专利名称：连续波混沌调相无线电引信探测系统及其解调方法
技术领域：
本发明涉及一种无线电引信探测系统，特别地涉及一种连续波混沌调相无线电引信探测系统中基于FPGA的调制信号的产生以及调制后信号的快速数字相关解调算法实现。
背景技术：
随着现代战场电磁环境的日益复杂，无线电引信的探测性能和抗干扰能力直接决定了配备无线电引信的战斗部能否充分发挥其作战效能。
无线电引信的抗干扰能力和探测性能优劣和引信的波形调制是分不开的，在战场环境的需求牵引下，无线电引信的波形调制方式越来越复杂。从发展趋势上看，无线电引信越来越倾向于使用频带宽度更宽、频率更高，以及越来越随机的信号形式。
目前广泛研究应用的伪随机码引信虽然也是利用具有伪随机特性的m序列或Gold序列作为调制信号，但这种伪随机码相关特性不是非常理想，可以得到的序列数量少，密码强度低，而且由于产生方法的原因序列周期长度不容易做得太长。
发明内容
本发明提出了一种连续波混沌调相无线电引信探测系统及其解调方法，该系统能够利用混沌信号理想的相关特性，使得引信具有非常理想的距离、速度分辨力和测距、测速精度。而且，由于混沌信号产生方法的多样性和初值敏感性，使得这种信号具有更好的抗截获能力。
本发明的技术方案 本发明的一种连续波混沌调相无线电引信探测系统，包括混沌码产生器、延时器、射频振荡器、定向耦合器、调相器、环行器、天线、混频器、自动增益控制放大器、相关器和信号检测部件，其特征在于混沌码产生器产生的混沌信号经过调相器驱动后传输给调相器的输入；调相器的输出和环形器相连；环行器的输出信号经过混频器混频后和自动增益电路的输入相连；自动增益电路经过模数转换器(A/D)采样后和相关器的输入相连；相关器的另一输入经过延时器延时后传输给信号检测电路；信号检测电路通过执行级后得到整个系统的输出；系统能够利用混沌信号理想的相关特性，使得引信具有非常理想的距离、速度分辨力和测距、测速精度；而且，由于混沌信号产生方法的多样性和初值敏感性，使得这种信号具有更好的抗截获能力。
本发明信号检测电路的主芯片可以是Xilinx公司Sparton2系列FPGA芯片，也可以是主时钟频率大于40MHz、码元宽度可达25ns的其它FPGA芯片。
本发明的连续波混沌调相无线电引信探测系统的混沌信号解调方法包括下列步骤 (1)确定调相多普勒信号的采样频率fc并存储到相关器中，fc应满足fc＜1/Tc，其中Tc为FPGA作一次相关运算所花费的时间； (2)确定相关运算数据长度N并存储到相关器中，其中，Δmax多普勒信号变化量，c电磁波速、vr引信相对地面垂直落速、f0载频、TP混沌脉冲码元宽度，其中，σ为混沌序列自相关函数旁瓣值和互相关函数值对零的标准差； (3)根据实际测试目标特性曲线确定阈值，并存储到相关器中； (4)读取采样频率fc、相关运算数据长度N以及阈值，并根据采样频率fc读取延时混沌序列数值和调相多普勒信号AD采样数值，同时计数器开始计数； 计算频率fc的确定的确定方法为在奈奎斯特定理的基础上，频率越高，越能更好地恢复信号，设Doppler信号频率为fd，有fc＞2fd，一次相关运算所花费的时间应小于Doppler信号采样间隔时间，设FPGA作一次相关运算所花费的时间为Tc，则fc＜1/Tc。
(5)相关数据运算长度达到N时，对延时混沌序列数值和调相多普勒信号AD采样数值进行相关处理，即混沌序列的自相关函数和多普勒信号乘积；相关运算数据长度N的确定方法为一次相关运算所用到的混沌序列的长度所对应的时间内，Doppler信号的幅值应近似保持不变，为满足这个条件，N与幅度变化的百分比关系为为保证混沌序列的相关性能，混沌序列长度不能太小；混沌序列自相关函数旁瓣值和互相关函数值对零的标准差σ与混沌序列长度N的关系为在给定σ后，数据长度N须满足 (6)调相多普勒信号幅度检测，如果幅度值达到阈值输出引爆信号，如果幅度值没有达到阈值，计数器清零。
本发明的有益效果 1、混沌码的产生使用了FPGA技术，可以很容易地对调制信号加以调整。
2、由于调相多普勒信号的解调使用的是FPGA，使得算法的参数调整非常方便，从而可以方便地控制解调精度和算法的实时性。
3、由于调制信号的产生和调相信号的解调以及信号检测采用了基于FPGA的数字技术，可以减小引信体积。
图1-连续波混沌调相无线电引信探测系统的原理图； 图2-基于FPGA产生的混沌时间序列脉冲； 图3-快速数字调相多普勒信号相关解调算法流程图； 图4-仿真输入波形(调相多普勒信号)； 图5-解调后的多普勒信号样点值。
具体实施例方式 实施例 下面结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
如图1所示，连续波混沌调相无线电引信探测系统包括混沌码产生器、延时器、射频振荡器、定向耦合器、调相器、环行器、天线、混频器、自动增益控制放大器、相关器和信号检测部件。混沌码产生器、相关器和信号检测部件为FPGA芯片电路，混沌码产生器产生混沌波信号。
用于调制信号的混沌信号实际为混沌时间序列，基于FPGA技术可以通过改变使用的晶振频率精确控制产生的混沌时间序列的宽度，而且波形的上升沿和下降沿非常陡，只有1ns左右。图2为连续波混沌调相无线电引信探测系统的混沌信号解调方法，包括下列步骤 1、确定调相多普勒信号的采样频率fc并存储到相关器中，fc应满足fc＜1/Tc，其中Tc为FPGA作一次相关运算所花费的时间； 2、确定相关运算数据长度N并存储到相关器中，Δmax多普勒信号变化量，c电磁波速、vr引信相对地面垂直落速、f0载频、TP混沌脉冲码元宽度，其中，σ为混沌序列自相关函数旁瓣值和互相关函数值对零的标准差； 3、根据实际测试目标特性确定阈值，并存储到相关器中； 4、读取采样频率fc、相关运算数据长度N以及阈值，并根据采样频率fc读取延时混沌序列数值和调相多普勒信号AD采样数值，同时计数器开始计数； 5、相关数据运算长度达到N时，对延时混沌序列数值和调相多普勒信号AD采样数值进行相关处理，即混沌序列的自相关函数和多普勒信号乘积； 6、幅度检测判断，即根据调相多普勒信号采样点数判断是否进行幅度检测； 7、调相多普勒信号幅度检测，如果幅度值达到阈值输出引爆信号，如果幅度值没有达到阈值，计数器清零； 计算频率fc的确定的确定方法为在奈奎斯特定理的基础上，频率越高，越能更好地恢复信号，设Doppler信号频率为fd，有fc＞2fd，一次相关运算所花费的时间应小于Doppler信号采样间隔时间；设FPGA作一次相关运算所花费的时间为Tc，则fc＜1/Tc。相关运算数据长度N的确定方法为一次相关运算所用到的混沌序列的长度所对应的时间内，Doppler信号的幅值应近似保持不变，为满足这个条件，N与幅度变化的百分比关系为为保证混沌序列的相关性能，混沌序列长度不能太小；混沌序列自相关函数旁瓣值和互相关函数值对零的标准差σ与混沌序列长度N的关系为在给定σ后，数据长度N须满足 系统采用调相多普勒信号作为仿真的输入文件，该信号波形图见图3。通过该算法解调后的多普勒信号样点值见附图4，用matlab画出的图形见附图5，对比图3和图5可见，调相多普勒信号被正确完全解调。
混沌序列产生后，通过调相脉冲形成电路生成调相脉冲，调相脉冲在调相器中对来自定向耦合器的射频振荡信号进行0/π调相后，调相器输出信号的相位相对于输入信号为0度或180度，该调相信号经环行器由天线发射出去。发射信号经目标反射后由天线接收(设回波信号相对于发射信号的延迟时间为τr)，经过环行器进入混频器，与来自定向耦合器的本振信号进行混频，得到被混沌序列相位调制的多普勒信号。该信号经过自动增益放大电路进行恒幅处理后送入相关器，与来自混沌码产生器输出的，且被适当延时(设延时为τ0，τ0的大小和引信预定起爆距离有关)的混沌序列在相关器中进行相关处理。相关器的输出信号为混沌序列的自相关函数和多普勒信号的乘积，由于混沌序列的自相关函数类似于δ(τ)函数，所以当回波信号延迟时间τr和混沌序列延迟时间τ0(对应于预定的起爆距离上)相等，也就是说回波来自预定起爆距离处的目标时，相位调制的多普勒信号被解调，相关器输出多普勒信号，而且此时振幅最大。当τr和τ0稍有差别时，由于混沌序列的自相关函数值下降，相关器输出的多普勒信号的振幅减小。当τr和τ0的差别超过调相脉冲的一个码元宽度时，由于混沌序列的自相关函数值变为零，此时相关器的输出也变为零，无多普勒信号输出。对相关器有无多普勒信号输出进行判断，既可达到定距的目的，另外从解调出的多普勒信号里还可以获得弹目间的相对速度信息。
对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
权利要求
1、一种连续波混沌调相无线电引信探测系统及其解调方法，包括混沌码产生器、延时器、射频振荡器、定向耦合器、调相器、环行器、天线、混频器、自动增益控制放大器、相关器和信号检测部件，其特征在于混沌码产生器产生的混沌信号经过调相器驱动后传输给调相器的输入；调相器的输出和环形器相连；环行器的输出信号经过混频器混频后和自动增益电路的输入相连；自动增益电路经过模数转换器(A/D)采样后和相关器的输入相连；相关器的另一输入经过延时器延时后传输给信号检测电路；信号检测电路通过执行级后得到整个系统的输出；系统能够利用混沌信号理想的相关特性，使得引信具有非常理想的距离、速度分辨力和测距、测速精度；而且，由于混沌信号产生方法的多样性和初值敏感性，使得这种信号具有更好的抗截获能力。
2、如权利要求1所述的连续波混沌调相无线电引信探测系统，其特征在于信号检测电路的主芯片可以是Xilinx公司Sparton2系列FPGA芯片，也可以是主时钟频率大于40MHz、码元宽度可达25ns的其它FPGA芯片。
3、如权利要求1所述的连续波混沌调相无线电引信探测系统的解调方法，其特征在于包括下列步骤
(1)确定调相多普勒信号的采样频率fc并存储到相关器中，fc应满足fc＜1/Tc，其中Tc为FPGA作一次相关运算所花费的时间；
(2)确定相关运算数据长度N并存储到相关器中，其中，Δmax多普勒信号变化量，c电磁波速、vr引信相对地面垂直落速、f0载频、TP混沌脉冲码元宽度，其中，σ为混沌序列自相关函数旁瓣值和互相关函数值对零的标准差；
(3)根据实际测试目标特性曲线确定阈值，并存储到相关器中；
(4)读取采样频率fc、相关运算数据长度N以及阈值，并根据采样频率fc读取延时混沌序列数值和调相多普勒信号AD采样数值，同时计数器开始计数；
计算频率fc的确定的确定方法为在奈奎斯特定理的基础上，频率越高，越能更好地恢复信号，设Doppler信号频率为fd，有fc＞2fd，一次相关运算所花费的时间应小于Doppler信号采样间隔时间，设FPGA作一次相关运算所花费的时间为Tc，则fc＜1/Tc；
(5)相关数据运算长度达到N时，对延时混沌序列数值和调相多普勒信号AD采样数值进行相关处理，即混沌序列的自相关函数和多普勒信号乘积；相关运算数据长度N的确定方法为一次相关运算所用到的混沌序列的长度所对应的时间内，Doppler信号的幅值应近似保持不变，为满足这个条件，N与幅度变化的百分比关系为为保证混沌序列的相关性能，混沌序列长度不能太小；混沌序列自相关函数旁瓣值和互相关函数值对零的标准差σ与混沌序列长度N的关系为在给定σ后，数据长度N须满足
(6)调相多普勒信号幅度检测，如果幅度值达到阈值输出引爆信号，如果幅度值没有达到阈值，计数器清零。
全文摘要
本发明是一种连续波混沌调相无线电引信探测系统，特别地涉及一种基于FPGA的调制信号的产生以及调制后信号的快速数字相关解调算法实现。属于引信探测领域。本系统包括混沌码产生器、延时器、射频振荡器、定向耦合器、调相器、环行器、天线、混频器、自动增益控制放大器、相关器和信号检测部件。该发明在实现引信抗干扰方面具有重要的应用价值，该系统不仅能够利用混沌信号理想的相关特性，使得引信具有非常理想的距离、速度分辨力和测距、测速精度。而且，由于混沌信号产生方法的多样性和初值敏感性，使得这种信号具有更好的抗截获能力。
文档编号H04L27/00GK101256230SQ200710177839
公开日2008年9月3日 申请日期2007年11月21日 优先权日2007年11月21日
发明者黄忠华, 孙东宁, 李银林, 冯清娟 申请人:北京理工大学