李林濤 王世嶺

摘要：為提升各型飛行器回收能力和效率，降低飛行器回收設(shè)備規(guī)模，本文提出了一種基于二相碼調(diào)制的GOLD序列偽隨機(jī)編碼異頻二次雷達(dá)體制、具備艦機(jī)通訊能力的高精度測(cè)量引導(dǎo)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)從系統(tǒng)組成及原理、信號(hào)的選擇設(shè)計(jì)、GOLD序列碼頻率失諧校正和通訊信息解算準(zhǔn)確性、仿真測(cè)試等方面介紹了如何提供系統(tǒng)對(duì)飛行器精密測(cè)量同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與機(jī)載設(shè)備之間高速率、高準(zhǔn)確性的信息傳輸。通過(guò)工程實(shí)現(xiàn)和試驗(yàn)測(cè)試表明，該方法不但保證了雷達(dá)的測(cè)量精度，而且實(shí)現(xiàn)了艦機(jī)高速通訊，對(duì)各類(lèi)合作目標(biāo)回收具有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：異頻二次雷達(dá)；機(jī)載應(yīng)答機(jī)；頻率校正；精密跟蹤雷達(dá)；GOLD序列偽隨機(jī)編碼

Abstract：In order to promote each aircraft recall capability and efficiency，lower the aircraft recall equipment scale，this text proposed a kind of GOLD array that makes according to the two - phase code false random code repeatedly two radars of differences of system，have the high definition of warship machine telecommunication capability to measure to lead radar to carry out a method. From the system of select design，GOLD array code frequency the correction and telecommunication information solve calculate accuracy，imitate true test etc. introduced how to provide system vs the aircraft nicety measure at the same time，realize and machine carry an of equipment the information transmission of the high speed rate，high accuracy. Testing enunciation through engineering realize and test，the method not only assured the measurement accuracy of radar，but also carried out warship machine top speed telecommunication and had importance reference meaning to each kind of consortium object recall.

Keyword：Difference repeatedly two radars；The machine carries reply machine；The frequency corrects；Is accurate to follow radar；The GOLD array is false to random code

1 引言

在新軍事革命條件下，航母等艦機(jī)作戰(zhàn)平臺(tái)仍被視為各國(guó)海軍的核心力量，其中如何改進(jìn)和提高各類(lèi)飛行器回收能力是類(lèi)似作戰(zhàn)平臺(tái)重點(diǎn)研究方向。公開(kāi)資料顯示，常規(guī)引導(dǎo)采用雷達(dá)測(cè)量和偏差解算、專(zhuān)用鏈路實(shí)現(xiàn)信息傳輸、機(jī)載數(shù)傳設(shè)備完成數(shù)據(jù)收發(fā)并上報(bào)飛控的引導(dǎo)模式，上述各環(huán)節(jié)均配備有專(zhuān)用設(shè)備完成不同任務(wù)[1]。隨著現(xiàn)今信息化技術(shù)和飛行器性能的發(fā)展，迫切需要對(duì)上述大閉環(huán)引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化和效率提升，實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)精簡(jiǎn)和設(shè)備集成，以進(jìn)一步提升關(guān)鍵指標(biāo)和艦機(jī)作戰(zhàn)效能。

基于跟蹤雷達(dá)和通信雷達(dá)原理和應(yīng)用，本文提出了一種基于二相碼調(diào)制的GOLD序列偽隨機(jī)編碼異頻二次雷達(dá)精確測(cè)量體制和偽碼調(diào)相通訊方法，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)基于偽碼的高精度測(cè)量和艦機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。

2 測(cè)量系統(tǒng)組成及原理

為了提高測(cè)距測(cè)角精度、實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)跟蹤引導(dǎo)，系統(tǒng)采用異頻收發(fā)二次雷達(dá)體制實(shí)現(xiàn)，由機(jī)載應(yīng)答機(jī)和地面雷達(dá)兩部分組成，各部分組成及原理如圖1所示[2]。二次雷達(dá)避免了測(cè)距、測(cè)角閃爍，提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性；實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，在硬件確定條件下可提高測(cè)距精度，避免因應(yīng)答機(jī)處理造成的時(shí)間不穩(wěn)定；異頻，避免了同頻一次回波雜波干擾，實(shí)現(xiàn)了無(wú)盲區(qū)測(cè)量；但該體制也帶來(lái)了雷達(dá)與應(yīng)答機(jī)不相參導(dǎo)致的頻偏效應(yīng)。

1）地面雷達(dá)。完成測(cè)量詢問(wèn)的發(fā)射和應(yīng)答回波信號(hào)接收處理，得到目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的距離、角度信息；完成目標(biāo)識(shí)別和跟蹤測(cè)量，控制雷達(dá)各部分對(duì)目標(biāo)保持連續(xù)跟蹤；解算目標(biāo)相對(duì)于立項(xiàng)航線的偏差信息或絕對(duì)坐標(biāo)信息，并在下一幀探測(cè)電磁波中發(fā)送給機(jī)載應(yīng)答機(jī)；設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、對(duì)時(shí)及系統(tǒng)信息交互。

2）機(jī)載應(yīng)答機(jī)。實(shí)時(shí)對(duì)雷達(dá)詢問(wèn)信號(hào)接收及處理；完成頻率校正和身份識(shí)別；對(duì)雷達(dá)通過(guò)電磁載波發(fā)送的位置或偏差信息進(jìn)行解算；將準(zhǔn)確的偏差信息上報(bào)給機(jī)載飛控系統(tǒng)；自身狀態(tài)監(jiān)控及控制。

3 調(diào)相體制通訊信號(hào)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件體制及難點(diǎn)

如圖1所示，該系統(tǒng)中采用了基于二相碼調(diào)制的GOLD序列偽隨機(jī)編碼異頻二次雷達(dá)體制。上述設(shè)計(jì)雖提高了測(cè)量精度、解決了盲區(qū)問(wèn)題，但二相編碼信號(hào)是一種多普勒敏感信號(hào)，當(dāng)多普勒無(wú)法忽略時(shí)將導(dǎo)致多普勒失諧效應(yīng)[3]，影響測(cè)量處理和通信準(zhǔn)確性。

（a）

（b）

以發(fā)射35GHz為例，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度在40m/s～110m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)多普勒頻偏在9.7KHz～26KHz。127點(diǎn)GLOD序列，前后補(bǔ)零以后，采用原信號(hào)（無(wú)多普勒）做脈沖壓縮自相關(guān)結(jié)果如圖3（a）所示，達(dá)到127；而26KHz多普勒所引起的信號(hào)周期為38.5us，對(duì)于25.4us的編碼時(shí)寬，其與發(fā)射信號(hào)自相關(guān)結(jié)果如圖3（b）所示，只有53左右，大大影響積累峰值。

同理，頻率失諧（頻偏）在該雷達(dá)體制中不但會(huì)造成積累損失，還會(huì)導(dǎo)致身份識(shí)別誤判、信息解碼錯(cuò)誤，對(duì)目標(biāo)測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。因此，需要對(duì)頻率失諧效應(yīng)尋找解決方法。

3.2 基于二相碼調(diào)制的偽隨機(jī)編碼設(shè)計(jì)

研究表明，偽隨機(jī)碼具有自相關(guān)性和隨機(jī)性好、足夠的碼長(zhǎng)和獨(dú)立地址數(shù)（碼分多址）、易產(chǎn)生控制、抗干擾偵破的特點(diǎn)，是跟蹤測(cè)量和通信的較好選擇[3]。偽隨機(jī)碼表達(dá)式為：

公式1

Gold碼是基于m序列優(yōu)選對(duì)產(chǎn)生的，其滿足下述不等式

公式2

為了滿足雷達(dá)高精度測(cè)量和信息通訊的雙向要求，系統(tǒng)按照上述公式設(shè)計(jì)了以GOLD碼為基礎(chǔ)的“GOLD碼+相位調(diào)制通訊碼”的信號(hào)波形，如圖3所示。其中利用GOLD碼的互相關(guān)性，前部采用A、B雙GLOD碼，用于目標(biāo)頻率搜索校正、身份識(shí)別和測(cè)量；后端根據(jù)通訊協(xié)議采用二進(jìn)制編碼、二相碼調(diào)制方式的多個(gè)通信碼。每個(gè)碼片寬度0.2us，GOLD碼為127位碼片；每個(gè)通訊碼塊184位碼片，包括18個(gè)通訊字節(jié)和楨頭、校驗(yàn)和等。

4 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法

4.1 頻率校正及補(bǔ)償

在該二次雷達(dá)系統(tǒng)中，測(cè)量對(duì)象為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、應(yīng)答機(jī)和雷達(dá)之間的不相參頻偏，導(dǎo)致系統(tǒng)必然存在多普勒失諧效應(yīng)。為了保證應(yīng)答機(jī)能夠準(zhǔn)確解算雷達(dá)的詢問(wèn)信號(hào)和二相載波數(shù)據(jù)，需要應(yīng)答機(jī)對(duì)雷達(dá)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻率校正。本文將發(fā)射編碼直接疊加上預(yù)調(diào)多普勒，并用這個(gè)新的編碼去和回波信號(hào)相關(guān)處理，處理得到較窄的準(zhǔn)確多普勒通道，并在該通道下完成后端數(shù)據(jù)碼塊的信息解算。

以某系統(tǒng)為例，雷達(dá)發(fā)射頻率為f0=24.3GHz、雷達(dá)和應(yīng)答機(jī)的頻率準(zhǔn)確度均為1×10-7，則雷達(dá)和應(yīng)答機(jī)頻率準(zhǔn)確度帶來(lái)的最大頻偏效應(yīng)f0×（1×10-7）×2=4860Hz；假設(shè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度范圍為-10m/s～60m/s，則在f0頻帶多普勒頻偏為-1620Hz～9720Hz。上述頻偏疊加后，引起的多普勒頻偏范圍為-6480Hz～14580Hz，因此系統(tǒng)頻偏校正需覆蓋該區(qū)域。

為了最大限度節(jié)約硬件資源、提高運(yùn)算效率，采用二級(jí)頻率校正設(shè)計(jì)，即利用3.1章節(jié)提到的A、B雙GOLD碼，第一級(jí)對(duì)A碼進(jìn)行6通道同時(shí)處理，每個(gè)通道帶寬3.6KHz，得到積累峰值最強(qiáng)點(diǎn)的通道數(shù)N1；第二級(jí)在通道N1上再次分6通道對(duì)B碼進(jìn)行同時(shí)處理，每個(gè)通道600Hz，得到更細(xì)分的準(zhǔn)確通道數(shù)N2。一二級(jí)之間采用滑窗處理，僅調(diào)節(jié)第一級(jí)6各通道的頻率校正系數(shù)對(duì)B碼處理。利用GOLD碼相關(guān)積累時(shí)，不同頻率失諧其積累峰值能量的差異，可將帶頻偏（失諧）的信號(hào)限定在300Hz頻偏校正后通道內(nèi)，頻率失諧效應(yīng)影響將大大降低。詳細(xì)流程見(jiàn)圖4。

如圖3所示，頻率校正利用了頻率失諧對(duì)積累幅度的影響效應(yīng)，發(fā)射編碼和接收編碼的頻差越小，積累峰值幅度越大。利用該原理，可實(shí)現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn)：①準(zhǔn)確的完成頻偏校正，將GOLD碼的處理限定在特定的頻偏通道內(nèi)，保證處理和后續(xù)信息解碼的準(zhǔn)確性；②提高壓縮信噪比、獲得較好增益，有利于提高測(cè)距精度和身份識(shí)別；③采用滑窗式處理，最大限度節(jié)約資源和時(shí)間，雙級(jí)通道可將頻偏確定在較窄范圍，降低積累損失。

4.2 中頻采樣及正交變換

假設(shè)在每個(gè)碼片τ=0.2us內(nèi)為線性調(diào)頻信號(hào)，則疊加f0載頻后的實(shí)信號(hào)的形式為公式5所示。其中，f0為中心載頻頻率，τ為碼片周期，B為信號(hào)帶寬。

公式5

利用4.1章節(jié)頻率校正算法確定的通道關(guān)系、預(yù)調(diào)特定多普勒后的本振信號(hào)與中頻采樣信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變化實(shí)現(xiàn)[4]。假設(shè)某信號(hào)與f0存在+10.2kHz頻偏（即實(shí)際接收得到的頻率為=f0+10.2kHz），通過(guò)雙級(jí)頻率校正后，得到預(yù)調(diào)頻率=（f0+3600*N1+600*N2）kHz=f0+10.0kHz（N1=2，代表粗搜索時(shí)的通道數(shù)；N2=5，代表精搜索時(shí)的通道數(shù)），與真實(shí)信號(hào)僅相差Δf=200Hz。此時(shí)，利用sin和cos分別與相乘得到I、Q兩路信號(hào)。

4.3 I/Q矢量差值比較法提取二相碼

采用頻率校正方法理論可將回波頻偏修正到與本振無(wú)限接近，即圖5所示的Δf=0Hz。要實(shí)現(xiàn)頻率校正的絕對(duì)對(duì)準(zhǔn)，要么通道數(shù)不變，降低每個(gè)通道的搜頻寬度，使每個(gè)通道足夠窄；要么搜頻范圍不變，增加多路搜頻通道，使多級(jí)搜頻后每個(gè)通道足夠窄。但實(shí)際工程應(yīng)用中，受資源限制和搜頻范圍的需要，往往無(wú)法保證Δf=0Hz，即在頻偏校正后每個(gè)通道內(nèi)依然存在較小的頻率偏差。

如圖5、圖6所示，在對(duì)Δf=200Hz的回波通過(guò)中頻采樣和正交變換處理后發(fā)現(xiàn)：①其I/Q兩路幅度受頻差影響，幅度不如圖5穩(wěn)定，存在波動(dòng)，影響利用門(mén)限提取二相碼0、1值；②I/Q兩路在圓圈A、B處相位跳變不穩(wěn)定，造成符號(hào)位解析模糊，易出現(xiàn)信息誤判。

當(dāng)出現(xiàn)圖6所示現(xiàn)象時(shí)，則最終解碼存在如圖7所示（圖8為正確解碼結(jié)果）的局部亂碼，并最終造成后續(xù)解碼錯(cuò)誤。雖通過(guò)校驗(yàn)和可丟舍掉該楨數(shù)據(jù)包，但易造成丟幀較多、數(shù)據(jù)包不夠的現(xiàn)象，影響數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)率和準(zhǔn)確性。

根據(jù)I/Q生成原理，I/Q復(fù)數(shù)信號(hào)是公式5實(shí)信號(hào)的分解，故I/Q絕對(duì)能量值和基本為常值。利用該特性，分別對(duì)I/Q復(fù)數(shù)信號(hào)進(jìn)行矢量判斷，并將I/Q能量絕對(duì)值進(jìn)行疊加。上述I、Q實(shí)際采樣點(diǎn)存在同相、反相，但不管矢量符號(hào)如何變化，其能量值得到了加強(qiáng)，如圖9。圖7中經(jīng)過(guò)I/Q矢量差值處理后，其幅度值穩(wěn)定、二相碼相位跳變消除，對(duì)其解析可得到圖8所示的正確二相碼信息。

對(duì)圖9所示二相碼信息按照約定的協(xié)議進(jìn)行處理后，若楨頭楨尾及校驗(yàn)和均符合協(xié)議要求，則視其為正確信息，由應(yīng)答機(jī)通過(guò)FPGA芯片端口發(fā)送給系統(tǒng)或上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)與系統(tǒng)的艦機(jī)通訊。

5 實(shí)例測(cè)試驗(yàn)證

基于本文提到的“基于二相碼調(diào)制的GOLD序列偽隨機(jī)編碼異頻二次雷達(dá)體制”和頻率校正及相位差值求解方法，在某型雷達(dá)系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)測(cè)應(yīng)用。該系統(tǒng)組成如第2章節(jié)所述，應(yīng)答機(jī)主要應(yīng)用了圖3波形信號(hào)和第4章節(jié)處理方法；雷達(dá)主要利用了4.1章節(jié)方法，用于提高積累增益和脈壓峰值的準(zhǔn)確性。

利用圖10所示，根據(jù)信號(hào)設(shè)計(jì)和通訊協(xié)議，預(yù)先編制不同的通訊和波形信息（二進(jìn)制），通過(guò)計(jì)算機(jī)將該波形錄入矢量信號(hào)源。通過(guò)信號(hào)源條件輸出信號(hào)幅度和頻率，由應(yīng)答機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理計(jì)算，并將解算結(jié)果上報(bào)計(jì)算機(jī)的檢測(cè)軟件。由監(jiān)測(cè)軟件分別對(duì)比錄入信號(hào)源的信息和應(yīng)答機(jī)解算信息是否一致。錄入信息包含了A、B碼+3組不同信息的組合碼，頻偏設(shè)置有-10KHz、0KHz、+5KHz、+10KHz，幅度固定為-5dBm。統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)軟件記錄的多次實(shí)測(cè)樣本，所得通訊信息準(zhǔn)確率達(dá)到100%，滿足精密引導(dǎo)雷達(dá)測(cè)量及通訊引導(dǎo)需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)精密引導(dǎo)雷達(dá)高精度測(cè)量和高可靠性艦機(jī)通訊需求，開(kāi)展了“基于二相碼調(diào)制的GOLD序列偽隨機(jī)編碼異頻二次雷達(dá)系統(tǒng)體制”模型建立和研究，在硬件處理資源有限的基礎(chǔ)提出了特殊的信息波形設(shè)計(jì)、多級(jí)頻率校正、I/Q差值比較信息解析等方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)GOLD序列偽隨機(jī)編碼在多普勒失諧效應(yīng)下的積累處理和通訊，解決了精密引導(dǎo)雷達(dá)測(cè)量精度提升和GOLD序列調(diào)相碼信息解析之間的矛盾。通過(guò)實(shí)際建模仿真、系統(tǒng)外場(chǎng)試飛測(cè)試等數(shù)據(jù)支撐，驗(yàn)證了該系統(tǒng)及處理方法的可行性、有效性，對(duì)后續(xù)類(lèi)似雷達(dá)系統(tǒng)研究、GOLD序列調(diào)相碼信息解析具有一定指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]周煜、伍逸夫、趙峰，航母著艦引導(dǎo)系統(tǒng)概述，艦船電子工程，2011年第11期。

[2]張明友.汪學(xué)剛. 雷達(dá)系統(tǒng)，2006.1。

[3]【英】Clive Alabaster著，張偉、劉洪亮等譯.脈沖多普勒雷達(dá)：原理、技術(shù)與應(yīng)用，國(guó)防電子信息技術(shù)叢書(shū)。

[4]丁鷺飛、耿富錄.雷達(dá)原理.西安電子科技大學(xué)，2004年1月。