基于瞬時(shí)測(cè)頻的頻率捷變測(cè)試儀精度檢定方法

潘 哲，杜文超

基于瞬時(shí)測(cè)頻的頻率捷變測(cè)試儀精度檢定方法

潘 哲，杜文超

（海軍裝備部駐天津軍事代表局，北京100070）

頻率捷變雷達(dá)綜合測(cè)試儀是測(cè)試頻率捷變體制導(dǎo)引頭性能的重要儀器，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法直接對(duì)其動(dòng)態(tài)頻率跟蹤性能進(jìn)行檢定的現(xiàn)狀，采用了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法解決該問(wèn)題。對(duì)捷變頻測(cè)試需求進(jìn)行了分析，提出了數(shù)據(jù)擬合法瞬時(shí)測(cè)頻方法，其精度和速度可以滿足動(dòng)態(tài)跟蹤精度測(cè)試的要求。該系統(tǒng)可以有效地檢定雷達(dá)綜合測(cè)試儀的性能指標(biāo)，已經(jīng)在工程上實(shí)現(xiàn)，取得良好的效果。

瞬時(shí)測(cè)頻；導(dǎo)彈；頻率捷變

引用格式：潘 哲，杜文超.基于瞬時(shí)測(cè)頻的頻率捷變測(cè)試儀精度檢定方法［J］.無(wú)線電工程，2016，46（5）：95-98.

0 引言

頻率捷變雷達(dá)具有抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)距離遠(yuǎn)、測(cè)角精度高和抗海浪雜波干擾的性能好等優(yōu)點(diǎn)［1］，雷達(dá)捷變性能測(cè)試是通過(guò)捷變頻雷達(dá)綜合測(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)的。但長(zhǎng)期以來(lái)，由于受技術(shù)條件的限制，只能在點(diǎn)頻狀態(tài)下對(duì)捷變頻雷達(dá)綜合測(cè)試儀進(jìn)行性能測(cè)試［2］，但在點(diǎn)頻狀態(tài)下的工作性能并不能真實(shí)地反映出在捷變頻狀態(tài)下的工作性能，這在一定程度上限制了捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭的發(fā)展和形成戰(zhàn)斗力。20世紀(jì)五六十年代，瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)（Instantaneous Frequency Measuremet，IFM）應(yīng)運(yùn)而生［3］，能在短時(shí)間內(nèi)迅速測(cè)量目標(biāo)信號(hào)的頻率，憑借其在體積、重量和性能方面的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)［4-5］提出了通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法將捷變頻性能變換到中頻進(jìn)行測(cè)試的方法，但沒(méi)有給出具體的瞬時(shí)測(cè)頻算法；文獻(xiàn)［6］對(duì)計(jì)數(shù)式瞬時(shí)測(cè)頻方法和精度進(jìn)行了研究，但該方法測(cè)頻精度低；文獻(xiàn)［7］通過(guò)對(duì)單點(diǎn)采樣幅度求得相位，再利用相位信息估算瞬時(shí)頻率，該方法對(duì)噪聲較為敏感。本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，在瞬時(shí)測(cè)頻中改進(jìn)了相位獲取的方法，提高了測(cè)頻精度［8］。

1 測(cè)試需求分析

捷變頻雷達(dá)綜合測(cè)試儀是雷達(dá)模擬信號(hào)源，模擬雷達(dá)真實(shí)回波，完成對(duì)雷達(dá)各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試。雷達(dá)發(fā)射信號(hào)經(jīng)綜合測(cè)試儀輸入端，由瞬時(shí)測(cè)頻加頻率引導(dǎo)方式完成對(duì)雷達(dá)的自動(dòng)應(yīng)答，產(chǎn)生與雷達(dá)發(fā)射機(jī)工作頻率相同的微波信號(hào)，送入模擬喇叭口，再輻射出來(lái)由雷達(dá)天線接收，經(jīng)混頻器和本振混頻后至中頻放大器、檢波器形成誤差信號(hào)，引導(dǎo)導(dǎo)彈準(zhǔn)確打擊目標(biāo)［9］。

捷變頻雷達(dá)綜合測(cè)試儀是捷變頻測(cè)試系統(tǒng)中的信號(hào)源，要實(shí)現(xiàn)對(duì)其自動(dòng)檢定，必須先確定檢定的項(xiàng)目，明確檢定需要的技術(shù)，這樣才能有針對(duì)性地設(shè)計(jì)檢定系統(tǒng)，完成測(cè)試儀的自動(dòng)檢定。測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　捷變頻雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)試系統(tǒng)組成

捷變頻雷達(dá)綜合測(cè)試儀工作在捷變狀態(tài)時(shí)，它跟蹤雷達(dá)輸入的射頻信號(hào)，并共同以雷達(dá)的重復(fù)頻率為周期快速捷變，設(shè)雷達(dá)頻率為fl，捷變頻雷達(dá)綜合測(cè)試儀跟蹤輸出fg，跟蹤精度為一個(gè)統(tǒng)計(jì)值，在雷達(dá)綜合測(cè)試儀捷變帶寬之內(nèi)由大量頻率點(diǎn)上的跟蹤精度平均而成，其精度為：

式中，fli和fgi為第i個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的頻率fl和fg。

捷變頻雷達(dá)是脈間頻率捷變的，即不同重頻周期內(nèi)fl和fg隨機(jī)變化，并且在捷變頻點(diǎn)上持續(xù)的時(shí)間很短，如果檢定跟蹤精度時(shí)采用直接進(jìn)行測(cè)量的方法，在脈沖持續(xù)的時(shí)間內(nèi)對(duì)射頻信號(hào)fl和fg測(cè)量屬于瞬時(shí)測(cè)頻，設(shè)對(duì)fl和fg測(cè)量時(shí)產(chǎn)生誤差Δfcl和Δfcg，即

可以看出，這個(gè)誤差除綜合測(cè)試儀的跟蹤誤差Δfgi外還有測(cè)量射頻信號(hào)fl和fg誤差的合成誤差，瞬時(shí)測(cè)頻的測(cè)量精度和信號(hào)的持續(xù)時(shí)間成反比，在有限脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)很難得到高精度的測(cè)頻結(jié)果，在計(jì)量中要求測(cè)量?jī)x器的精度必須比被檢對(duì)象高一個(gè)數(shù)量級(jí)，以目前的工程能力很難直接在微波段完成頻率跟蹤精度的檢定。

2 檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法將捷變頻雷達(dá)綜合測(cè)試儀跟蹤性能的好壞映射到中頻［4-5］，通過(guò)對(duì)中頻信號(hào)的測(cè)量完成對(duì)捷變頻雷達(dá)綜合測(cè)試儀捷變帶寬、跟蹤精度、跟蹤時(shí)間和漏跟概率的檢定。采用總線技術(shù)，檢定系統(tǒng)組成框圖如圖2所示，該檢定系統(tǒng)即可以完成定頻參數(shù)檢定也能檢定捷變參數(shù)。

圖2　檢定系統(tǒng)組成

2.2 測(cè)頻方法

瞬時(shí)測(cè)頻開(kāi)始是用于電子對(duì)抗偵察接收機(jī)的一種測(cè)頻體制，在電子對(duì)抗的特定環(huán)境中要求在一個(gè)脈沖之內(nèi)測(cè)出信號(hào)的載頻，通常采用測(cè)量時(shí)間與測(cè)頻精度的乘積進(jìn)行衡量，該值越小它的瞬時(shí)性越好，即測(cè)瞬間出現(xiàn)信號(hào)的頻率性能優(yōu)［10］。瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)可以適用于很多應(yīng)用場(chǎng)合，而不僅僅是電子對(duì)抗領(lǐng)域。

瞬時(shí)測(cè)頻有若干種機(jī)理不同的方法，可以分成2大類［11］：第1類瞬時(shí)測(cè)頻將信號(hào)的頻率信息轉(zhuǎn)換成幅度信息，然后通過(guò)對(duì)幅度的測(cè)量獲得頻率信息；第2類是將信號(hào)通過(guò)采樣變成數(shù)字信息，然后通過(guò)對(duì)數(shù)字的運(yùn)算獲得頻率信息。這樣，第1類瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)的關(guān)鍵就是根據(jù)頻率能產(chǎn)生不同幅度相應(yīng)的模擬器件和由幅度信息生成頻率信息的編碼電路，按照器件原理的差異又可以分為：多信道法、鑒頻法、干涉儀比相法和駐波檢相法等。這幾種測(cè)頻方法都是模擬形式的，它們都是依靠一定形式的高頻器件組合，把微波頻率轉(zhuǎn)化為其他形式的信號(hào)，然后在推算出信號(hào)的頻率。而第2大類的關(guān)鍵就是采樣量化電路和計(jì)算頻率的算法，即核心有2大部分：對(duì)信號(hào)的采樣和對(duì)采樣后信號(hào)的運(yùn)算。

數(shù)字式瞬時(shí)測(cè)頻具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)性能優(yōu)勢(shì)，特別是在需要對(duì)信號(hào)的某些參數(shù)進(jìn)行一定的運(yùn)算時(shí)，大規(guī)模集成電路的發(fā)展為數(shù)字測(cè)頻提供了硬件平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)字測(cè)頻時(shí)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，也可以將信號(hào)存儲(chǔ)起來(lái)事后分析。數(shù)字測(cè)頻的核心在于算法，靈活多樣、測(cè)頻精度高是數(shù)字測(cè)頻的特點(diǎn)，因此已經(jīng)得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注和迅速的發(fā)展。采用什么樣的算法要根據(jù)實(shí)際信號(hào)環(huán)境以及所要達(dá)到的信號(hào)精度來(lái)確定［12］。

數(shù)據(jù)擬合法原理簡(jiǎn)單直觀，運(yùn)算量小，對(duì)樣本數(shù)要求不高，速度快，適于實(shí)時(shí)處理場(chǎng)合，在高信噪比的情況下精度高。該方法在同時(shí)到達(dá)信號(hào)或頻率分集信號(hào)時(shí)會(huì)引起較大的測(cè)頻誤差，測(cè)量時(shí)盡量使用非微弱區(qū)信號(hào)樣本。這些應(yīng)用特點(diǎn)適合于保障陣地的應(yīng)用。

在信號(hào)具有單一載頻簡(jiǎn)諧波的條件下，數(shù)據(jù)擬合法是盡可能好地利用各采樣點(diǎn)的幅度信息的一種算法。對(duì)于信號(hào)

在采樣周期為T時(shí)，將變成序列

不難得出

從而得到

這表明，利用相鄰的3點(diǎn)采樣值就有可能推算出信號(hào)的載頻。當(dāng)量化的精度不夠高時(shí)，較小的信號(hào)往往會(huì)量化成零，式（8）將無(wú)法計(jì)算。

在實(shí)際工程中采用

式中，yi=Si+1+Si-1；xi=2Si；K=cos（ωT）。這個(gè)方程表示一批點(diǎn)（xi，yi），其總數(shù)為m，它們本來(lái)都應(yīng)該在一條過(guò)原點(diǎn)的直線上，線的斜率為K，但由于有誤差，這些點(diǎn)不在一條直線上。目標(biāo)是求解一條過(guò)原點(diǎn)的直線，使各點(diǎn)到直線的距離的平方和最小，然后用這樣優(yōu)化得到的K值去計(jì)算信號(hào)的頻率。距離的平方和為：

式中

對(duì)K求導(dǎo)，等于0是該和式取極值的條件，

進(jìn)而解出

由于該方法使用了公式計(jì)算，當(dāng)電壓充分準(zhǔn)確時(shí)，計(jì)算所得頻率值也就可以充分準(zhǔn)確。由此可以判斷，量化得越準(zhǔn)確精確度越高，或是說(shuō)比特?cái)?shù)將與測(cè)頻精度有關(guān)，比特?cái)?shù)越少，測(cè)頻誤差將越大。

3 測(cè)量結(jié)果分析

在工程應(yīng)用中可以先測(cè)試出檢定系統(tǒng)實(shí)際檢定精度δf，根據(jù)圖3連接關(guān)系可以看出，若將信號(hào)源輸出直接連接捷變頻性能檢定儀，測(cè)量出的“跟蹤精度”就是檢定系統(tǒng)的測(cè)頻精度，分別在±100 MHz、±200 MHz、±400 MHz和±600 MHz上測(cè)量20組數(shù)據(jù)，求出它們的平均值，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3　檢定系統(tǒng)精度測(cè)量

表1　捷變帶寬和跟蹤精度

文獻(xiàn)［4］采用了數(shù)字相位計(jì)算瞬時(shí)頻率，利用中頻幅值數(shù)據(jù)采集電路和相位信息估算頻率，其結(jié)果如表2所示。

表2　捷變帶寬和跟蹤精度

對(duì)比表1和表2可以看出，該檢定系統(tǒng)具有較寬捷變帶寬，跟蹤精度優(yōu)于文獻(xiàn)［4］中的方法，更有利于完成捷變頻性能指標(biāo)的檢定。

4 結(jié)束語(yǔ)

捷變頻參數(shù)檢定系統(tǒng)基于單脈沖快速測(cè)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度頻率特性測(cè)量，利用信號(hào)源兩路高穩(wěn)定度信號(hào)輸出，采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想，在中頻完成捷變參數(shù)性能檢定，在瞬時(shí)測(cè)頻上采用了基于相位信息的數(shù)據(jù)擬合法估算頻率，精度有較大提高。該檢定系統(tǒng)還可以對(duì)信號(hào)的頻率穩(wěn)定時(shí)間、延遲時(shí)間、脈沖寬度和瞬態(tài)特性等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。該系統(tǒng)有效地解決了捷變頻雷達(dá)綜合測(cè)試捷變性能測(cè)試的難題，但不適合于線性調(diào)頻信號(hào)和頻率分集信號(hào)狀態(tài)的綜合測(cè)試儀檢定，如有類似應(yīng)用需采取濾波或變換技術(shù)來(lái)解決。

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Calibrating Method of Frequency Agility Instrument Accuracy Based on Instantaneous Frequency Measurement Technology

PAN Zhe，DU Wen-chao
（Military Representative Office of Armament Department of PLA Navy Stationed in Tianjin Region，Beijing 100070，China）

Integrated tester of frequency agile radar is an important instrument for frequency agile seeker testing.Since available technology can’t check the performance of dynamic frequency tracking，the paper adopts a system design method to solve the problem. The frequency agile testing requirements are analyzed，and a data-fitting IFM method is proposed，in which the precision and speed satisfy the requirement of tracking test.The system can check the performance of radar integrated tester effectively，and it has been implemented in engineering and achieved good effect.

IFM；missile；frequency agile

TN95

A

1003-3106（2016）05-0095-04

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.24

2016-01-18

潘 哲 男，（1964—），高級(jí)工程師。主要研究方向：導(dǎo)彈制導(dǎo)技術(shù)總體技術(shù)。

杜文超 男，（1978—），博士，工程師。主要研究方向：信號(hào)與信息處理技術(shù)。