一種改進(jìn)的數(shù)字單脈沖技術(shù)抗干擾特性研究*

李白燕，張　健

（黃淮學(xué)院信息工程學(xué)院，河南駐馬店463000）

一種改進(jìn)的數(shù)字單脈沖技術(shù)抗干擾特性研究*

李白燕*，張健

（黃淮學(xué)院信息工程學(xué)院，河南駐馬店463000）

目前的數(shù)字單脈沖技術(shù)在空放環(huán)境中具有精度高以及抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但在具有多重環(huán)境障礙的室內(nèi)環(huán)境中，其精度和抗干擾能力大大降低，如何抵抗多重路徑反射成為一個(gè)亟待解決的課題。鑒于此，提出一個(gè)改進(jìn)的單脈沖技術(shù)算法，利用單脈波技術(shù)的多重誤差檢測(cè)曲線(xiàn)以獲得精確的定位位置，并針對(duì)在不同干擾源的情況下做出了分析。通過(guò)仿真驗(yàn)證了這種改進(jìn)的單脈沖技術(shù)的精度和抗干擾特性，證明了這種新算法的有效性。

單脈沖技術(shù)；抗干擾；多重路徑反射；精確定位

探測(cè)與跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展有年，在許多領(lǐng)域，例如醫(yī)學(xué)、軍事國(guó)防、地質(zhì)探勘等都有一定的發(fā)展及應(yīng)用。在眾多追蹤系統(tǒng)中，已經(jīng)有各式各樣的方法來(lái)偵測(cè)各種事物，例如船上利用聲納來(lái)偵測(cè)水面以下的情況并進(jìn)行追蹤，民生安全方面也常利用紅外線(xiàn)偵測(cè)系統(tǒng)來(lái)偵測(cè)是否有外人入侵以及追蹤其行徑，而在無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域中，最常見(jiàn)的就是利用雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)偵測(cè)物體方位、距離、以及速度，雷達(dá)的應(yīng)用舉凡在國(guó)防上可以追蹤敵方飛彈或是飛機(jī)行徑，以及在民生上可做為汽車(chē)防撞裝置。因此偵測(cè)系統(tǒng)不論在軍事，或在民生，都有很大的用途［1-3］。單脈沖（Monopulse）技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，至今此常被用作雷達(dá)系統(tǒng)、基地臺(tái)系統(tǒng)等許多地方。單脈沖系統(tǒng)是偵測(cè)系統(tǒng)中常見(jiàn)的系統(tǒng)之一，它不論在定位，或是測(cè)量距離以及速度都有許多應(yīng)用。如Wu J C等人將其發(fā)展成室內(nèi)定位系統(tǒng)，以及Raman S等人做出一個(gè)利用于W頻段的單脈沖集成電路雷達(dá)系統(tǒng)，偵測(cè)來(lái)波方位的偵測(cè)系統(tǒng)并進(jìn)行追蹤，此系統(tǒng)可運(yùn)用在基地臺(tái)的來(lái)波偵測(cè)，也能夠運(yùn)用在無(wú)線(xiàn)電感測(cè)上，在軍事國(guó)防上亦可作為飛彈尋標(biāo)器等設(shè)備［4-5］。

目前的數(shù)字單脈沖技術(shù)在空放環(huán)境中具有精度高以及抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但在具有多重環(huán)境障礙的室內(nèi)環(huán)境中，其精度和抗干擾能力大大降低，如何抵抗多重路徑反射成為一個(gè)亟待解決的課題?；诖耍疚奶岢鲆粋€(gè)改進(jìn)的單脈沖技術(shù)算法，利用單脈波雷達(dá)的多重誤差檢測(cè)曲線(xiàn)以獲得精確的定位位置，并針對(duì)在不同干擾源的情況下做出了分析。

1　傳統(tǒng)的單脈沖模型

圖1（a）為傳統(tǒng)單脈波雷達(dá)追蹤示意圖，假設(shè)欲追蹤目標(biāo)（如圖中飛機(jī)）位在135°，此時(shí)圖2（a）中的Σ和Δ波束將接收到各自對(duì)應(yīng)的能量，將Σ和Δ波束接收到的能量振幅相減，即可在Σ-Δ曲線(xiàn)上找到能量相減后的位置和對(duì)應(yīng)的角度（135°），此時(shí)Σ波束仍指向90°，在Σ-Δ曲線(xiàn)上90°和目標(biāo)物（135°）間的能量差距稱(chēng)之為偏移或錯(cuò)誤訊號(hào)（Off-Axis or Error Signal），利用此訊號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)將Σ波束指向目標(biāo)物，如圖1（b）所示，重復(fù)上述動(dòng)作，即可持續(xù)追蹤目標(biāo)物［6］。

傳統(tǒng)振幅比較法利用兩波束得到信號(hào)誤差率，但因兩波束之間分離的角度是固定的，相對(duì)偵測(cè)的范圍（θ1-θ2）也被限制住，如圖3所示，因此使用馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)天線(xiàn)達(dá)到較大的偵測(cè)范圍，這也是傳統(tǒng)單脈波雷達(dá)需要高線(xiàn)性度信號(hào)誤差斜率的原因之一。

圖1　傳統(tǒng)單脈波雷達(dá)追蹤目標(biāo)示意圖

圖2　傳統(tǒng)單脈波雷達(dá)

圖3　傳統(tǒng)單脈波雷達(dá)偵測(cè)范圍示意圖

2　改進(jìn)的數(shù)字單脈沖技術(shù)

圖4為相改進(jìn)的數(shù)字單脈沖技術(shù)系統(tǒng)最常見(jiàn)的電路架構(gòu)圖，它的構(gòu)成主要是兩支相同的天線(xiàn)，經(jīng)過(guò)比較器之后產(chǎn)生Σ訊號(hào)以及Δ訊號(hào)，接下來(lái)再將兩訊號(hào)分別注入到相位偵測(cè)器（Phase detector）中，偵測(cè)完相位差后再將結(jié)果送進(jìn)后端做訊號(hào)處理，讓用戶(hù)可以清楚觀(guān)察是否偵測(cè)到來(lái)波訊號(hào)以及確認(rèn)來(lái)波訊號(hào)的方位［7-8］。這就要求如何從比較器輸出的訊號(hào)來(lái)觀(guān)測(cè)來(lái)波的方位。

圖4　相位比較單脈沖系統(tǒng)基本電路圖

假設(shè)現(xiàn)在有一個(gè)波從θ度過(guò)來(lái)，從圖5可知兩支天線(xiàn)所接收到的波會(huì)有

的相位差，其中k為波數(shù)（Wave Number），k=2π/λ，d為兩天線(xiàn)間距，θ為接收所在來(lái)波的角度，因此我們可以將兩支天線(xiàn)接收到的訊號(hào)列成下列數(shù)學(xué)式：

ωc為中心頻率，在此系統(tǒng)我們運(yùn)用在2.4 GHz的范圍，也就是說(shuō)ωc=2π·2.4 G。K是一常數(shù)，因此我們將這兩個(gè)訊號(hào)經(jīng)過(guò)比較器之后，輸出端得到的訊號(hào)分別為

圖5　天線(xiàn)接收示意圖

經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算之后，我們可以得到

利用Matlab我們可以算出式（5）的關(guān)系如圖6，在此注意圖5的R與x軸的夾角θ，也就是來(lái)波的角度，經(jīng)過(guò)式（1）將θ和ψ做轉(zhuǎn)換后再代入式（5）就可以畫(huà)出圖6。由圖6便可以清楚了解到當(dāng)有來(lái)波時(shí)，藉由單脈沖系統(tǒng)的相位偵測(cè)，我們可以清楚看到從比較器出來(lái)的相位差會(huì)有一劇烈的變化，因此當(dāng)在接收端屏幕看到在某一個(gè)方位波形有劇烈變化時(shí)，便可以猜測(cè)出該方位有訊號(hào)過(guò)來(lái)［9-10］。

圖6　αΣ-αΔ對(duì)θ關(guān)系圖

3　計(jì)算機(jī)仿真與結(jié)果分析

在前面討論中提到利用眾數(shù)算法進(jìn)行角度的判斷，但是于實(shí)際的環(huán)境時(shí)，多重路徑反射訊號(hào)將會(huì)造成系統(tǒng)的角度誤差。系統(tǒng)在多重路徑干擾訊號(hào)影響下，會(huì)產(chǎn)生正角度與負(fù)角度之誤差偏移量，利用此法將角度的誤差平均化的特性修正偏移誤差量。因?yàn)槎嘀芈窂椒瓷溆嵦?hào)為隨機(jī)變量，下面我們將計(jì)算多重路徑反射造成的定位角度誤差。

以下我們將針對(duì)二維系統(tǒng)在多重路徑下造成的誤差做分析，單脈沖系統(tǒng)電路架構(gòu)圖，由2×2天線(xiàn)數(shù)組接上偶合器，并于前端分別加入一反射式相移器，用以改變天線(xiàn)間饋入的相位差。將公式中所得到的訊號(hào)，經(jīng)由電路后端耦合器的網(wǎng)絡(luò)處理后，我們即可得到一受到多重路徑訊號(hào)反射干擾的曲線(xiàn)（如圖7（a）），經(jīng)由和原本不受多重路徑訊號(hào)反射干擾的理想曲線(xiàn)（如圖7（b））做比對(duì)時(shí)，即可得到角度誤差［11］。

圖8～圖10為不同K值下的定位角度誤差，N=2、4、6、8、16 5種情況。K為直視訊號(hào)功率與多重路徑反射訊號(hào)功率和的比值。由上述的模擬結(jié)果圖可得到兩個(gè)結(jié)論：

（1）K值愈小，代表多重路徑訊號(hào)相對(duì)直線(xiàn)接收訊號(hào)愈強(qiáng)，則角度偏移量愈大。

（2）K值相同，判讀之N值愈大，則偏移量愈小。

圖7　誤差檢測(cè)曲線(xiàn)，N=2

圖8　多重路徑訊號(hào)反射干擾造成系統(tǒng)之角度誤差（K=4）

圖9　多重路徑訊號(hào)反射干擾造成系統(tǒng)之角度誤差（K=10）

圖10　多重路徑訊號(hào)反射干擾造成系統(tǒng)之角度誤差（K=16）

綜上所述，從準(zhǔn)確度或精準(zhǔn)度兩種不同定位系統(tǒng)結(jié)果指針來(lái)看，本論文所提出的理論可有效降低多重路徑的干擾，且不需增加龐大的硬件電路或成本［12］。

4　結(jié)論

目前的數(shù)字單脈沖技術(shù)在空放環(huán)境中具有精度高以及抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但在具有多重環(huán)境障礙的室內(nèi)環(huán)境中，其精度和抗干擾能力大大降低，為此，本文針對(duì)傳統(tǒng)單脈沖技術(shù)在多重障礙環(huán)境下的精度和抗干擾能力差的問(wèn)題，提出一個(gè)改進(jìn)的單脈沖技術(shù)算法，利用單脈波雷達(dá)的多重誤差檢測(cè)曲線(xiàn)以獲得精確的定位位置，并針對(duì)在不同干擾源的情況下做出了仿真分析，仿真分析結(jié)果顯示，從準(zhǔn)確度或精準(zhǔn)度兩種不同定位系統(tǒng)結(jié)果指針來(lái)看，本論文所提出的理論可有效降低多重路徑的干擾，且不需增加龐大的硬件電路或成本。

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李白燕（1977-），女，河南駐馬店，漢族，碩士，副教授，研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理、圖像處理；

張?。?980-），男，河南省駐馬店市，漢族，碩士，講師，研究方向?yàn)閿?shù)字通信。

Adaptive Digital Monopulse Technology Based on Signal Preprocessing*

LI Baiyan*，ZHANG Jiang
（College of information engineering，Huanghuai University，Zhumadian He'nan 463000，China）

At present，the digital Monopulse Technique in open environment，with strong advantages of high precision and anti-interference ability，but in a multiple environmental obstacles of the indoor environment，the accuracy and anti-interference ability are greatly reduced.How to resist the multipath reflection becomes an urgent problem to be solved.an improved monopulse technique is put forward using Monopulse Technique of multiple error detection curve to obtain the precise position and aiming at the different interference source to make an analysis.Through the simulation of the improved single pulse technology of precision and anti-jamming characteristics show that the new algorithm is effective.

single pulse technology；anti interference；multi path reflection；precise positioning

TN911.72

A

1005-9490（2016）05-1098-05

項(xiàng)目來(lái)源：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（152102110038）

2015-11-06修改日期：2016-03-14

EEACC:126010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.016