数之一,其应用背景也相当广泛,例如雷达测距、测高以及由此衍生出的雷达定位、识别、电子情报系统等。本文探讨了一种大幅度提高脉冲重复间隔测量精度的方法,使得以脉冲重复间隔为重要应用系统的测量精度也大幅提高。然而,实际环境的变化(如:自然环境、系统前端更换等)往往会使测量的结果与环境变化前后不一致,这是下一步研究亟需解决的问题。
参考文献
[1]赵国庆.雷达对抗原理[M].西安电子科技大学出版社,1999.
[2]丁鹭飞,耿富录.雷达原理(第三版)[M].西安电子科技大学出版社,2004.
[3]吕晓雯,周一宇.电子战导论[M].国防科技大学电子科学与工程学院,2001.
[4]李希文,赵建.电子测量技术.西安电子科技大学出版社,2008.
[5]潘继飞,姜秋喜,毕大平.基于内插采样技术的高精度时间间隔测量方法.系统工程与电子技术,2006(11).
[6]Richard G.Wiley著,吕跃广 等译.电子情报——雷达信号截获与分析.电子工业出版社,2008.
[7]叶石华.脉冲电流测量及其运用研究[J].科技创新导报,2010,5.
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