基于瞬时测频的频率捷变测试仪精度检定方法

潘 哲，杜文超

基于瞬时测频的频率捷变测试仪精度检定方法

潘 哲，杜文超

（海军装备部驻天津军事代表局，北京100070）

频率捷变雷达综合测试仪是测试频率捷变体制导引头性能的重要仪器，针对现有技术无法直接对其动态频率跟踪性能进行检定的现状，采用了系统设计的方法解决该问题。对捷变频测试需求进行了分析，提出了数据拟合法瞬时测频方法，其精度和速度可以满足动态跟踪精度测试的要求。该系统可以有效地检定雷达综合测试仪的性能指标，已经在工程上实现，取得良好的效果。

瞬时测频；导弹；频率捷变

引用格式：潘 哲，杜文超.基于瞬时测频的频率捷变测试仪精度检定方法［J］.无线电工程，2016，46（5）：95-98.

0 引言

频率捷变雷达具有抗干扰能力强、探测距离远、测角精度高和抗海浪杂波干扰的性能好等优点［1］，雷达捷变性能测试是通过捷变频雷达综合测试仪进行检测的。但长期以来，由于受技术条件的限制，只能在点频状态下对捷变频雷达综合测试仪进行性能测试［2］，但在点频状态下的工作性能并不能真实地反映出在捷变频状态下的工作性能，这在一定程度上限制了捷变频雷达导引头的发展和形成战斗力。20世纪五六十年代，瞬时测频技术（Instantaneous Frequency Measuremet，IFM）应运而生［3］，能在短时间内迅速测量目标信号的频率，凭借其在体积、重量和性能方面的优势得到了广泛应用。文献［4-5］提出了通过系统设计的方法将捷变频性能变换到中频进行测试的方法，但没有给出具体的瞬时测频算法；文献［6］对计数式瞬时测频方法和精度进行了研究，但该方法测频精度低；文献［7］通过对单点采样幅度求得相位，再利用相位信息估算瞬时频率，该方法对噪声较为敏感。本文在现有研究基础上对系统设计进行了改进，在瞬时测频中改进了相位获取的方法，提高了测频精度［8］。

1 测试需求分析

捷变频雷达综合测试仪是雷达模拟信号源，模拟雷达真实回波，完成对雷达各项性能指标的测试。雷达发射信号经综合测试仪输入端，由瞬时测频加频率引导方式完成对雷达的自动应答，产生与雷达发射机工作频率相同的微波信号，送入模拟喇叭口，再辐射出来由雷达天线接收，经混频器和本振混频后至中频放大器、检波器形成误差信号，引导导弹准确打击目标［9］。

捷变频雷达综合测试仪是捷变频测试系统中的信号源，要实现对其自动检定，必须先确定检定的项目，明确检定需要的技术，这样才能有针对性地设计检定系统，完成测试仪的自动检定。测试系统组成如图1所示。

图1　捷变频雷达导引头测试系统组成

捷变频雷达综合测试仪工作在捷变状态时，它跟踪雷达输入的射频信号，并共同以雷达的重复频率为周期快速捷变，设雷达频率为fl，捷变频雷达综合测试仪跟踪输出fg，跟踪精度为一个统计值，在雷达综合测试仪捷变带宽之内由大量频率点上的跟踪精度平均而成，其精度为：

式中，fli和fgi为第i个脉冲对应的频率fl和fg。

捷变频雷达是脉间频率捷变的，即不同重频周期内fl和fg随机变化，并且在捷变频点上持续的时间很短，如果检定跟踪精度时采用直接进行测量的方法，在脉冲持续的时间内对射频信号fl和fg测量属于瞬时测频，设对fl和fg测量时产生误差Δfcl和Δfcg，即

可以看出，这个误差除综合测试仪的跟踪误差Δfgi外还有测量射频信号fl和fg误差的合成误差，瞬时测频的测量精度和信号的持续时间成反比，在有限脉冲持续时间内很难得到高精度的测频结果，在计量中要求测量仪器的精度必须比被检对象高一个数量级，以目前的工程能力很难直接在微波段完成频率跟踪精度的检定。

2 检定系统设计

2.1 系统组成

通过系统设计的方法将捷变频雷达综合测试仪跟踪性能的好坏映射到中频［4-5］，通过对中频信号的测量完成对捷变频雷达综合测试仪捷变带宽、跟踪精度、跟踪时间和漏跟概率的检定。采用总线技术，检定系统组成框图如图2所示，该检定系统即可以完成定频参数检定也能检定捷变参数。

图2　检定系统组成

2.2 测频方法

瞬时测频开始是用于电子对抗侦察接收机的一种测频体制，在电子对抗的特定环境中要求在一个脉冲之内测出信号的载频，通常采用测量时间与测频精度的乘积进行衡量，该值越小它的瞬时性越好，即测瞬间出现信号的频率性能优［10］。瞬时测频接收机可以适用于很多应用场合，而不仅仅是电子对抗领域。

瞬时测频有若干种机理不同的方法，可以分成2大类［11］：第1类瞬时测频将信号的频率信息转换成幅度信息，然后通过对幅度的测量获得频率信息；第2类是将信号通过采样变成数字信息，然后通过对数字的运算获得频率信息。这样，第1类瞬时测频技术的关键就是根据频率能产生不同幅度相应的模拟器件和由幅度信息生成频率信息的编码电路，按照器件原理的差异又可以分为：多信道法、鉴频法、干涉仪比相法和驻波检相法等。这几种测频方法都是模拟形式的，它们都是依靠一定形式的高频器件组合，把微波频率转化为其他形式的信号，然后在推算出信号的频率。而第2大类的关键就是采样量化电路和计算频率的算法，即核心有2大部分：对信号的采样和对采样后信号的运算。

数字式瞬时测频具有相当的技术性能优势，特别是在需要对信号的某些参数进行一定的运算时，大规模集成电路的发展为数字测频提供了硬件平台，进行数字测频时可以进行实时处理，也可以将信号存储起来事后分析。数字测频的核心在于算法，灵活多样、测频精度高是数字测频的特点，因此已经得到人们越来越多的关注和迅速的发展。采用什么样的算法要根据实际信号环境以及所要达到的信号精度来确定［12］。

数据拟合法原理简单直观，运算量小，对样本数要求不高，速度快，适于实时处理场合，在高信噪比的情况下精度高。该方法在同时到达信号或频率分集信号时会引起较大的测频误差，测量时尽量使用非微弱区信号样本。这些应用特点适合于保障阵地的应用。

在信号具有单一载频简谐波的条件下，数据拟合法是尽可能好地利用各采样点的幅度信息的一种算法。对于信号

在采样周期为T时，将变成序列

不难得出

从而得到

这表明，利用相邻的3点采样值就有可能推算出信号的载频。当量化的精度不够高时，较小的信号往往会量化成零，式（8）将无法计算。

在实际工程中采用

式中，yi=Si+1+Si-1；xi=2Si；K=cos（ωT）。这个方程表示一批点（xi，yi），其总数为m，它们本来都应该在一条过原点的直线上，线的斜率为K，但由于有误差，这些点不在一条直线上。目标是求解一条过原点的直线，使各点到直线的距离的平方和最小，然后用这样优化得到的K值去计算信号的频率。距离的平方和为：

式中

对K求导，等于0是该和式取极值的条件，

进而解出

由于该方法使用了公式计算，当电压充分准确时，计算所得频率值也就可以充分准确。由此可以判断，量化得越准确精确度越高，或是说比特数将与测频精度有关，比特数越少，测频误差将越大。

3 测量结果分析

在工程应用中可以先测试出检定系统实际检定精度δf，根据图3连接关系可以看出，若将信号源输出直接连接捷变频性能检定仪，测量出的“跟踪精度”就是检定系统的测频精度，分别在±100 MHz、±200 MHz、±400 MHz和±600 MHz上测量20组数据，求出它们的平均值，测量数据如表1所示。

图3　检定系统精度测量

表1　捷变带宽和跟踪精度

文献［4］采用了数字相位计算瞬时频率，利用中频幅值数据采集电路和相位信息估算频率，其结果如表2所示。

表2　捷变带宽和跟踪精度

对比表1和表2可以看出，该检定系统具有较宽捷变带宽，跟踪精度优于文献［4］中的方法，更有利于完成捷变频性能指标的检定。

4 结束语

捷变频参数检定系统基于单脉冲快速测频技术实现高精度频率特性测量，利用信号源两路高稳定度信号输出，采用系统设计的思想，在中频完成捷变参数性能检定，在瞬时测频上采用了基于相位信息的数据拟合法估算频率，精度有较大提高。该检定系统还可以对信号的频率稳定时间、延迟时间、脉冲宽度和瞬态特性等指标进行测量。该系统有效地解决了捷变频雷达综合测试捷变性能测试的难题，但不适合于线性调频信号和频率分集信号状态的综合测试仪检定，如有类似应用需采取滤波或变换技术来解决。

［1］ 刘隆和，姜永华，许爱强.海军战术导弹对抗与反对抗技术［M］.北京：海潮出版社，1999.

［2］ 韩晓东，谭 智，郁文贤.复杂电磁环下有源相控阵雷达导引头抗干扰试验与效能评估技术研究［J］.制导与引信，2014，35（3）：2-5.

［3］ 吴建刚，黄 敏.基于瞬时测频的多分量线性调频信号参数估计［J］.战术导弹技术，2013（5）：45-48.

［4］ 赵海鹰.频率捷变参数检定仪的设计［J］.测试技术学报，2014，28（5）：410-412.

［5］ 姜永华，杜文超.频率捷变雷达综合测试仪频率跟踪精度动态测量方法研究［J］.国外电子测量技术，2004 （5）：15-17.

［6］ 姜永华，杜文超.级数展开法在捷变频雷达综合测试仪误差估计中的应用［J］.海军航空工程学院学报，2003，18（5）：525-527.

［7］ 杜文超，王国宏，张治杰.一种估算调频信号瞬时频率的有效方法［J］.国外电子测量技术，2005（5）：12-16.

［8］ 韩艳峰.直接计数法瞬时测频的误差分析［J］.测控技术，2014，33（5）：154-156.

［9］ 戴 猛，陈叶明.一种频域相位差分测频算法［J］.电子测量技术，2015，38（1）：25-28.

［10］张 君，胡 云，严 静.瞬时超宽带接收机初探［J］.航天电子对抗，2014，30（5）：28-30.

［11］胡来招.瞬时测频［M］.北京：国防工业出版社，2002.

［12］杜文超.捷变频雷达综合测试仪自动校准系统研究［D］.烟台：海军航空工程学院，2004.

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—），高级工程师。主要研究方向：导弹制导技术总体技术。

杜文超 男，（1978—），博士，工程师。主要研究方向：信号与信息处理技术。