专利名称：动中通单脉冲角度跟踪系统和跟踪方法
技术领域：
本发明涉及天线自动跟踪技术领域，特别是一种动中通单脉冲角度跟踪系统和跟
踪方法。
背景技术：
动中通是指天线安装在移动载体(如汽车、火车、飞机、轮船等)上快速运动，仍能与目标保持通信链路畅通、实现实时通信的系统。动中通要解决的主要问题，是在行进期间，如何使天线始终高精度地对准空中目标平台，以保证高质量的通信。动中通系统的载体是处于不断运动过程中，这种运动包括载体方向变化、速度变化、颠簸造成的载体起伏、摇晃与抖动，以及各种起伏引起的载体运动加速度的变化等。这些变化使天线可能偏离甚至找不到空中目标平台。为了解决这个问题，多采用“陀螺闭环稳定+电平跟踪”技术。陀螺稳定技术可解决载体摇晃、抖动的问题，而解决天线极化轴与空中平台偏离的问题，则需要采用天线自动跟踪技术。动中通系统天线跟踪方式的选择依据天线的馈源形式，根据馈源形式的不同分为步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪。单脉冲跟踪方式由天线馈源输出和信号与差信号。和、差射频信号经射频前端变换处理后送至跟踪接收机，并由跟踪接收机输出两路与天线电轴偏离空中目标平台角度成正比的方位误差信号与俯仰误差信号到伺服控制单元，控制天线运动，完成对空中目标平台的实时跟踪。单脉冲跟踪能从每个接收脉冲中得到完整的角误差信息，这种跟踪方式是一个闭环系统，具有实时性好、跟踪精度高的优点。在日益复杂的空间环境和电子干扰环境下，雷达、通信等电子设备受到越来越多的干扰。采用单脉冲方式在跟踪目标过程中，若主波束内存在多个在距离、方向及多普勒等参数方面都不能分辨的目标，则会影响角跟踪系统，使其跟踪几个目标的功率重心，严重时会导致原目标丢失。为减小空中设备的体积、重量，“动中通”系统可采用统一载波体制，不再另设信标机，这就要求地面设备能够直接对下行的通信信号进行跟踪测角。对跟踪接收机而言，其关心的是调制在信号上的误差信息，而不关心调制信号的具体内容。如果能够找到一种方法， 把解调带有误差信息的低频信号前的中频带宽压窄，提高检波前信号的载噪比，又不损失误差信息，就能提高跟踪接收灵敏度。在复杂电子干扰环境下，噪声干扰可以通过天线主瓣或旁瓣进入接收机。经典的从噪声中提取信号的方法是自适应滤波法，较新的方法为基于小波的去噪提取信号的方法。近几年，Hilbert Huang变换理论及其在非平稳非线性信号分析和应用中取得了很多成果，并将其应用于去除噪声分离信号的目的。但尚未见到适用于动中通系统天线跟踪的更有效的去噪滤波装置。
发明内容
本发明的目的是设计一种动中通单脉冲角度跟踪系统和跟踪方法，配置分数阶傅里叶变换滤波器和经验模态滤波器，得到准确的角误差信息，提高复杂情况下对空中目标平台跟踪的精度。本发明设计的动中通单脉冲角度跟踪系统包括雷达装置、伺服控制单元以及回波处理装置，雷达装置包括天线、收发双工器和射频放大器，伺服控制单元连接控制天线；回波处理装置包括模数转换器、数模转换器、波形产生器、匹配滤波器、带通滤波器、下变频器、单脉冲处理器和数字信号处理器；波形发生器产生的脉冲一路接入模数转换器转换为模拟信号，接入上变频器后作为发射信号经射频放大器和收发双工器，送入天线发送。本发明的跟踪系统回波处理装置还配置分数阶傅里叶变换滤波器(FrFT滤波器) 和经验模态分解(EMD)滤波器，雷达装置的收发双工器从天线接收的回波信号送入模数转换器进行中频采样，模数转换控制器连接模数转换器，控制其中频采样时序、提供中频采样时钟，中频采样所得回波信号接入下变频器，下变频器送出的中频信号经带通滤波器后依次进入经验模态分解滤波器、分数阶傅里叶变换滤波器，再进入匹配滤波器，匹配滤波器处理后的信号经逆分数阶傅里叶变换滤波器(Inv FrFT滤波器)送入单脉冲处理器，进行方位误差、俯仰误差、距离误差计算；单脉冲处理器的输出接入数字信号处理器，数字信号处理器读取数据，计算目标方位、俯仰和距离，产生的方位信息与俯仰信息接入伺服控制单元，实时修正天线方向，达到稳定跟踪的目的；所得距离信息反馈到分数阶傅里叶变换滤波器和单脉冲处理器。波形发生器产生的脉冲第二路送入匹配滤波器，第三路接入分数阶傅里叶变换滤波器，作为参考信号。本系统的模数转换控制器、下变频器、带通滤波器、分数阶傅里叶变换滤波器、 匹配滤波器、逆分数阶傅里叶变换滤波器、单脉冲处理器等模块均由现场可编程门阵列 (FPGA)实现。现场可编程门阵列与数字信号处理器经外部存储器接口(EMIF)连接。现场可编程门阵列有USB接口，本系统处理结果通过USB发送到上位机，用户可通过上位机获取相关信息。本发明设计的动中通单脉冲角度跟踪系统的跟踪方法为回波经带通、经验模态分解、分数阶傅里叶变换、匹配滤波、逆分数阶傅里叶变换滤波处理后送入单脉冲处理器， 由单脉冲处理器进行方位误差、俯仰误差、距离误差计算，计算结果输出接入数字信号处理器，数字信号处理器读取数据，计算目标方位、俯仰和距离，产生的方位信号与俯仰信号接入伺服控制单元，调节天线的方位角和俯仰角实时跟踪空中目标平台。雷达装置将接收到的回波送入模数转换器进行中频采样，模数转换控制器控制模数转换器的中频采样时序、提供中频采样时钟，中频采样所得回波信号进行数字下变频、带通滤波、经验模态分解、分数阶傅里叶变换(FrFT)处理，处理结果再进行单脉冲处理，即根据回波信息提取方位角度和俯仰角度误差信息。数字信号处理器读取单脉冲处理的数据， 计算目标方位、俯仰和距离，所得方位信息和俯仰信息传送给伺服控制单元，以及时修正天线方向，达到稳定跟踪的目的，距离信息被反馈给信息反馈到分数阶傅里叶变换滤波器和单脉冲处理器，作为参考信号和产生采样波门。经验模态分解方法基于信号的局部时间尺度，把复杂的信号函数分解为有限的内在模态函数(IMF)之和，每一个IMF所包含的频率成分与采样频率有关，且随信号本身变化而变化，经验模态分解方法是自适应的信号处理方法，具有很高的信噪比。经验模态分解滤波方法步骤如下I、读取带通滤波器输出数据x(t)；II、确定x(t)所有的局部最大值和最小值；III、利用三次样条函数分别将最大值点拟合为该信号的上包络线，将最小值点拟合为该信号的下包络线；IV、计算两包络线的均值m(t)V、求 χ (t)和 m (t)的差值 hk (t) = χ (t) -m (t)VI、判断hk(t)是否为固有模态函数(IMF)，如果是，将hk(t)看成x(t) =hk(t)， 进入第VII步，否则返回第II步；
ηVII、确定hk(t)为第η个IMFC ，剩余函数峻)=论；VIII、判断r(t)是否为单调函数或常数？如果是进入第IX步，否则返回第II步；IX、原始信号x(t)被分解成η个IMF:Cl⑴、C2⑴、…、cn(t)和剩余函数r(t)；
ηΧαΑ^ΣΥ^ + Κ小进行低通自适应滤波消噪；
i=kXI、结果输出至分数阶傅里叶变换滤波器。其中分数阶傅立叶变换滤波器具体滤波步骤如下i、读取EMD滤波器输出数据；ii、针对主目标确定最佳分数域；iii、在最佳分数阶傅立叶变换(fractional Fourier transform FrFT)域计算主目标和其他目标的互相关矩阵；并在最佳分数阶傅立叶变换域计算附加目标的自相关矩阵；iv、在分数阶域设计最优滤波器；V、使用最佳分数变换矩阵，提取有用信号；vi、使用最佳分数阶变换矩阵的逆，将有用信号变换至时域；vii,结果输出至单脉冲处理器。本发明动中通单脉冲角度跟踪系统和跟踪方法的优点为1、本系统扩展了原动中通单脉冲角度跟踪系统，实现动中通在复杂空间和电子干扰环境下采用单脉冲方式进行角度跟踪，保证动中通系统在复杂和低信噪比条件下也可准确跟踪空中目标平台，实现高质量的通信；2、本系统中的中频采样、数字下变频、滤波等模块的功能均可用前端现场可编程门阵列和桥接现场可编程门阵列实现，系统硬件结构实现简捷。
图1为本动中通单脉冲角度跟踪系统实施例系统结构框图；图2为本动中通单脉冲角度跟踪系统实施例基于FPGA+DSP构建的回波处理硬件结构框图；图3为信噪比为-15dB的回波信号的时域图；图4为信噪比为-15dB的回波信号的频谱图；图5为信噪比为-15dB的回波信号的wigner分布俯视图6为本动中通单脉冲角度跟踪系统的跟踪方法实施例的经EMD处理消噪后的信号频谱图；图7为本动中通单脉冲角度跟踪系统的跟踪方法实施例的经EMD处理消噪后的信号wigner变换后的俯视图；图8为本动中通单脉冲角度跟踪系统的跟踪方法实施例的经FrFT处理后的信号频谱图；图9为本动中通单脉冲角度跟踪系统的跟踪方法实施例的经匹配滤波处理后的信号频谱图；图10为本动中通单脉冲角度跟踪系统的跟踪方法实施例的经验模态分解滤波方法的程序框图。
具体实施例方式动中通单脉冲角度跟踪系统实施例本动中通单脉冲角度跟踪系统实施例的系统结构如图1所示，包括雷达装置、伺服控制单元以及回波处理装置，雷达装置包括天线、收发双工器和射频放大器，伺服控制单元连接并控制天线方向；回波处理装置包括模数转换器、数模转换器、波形产生器、匹配滤波器、分数阶傅里叶变换滤波器(FrFT滤波器)、逆分数阶傅里叶变换滤波器(Inv FrFT滤波器)、经验模态分解(EMD)滤波器，带通滤波器、下变频器、单脉冲处理器和数字信号处理器；波形发生器产生的脉冲一路接入模数转换器转换为模拟信号，接入上变频器后作为发射信号经射频放大器和收发双工器，送入天线发送。雷达装置的收发双工器从天线接收的回波信号送入模数转换器，模数转换控制器连接模数转换器，控制其中频采样时序，中频采样所得回波信号接入下变频器，下变频后的回波信号进入多路分配器，按重复周期分时存入其所接的乒乓存储器A或乒乓存储器B，用于乒乓存储回波数据，乒乓存储器A和乒乓存储器B的输出接入多路复用器，多路复用器连接的数据传输控制器产生相应的读控制信号、控制多路复用器从乒乓存储器A或B中读取数据。所得回波数据依次经带通滤波器、经验模态分解滤波器、分数阶傅里叶变换滤波器、 匹配滤波器，匹配滤波器的处理后的信号经逆分数阶傅里叶变换滤波器送入单脉冲处理器、数字信号处理器，数字信号处理器产生的方位信号与俯仰信号接入伺服控制单元；所得距离信息反馈到分数阶傅里叶变换滤波器和单脉冲处理器。波形发生器产生的脉冲第二路送入匹配滤波器，第三路接入分数阶傅里叶变换滤波器。本系统的模数转换控制器、下变频器、带通滤波器、经验模态分解滤波器、分数阶傅里叶变换滤波器、匹配滤波器、单脉冲处理器等模块均由现场可编程门阵列实现。现场可编程门阵列与数字信号处理器经外部存储器接口(EMIF)连接。本例的回波装置硬件结构如图2所示。本例的现场可编程门阵列包括前置现场可编程门阵列(前置FPGA)和桥接现场可编程门阵列(桥接FPGA)，二者通过外部存储器接口(EMIF)连接。前置现场可编程门阵列有USB接口 ；还接有外部存储器，以扩展芯片的存储空间。数字信号处理器有RS232串行接口，经此与伺服控制单元连接。数字信号处理器也接有外部存储器。动中通单脉冲角度跟踪系统的跟踪方法实施例本例雷达装置将接收到的回波送入模数转换器进行中频采样，中频采样所得回波信号进行数字下变频、带通滤波、经验模态分解、分数阶傅里叶变换(FrFT)处理，处理结果再进行单脉冲处理和方位、俯仰、距离计算。数字信号处理器读取数据，计算目标方位、俯仰和距离，所得方位信号和俯仰信号传送给伺服控制单元，实时修正天线方位角和俯仰角，跟踪空中目标平台。雷达装置接收到的回波信号数学表达式如下r (t) = T1 (t) +r2 (t) +n (t)(1)其中n(t)是均值为0、方差为δ 2的加性高斯白噪声。ri(t) =AieXpEjOJifci+Φ )](2)r2(t) =A2exp[j(2 3i (f0+μ t2/2)+Φ0) ] (3)ri(t)为“动中通”空中平台回波信号，r2(t)为干扰目标回波信号。AjPA2分别为平台回波信号和干扰目标回波信号的幅度。fo为发射信号的载波频率；Φο为初相；μ为干扰目标回波信号的调频率。图3为信噪比为_15dB的雷达装置接收到的回波信号的时域图，图4为其频谱图。 由图可见，信号淹没在噪声之中。以上回波信号的wigner分布如图5所示，变换后，空中目标平台的回波信号已然淹没于噪声之中，完全不能辨识。经本系统的经验模态分解(EMD)处理消噪后，信噪比得到改善，图6为EMD消噪后的频谱图，可见空中平台信号回波和干扰目标信号回波的频谱清晰可辨。但是由于空中平台信号回波和干扰目标信号回波的频谱有重叠，因此，在频域上不能分离空中平台和干扰目标信号回波。EMD消噪后信号wigner变换后俯视图如图7所示，由于未能使空中平台和干扰目标回波信号能量分别聚敛，所以还不能实现空中平台和干扰目标回波信号的分离， 也就是尚未消除干扰目标的影响。经分数阶傅里叶变换(FrFT)处理，空中平台和干扰目标信号回波能量分别聚敛， 如图8所示，形成两个分离的峰值。再通过匹配滤波器滤除干扰信号，即可消除干扰目标信号对空中平台信号回波的干扰，实现单脉冲角度跟踪。如图9所示。由于本方法去除了干扰目标信号的影响，对于空中平台目标的跟踪精度得到提高。其中，经验模态分解滤波器滤波方法是基于信号的局部时间尺度，把复杂的信号函数分解为有限的内在模态函数(IMF)之和，，具体步骤如图10所示I、读取带通滤波器输出数据x(t)；II、确定x(t)所有的局部最大值和最小值；III、利用三次样条函数分别将最大值点拟合为该信号的上包络线，将最小值点拟合为该信号的下包络线； IV、计算两包络线的均值m (t)V、求 χ ⑴和 m (t)的差值 hk (t) = χ (t) _m (t)VI、判断hk(t)是否为固有模态函数(IMF)，如果是，将hk(t)看成x(t) =hk(t)，进入第VII步，否则返回第II步；
ηVII、确定hk(t)为第η个IMFc (Λ，剩余函数峻)=论；VIII、判断r(t)是否为单调函数或常数？如果是进入第IX步，否则返回第II步；IX、原始信号x(t)被分解成η个IMF:Cl⑴、C2⑴、…、cn(t)和剩余函数r(t)；
ηΧαΑ^ΣΥ^+Κ小进行低通自适应滤波消噪；
i=kXI、结果输出至分数阶傅里叶变换滤波器。其中分数阶傅立叶变换滤波器具体滤波步骤如下i、读取EMD滤波器输出数据；ii、针对主目标确定最佳分数域；iii、在最佳分数阶傅立叶变换(fractional Fourier transform FrFT)域计算主目标和其他目标的互相关矩阵；并在最佳分数阶傅立叶变换域计算附加目标的自相关矩阵；iv、在分数阶域设计最优滤波器；V、使用最佳分数变换矩阵，提取有用信号；vi、使用最佳分数阶变换矩阵的逆，将有用信号变换至时域；vii、结果输出至单脉冲处理器。上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.动中通单脉冲角度跟踪系统，包括雷达装置、伺服控制单元以及回波处理装置，雷达装置包括天线、收发双工器和射频放大器，伺服控制单元连接、控制天线；回波处理装置包括模数转换器、数模转换器、波形产生器、匹配滤波器、带通滤波器、下变频器、单脉冲处理器和数字信号处理器；波形发生器产生的脉冲一路接入模数转换器转换为模拟信号，接入上变频器后作为发射信号经射频放大器和收发双工器，送入天线发送；其特征在于所述回波处理装置还配置分数阶傅里叶变换滤波器、逆分数阶傅里叶变换滤波器和经验模态分解滤波器，雷达装置的收发双工器从天线接收的回波信号送入模数转换器模数转换控制器连接模数转换器，控制其中频采样时序、提供中频采样时钟；中频采样所得回波信号接入下变频器，下变频器送出的中频信号经带通滤波器后依次进入经验模态分解滤波器、分数阶傅里叶变换滤波器，再进入匹配滤波器，匹配滤波器的处理后的信号经逆分数阶傅里叶变换滤波器送入单脉冲处理器，进行方位误差、俯仰误差、距离误差计算；单脉冲处理器的输出接入数字信号处理器，数字信号处理器读取数据，计算目标方位、俯仰和距离， 产生的方位信号与俯仰信号接入伺服控制单元；所得距离信息反馈到分数阶傅里叶变换滤波器和单脉冲处理器；波形发生器产生的脉冲第二路送入匹配滤波器，第三路接入分数阶傅里叶变换滤波器。
2.根据权利要求1所述的动中通单脉冲角度跟踪系统，其特征在于所述模数转换控制器、下变频器、带通滤波器、分数阶傅里叶变换滤波器、逆分数阶傅里叶变换滤波器、匹配滤波器、单脉冲处理器均由现场可编程门阵列实现，现场可编程门阵列与数字信号处理器经外部存储器接口连接。
3.根据权利要求2所述的动中通单脉冲角度跟踪系统，其特征在于所述现场可编程门阵列有USB接口。
4.根据权利要求2所述的动中通单脉冲角度跟踪系统，其特征在于所述现场可编程门阵列包括前置现场可编程门阵列和桥接现场可编程门阵列，二者通过外部存储器接口连接。
5.根据权利要求2所述的动中通单脉冲角度跟踪系统，其特征在于所述数字信号处理器有RS232串行接口，经此与伺服控制单元连接。
6.根据权利要求2所述的动中通单脉冲角度跟踪系统，其特征在于所述现场可编程门阵列和/或数字信号处理器接有外部存储器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的动中通单脉冲角度跟踪系统的跟踪方法，其特征在于所述雷达装置将接收到的回波送入模数转换器进行中频采样，模数转换控制器控制模数转换器的中频采样时序、提供中频采样时钟，中频采样所得回波信号进行数字下变频、带通滤波、经验模态分解、分数阶傅里叶变换处理，处理结果再进行单脉冲处理，即方位误差、 俯仰误差、距离误差计算；数字信号处理器读取数据，计算目标方位、俯仰和距离，所得方位信号和俯仰信号传送给伺服控制单元，距离信息被反馈给信息反馈到分数阶傅里叶变换滤波器和单脉冲处理器。
8.根据权利要求7所述的动中通单脉冲角度跟踪系统的跟踪方法，其特征在于所述经验模态分解滤波器的经验模态分解方法基于信号的局部时间尺度，把复杂的信号函数分解为有限的内在模态函数之和。
9.根据权利要求8所述的动中通单脉冲角度跟踪系统的跟踪方法，其特征在于经验模态分解滤波方法具体步骤如下I、读取带通滤波器输出数据x(t)；II、确定x(t)所有的局部最大值和最小值；III、利用三次样条函数分别将最大值点拟合为该信号的上包络线，将最小值点拟合为该信号的下包络线；IV、计算两包络线的均值m(t)；V、求x(t)和 m(t)的差值 hk(t) =x(t)-m(t)；VI、判断hk(t)是否为固有模态函数(IMF)，如果是，将hk(t)看成x(t)=hk(t)，进入第VII步，否则返回第II步；ηVII、确定hk(t)为第η个IMFC ，剩余函数峻)=论；VIII、判断r(t)是否为单调函数或常数？如果是进入第IX步，否则返回第II步；IX、原始信号χ(t)被分解成η个IMF:Cl⑴、c2⑴、-,cn(t)和剩余函数r(t)；ηιλ (O=ΣΗ1 (O+KO，进行低通自适应滤波消噪；j=kXI、结果输出至分数阶傅里叶变换滤波器。
10.根据权利要求6所述的动中通单脉冲角度跟踪系统的跟踪方法，其特征在于 所述分数阶傅立叶变换滤波器具体滤波步骤如下i、读取经验模态滤波器输出数据；·11.针对主目标确定最佳分数域；iii、在最佳分数阶傅立叶变换域计算主目标和其他目标的互相关矩阵；并在最佳分数阶傅立叶变换域计算附加目标的自相关矩阵；iv、在分数阶域设计最优滤波器；V、使用最佳分数变换矩阵，提取有用信号；Vi、使用最佳分数阶变换矩阵的逆，将有用信号变换至时域；Vii、结果输出至单脉冲处理器。
全文摘要
本发明为动中通单脉冲角度跟踪系统和跟踪方法，本系统包括雷达装置、伺服控制单元以及回波处理装置，回波处理装置配置FrFT滤波器和经验模态分解(EMD)滤波器，下变频器送出的中频信号经带通滤波器后依次进入EMD滤波器、FrFT滤波器、匹配滤波器、Inv FrFT滤波器送入单脉冲处理器，再接入DSP，DSP连接天线的伺服控制装置。回波处理装置的主要模块均由FPGA实现，FPGA经EMIF连接DSP。本跟踪方法中频采样所得回波信号经数字下变频、带通滤波、EMD、FrFT处理后进行单脉冲处理提取方位和俯仰角度误差，DSP读取误差数据，计算目标方位、俯仰和距离，所得方位和俯仰信息传送给伺服控制单元修正天线方向。本发明实现动中通在复杂和低信噪比条件下准确跟踪，硬件结构简捷。
文档编号G05D3/12GK102339071SQ20111025330
公开日2012年2月1日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者柳政枝, 白云浩, 罗良桂, 蒋留兵, 车俐, 黄韬 申请人:桂林电子科技大学