一種改進的數字單脈沖技術抗干擾特性研究*

李白燕，張　健

（黃淮學院信息工程學院，河南駐馬店463000）

一種改進的數字單脈沖技術抗干擾特性研究*

李白燕*，張健

（黃淮學院信息工程學院，河南駐馬店463000）

目前的數字單脈沖技術在空放環境中具有精度高以及抗干擾能力強的優勢，但在具有多重環境障礙的室內環境中，其精度和抗干擾能力大大降低，如何抵抗多重路徑反射成為一個亟待解決的課題。鑒于此，提出一個改進的單脈沖技術算法，利用單脈波技術的多重誤差檢測曲線以獲得精確的定位位置，并針對在不同干擾源的情況下做出了分析。通過仿真驗證了這種改進的單脈沖技術的精度和抗干擾特性，證明了這種新算法的有效性。

單脈沖技術；抗干擾；多重路徑反射；精確定位

探測與跟蹤系統已經發展有年，在許多領域，例如醫學、軍事國防、地質探勘等都有一定的發展及應用。在眾多追蹤系統中，已經有各式各樣的方法來偵測各種事物，例如船上利用聲納來偵測水面以下的情況并進行追蹤，民生安全方面也常利用紅外線偵測系統來偵測是否有外人入侵以及追蹤其行徑，而在無線電領域中，最常見的就是利用雷達系統來偵測物體方位、距離、以及速度，雷達的應用舉凡在國防上可以追蹤敵方飛彈或是飛機行徑，以及在民生上可做為汽車防撞裝置。因此偵測系統不論在軍事，或在民生，都有很大的用途［1-3］。單脈沖（Monopulse）技術已經發展多年，至今此常被用作雷達系統、基地臺系統等許多地方。單脈沖系統是偵測系統中常見的系統之一，它不論在定位，或是測量距離以及速度都有許多應用。如Wu J C等人將其發展成室內定位系統，以及Raman S等人做出一個利用于W頻段的單脈沖集成電路雷達系統，偵測來波方位的偵測系統并進行追蹤，此系統可運用在基地臺的來波偵測，也能夠運用在無線電感測上，在軍事國防上亦可作為飛彈尋標器等設備［4-5］。

目前的數字單脈沖技術在空放環境中具有精度高以及抗干擾能力強的優勢，但在具有多重環境障礙的室內環境中，其精度和抗干擾能力大大降低，如何抵抗多重路徑反射成為一個亟待解決的課題。基于此，本文提出一個改進的單脈沖技術算法，利用單脈波雷達的多重誤差檢測曲線以獲得精確的定位位置，并針對在不同干擾源的情況下做出了分析。

1　傳統的單脈沖模型

圖1（a）為傳統單脈波雷達追蹤示意圖，假設欲追蹤目標（如圖中飛機）位在135°，此時圖2（a）中的Σ和Δ波束將接收到各自對應的能量，將Σ和Δ波束接收到的能量振幅相減，即可在Σ-Δ曲線上找到能量相減后的位置和對應的角度（135°），此時Σ波束仍指向90°，在Σ-Δ曲線上90°和目標物（135°）間的能量差距稱之為偏移或錯誤訊號（Off-Axis or Error Signal），利用此訊號驅動步進馬達將Σ波束指向目標物，如圖1（b）所示，重復上述動作，即可持續追蹤目標物［6］。

傳統振幅比較法利用兩波束得到信號誤差率，但因兩波束之間分離的角度是固定的，相對偵測的范圍（θ1-θ2）也被限制住，如圖3所示，因此使用馬達轉動天線達到較大的偵測范圍，這也是傳統單脈波雷達需要高線性度信號誤差斜率的原因之一。

圖1　傳統單脈波雷達追蹤目標示意圖

圖2　傳統單脈波雷達

圖3　傳統單脈波雷達偵測范圍示意圖

2　改進的數字單脈沖技術

圖4為相改進的數字單脈沖技術系統最常見的電路架構圖，它的構成主要是兩支相同的天線，經過比較器之后產生Σ訊號以及Δ訊號，接下來再將兩訊號分別注入到相位偵測器（Phase detector）中，偵測完相位差后再將結果送進后端做訊號處理，讓用戶可以清楚觀察是否偵測到來波訊號以及確認來波訊號的方位［7-8］。這就要求如何從比較器輸出的訊號來觀測來波的方位。

圖4　相位比較單脈沖系統基本電路圖

假設現在有一個波從θ度過來，從圖5可知兩支天線所接收到的波會有

的相位差，其中k為波數（Wave Number），k=2π/λ，d為兩天線間距，θ為接收所在來波的角度，因此我們可以將兩支天線接收到的訊號列成下列數學式：

ωc為中心頻率，在此系統我們運用在2.4 GHz的范圍，也就是說ωc=2π·2.4 G。K是一常數，因此我們將這兩個訊號經過比較器之后，輸出端得到的訊號分別為

圖5　天線接收示意圖

經過數學運算之后，我們可以得到

利用Matlab我們可以算出式（5）的關系如圖6，在此注意圖5的R與x軸的夾角θ，也就是來波的角度，經過式（1）將θ和ψ做轉換后再代入式（5）就可以畫出圖6。由圖6便可以清楚了解到當有來波時，藉由單脈沖系統的相位偵測，我們可以清楚看到從比較器出來的相位差會有一劇烈的變化，因此當在接收端屏幕看到在某一個方位波形有劇烈變化時，便可以猜測出該方位有訊號過來［9-10］。

圖6　αΣ-αΔ對θ關系圖

3　計算機仿真與結果分析

在前面討論中提到利用眾數算法進行角度的判斷，但是于實際的環境時，多重路徑反射訊號將會造成系統的角度誤差。系統在多重路徑干擾訊號影響下，會產生正角度與負角度之誤差偏移量，利用此法將角度的誤差平均化的特性修正偏移誤差量。因為多重路徑反射訊號為隨機變量，下面我們將計算多重路徑反射造成的定位角度誤差。

以下我們將針對二維系統在多重路徑下造成的誤差做分析，單脈沖系統電路架構圖，由2×2天線數組接上偶合器，并于前端分別加入一反射式相移器，用以改變天線間饋入的相位差。將公式中所得到的訊號，經由電路后端耦合器的網絡處理后，我們即可得到一受到多重路徑訊號反射干擾的曲線（如圖7（a）），經由和原本不受多重路徑訊號反射干擾的理想曲線（如圖7（b））做比對時，即可得到角度誤差［11］。

圖8～圖10為不同K值下的定位角度誤差，N=2、4、6、8、16 5種情況。K為直視訊號功率與多重路徑反射訊號功率和的比值。由上述的模擬結果圖可得到兩個結論：

（1）K值愈小，代表多重路徑訊號相對直線接收訊號愈強，則角度偏移量愈大。

（2）K值相同，判讀之N值愈大，則偏移量愈小。

圖7　誤差檢測曲線，N=2

圖8　多重路徑訊號反射干擾造成系統之角度誤差（K=4）

圖9　多重路徑訊號反射干擾造成系統之角度誤差（K=10）

圖10　多重路徑訊號反射干擾造成系統之角度誤差（K=16）

綜上所述，從準確度或精準度兩種不同定位系統結果指針來看，本論文所提出的理論可有效降低多重路徑的干擾，且不需增加龐大的硬件電路或成本［12］。

4　結論

目前的數字單脈沖技術在空放環境中具有精度高以及抗干擾能力強的優勢，但在具有多重環境障礙的室內環境中，其精度和抗干擾能力大大降低，為此，本文針對傳統單脈沖技術在多重障礙環境下的精度和抗干擾能力差的問題，提出一個改進的單脈沖技術算法，利用單脈波雷達的多重誤差檢測曲線以獲得精確的定位位置，并針對在不同干擾源的情況下做出了仿真分析，仿真分析結果顯示，從準確度或精準度兩種不同定位系統結果指針來看，本論文所提出的理論可有效降低多重路徑的干擾，且不需增加龐大的硬件電路或成本。

［1］韓彥明，希信.自適應和差波束形成單脈沖測角研究［J］.現代雷達，2010，32（12）：44-47. Han Yangming，Chen Xixin.A Study on Adaptive Sum and Difference Beamforming and Monopulse Angle Estimation［J］.Modern Radar，2010，12（32）：44-47.

［2］葉建杰.一種應用于GPS抗干擾的改進LCMV算法［J］.電子科技，2013，23（2）：156-158. Ye Jianjie.Application of an Improved LCMV Algorithm in GPS Anti-jamming［J］.Electronic science，2013，2（23）：156-158.

［3］徐偉.線性約束自適應單脈沖測角算法約束條件研究［J］.火控雷達技術，2005，34（1）：38-42. Xu Wei.Research on Constraining Condition for Linearly Constrained Adaptive Monopulse Estimation Algorithm［J］.Fire Controlled Radar Technique，2005，34（1）：38-42.

［4］陳亮，盛衛星，馬曉峰.改進的基于旁瓣對消的單脈沖測角算法［J］.數據采集于處理，2012，27（3）：309-313. Chen Liang，Sheng Weixing，Ma Xiaofeng.Improved Monopulse Estimation Algorithm Based on General Sidelobe Canceller［J］. Journal of Data Acquisition&Processing，2012，3（27）：309-313.

［5］黃飛，盛衛星，馬曉峰.基于廣義旁瓣相消器的快速降秩自適應波束形成算法［J］.兵工學報，2010，31（12）：1637-1642. Huang Fei，Sheng Weixing，Ma Xiaofeng.Afastreduced-Rank Adaptive Beamforming Based on Generalized Sidelobe Canceller［J］.Atca Armamentarii，2010，31（12）：1637-1642.

［6］Davies R C，Brennan L E，Reed L S.Angle Estimation with Adaptive Arrays in External Noise Filed［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1976，12（2）：179-185.

［7］Nickel U L，Chaumette E，Larzabal P.Statistical Performance Prediction of Generalized Monopulse Estimation［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2011，47（1）：381-405.

［8］Yu Kai-Bor，Murrow J.Adaptive Digital Beamforming for Angle Estimation in Jamming［J］.IEEE Transactions on Aerospace andElectronic Systems，2001，37（2）：508-524.

［9］胡航，張皓，宗成閣，等.子陣級自適應單脈沖的四通道主瓣干擾抑制［J］.電波科學學報，2009，24（5）：820-829. Hu Hang，Zhang Hao，Zong Chengge，et al.Four-Channel Mainlobe Jamming Suppression for Adaptive Monopulse Atsubarray Level［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（5）：820-829.

［10］Yang B.Projection Approximation Subspace Tracking［J］.IEEE Trans on Signal Processing，1995，43（1）：95-107.

［11］梁炎夏，李會勇，黃秋欽，等.基于PASTd的圓陣ESPRIT算法［J］.系統仿真技術，2010，6（3）：187-191. Liang Yanxia，Li Huiyong，Huang Qiuqin，et al.An UCA-ESPRIT Algorithm Based on PASTd［J］.System Simulation Technology，2010，6（3）：187-191.

［12］趙英俊，李榮鋒，王永良，等.一種基于共形陣的自適應單脈沖測角方法［J］.電光與控制，2013，20（7）：15-18. Zhao Yingjun，Li Rongfeng，Wang Yong-Liang，et al.Adaptive Monopulse Angle Measurement for Conformal Array［J］.Electronics Optics&Control，2013，20（7）：15-18.

李白燕（1977-），女，河南駐馬店，漢族，碩士，副教授，研究方向為數字信號處理、圖像處理；

張健（1980-），男，河南省駐馬店市，漢族，碩士，講師，研究方向為數字通信。

Adaptive Digital Monopulse Technology Based on Signal Preprocessing*

LI Baiyan*，ZHANG Jiang
（College of information engineering，Huanghuai University，Zhumadian He'nan 463000，China）

At present，the digital Monopulse Technique in open environment，with strong advantages of high precision and anti-interference ability，but in a multiple environmental obstacles of the indoor environment，the accuracy and anti-interference ability are greatly reduced.How to resist the multipath reflection becomes an urgent problem to be solved.an improved monopulse technique is put forward using Monopulse Technique of multiple error detection curve to obtain the precise position and aiming at the different interference source to make an analysis.Through the simulation of the improved single pulse technology of precision and anti-jamming characteristics show that the new algorithm is effective.

single pulse technology；anti interference；multi path reflection；precise positioning

TN911.72

A

1005-9490（2016）05-1098-05

項目來源：河南省科技攻關項目（152102110038）

2015-11-06修改日期：2016-03-14

EEACC:126010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.016