雷达对抗原理第2章 对雷达信号的频率测量与频谱分析.ppt

第2章 对雷达信号的频率测量与频谱分析,2.1 概述 2.2 频率搜索测频技术 2.3 比相法测频技术 2.4 信道化测频技术 2.5 线性调频变换测频技术 2.6 声光变换测频技术 2.7 对雷达信号的时频分析技术,2.1 概 述 2.1.1 频率测量和频谱分析的作用与主要技术指标 1 频率测量与频谱分析的作用 频率或频谱是电磁波信号的重要特征参数。雷达发射信号的频率或频谱不仅与其用途、功能和性能等有着非常密切的关系，而且与其采用的器件、电路和工艺技术等也都具有非常密切的关系。因此在雷达设计和研制完成以后，其频率和频谱特性的变化范围和变化能力是十分有限的。频率和频谱特性既是雷达的固有特征，也是相互之间区别的重要依据。战场电磁频谱资源和装备的合理管控，也是充分发挥各种电磁信息资源能力的重要保证。精确测量雷达信号的频率和频谱，甚至能够区分同种、同批次雷达的不同个体。在当前的复杂电磁信号环境中，研究和发展快速、准确的雷达信号频率测量和频谱分析技术，对于雷达侦察信号分选、识别和辐射源检测、识别，以及引导干扰和反辐射攻击武器都具有非常重要的作用。,对雷达信号的频率测量与频谱分析可以分为以下三种情况： (1) 对单个射频脉冲的频率测量和频谱分析； (2) 对给定时间内多个脉冲的频率测量和频谱分析； (3) 对特定辐射源连续脉冲信号的频率测量和频谱分析。,2 雷达侦察系统中信号频率和频谱的定义 对于式(1-2)所示的窄带信号，其频率的物理定义为其相位调制函数j(t)的时间变化率,(2-1),它的二阶导数称为调频斜率，即,(2-2),对于单载频射频脉冲信号，在其脉冲宽度PW内,(2-3),相位编码调制的射频脉冲除了有限的相位跃变点以外，脉内其它时刻的频率同式(2-3)。线性调频脉冲的频率和调频斜率分别为,(2-4),对于频率分集和频率编码调制的射频脉冲信号，可以看做是若干个子信号的合成，按照每一个子信号的存在时间，可以分别计算各自信号的频率和调频斜率。一般雷达对抗系统中要求测量的信号频率和调频斜率满足式(2-1)、(2-2)的定义。 t，t+PW时间内出现的单个射频脉冲信号，其频谱一般定义为该信号的傅立叶变换：,(2-5),对来自同一辐射源的m个射频脉冲的频谱定义为,(2-6),式中, ti和PW，i分别是第i个脉冲的到达时间和脉冲宽度。显然，分析的时间越长，对信号频谱分析的精度和分辨能力越高。,3 频率测量与频谱分析的主要技术指标 1) 频率测量范围RF、瞬时带宽RF、频率分辨力f和频率测量精度f RF是指测频系统最大可测的雷达信号频率范围；RF是指任一瞬间最大可测的雷达信号频率范围；f是指其能够测量和区分两个同时不同频率信号间的最小频率差；f是指频率测量值与频率真值之间的偏差。如果RF= RF，则系统称为频率非搜索或瞬时宽开的测频系统，f常用均值(系统误差)和均方根值(随机误差)表示。,2) 无模糊频谱分析范围SF、频谱分辨力fSF和频谱分析误差fSF SF是指频谱分析系统最大可无模糊分析的信号频谱范围; fSF是指输出相邻谱线的最小频率间隔; fSF是指频谱分析值与频谱真值之间的偏差。 3) 测频与频谱分析灵敏度sf min和测频与频谱分析的动态范围Df sf min是指频率测量和频谱分析系统正常工作(满足战术技术指标要求)时所需要的最小输入信号功率；Df为系统正常工作时允许的最大输入信号功率sf max与最小输入信号功率sf min之比(以分贝表示)：,(2-7),4) 最小测频和频谱分析脉宽f min、测频时间tRF、频谱分析时间tSF和时频分辨力tSF f min是指系统可以进行测频和频谱分析的最小输入信号脉宽；tRF是指从信号输入到输出测频结果所用的时间；tSF是指完成一次频谱分析所需要的时间；tSF是指相邻两次频谱分析之间的最小时间间隔。 5) 频域截获概率PIF和频域截获时间TIF PIF是指在TIF时间内完成对给定信号频域测量任务的概率；TIF是指对给定信号的频域测量达到指定概率PIF所需要的时间，两者互为条件。,6) 对同时到达信号的频率测量和频谱分析能力 对同时到达信号的频率测量和频谱分析能力是指在有两个或两个以上不同频率的信号同时到达测频系统时，系统能够按照上述技术指标，同时测量和分析这些信号的能力和性能。 除了上述主要技术指标外，还有可靠性、尺寸、重量、成本等。,2.1.2 频率测量和频谱分析技术的分类 对雷达信号频率测量技术的基本分类如图2-1所示。对雷达信号频率的测量可以采用模拟接收机、数字接收机和模拟/数字混合接收机以及信号处理技术实现。一类测频技术是直接在频域进行的，包括搜索频率窗和毗邻频率窗。搜索频率窗为一可调谐中心频率的带通滤波器，其瞬时带宽RF较小，通过RF的通带中心频率在RF内的调谐，选择和测量输入信号频率。毗邻频率窗为一组相邻的带通滤波器RFii覆盖RF。另一类测频技术是将信号频率单调变换到相位、时间、空间等其它物理域，再通过对变换域信号的测量得到原信号频率。各种测频技术的基本指标和特点见表2-1。,图2-1 测频技术的分类,图2-2所示为雷达信号频谱分析数字接收机的基本组成，接收天线收到的雷达信号经过低噪声放大器和带通滤波器后送给混频器，与频率为fL的调谐本振信号混频，输出固定中频频率fi的基带中频信号。该信号经过中放和增益控制达到合适的功率电平(信号的幅度尽可能与模数变换器(ADC)的输入动态范围一致)，分别送给包络检波/对数视放电路和ADC采样电路。,图2-2 雷达信号频谱分析数字接收机的基本组成,ADC具有检测采样和盲采样两种工作方式。如果在SF内对视频包络信号直接进行门限检测能够满足灵敏度sf min的要求，则可以利用包络的门限检测输出，将有检测信号存在时的中放输出波形数据采集下来，送给数字信号处理机进行调制分析，同时也可以对包络和门限检测信号进行tTOA、PW、AP的测量，交付数字信号处理。这种处理方法可以降低采集和处理的数据量，提高信号分析的工作效率，也是大多数频谱分析数字接收机的实际工作方式。 如果直接对脉冲包络信号的门限检测不能满足sf min的要求，则ADC的信号采样和数字信号处理都是连续进行的；只有在经过了连续、实时的信号处理以后，才能检测和判决是否存在有用信号，然后进行相应的信号分析处理，这将极大地增加信号处理的负担。,如果对信号频谱分析的精度和分辨要求不高，则可以不做Gm(t，f)处理，只做G1(t，f)处理，而且一般并不需要对每一个射频脉冲都做G1(t，f)处理。 频谱分析常用的时频分析算法如表2-2所示，其中STFT、DFT、瞬时相位差分、瞬时自相关等算法适合于采用数字逻辑器件快速计算，广泛用于各种雷达对抗系统的实时和准实时信号处理中；周期谱估计、小波分析等需要的处理时间较长，适用于由计算机支持的非实时信号处理。,2.2 频率搜索测频技术 2.2.1 搜索式超外差测频技术 1. 基本工作原理 搜索式超外差测频系统的基本组成如图2-3所示。雷达信号通过接收天线、低噪放进入微波预选器。信号处理机根据需要分析的输入信号频率fs设置调谐本振频率fL(t)、微波预选器当前中心频率fR(t)和通带B(t)，使它们满足下列关系：,(2-8),式中，fi为中放的中心频率，fiRF/2，fi+RF/2为中放带宽。如果fs位于B(t)内，则信号可以通过微波预选器、混频器、中放、包络检波和视放等环节；如果输出视频脉冲包络信号E(t)大于检测门限，就可启动信号处理机测量信号的频率fRF，使之满足下列关系： fRF=fL(t)fi (2-9),图2-3 搜索式超外差接收机方框图,2 寄生信道干扰及其消除方法 混频器是一种非线性器件，在混频过程中, fL(t)与fs将发生多次差拍，只要任何一次差拍频率满足式(2-10)，都将在中放形成输出。其中只有m=1，n=1(超外差)时的差频为正确的测频输出(也称为主信道输出)，其余则称为寄生信道干扰。,(2-10),由于输入信号电平一般都远低于本振电平，所以主要考虑本振及其谐波与信号基波分量的差拍，而本振的谐波一般都远离中频，故在超外差接收信道中将m=1，n=1的寄生信道称为镜像信道。图2-4表现了超外差接收机主信道与镜像信道的关系,可见两者是以本振频率为中心，中放带宽为两边对称分布的。,图2-4 超外差接收机主信道与镜像信道的关系,镜像信道干扰会引起频率测量错误，在超外差接收机中，常以镜像抑制比dms来衡量系统对镜像信道干扰的抑制能力，其定义为：在相同输入功率条件下，系统主信道输出功率Pso与镜像信道输出功率Pmo之比(以分贝表示)，即,(2-11),为了保证镜像干扰不引起测频错误，一般要求dms60 dB。提高dms的方法主要有： (1) 采用频带对准。 (2) 采用宽带滤波和高中频接收。提高中频，可以增加主信道与镜像信道之间的频率差2fiRF; 如果该频率差能够满足测频范围RF=f1，f2的要求：,(2-12),或,(3) 采用镜像抑制混频器。镜像抑制混频器是一种双平衡混频器，在主信道上，两个混频器的输出同相叠加；在镜像信道上反相相减，实现单信道接收。 (4) 采用零中频技术。即将中频降到零，使镜像信道与主信道重合，变成单一信道。这种零中频技术可使中频电路简化成视频电路，如果采用正交双通道处理，更易于采用数字技术进行无模糊测频和其它分析处理。 (5) 采用辅助信道逻辑识别技术。增设辅助信道，其本振频率与主信道本振相差2fi，且与主信道带宽重合，如图2-5所示。,图2-5 采用辅助信道逻辑识别镜像信道干扰,2.2.2 频率搜索方式和速度的选择 按照式(2-8)设置的B(t)与fL(t)，在测频范围RF内调谐，称为频率搜索。频率连续可变时称为连续搜索，均匀离散可变时称为步进搜索；由低至高或由高至低单方向变化称为单程搜索，双方向变化称为双程搜索。它们都要求RF在 RF内任一频率处驻留足够长的时间f：,(2-13),Z为完成频率测量需要的脉冲数。随着近年来数字频率合成技术和数字信号处理技术的发展，越来越多的测频系统采用数控步进搜索，可以根据雷达信号频率的先验信息和实际检测过程中发生的后验信息, 灵活而合理地控制f, 在尽可能短的时间内可靠地完成频率测量和辐射源检测识别的任务。这种方式称为灵巧步进搜索。五种主要搜索方式的时频关系如图2-6所示。,图2-6 五种主要频率搜索方式的时频关系,1 频率慢速可靠搜索 在每个RF带内的驻留时间f都相同，搜索RF范围的时间Tf不大于雷达波束在侦察机方向的照射时间Ts, 即,(2-14),Ts取决于侦察灵敏度与雷达天线的辐射功率，如果能够侦察到雷达的平均旁瓣辐射，则Ts可以不受雷达天线扫描的时间限制；如果只能侦察雷达天线的主瓣辐射，则Ts是雷达天线扫描在其主瓣波束宽度内的驻留时间：,(2-15),2 频率快速可靠搜索 频率搜索时间Tf不大于雷达的脉冲宽度PW，信号存在于测频系统带宽内的时间td很短，即,(2-16),该方式适合于搜索连续波雷达或通信信号，Tf时间里能够可靠地完成频率测量的任务，故称为频率快速可靠搜索。但对于持续时间很短的脉冲信号，由于本振调谐极快，普通电路难以响应，必须采用线性调频(Chirp)变换测频技术，参见本章2.5节。,3频率灵巧可靠搜索 这种方式是在频率慢速可靠搜索的基础上，利用搜索过程中发生的后验信息，合理地控制f。一般设f略大于雷达的脉冲重复间隔PRI，首先令Z=1，如果在f时间内发生了信号检测，则再逐渐增加Z，直到任务完成；如果在一个f 的时间内没有检测到信号，则迅速结束f ，以便缩短搜索时间。,4 频率概率搜索 不满足慢、快、灵巧可靠搜索条件时均为频率概率搜索，脉冲雷达信号与频率搜索窗的平均重合时间，任意时刻两者重合的概率p，平均重合周期 T 分别为,(2-17),以泊松过程描述在T时间里发生Z次及以上次重合的截获事件,则其截获概率为,(2-18),图2-7 射频调谐测频接收机,2.2.3 射频调谐测频技术 射频调谐测频技术利用射频调谐滤波器选择特定频率的输入信号，完成对该信号频率等调制参数的测量。其基本系统组成如图2-7所示。,信号处理机根据需要分析的信号频率fR设置前后微波预选器的当前通带B(t)：,(2-19),当输入信号Sin频率fRF位于当前通带B(t)内时，只要其功率大于灵敏度，则经过预选器、低噪声放大器(LNA)、检波和对数视放(DLVA)的输出信号E(t)将大于检测门限，就可启动信号处理机进行信号频率、到达时间、脉冲宽度和幅度的测量，形成单个射频脉冲检测的部分PDW。在一般情况下 或其功率低于灵敏度，都不会发生门限检测和PDW输出。信号载频参数的估计为,(2-20),2.3 比相法测频技术 2.3.1 基本工作原理 比相法测频的基本工作原理如图2-8所示。输入信号经过功分器分成为两路，一路直接进入宽带微波相关器，另一路经过射频延迟T后再进入宽带微波相关器，形成两路信号的相位差：,(2-21),在宽带微波相关器中两信号经过正交相位检波，输出一对相位差信号：,(2-22),利用式(2-22)可求得在0，2)区间内的相位差f：,图2-8 比相法测频的基本电路组成,(2-23),由于宽带微波相关器输出信号的相位f与被测信号频率成正比，在T确知的条件下，利用UI、UQ的极性和数值，只要测得f 就可确定：,(2-24),式中, 1为测量信号频率的最小值。由于相位的无模糊测量范围仅为0，2)，限制了比相法测频的无模糊测频范围：,(2-25),此外, 为了保证信号在相关器中具有足够的相关时间，延迟时间T和信号处理时间Ts之和必须小于信号脉冲宽度, 即 T+Ts (2-26) 比相法测频技术的信号处理有极性量化法和AD量化法两种。,1. 极性量化法 极性量化法是根据鉴相输出信号的正负极性进行信号频率测量和编码输出的。直接对UI、UQ进行极性量化和频率编码，只能将0，2)量化为4个区间。为了提高量化位数，可以利用三角函数的性质，对UI、UQ进行适当的加权处理，产生各项需要的相位细分：,(2-27),常用的相位细分有：=45°，22.5°，11.25°等。细分越多，输出频率的表示精度越高。但由于细分是由高速宽带模拟电路担任的，在宽频带内，相关器的相位误差和细分电路的相位误差都会影响相位细分的精度，因此工程中常用的相位细分都不大于11.25°。对UI、UQ和它们派生出来的各项相位细分信号进行极性量化(符号函数sgn(x)，从而可以将0，2)相位区间量化成更多的子区间，每个子区间分别对应于不同的输入信号频率，从而形成信号频率编码。表2-3是T=0.5 ns，细分为45°，RF=2 GHz，4 GHz)，不考虑相位误差时的极性量化和频率编码的测频结果。,2. AD量化法 AD量化法直接对信号电压UI、UQ进行数模转换(ADC)，将模拟信号转换成为数字信号，再按照式(2-23)计算相位差，按照式(2-24)计算信号频率。由于ADC的量化位数远高于极性量化的位数，且便于将式(2-23)和式(2-24)预先制表，甚至将电路和测量系统的偏差也预先校准后存放在表内，因此在相同条件下，AD量化法具有较高的测频精度。,2.3.2 多路相关器的并用 在理论上，采用相位细分的极性量化或者提高AD量化的位数，都可以在无模糊测频范围内获得较高的测频精度，但由于宽带微波相关器本身存在一定的相位误差，相位细分不仅会沿袭该相位误差，还会在加权处理的微波电路中引入新的相位误差，使相位误差进一步增大。AD变换的输入信号中也存在系统相位误差和噪声的影响，变换过程中还存在量化误差，它们都在一定程度上限制了测频精度的进一步提高。因此实际使用的比相法测频技术往往采用图2-9所示的多路相关器并用，其中最短迟延时间T的相关器保证无模糊测频范围，最长迟延时间nk1T的相关器保证频率测量的精度。,图2-9 多路相关器的并用,假设各级相关器经过式(2-22)求得的有模糊的相位测量值输出为,(2-28),则可利用相邻长短迟延相关器的各自特点，用短迟延相关器的鉴相输出求解长迟延相关器鉴相输出的模糊，用长迟延相关器解模糊后的鉴相输出校准短迟延相关器的相位测量值。 式中，N*k+1为非零非负整数集，集末项为k，即N*k+1=1，2，k。假设最短迟延相关器的相位测量值f1没有模糊，相邻相关器的迟延时间比为n，则逐级迭代解模糊和相位校正的计算如下：,(2-29),式中, 即为解模糊和相位校正以后各级相关器的输出相位。可以利用最长迟延nk1T的相关器输出 估计信号频率,(2-30a),其中, f0是无模糊测频范围内满足f0T为正整数的最小频率。也可以利用所有相关器的相位输出对频率进行最小二乘估计, 即,(2-30b),由于最短迟延时间为0.5 ns，在测频范围内满足条件的最小频率f0=2 GHz，式(2-30)得到的频率估计值分别为,2.3.3 同时信号的影响 若同时存在A，B两个信号矢量，以强信号矢量A为基准，合成信号矢量相对于强信号矢量的相位将发生偏差f，如图2-10所示。显然，合成信号矢量的相位偏离了其中任一信号矢量的原相位，且受两信号矢量幅度比和频率差的调制，在各路相关器中都会造成一种随机性的相位偏差，其中与强信号矢量相位的最大偏差为,(2-31),式中, PA、PB分别为两信号的功率。,图2-10 同时信号对测频的影响,图2-11 同时信号检测电路,图2-11是一种常用的同时信号检测电路，它由自差混频器、带通滤波器、检波器以及比较器构成。如果只有一个信号输入，则混频的全部谐波均来自于同一信号，它们将处于滤波器带外，检波器和比较器无输出。如果有多信号，混频后的谐波通过滤波器和检波器将有输出，一旦超过了比较器门限，比较器将产生一个同时信号的指示标志，这时的测频结果将被放弃。,输入信号中存在的噪声也相当于是一种同时存在的随机信号，同样会引起信号相位的随机偏差以及相应的测量值起伏，根据式(2-31)，在13 dB信噪比下，它引起的相位偏差均方根值约为12.62°。因此为了保证测频精度，比相法瞬时测频接收机也需要有一定的检测信噪比。 完整的比相法瞬时测频接收机的组成如图2-12所示，输入端的限幅放大器用于保持测量信号的功率稳定，以减小输入信号功率起伏对测频结果的影响，同时信号检测电路用于防止同时多信号造成的测频错误，门限检测/定时控制电路用于产生测频启动和结果输出的控制时序，也可以用来启动对tTOA、PW、AP等参数的测量电路。,图2-12 比相法测频接收机的组成,2.4 信道化测频技术 2.4.1 模拟信道化测频技术 模拟信道化测频技术分为直接滤波测频和基带滤波测频两种形式。 1 直接滤波测频 直接滤波测频也称为多波道测频。其系统的基本组成原理如图2-13(a)所示，输入信号经过n路功分器分别馈入n个并 行的滤波/检波/门限检测器，各滤波器的通带彼此邻接，如图2-13(b)所示。其频率响应特性为,(2-32),式中, Hi()为第i个滤波器的传输函数; Hp、Hs分别为通带最低增益、阻带最大增益；pi、pi+1、sli、shi分别为通带低、高边沿频率和阻带低、高边沿频率。各滤波/检波器的输出分别通过各自的门限检测器，当输出高于检测门限UTi时, di=1，否则为零。若第i个滤波器输出超过了门限检测，则以该滤波器通带中心频率形成频率估计输出：,(2-33),图2-13 直接滤波道测频系统组成与毗邻波道频率特性,检测门限UTi可根据各信道噪声背景的差别分别设置。当信号频率处于相邻滤波器边沿附近时，可能会在两个相邻通道同时发生检测输出，为此也可以式(2-34)构成测频估计输出：,(2-34),2 基带滤波测频 基带滤波测频就是先将被测信号变频到特定基带再测频。其技术中常用的部件为声表(SAW)滤波器组，一些声表滤波器组集成了放大器、电声换能器、滤波器、声电换能器和包络检波器，如图2-14所示。输入基带信号首先经过驱动放 大、电声换能器，以声波形式传播，不同频率的声波经过不同的路径汇聚在相应的输出口，再经过声电换能器恢复成基带电信号，通过包络检波器输出脉冲信号包络。典型SAW器件的基带频率范围为240 MHz640 MHz，每个滤波器的通带宽度为1020 MHz。,图2-14 SAW基带滤波器组的组成,1) 纯信道化测频 图2-15为纯信道化测频系统的简化方框图。输入信号先经第一波段分路器分成n1路，其中每路信号经过各自的第一级变频、中放，成为具有相同的第一中频频率fI1、带宽fr1=(f2f1)n1的信号，再分别送给n1个第二波段分路器；每个第二波段分路器将输入信号又分成n2路，每路信号经过各自的第二级变频、中放，成为具有相同的中频频率fI2、带宽fr2=(fr1/n2)的信号；依此类推，直到成为与基带SAW滤波器组适配的信号，再由n1×n2个基带SAW滤波器组形成n1×n2×n3个信道进行并行滤波、检测输出，其中n3为每个SAW滤波器组的输出信道数，最终由信号处理机完成信号中心频率、带宽和频率调制参数的测量。,图2-15 纯信道化测频系统简化方框图,为了有效抑制镜频干扰，在各级变频过程中，普遍采用高中频技术抑制镜频，因此每一次变频输出的中频频率均需要满足输入信号带宽的镜频抑制要求：,(2-35),按照超外差(本振频率高于信号频率)要求设计时，各级本振组信号频率为,(2-36),采用k次变频滤波的模拟纯信道化测频系统所需的系统资源配置数量如下： 波段分路器：,混频器/滤波/中放：,(2-38),各级不同频率的本振：,SAW滤波器组数量：,频率分辨力和测频精度：,(2-39),利用各信道的检测输出，也可以启动对tTOA、PW、AP等参数的测量，并对相邻、非相邻信道同时检测或顺序检测的输出作进一步的频率调制分析和识别处理。,2) 频带折叠信道化测频 利用纯信道化测频同级变频后的输出具有相同中频带宽的特点，频带折叠信道化测频时将同一次变频放大后的中频输出分为两路：一路经过检波、门限检测，以便在频率编码时用来识别其经过的信道；另一路则送入本级中频合路器。合路后的中频信号经过滤波再送入下一次分路器，继续进行处理，如图2-16所示。,图2-16 频带折叠信道化测频系统简化方框图,与纯信道化测频系统相比，频带折叠信道化测频系统虽然增加了若干合路器，各级不同频率的本振数量与纯信道化测频系统的相同，但大大减少了纯信道化测频系统的设备量，且变频次数越多，每次的分路数越多，减少的效果越明显，以至于最终折叠到一个SAW滤波器组。 具有相同测频精度的k次变频频带折叠信道化测频系统资源配置数量如下：,(2-40),2.4.2 数字信道化测频技术 数字信道化测频是利用宽带数字接收机和数字信号处理技术测量和分析输入信号频率的技术。由于直接进行数字处理的射频带宽有限，数字信道化测频前都需要通过图2-2所示的模拟接收前端，将需要处理的射频信号变频到一定的基带f1，f2，再经过模数转换(ADC)成为基带数字信号。为了扩展处理带宽，通常采用图2-17所示的零中频正交双通道处理技术。如果有门限检测信号支持，则数字信道化测频仅在包络时间内进行，否则必须全时进行。,图2-17 零中频正交双通道处理系统组成,基本的数字信道化测频主要采用加窗短时傅立叶变换(STFT)算法：,(2-41),式中, s(n)=I(n)+jQ(n)n为输入信号的正交采样序列; N为窗口宽度，一般根据系统要求的频率分辨力f设置N，即,(2-42),式中，T为采样周期。,但是FPGA器件能够直接支持的STFT算法速度有限，为此工程中经常采用一种抽样降速、并行滤波的算法。设i=mj+q，p=N/m，j=0，1，p1，q=0，1，m1， 代入式(2-41), 可得,(2-43),该算法首先对输入信号进行m路抽取，然后对m路抽取信号做并行p点的STFT加窗滤波，再对m路并行滤波输出进行去混叠滤波。由式(2-43)得到的滤波器结构如图2-18。 例如, N=256，m=4，则p=64，第一组抽样取0，4，252等数据，第二组抽样取1，5，253等数据，第三组抽样取2，6，254等数据，第四组抽样取3，7，255等数据。抽样数据按照预定窗函数加权，然后分别通过各自64点FFT(通常采用FPGA中的串行FFT运算核)形成4列有频谱混叠的滤波输出，再经过去混叠滤波后得到4列无混叠的滤波输出：F(n，k)，F(n，k+64)，F(n，k+128)，F(n，k+192)，k=0，63。该算法的主要优点是通过抽取降低了STFT运算处理的速度，便于FPGA实现。目前常用数字信道化测频的瞬时带宽约为1 GHz，频率分辨力为10 MHz，时间分辨力为0.1 s。,图2-18 采用抽样降速/并行滤波的STFT滤波器结构,STFT滤波后形成了N个信道的滤波输出，再对每个信道的输出信号功率进行门限检测，以判决此时该信道是否存在信号，并在判为有信号存在的情况下，估计信号频率：,(2-44),(2-45),式中, Vk为信道k的检测门限，可以根据装备进入阵地后，对所在环境中各个频段内外噪声的情况进行预先标定，也可以在对当前实际信号环境统计分析后实时标定。 STFT的处理结果不仅用于测频，还用于形成PDW。假设上一次处理时刻为np，则,(2-46),1. 数字信道化的时间分辨力 图2-19为数字信道化滤波处理电路的组成。输入数据经过数据分配器提供给若干个STFT滤波器组，每个滤波器组之间的数据时间差为pT，N路滤波器的输出经过式(2-44)进行功率计算和当前门限检测，本次检测结果与检测结果寄存器提供的上次检测结果进行逻辑判决，输出检测信道标号k，并按照式(2-46)，将时间计数器提供的时间数据按时写入到达时间和结束时间锁存器; 在写入结束时间后，再将(k， tTOA，tE，SP)写入PDW缓存。本次STFT结束后，将本次检测结果dk(n)送给检测结果寄存器。,图2-19 数字信道化滤波处理电路组成,每个滤波器组之间的数据时间差pT既表现出对采样数据的分段方式，也是数字信道化测频系统的时间分辨力。通常有以下三种情况： 1) pN 只对部分数据进行数字信道化处理，通常发生在宽脉冲、大数据量、处理速度有限的场合，对于窄脉冲信号有可能发生信号漏失。 2) p=N 每个采样数据都只进行一次数字信道化测频处理，信号出现在两次分段之间时会发生检测灵敏度损失。,3) pN 常用p=N/2，每个采样数据都进行两次数字信道化测频处理。p=1时，称为逐点数字信道化测频处理，具有最高的时间分辨力T。,2. 多信道PDW的综合处理 数字信道化测频系统中的信号处理机主要进行多信道PDW的综合处理，包括相邻信道同时和顺序PDW的综合处理，非相邻信道同时和顺序PDW的综合处理等。 1) 相邻信道同时PDW的综合处理 同时PDW是指各信道PDW中的到达和结束时间近似相同。在一般情况下，发生相邻信道同时PDW的主要原因是信号频率位于两个滤波器交叠处或强信号造成多信道同时过检测门限。因此，将其归并为单信号，以最大能量所在信道估计中心频率、脉宽、到达时间和平均信号功率,(2-47),2) 相邻信道顺序PDW的综合处理 顺序PDW是指各PDW中的到达和结束时间依次包容。在一般情况下，发生相邻信道顺序PDW的主要原因是宽带线性调频信号，其瞬时频率依次经过多个滤波器，造成多信道顺序过检测门限。因此, 将其归并为单信号，以k1，k2信道的占据带宽估计中心频率和信号带宽，以它们的最大占据时间估计脉宽，以各信道能量平均和估计平均信号功率，即,(2-48),3) 非相邻信道同时PDW的综合处理 发生非相邻信道同时PDW的主要原因很可能是频率分集信号，并且每一个分集频率还可能占用若干相邻信道。因此, 对此类PDW可以首先按照式(2-47)进行相邻信道的归并，然后再对归并后的各PDW进行频率分集信号归并PDWii。,4) 非相邻信道顺序PDW的综合处理 发生非相邻信道顺序PDW的主要原因很可能是频率编码信号，并且每一个分集频率还可能占用若干相邻信道。因此, 对此类PDW可以首先按照式(2-47)进行相邻信道的归并，然后再对归并后的各PDW进行频率编码信号归并PDWii。 图2-17中数字信道化测频处理可以由门限检测器启动，只在检测有效的时间里启用上述处理，这有利于减小处理数据量。但由于门限检测发生在信道化滤波、检测之前，信号带宽大，会限制测频系统的灵敏度。如果不采用门限检测启动，则ADC和信道化滤波、检测必须全时运行，处理数据量大、速度快，但有利于提高测频系统的灵敏度，也是许多数字信道化测频处理的主要工作方式。,2.5 线性调频变换测频技术 2.5.1 线性调频变换原理 信号s(t)的频谱F()定义为,(2-49),(2-50),若令F()中的=，且为常数，为时间，则信号s(t)的Chirp变换可定义为,它表明信号的频谱可以通过一组线性调频分析得到：首先将输入信号乘以线性调频因子 (混频)，再使其通过传输函数为 的匹配滤波器(卷积，也称为压缩滤波器)，最后与 相乘(混频)，完成相位校正。如果我们只关心信号的振幅谱，则可以不作相位校正，只需要对卷积后的输出信号进行振幅检波，就可以得到信号s(t)的振幅谱为,(2-51),上式的频谱分析是在无穷时域的Chirp变换，而工程中实用的Chirp变换是在有限时域2Tc内进行的，Tc称为压缩滤波器的时宽，且变换的频谱范围受到压缩滤波器带宽fc的限制，因此, 实际的Chirp变换振幅谱分析也是一种时频谱分析,(2-52),其中, =2(fc/Tc)，它表现了信号s(t)在tTc，t+Tc时间段、带宽仅为fc内的有限频谱特性。假设t=0，对于该时间、频段内频率为f的信号s(t)，经式(2-52)处理后的窄脉冲峰值迟延时间为,(2-53),式中, f1是压缩滤波器工作的最低信号频率，也是输入被测信号的最低频率。,2.5.2 压缩接收机测频系统的基本组成 压缩接收机测频系统的基本组成如图2-20所示。,图2-20 压缩接收机测频系统的基本组成,图中，压缩滤波器的通带是f1，f1+fc，输入信号经过第一次变频、中放和滤波后的输出频率范围限定为fsfi，fi+fc, t=Tc时线性调频本振开始扫频,输出本振频率fL(t)为,(2-54),采用超外差混频后的输出信号频率为,(2-55),第二中放的通带与压缩滤波器通带一致。如果输入信号为固定频率的连续波，则第二中放输出信号是脉宽为Tc、调频斜率为(/2)(fc/Tc)、初始迟延时间为t的线性调频脉冲, 其中，,(2-56),该宽脉冲经过压缩滤波器，在其后沿时刻(具有固定迟延Tc)形成宽度为tc的窄脉冲,(2-57),(2-58),(2-59),因此相对于当前时刻t=0的频率fs迟延为,根据测得的时间迟延，也可以估计信号频率,图2-21分别给出了fs=fi和fs=fi+fc时的主要信号波形关系。压缩滤波器输出的窄脉冲信号经过检波、视放后送给信号处理机，在Tc，Tc时间里以采样周期T对包络信号高速采样，从而获得该时间段内的信号振幅谱,(2-60),(2-61),信号振幅谱经过门限检测、综合测量，可以得到信号中心频率、带宽等估计，也可以2Tc为时间单位，通过连续的测频、频谱分析，估计信号的到达时间和脉宽等。根据脉冲压缩原理，该测频系统的频率分辨力为,图2-21 压缩接收机的主要信号波形关系,2.5.3 压缩接收机的测频误差 根据式(2-59)，对于标定的参数fi，fc，Tc，压缩接收机的测频误差来源于对的测量误差，并与压缩滤波器带宽与时宽的比值成正比，即,(2-62),造成测时误差的主要原因有以下三点。,1. 对输出包络最大值的检测偏差 根据匹配滤波器脉冲压缩原理，包络时宽近似为1/fc,由于数字检测时的包络采样周期为T，这就存在max=±T的测时误差。为了有效捕获包络的最大值，应要求:,(2-63),2. 输入信号到达时间的影响 上述分析是以连续波信号为基础的，如果输入信号的出现时间滞后于扫描本振的初始时间s，则会发生以下三种情况： 1) st 滞后时间没有影响扫描本振对被测信号完整取样，实际取样时间Tc=Tc，因此将同连续波情况一样，完全不影响测频输出。 2) 0stTc 滞后时间使扫描本振对被测信号取样不完整，压缩前信号的实际取样时间Tc=Tc+ts，压缩后信号峰值位置不变，但包络展宽，幅度降低。,3) sTc+t 本次扫描未发生测频取样，Tc=0，不能进行测频。,3. 输入信号结束时间的影响 假设被测信号比扫描本振提前e时间结束，则会发生以下三种情况： 1) eTct 提前结束没有影响扫描本振对被测信号完整取样，因此将同连续波情况一样，Tc=Tc，完全不影响测频输出。 2) 02TcetTc 提前结束使扫描本振对被测信号取样不完整，压缩前信号的取样宽度为Tc=2Tcte，压缩后信号峰值位置不变，但包络展宽，幅度降低。 3) e2Tct 本次扫描未发生测频取样，Tc=0，不能进行测频。,2.6 声光变换测频技术 2.6.1 基本工作原理 1 声光调制器 声光调制器是声波与激光发生干涉效应，引起激光发生偏转调制的关键器件，图2-22为体波声光调制器的示意图。图中电声换能器的声口径为W，末端敷以吸声材料，保证声通道工作在行波传输状态。激光束以场强Emej0t均匀照射在xy平面上，其光口径为D。 当被测信号s(t)=A cos(st+fi)加入换能器时，便在介质材料中激励起超声波，引起介质材料对入射激光的折射率发生周期性变动，形成干涉光栅，实现声波对光束的调相，产生调相衍射光。其中fi为被测信号的初相位。光波的相位调制函数为,(2-64),式中, 0、m、0、vs分别为折射率的平均值、峰值、光波角频率和声波在介质中的传播速度。若调整入射光与z轴的夹角i，则可使衍射光最强。此时的i称为布喇格角，它同衍射光与z轴的夹角d有如下关系：,(2-65a),(2-65b),由于激光频率远大于被测信号频率，上式可以近似为,可见, 对于给定的i、0、vs，衍射光的偏转角与被测信号的频率成正比。,图2-22 体声波光调制器示意图,2 空间傅立叶变换原理 傅立叶光学指出，FT透镜输出焦面(，)上的光幅分布与输入焦面(x，y)上的空间调制函数f(x，y)亦存在傅立叶变换关系：,(2-66),如图2-23所示，R为透镜中心到输出焦平面上点的距离，0为光波长。光以场强Emej0t均匀照射在xy平面上，其光口径为D。,图2-23 空间傅立叶变换示意图,设F为透镜焦距。对于小衍射角，RF，令x=(2/ 0F) ，y=(2/0F)为空间频率, 则,(2-67),(2-68),对于一维情况：,当信号s(t)激励电声换能器时，如果忽略相位调制函数中的偏置量f0，则输入聚焦平面上的空间调制函数为,(2-69),代入式(2-67)，得到：,(2-70),式中， ，为零阶光(未调光)分量； , 为一阶光(受调光)分量，绘制于图2-24上，成为空间频谱在x轴上的光幅分布。