一種改進型脈沖重復間隔測量系統

摘 要:脈沖重復間隔(PRI)是雷達信號的重要參數之一。分析了脈沖計數法在脈沖重復間隔測量中的實現方法，指出了該方法中存在的三種主要誤差，闡述了改進型脈沖計數法在脈沖重復間隔測量系統中的應用。

關鍵詞:脈沖重復間隔脈沖計數法內插采樣

中圖分類號:TN95文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(b)-0009-03

Abstract:The PRI is one of important radar signal parameters.This paper analyzed Pulse counter to PRI measurement，and three errors in it， explained the advanced version pulse counter in PRI measurement system's application.

Key words:Pulse repetition interval;Pulse counter;Interpolating sampling

1 概述

脈沖重復間隔是雷達信號參數中重要的參數之一，是雷達測距，雷達電子戰系統信號分選、告警、個體識別等的重要依據。而脈沖重復間隔的測量技術，無論是在雷達，還是電子戰系統中，早已是非常成熟的技術[1]。但是，現今的系統中，一般對脈沖重復間隔的測量精度不是很高，隨著科技的進步、器件的發展以及人們對系統的性能提出更高的要求，一種快速精確地測量雷達信號脈沖重復間隔技術就顯得十分重要了[2]。

本文探討了一種針對目前常用的脈沖重復間隔測量方法——脈沖計數法中存在的原理誤差、觸發誤差、時標誤差等造成測量精度下降的主要原因的改進技術，并加以實現的系統。

2 內插采樣法測量PRI

當前，脈沖重復間隔測量方法大多是以脈沖計數法為基礎發展起來的，主要包括脈沖計數法、模擬內插法、延遲線內插法、游標法以及時間幅度轉換方法等。綜合以上測量方法，內插采樣法測量脈沖重復間隔具有測量精度高、范圍大、實時性好等特點[3][4]。

傳統脈沖計數法測量脈沖重復間隔的原理是:采用時鐘計數器對量化時鐘脈沖進行計數，在待測脈沖的上升沿輸出計數值，相鄰待測脈沖對應的計數值之差與量化時鐘周期的乘積為測量所得的脈沖時間間隔值。

當待測脈沖上升沿到來且超過某一門限時，時鐘計數器輸出所計量化時鐘脈沖個數m，n，則脈沖計數法得到的脈沖時間間隔為:

(1)

其中，T1、T2為原理誤差值，圖1。

內插采樣法測量脈沖重復間隔的原理是:基準信號是由量化時鐘產生的同頻正弦信號，頻率為，某個脈沖上升沿觸發模數轉換器對基準信號進行采樣，得到采樣值，則可得:

(2)

同理，假設下一個脈沖觸發模數轉換器對基準信號進行采樣，得到采樣值，如圖2所示。則有:

(3)

因此，可以得到脈沖間隔為

(4)

由式(2)、(3)代入(4)，，得:

(5)

即前后脈沖到達時間的差值。

可見，脈沖重復間隔由計數器輸出值m、n，基準信號頻率，內插采樣點相位、，決定。式(5)中的每一項(脈沖到達時間TOA由兩部分組成，當某個脈沖上升沿到來時，分別由脈沖計數法和內插采樣法得到其高位與低位，且能夠完成實時測量。當完成每個脈沖TOA測量后，脈沖時間間隔最后依據得到。該方法的測量范圍由脈沖計數器決定，通過擴展計數器的位數能夠得到很大的測量范圍。圖3所示為基于內插采樣技術的脈沖時間間隔測量原理圖。

3 浮動門限設計

在一般的測量系統中，雷達波束掃過測量系統天線時會引起脈間的幅度變化。脈沖的到達時間是以跨越某個固定門限來確定，而非零值的上升時間加上幅度的變化就會產生到達時間誤差。如果幅度增加，那么每個相繼的脈沖就會提前一點跨越門限;如果幅度降低，那么情況相反。對于幅度接近門限值的脈沖來說，即使脈沖幅度只有1dB的變化，也會產生超過上升時間15%的明顯的脈沖重復間隔變化[5]。

所以將這一門限設為50%的幅度點，當脈沖前沿隨時間線性上升時，到達時間不會受脈沖幅度變化的影響。這樣做的優點是使脈沖前沿的斜率增加，改善了信噪比不變情況下的測量精度。利用模/數轉換器對脈沖幅度進行采樣，并通過反饋電路實時控制門限設置值，達到在低信噪比條件下的脈沖到達時間測量精度的提高。為了減小模/數轉換器帶來的精度誤差，選用高量化位數和采樣速率的器件[6]。

4 時標選擇

脈沖重復間隔測量的核心是一個定時基準振蕩器，用于產生離散的時間刻度，作為測量雷達脈沖之間時間的標準。定時基準振蕩器有兩點限制:一是由于基準振蕩器的不穩定性造成的限制，它給脈沖重復間隔測量帶來了誤差和漂移;二是由于脈沖到達時間和基準振蕩器之間的非相干性帶來的量化誤差。

常用的最典型的是石英晶體振蕩器，而更高標準的是原子頻率振蕩器(銣鐘、銫鐘)。石英晶體振蕩器具有極好的短穩性能，銣鐘則有良好的長期穩定度。

長期穩定度影響到漂移值的測量，并影響比較不同時間(如間隔數小時或數天)測量值的能力。如果基準振蕩器可用其在一個脈沖時間間隔內的均方根相對頻率偏差(或艾倫偏差)來表征，即:

(6)

那么一個理想的穩定脈沖串的脈沖周期測量值的均方根偏差應為:

(7)

通常，量化誤差是更重要的誤差，在雷達脈沖之間對基準振蕩器的周期進行計數時就會產生這種結果。根據雷達脈沖的相對相位和基準振蕩器的周期，用基準振蕩器的計數周期對一個理想的穩定脈沖串所測得的脈沖重復間隔會差1個計數。對于給定的穩定脈沖周期和穩定基準，當相位不同時，計數只會變化1個數。如果測量單個脈沖周期，就無法知道在不同的相位關系下，計數是增加了1還是減少了1。因此，即使量化誤差至多只有1個之差，脈沖重復間隔值也會有正、負1個計數的模糊范圍。由于數字電路的計數速率超過數百兆赫，因此，基準振蕩器的穩定度直接影響脈沖重復間隔的測量精度[5]。目前原子頻率振蕩器的長期穩定度可以達到10-12量級，是比較理想的選擇。

5 系統應用

基于以上對脈沖重復間隔測量誤差的改進措施，設計了脈沖重復間隔測量系統。圖4所示為該系統的設計示意圖。其工作原理是，天饋伺服系統完成對雷達信號的偵收以及方位碼分別報送給接收機和測量控制模塊，接收機完成頻率的測量，將頻率碼發送給測量控制模塊，并接受測量控制模塊控制，同時解調輸出中頻信號。中頻信號經放大、檢波、視頻放大等處理輸送至測量控制模塊。測量控制模塊主要完成頻率信息、方位信息的接收，并測量得到脈沖幅度、脈寬、脈沖重復間隔等信號參數，并將這些參數輸送至綜合顯示模塊，同時測量控制模塊還有對伺服系統、接收機等的控制功能。

本系統可根據實際應用條件任意刪減模塊，獨立或合裝于其它系統中。經過與其它現有的測量設備比較，本系統的脈沖重復間隔測量精度比其它設備要高出幾個數量級以上。表1所示為本系統在同樣測試條件下的脈沖重復間隔測量數據比較。

6 結語

脈沖重復間隔是雷達信號最重要的參數之一，其應用背景也相當廣泛，例如雷達測距、測高以及由此衍生出的雷達定位、識別、電子情報系統等。本文探討了一種大幅度提高脈沖重復間隔測量精度的方法，使得以脈沖重復間隔為重要應用系統的測量精度也大幅提高。然而，實際環境的變化(如:自然環境、系統前端更換等)往往會使測量的結果與環境變化前后不一致，這是下一步研究亟需解決的問題。

參考文獻

[1]趙國慶.雷達對抗原理[M].西安電子科技大學出版社，1999.

[2]丁鷺飛，耿富錄.雷達原理(第三版)[M].西安電子科技大學出版社，2004.

[3]呂曉雯，周一宇.電子戰導論[M].國防科技大學電子科學與工程學院，2001.

[4]李希文，趙建.電子測量技術.西安電子科技大學出版社，2008.

[5]潘繼飛，姜秋喜，畢大平.基于內插采樣技術的高精度時間間隔測量方法.系統工程與電子技術，2006(11).

[6]Richard G.Wiley著，呂躍廣 等譯.電子情報——雷達信號截獲與分析.電子工業出版社，2008.

[7]葉石華.脈沖電流測量及其運用研究[J].科技創新導報，2010，5.