專利名稱：動中通單脈沖角度跟蹤系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及天線自動跟蹤技術領域，特別是一種動中通單脈沖角度跟蹤系統。
背景技術：
動中通是指天線安裝在移動載體(如汽車、火車、飛機、輪船等)上快速運動，仍能與目標保持通信鏈路暢通、實現實時通信的系統。動中通要解決的主要問題，是在行進期間，如何使天線始終高精度地對準空中目標平臺，以保證高質量的通信。動中通系統的載體是處于不斷運動過程中，這種運動包括載體方向變化、速度變化、顛簸造成的載體起伏、搖晃與抖動，以及各種起伏引起的載體運動加速度的變化等。這些變化使天線可能偏離甚至找不到空中目標平臺。為了解決這個問題，多采用“陀螺閉環穩定+電平跟蹤”技術。陀螺穩定技術可解決載體搖晃、抖動的問題，而解決天線極化軸與空中平臺偏離的問題，則需要采用天線自動跟蹤技術。動中通系統天線跟蹤方式的選擇依據天線的饋源形式，根據饋源形式的不同分為步進跟蹤、圓錐掃描跟蹤和單脈沖跟蹤。單脈沖跟蹤方式由天線饋源輸出和信號與差信號。和、差射頻信號經射頻前端變換處理后送至跟蹤接收機，并由跟蹤接收機輸出兩路與天線電軸偏離空中目標平臺角度成正比的方位誤差信號與俯仰誤差信號到伺服控制單元，控制天線運動，完成對空中目標平臺的實時跟蹤。單脈沖跟蹤能從每個接收脈沖中得到完整的角誤差信息，這種跟蹤方式是一個閉環系統，具有實時性好、跟蹤精度高的優點。在日益復雜的空間環境和電子干擾環境下，雷達、通信等電子設備受到越來越多的干擾。采用單脈沖方式在跟蹤目標過程中，若主波束內存在多個在距離、方向及多普勒等參數方面都不能分辨的目標，則會影響角跟蹤系統，使其跟蹤幾個目標的功率重心，嚴重時會導致原目標丟失。為減小空中設備的體積、重量，“動中通”系統可采用統一載波體制，不再另設信標機，這就要求地面設備能夠直接對下行的通信信號進行跟蹤測角。對跟蹤接收機而言，其關心的是調制在信號上的誤差信息，而不關心調制信號的具體內容。如果能夠找到一種方法， 把解調帶有誤差信息的低頻信號前的中頻帶寬壓窄，提高檢波前信號的載噪比，又不損失誤差信息，就能提高跟蹤接收靈敏度。在復雜電子干擾環境下，噪聲干擾可以通過天線主瓣或旁瓣進入接收機。經典的從噪聲中提取信號的方法是自適應濾波法，較新的方法為基于小波的去噪提取信號的方法。近幾年，Hilbert Huang變換理論及其在非平穩非線性信號分析和應用中取得了很多成果，并將其應用于去除噪聲分離信號的目的。但尚未見到適用于動中通系統天線跟蹤的更有效的去噪濾波裝置。
(三)實用新型內容[0008]本實用新型的目的是設計一種動中通單脈沖角度跟蹤系統，配置分數階傅里葉變換濾波器和經驗模態濾波器，得到準確的角誤差信息，提高復雜情況下對空中目標平臺角度跟蹤的精度。本實用新型設計的動中通單脈沖角度跟蹤系統包括雷達裝置、伺服控制單元以及回波處理裝置，雷達裝置包括天線、收發雙工器和射頻放大器，伺服控制單元連接控制天線；回波處理裝置包括模數轉換器、數模轉換器、波形產生器、匹配濾波器、帶通濾波器、下變頻器、單脈沖處理器和數字信號處理器；波形發生器產生的脈沖一路接入模數轉換器轉換為模擬信號，接入上變頻器后作為發射信號經射頻放大器和收發雙工器，送入天線發送。本實用新型的跟蹤系統回波處理裝置還配置分數階傅里葉變換濾波器(FrFT濾波器)和經驗模態分解(EMD)濾波器，雷達裝置的收發雙工器從天線接收的回波信號送入模數轉換器進行中頻采樣，模數轉換控制器連接模數轉換器，控制其中頻采樣時序、提供中頻采樣時鐘，中頻采樣所得回波信號接入下變頻器，下變頻器送出的中頻信號經帶通濾波器后依次進入經驗模態分解濾波器、分數階傅里葉變換濾波器，再進入匹配濾波器，匹配濾波器處理后的信號經逆分數階傅里葉變換濾波器(Inv FrFT濾波器)送入單脈沖處理器， 進行方位誤差、俯仰誤差、距離誤差計算；單脈沖處理器的輸出接入數字信號處理器，數字信號處理器讀取數據，計算目標方位、俯仰和距離，產生的方位信息與俯仰信息接入伺服控制單元，實時修正天線方向，達到穩定跟蹤的目的；所得距離信息反饋到分數階傅里葉變換濾波器和單脈沖處理器。波形發生器產生的脈沖第二路送入匹配濾波器，第三路接入分數階傅里葉變換濾波器，作為參考信號。本系統的模數轉換控制器、下變頻器、帶通濾波器、分數階傅里葉變換濾波器、 匹配濾波器、逆分數階傅里葉變換濾波器、單脈沖處理器等模塊均由現場可編程門陣列 (FPGA)實現。現場可編程門陣列與數字信號處理器經外部存儲器接口(EMIF)連接。現場可編程門陣列有USB接口，本系統處理結果通過USB發送到上位機，用戶可通過上位機獲取相關信息。本動中通單脈沖角度跟蹤系統的雷達裝置將接收到的回波送入模數轉換器進行中頻采樣，模數轉換控制器控制模數轉換器的中頻采樣時序、提供中頻采樣時鐘，中頻采樣所得回波信號進行數字下變頻、帶通濾波、經驗模態分解、分數階傅里葉變換(FrFT)處理， 處理結果再進行單脈沖處理，即根據回波信息提取方位角度和俯仰角度誤差信息。數字信號處理器讀取單脈沖處理的數據，計算目標方位、俯仰和距離，所得方位信息和俯仰信息傳送給伺服控制單元，以及時修正天線方向，達到穩定跟蹤的目的，距離信息被反饋給信息反饋到分數階傅里葉變換濾波器和單脈沖處理器，作為參考信號和產生采樣波門。經驗模態分解方法基于信號的局部時間尺度，把復雜的信號函數分解為有限的內在模態函數(IMF)之和，每一個IMF所包含的頻率成分與采樣頻率有關，且隨信號本身變化而變化，經驗模態分解方法是自適應的信號處理方法，具有很高的信噪比。本實用新型動中通單脈沖角度跟蹤系統的優點為1、本系統擴展了原動中通單脈沖角度跟蹤系統，實現動中通在復雜空間和電子干擾環境下采用單脈沖方式進行角度跟蹤，保證動中通系統在復雜和低信噪比條件下也可準確跟蹤空中目標平臺，實現高質量的通信；2、本系統中的中頻采樣、數字下變頻、濾波等模塊的功能均可用前端現場可編程門陣列和橋接現場可編程門陣列實現，系統硬件結構實現簡捷。
圖1為本動中通單脈沖角度跟蹤系統實施例系統結構框圖；圖2為本動中通單脈沖角度跟蹤系統實施例基于FPGA+DSP構建的回波處理硬件結構框圖。
具體實施方式
本動中通單脈沖角度跟蹤系統實施例的系統結構如圖1所示，包括雷達裝置、伺服控制單元以及回波處理裝置，雷達裝置包括天線、收發雙工器和射頻放大器，伺服控制單元連接并控制天線方向；回波處理裝置包括模數轉換器、數模轉換器、波形產生器、匹配濾波器、分數階傅里葉變換濾波器(FrFT濾波器)、逆分數階傅里葉變換濾波器(Inv FrFT濾波器)、經驗模態分解(EMD)濾波器，帶通濾波器、下變頻器、單脈沖處理器和數字信號處理器；波形發生器產生的脈沖一路接入模數轉換器轉換為模擬信號，接入上變頻器后作為發射信號經射頻放大器和收發雙工器，送入天線發送。雷達裝置的收發雙工器從天線接收的回波信號送入模數轉換器，模數轉換控制器連接模數轉換器，控制其中頻采樣時序，中頻采樣所得回波信號接入下變頻器，下變頻后的回波信號進入多路分配器，按重復周期分時存入其所接的乒乓存儲器A或乒乓存儲器B，用于乒乓存儲回波數據，乒乓存儲器A和乒乓存儲器B的輸出接入多路復用器，多路復用器連接的數據傳輸控制器產生相應的讀控制信號、控制多路復用器從乒乓存儲器A或B中讀取數據。所得回波數據依次經帶通濾波器、經驗模態分解濾波器、分數階傅里葉變換濾波器、 匹配濾波器，匹配濾波器的處理后的信號經逆分數階傅里葉變換濾波器送入單脈沖處理器、數字信號處理器，數字信號處理器產生的方位信號與俯仰信號接入伺服控制單元；所得距離信息反饋到分數階傅里葉變換濾波器和單脈沖處理器。波形發生器產生的脈沖第二路送入匹配濾波器，第三路接入分數階傅里葉變換濾波器。本系統的模數轉換控制器、下變頻器、帶通濾波器、經驗模態分解濾波器、分數階傅里葉變換濾波器、匹配濾波器、單脈沖處理器等模塊均由現場可編程門陣列實現。現場可編程門陣列與數字信號處理器經外部存儲器接口(EMIF)連接。本例的回波裝置硬件結構如圖2所示。本例的現場可編程門陣列包括前置現場可編程門陣列(前置FPGA)和橋接現場可編程門陣列(橋接FPGA)，二者通過外部存儲器接口(EMIF)連接。前置現場可編程門陣列有USB接口 ；還接有外部存儲器，以擴展芯片的存儲空間。數字信號處理器有RS232串行接口，經此與伺服控制單元連接。數字信號處理器也接有外部存儲器。上述實施例，僅為對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本實用新型并非限定于此。凡在本實用新型的公開的范圍之內所做的任何修改、 等同替換、改進等，均包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.動中通單脈沖角度跟蹤系統，包括雷達裝置、伺服控制單元以及回波處理裝置，雷達裝置包括天線、收發雙工器和射頻放大器，伺服控制單元連接、控制天線；回波處理裝置包括模數轉換器、數模轉換器、波形產生器、匹配濾波器、帶通濾波器、下變頻器、單脈沖處理器和數字信號處理器；波形發生器產生的脈沖一路接入模數轉換器轉換為模擬信號，接入上變頻器后作為發射信號經射頻放大器和收發雙工器，送入天線發送；其特征在于所述回波處理裝置還配置分數階傅里葉變換濾波器、逆分數階傅里葉變換濾波器和經驗模態分解濾波器，雷達裝置的收發雙工器從天線接收的回波信號送入模數轉換器模數轉換控制器連接模數轉換器，控制其中頻采樣時序、提供中頻采樣時鐘；中頻采樣所得回波信號接入下變頻器，下變頻器送出的中頻信號經帶通濾波器后依次進入經驗模態分解濾波器、分數階傅里葉變換濾波器，再進入匹配濾波器，匹配濾波器的處理后的信號經逆分數階傅里葉變換濾波器送入單脈沖處理器，進行方位誤差、俯仰誤差、距離誤差計算；單脈沖處理器的輸出接入數字信號處理器，數字信號處理器讀取數據，計算目標方位、俯仰和距離， 產生的方位信號與俯仰信號接入伺服控制單元；所得距離信息反饋到分數階傅里葉變換濾波器和單脈沖處理器；波形發生器產生的脈沖第二路送入匹配濾波器，第三路接入分數階傅里葉變換濾波器。
2.根據權利要求1所述的動中通單脈沖角度跟蹤系統，其特征在于所述模數轉換控制器、下變頻器、帶通濾波器、分數階傅里葉變換濾波器、逆分數階傅里葉變換濾波器、匹配濾波器、單脈沖處理器均由現場可編程門陣列實現，現場可編程門陣列與數字信號處理器經外部存儲器接口連接。
3.根據權利要求2所述的動中通單脈沖角度跟蹤系統，其特征在于所述現場可編程門陣列有USB接口。
4.根據權利要求2所述的動中通單脈沖角度跟蹤系統，其特征在于所述現場可編程門陣列包括前置現場可編程門陣列和橋接現場可編程門陣列，二者通過外部存儲器接口連接。
5.根據權利要求2所述的動中通單脈沖角度跟蹤系統，其特征在于所述數字信號處理器有RS232串行接口，經此與伺服控制單元連接。
6.根據權利要求2所述的動中通單脈沖角度跟蹤系統，其特征在于所述現場可編程門陣列和/或數字信號處理器接有外部存儲器。
專利摘要本實用新型為動中通單脈沖角度跟蹤系統，本系統包括雷達裝置、伺服控制單元以及回波處理裝置，回波處理裝置配置FrFT濾波器和經驗模態分解(EMD)濾波器，下變頻器送出的中頻信號經帶通濾波器后依次進入EMD濾波器、FrFT濾波器、匹配濾波器、Inv FrFT濾波器送入單脈沖處理器，再接入DSP，DSP連接天線的伺服控制裝置。回波處理裝置的主要模塊均由FPGA實現，FPGA經EMIF連接DSP。中頻采樣所得回波信號經數字下變頻、帶通濾波、EMD、FrFT處理后進行單脈沖處理提取方位和俯仰角度誤差，DSP讀取誤差數據，計算目標方位、俯仰和距離，所得方位和俯仰信息傳送給伺服控制單元修正天線方向。本實用新型實現動中通在復雜和低信噪比條件下準確跟蹤，硬件結構簡捷。
文檔編號G05D3/12GK202205101SQ201120321998
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者柳政枝, 白云浩, 羅良桂, 蔣留兵, 車俐, 黃韜 申請人:桂林電子科技大學