基于瞬時測頻的頻率捷變測試儀精度檢定方法

潘 哲，杜文超

基于瞬時測頻的頻率捷變測試儀精度檢定方法

潘 哲，杜文超

（海軍裝備部駐天津軍事代表局，北京100070）

頻率捷變雷達綜合測試儀是測試頻率捷變體制導引頭性能的重要儀器，針對現有技術無法直接對其動態頻率跟蹤性能進行檢定的現狀，采用了系統設計的方法解決該問題。對捷變頻測試需求進行了分析，提出了數據擬合法瞬時測頻方法，其精度和速度可以滿足動態跟蹤精度測試的要求。該系統可以有效地檢定雷達綜合測試儀的性能指標，已經在工程上實現，取得良好的效果。

瞬時測頻；導彈；頻率捷變

引用格式：潘 哲，杜文超.基于瞬時測頻的頻率捷變測試儀精度檢定方法［J］.無線電工程，2016，46（5）：95-98.

0 引言

頻率捷變雷達具有抗干擾能力強、探測距離遠、測角精度高和抗海浪雜波干擾的性能好等優點［1］，雷達捷變性能測試是通過捷變頻雷達綜合測試儀進行檢測的。但長期以來，由于受技術條件的限制，只能在點頻狀態下對捷變頻雷達綜合測試儀進行性能測試［2］，但在點頻狀態下的工作性能并不能真實地反映出在捷變頻狀態下的工作性能，這在一定程度上限制了捷變頻雷達導引頭的發展和形成戰斗力。20世紀五六十年代，瞬時測頻技術（Instantaneous Frequency Measuremet，IFM）應運而生［3］，能在短時間內迅速測量目標信號的頻率，憑借其在體積、重量和性能方面的優勢得到了廣泛應用。文獻［4-5］提出了通過系統設計的方法將捷變頻性能變換到中頻進行測試的方法，但沒有給出具體的瞬時測頻算法；文獻［6］對計數式瞬時測頻方法和精度進行了研究，但該方法測頻精度低；文獻［7］通過對單點采樣幅度求得相位，再利用相位信息估算瞬時頻率，該方法對噪聲較為敏感。本文在現有研究基礎上對系統設計進行了改進，在瞬時測頻中改進了相位獲取的方法，提高了測頻精度［8］。

1 測試需求分析

捷變頻雷達綜合測試儀是雷達模擬信號源，模擬雷達真實回波，完成對雷達各項性能指標的測試。雷達發射信號經綜合測試儀輸入端，由瞬時測頻加頻率引導方式完成對雷達的自動應答，產生與雷達發射機工作頻率相同的微波信號，送入模擬喇叭口，再輻射出來由雷達天線接收，經混頻器和本振混頻后至中頻放大器、檢波器形成誤差信號，引導導彈準確打擊目標［9］。

捷變頻雷達綜合測試儀是捷變頻測試系統中的信號源，要實現對其自動檢定，必須先確定檢定的項目，明確檢定需要的技術，這樣才能有針對性地設計檢定系統，完成測試儀的自動檢定。測試系統組成如圖1所示。

圖1　捷變頻雷達導引頭測試系統組成

捷變頻雷達綜合測試儀工作在捷變狀態時，它跟蹤雷達輸入的射頻信號，并共同以雷達的重復頻率為周期快速捷變，設雷達頻率為fl，捷變頻雷達綜合測試儀跟蹤輸出fg，跟蹤精度為一個統計值，在雷達綜合測試儀捷變帶寬之內由大量頻率點上的跟蹤精度平均而成，其精度為：

式中，fli和fgi為第i個脈沖對應的頻率fl和fg。

捷變頻雷達是脈間頻率捷變的，即不同重頻周期內fl和fg隨機變化，并且在捷變頻點上持續的時間很短，如果檢定跟蹤精度時采用直接進行測量的方法，在脈沖持續的時間內對射頻信號fl和fg測量屬于瞬時測頻，設對fl和fg測量時產生誤差Δfcl和Δfcg，即

可以看出，這個誤差除綜合測試儀的跟蹤誤差Δfgi外還有測量射頻信號fl和fg誤差的合成誤差，瞬時測頻的測量精度和信號的持續時間成反比，在有限脈沖持續時間內很難得到高精度的測頻結果，在計量中要求測量儀器的精度必須比被檢對象高一個數量級，以目前的工程能力很難直接在微波段完成頻率跟蹤精度的檢定。

2 檢定系統設計

2.1 系統組成

通過系統設計的方法將捷變頻雷達綜合測試儀跟蹤性能的好壞映射到中頻［4-5］，通過對中頻信號的測量完成對捷變頻雷達綜合測試儀捷變帶寬、跟蹤精度、跟蹤時間和漏跟概率的檢定。采用總線技術，檢定系統組成框圖如圖2所示，該檢定系統即可以完成定頻參數檢定也能檢定捷變參數。

圖2　檢定系統組成

2.2 測頻方法

瞬時測頻開始是用于電子對抗偵察接收機的一種測頻體制，在電子對抗的特定環境中要求在一個脈沖之內測出信號的載頻，通常采用測量時間與測頻精度的乘積進行衡量，該值越小它的瞬時性越好，即測瞬間出現信號的頻率性能優［10］。瞬時測頻接收機可以適用于很多應用場合，而不僅僅是電子對抗領域。

瞬時測頻有若干種機理不同的方法，可以分成2大類［11］：第1類瞬時測頻將信號的頻率信息轉換成幅度信息，然后通過對幅度的測量獲得頻率信息；第2類是將信號通過采樣變成數字信息，然后通過對數字的運算獲得頻率信息。這樣，第1類瞬時測頻技術的關鍵就是根據頻率能產生不同幅度相應的模擬器件和由幅度信息生成頻率信息的編碼電路，按照器件原理的差異又可以分為：多信道法、鑒頻法、干涉儀比相法和駐波檢相法等。這幾種測頻方法都是模擬形式的，它們都是依靠一定形式的高頻器件組合，把微波頻率轉化為其他形式的信號，然后在推算出信號的頻率。而第2大類的關鍵就是采樣量化電路和計算頻率的算法，即核心有2大部分：對信號的采樣和對采樣后信號的運算。

數字式瞬時測頻具有相當的技術性能優勢，特別是在需要對信號的某些參數進行一定的運算時，大規模集成電路的發展為數字測頻提供了硬件平臺，進行數字測頻時可以進行實時處理，也可以將信號存儲起來事后分析。數字測頻的核心在于算法，靈活多樣、測頻精度高是數字測頻的特點，因此已經得到人們越來越多的關注和迅速的發展。采用什么樣的算法要根據實際信號環境以及所要達到的信號精度來確定［12］。

數據擬合法原理簡單直觀，運算量小，對樣本數要求不高，速度快，適于實時處理場合，在高信噪比的情況下精度高。該方法在同時到達信號或頻率分集信號時會引起較大的測頻誤差，測量時盡量使用非微弱區信號樣本。這些應用特點適合于保障陣地的應用。

在信號具有單一載頻簡諧波的條件下，數據擬合法是盡可能好地利用各采樣點的幅度信息的一種算法。對于信號

在采樣周期為T時，將變成序列

不難得出

從而得到

這表明，利用相鄰的3點采樣值就有可能推算出信號的載頻。當量化的精度不夠高時，較小的信號往往會量化成零，式（8）將無法計算。

在實際工程中采用

式中，yi=Si+1+Si-1；xi=2Si；K=cos（ωT）。這個方程表示一批點（xi，yi），其總數為m，它們本來都應該在一條過原點的直線上，線的斜率為K，但由于有誤差，這些點不在一條直線上。目標是求解一條過原點的直線，使各點到直線的距離的平方和最小，然后用這樣優化得到的K值去計算信號的頻率。距離的平方和為：

式中

對K求導，等于0是該和式取極值的條件，

進而解出

由于該方法使用了公式計算，當電壓充分準確時，計算所得頻率值也就可以充分準確。由此可以判斷，量化得越準確精確度越高，或是說比特數將與測頻精度有關，比特數越少，測頻誤差將越大。

3 測量結果分析

在工程應用中可以先測試出檢定系統實際檢定精度δf，根據圖3連接關系可以看出，若將信號源輸出直接連接捷變頻性能檢定儀，測量出的“跟蹤精度”就是檢定系統的測頻精度，分別在±100 MHz、±200 MHz、±400 MHz和±600 MHz上測量20組數據，求出它們的平均值，測量數據如表1所示。

圖3　檢定系統精度測量

表1　捷變帶寬和跟蹤精度

文獻［4］采用了數字相位計算瞬時頻率，利用中頻幅值數據采集電路和相位信息估算頻率，其結果如表2所示。

表2　捷變帶寬和跟蹤精度

對比表1和表2可以看出，該檢定系統具有較寬捷變帶寬，跟蹤精度優于文獻［4］中的方法，更有利于完成捷變頻性能指標的檢定。

4 結束語

捷變頻參數檢定系統基于單脈沖快速測頻技術實現高精度頻率特性測量，利用信號源兩路高穩定度信號輸出，采用系統設計的思想，在中頻完成捷變參數性能檢定，在瞬時測頻上采用了基于相位信息的數據擬合法估算頻率，精度有較大提高。該檢定系統還可以對信號的頻率穩定時間、延遲時間、脈沖寬度和瞬態特性等指標進行測量。該系統有效地解決了捷變頻雷達綜合測試捷變性能測試的難題，但不適合于線性調頻信號和頻率分集信號狀態的綜合測試儀檢定，如有類似應用需采取濾波或變換技術來解決。

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Calibrating Method of Frequency Agility Instrument Accuracy Based on Instantaneous Frequency Measurement Technology

PAN Zhe，DU Wen-chao
（Military Representative Office of Armament Department of PLA Navy Stationed in Tianjin Region，Beijing 100070，China）

Integrated tester of frequency agile radar is an important instrument for frequency agile seeker testing.Since available technology can’t check the performance of dynamic frequency tracking，the paper adopts a system design method to solve the problem. The frequency agile testing requirements are analyzed，and a data-fitting IFM method is proposed，in which the precision and speed satisfy the requirement of tracking test.The system can check the performance of radar integrated tester effectively，and it has been implemented in engineering and achieved good effect.

IFM；missile；frequency agile

TN95

A

1003-3106（2016）05-0095-04

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.24

2016-01-18

潘 哲 男，（1964—），高級工程師。主要研究方向：導彈制導技術總體技術。

杜文超 男，（1978—），博士，工程師。主要研究方向：信號與信息處理技術。