基于調相體制的艦機通訊引導雷達處理方法設計

李林濤 王世嶺

摘要：為提升各型飛行器回收能力和效率，降低飛行器回收設備規模，本文提出了一種基于二相碼調制的GOLD序列偽隨機編碼異頻二次雷達體制、具備艦機通訊能力的高精度測量引導雷達實現方法。重點從系統組成及原理、信號的選擇設計、GOLD序列碼頻率失諧校正和通訊信息解算準確性、仿真測試等方面介紹了如何提供系統對飛行器精密測量同時，實現與機載設備之間高速率、高準確性的信息傳輸。通過工程實現和試驗測試表明，該方法不但保證了雷達的測量精度，而且實現了艦機高速通訊，對各類合作目標回收具有重要參考意義。

關鍵詞：異頻二次雷達；機載應答機；頻率校正；精密跟蹤雷達；GOLD序列偽隨機編碼

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，航母等艦機作戰平臺仍被視為各國海軍的核心力量，其中如何改進和提高各類飛行器回收能力是類似作戰平臺重點研究方向。公開資料顯示，常規引導采用雷達測量和偏差解算、專用鏈路實現信息傳輸、機載數傳設備完成數據收發并上報飛控的引導模式，上述各環節均配備有專用設備完成不同任務[1]。隨著現今信息化技術和飛行器性能的發展，迫切需要對上述大閉環引導系統進行性能優化和效率提升，實現環節精簡和設備集成，以進一步提升關鍵指標和艦機作戰效能。

基于跟蹤雷達和通信雷達原理和應用，本文提出了一種基于二相碼調制的GOLD序列偽隨機編碼異頻二次雷達精確測量體制和偽碼調相通訊方法，可同時實現基于偽碼的高精度測量和艦機實時數據通訊。

2 測量系統組成及原理

為了提高測距測角精度、實現無盲區跟蹤引導，系統采用異頻收發二次雷達體制實現，由機載應答機和地面雷達兩部分組成，各部分組成及原理如圖1所示[2]。二次雷達避免了測距、測角閃爍，提高測量精度和穩定性；實時轉發，在硬件確定條件下可提高測距精度，避免因應答機處理造成的時間不穩定；異頻，避免了同頻一次回波雜波干擾，實現了無盲區測量；但該體制也帶來了雷達與應答機不相參導致的頻偏效應。

1）地面雷達。完成測量詢問的發射和應答回波信號接收處理，得到目標相對于雷達的距離、角度信息；完成目標識別和跟蹤測量，控制雷達各部分對目標保持連續跟蹤；解算目標相對于立項航線的偏差信息或絕對坐標信息，并在下一幀探測電磁波中發送給機載應答機；設備狀態監控、對時及系統信息交互。

2）機載應答機。實時對雷達詢問信號接收及處理；完成頻率校正和身份識別；對雷達通過電磁載波發送的位置或偏差信息進行解算；將準確的偏差信息上報給機載飛控系統；自身狀態監控及控制。

3 調相體制通訊信號設計

3.1 系統硬件體制及難點

如圖1所示，該系統中采用了基于二相碼調制的GOLD序列偽隨機編碼異頻二次雷達體制。上述設計雖提高了測量精度、解決了盲區問題，但二相編碼信號是一種多普勒敏感信號，當多普勒無法忽略時將導致多普勒失諧效應[3]，影響測量處理和通信準確性。

（a）

（b）

以發射35GHz為例，目標運動速度在40m/s～110m/s時，對應多普勒頻偏在9.7KHz～26KHz。127點GLOD序列，前后補零以后，采用原信號（無多普勒）做脈沖壓縮自相關結果如圖3（a）所示，達到127；而26KHz多普勒所引起的信號周期為38.5us，對于25.4us的編碼時寬，其與發射信號自相關結果如圖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）在該雷達體制中不但會造成積累損失，還會導致身份識別誤判、信息解碼錯誤，對目標測量結果出現較大誤差。因此，需要對頻率失諧效應尋找解決方法。

3.2 基于二相碼調制的偽隨機編碼設計

研究表明，偽隨機碼具有自相關性和隨機性好、足夠的碼長和獨立地址數（碼分多址）、易產生控制、抗干擾偵破的特點，是跟蹤測量和通信的較好選擇[3]。偽隨機碼表達式為：

公式1

Gold碼是基于m序列優選對產生的，其滿足下述不等式

公式2

為了滿足雷達高精度測量和信息通訊的雙向要求，系統按照上述公式設計了以GOLD碼為基礎的“GOLD碼+相位調制通訊碼”的信號波形，如圖3所示。其中利用GOLD碼的互相關性，前部采用A、B雙GLOD碼，用于目標頻率搜索校正、身份識別和測量；后端根據通訊協議采用二進制編碼、二相碼調制方式的多個通信碼。每個碼片寬度0.2us，GOLD碼為127位碼片；每個通訊碼塊184位碼片，包括18個通訊字節和楨頭、校驗和等。

4 軟件設計及實現方法

4.1 頻率校正及補償

在該二次雷達系統中，測量對象為運動目標、應答機和雷達之間的不相參頻偏，導致系統必然存在多普勒失諧效應。為了保證應答機能夠準確解算雷達的詢問信號和二相載波數據，需要應答機對雷達探測信號進行頻率校正。本文將發射編碼直接疊加上預調多普勒，并用這個新的編碼去和回波信號相關處理，處理得到較窄的準確多普勒通道，并在該通道下完成后端數據碼塊的信息解算。

以某系統為例，雷達發射頻率為f0=24.3GHz、雷達和應答機的頻率準確度均為1×10-7，則雷達和應答機頻率準確度帶來的最大頻偏效應f0×（1×10-7）×2=4860Hz；假設目標運動速度范圍為-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，因此系統頻偏校正需覆蓋該區域。

為了最大限度節約硬件資源、提高運算效率，采用二級頻率校正設計，即利用3.1章節提到的A、B雙GOLD碼，第一級對A碼進行6通道同時處理，每個通道帶寬3.6KHz，得到積累峰值最強點的通道數N1；第二級在通道N1上再次分6通道對B碼進行同時處理，每個通道600Hz，得到更細分的準確通道數N2。一二級之間采用滑窗處理，僅調節第一級6各通道的頻率校正系數對B碼處理。利用GOLD碼相關積累時，不同頻率失諧其積累峰值能量的差異，可將帶頻偏（失諧）的信號限定在300Hz頻偏校正后通道內，頻率失諧效應影響將大大降低。詳細流程見圖4。

如圖3所示，頻率校正利用了頻率失諧對積累幅度的影響效應，發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，可實現以下優點：①準確的完成頻偏校正，將GOLD碼的處理限定在特定的頻偏通道內，保證處理和后續信息解碼的準確性；②提高壓縮信噪比、獲得較好增益，有利于提高測距精度和身份識別；③采用滑窗式處理，最大限度節約資源和時間，雙級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

假設在每個碼片τ=0.2us內為線性調頻信號，則疊加f0載頻后的實信號的形式為公式5所示。其中，f0為中心載頻頻率，τ為碼片周期，B為信號帶寬。

公式5

利用4.1章節頻率校正算法確定的通道關系、預調特定多普勒后的本振信號與中頻采樣信號進行希爾伯特變化實現[4]。假設某信號與f0存在+10.2kHz頻偏（即實際接收得到的頻率為=f0+10.2kHz），通過雙級頻率校正后，得到預調頻率=（f0+3600*N1+600*N2）kHz=f0+10.0kHz（N1=2，代表粗搜索時的通道數；N2=5，代表精搜索時的通道數），與真實信號僅相差Δf=200Hz。此時，利用sin和cos分別與相乘得到I、Q兩路信號。

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限接近，即圖5所示的Δf=0Hz。要實現頻率校正的絕對對準，要么通道數不變，降低每個通道的搜頻寬度，使每個通道足夠窄；要么搜頻范圍不變，增加多路搜頻通道，使多級搜頻后每個通道足夠窄。但實際工程應用中，受資源限制和搜頻范圍的需要，往往無法保證Δf=0Hz，即在頻偏校正后每個通道內依然存在較小的頻率偏差。

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

當出現圖6所示現象時，則最終解碼存在如圖7所示（圖8為正確解碼結果）的局部亂碼，并最終造成后續解碼錯誤。雖通過校驗和可丟舍掉該楨數據包，但易造成丟幀較多、數據包不夠的現象，影響數據實時率和準確性。

根據I/Q生成原理，I/Q復數信號是公式5實信號的分解，故I/Q絕對能量值和基本為常值。利用該特性，分別對I/Q復數信號進行矢量判斷，并將I/Q能量絕對值進行疊加。上述I、Q實際采樣點存在同相、反相，但不管矢量符號如何變化，其能量值得到了加強，如圖9。圖7中經過I/Q矢量差值處理后，其幅度值穩定、二相碼相位跳變消除，對其解析可得到圖8所示的正確二相碼信息。

對圖9所示二相碼信息按照約定的協議進行處理后，若楨頭楨尾及校驗和均符合協議要求，則視其為正確信息，由應答機通過FPGA芯片端口發送給系統或上位機，從而實現雷達與系統的艦機通訊。

5 實例測試驗證

基于本文提到的“基于二相碼調制的GOLD序列偽隨機編碼異頻二次雷達體制”和頻率校正及相位差值求解方法，在某型雷達系統中進行了實測應用。該系統組成如第2章節所述，應答機主要應用了圖3波形信號和第4章節處理方法；雷達主要利用了4.1章節方法，用于提高積累增益和脈壓峰值的準確性。

利用圖10所示，根據信號設計和通訊協議，預先編制不同的通訊和波形信息（二進制），通過計算機將該波形錄入矢量信號源。通過信號源條件輸出信號幅度和頻率，由應答機對其進行處理計算，并將解算結果上報計算機的檢測軟件。由監測軟件分別對比錄入信號源的信息和應答機解算信息是否一致。錄入信息包含了A、B碼+3組不同信息的組合碼，頻偏設置有-10KHz、0KHz、+5KHz、+10KHz，幅度固定為-5dBm。統計監測軟件記錄的多次實測樣本，所得通訊信息準確率達到100%，滿足精密引導雷達測量及通訊引導需求。

6 結束語

本文針對精密引導雷達高精度測量和高可靠性艦機通訊需求，開展了“基于二相碼調制的GOLD序列偽隨機編碼異頻二次雷達系統體制”模型建立和研究，在硬件處理資源有限的基礎提出了特殊的信息波形設計、多級頻率校正、I/Q差值比較信息解析等方法，實現了對GOLD序列偽隨機編碼在多普勒失諧效應下的積累處理和通訊，解決了精密引導雷達測量精度提升和GOLD序列調相碼信息解析之間的矛盾。通過實際建模仿真、系統外場試飛測試等數據支撐，驗證了該系統及處理方法的可行性、有效性，對后續類似雷達系統研究、GOLD序列調相碼信息解析具有一定指導意義。

參考文獻：

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

[2]張明友.汪學剛. 雷達系統，2006.1。

[3]【英】Clive Alabaster著，張偉、劉洪亮等譯.脈沖多普勒雷達：原理、技術與應用，國防電子信息技術叢書。

[4]丁鷺飛、耿富錄.雷達原理.西安電子科技大學，2004年1月。