伪码调相多普勒定距原理及其参数设计方法

2017-01-13 13:13阿依夏木力提甫
关键词:伪码载波探测器

阿依夏木·力提甫

(新疆师范大学 物理与电子工程学院,新疆 乌鲁木齐 830054)

伪码调相多普勒定距原理及其参数设计方法

阿依夏木·力提甫

(新疆师范大学 物理与电子工程学院,新疆 乌鲁木齐 830054)

伪随机码具有良好的随机特性,它的自相关函数跟白噪声的自相关函数特征相类似,具有较窄的相关峰值和较宽的功率谱密度,使它易于从其他信号或干扰中分离出来。文章首先介绍军事和国防事业上广泛使用的伪码调相多普勒定距原理,其次研究给定参数条件下的多普勒定距算法,算出来的参数对其Simulink仿真模型提供合理的实验依据。最后,提出伪随机码调相多普勒定距系统的参数选择方法。

伪随机码;自相关函数;合理参数集

在整个电子设计过程中,仿真是耗时最多的工作,也是占用资源最多的一个环节。对于带参数的仿真项目,其所有可能的参数有一个范围。选择出合理的具有代表性的参数子集,可以提高仿真实验的实用性和有效性。

目前对于伪随机码自相关函数模型参数选择方面的研究并不多见,并不存在一个通用的、研究参数之间关系和参数选择的方法。当前大多数参数的选择是根据检测者的经验和反复的实验来进行确定。

文章通过伪码调相多普勒定距系统详细分析了定距原理并确定了具体的参数,这些参数在搭建系统仿真模型时具有很高的参考价值。

1 伪码调相多普勒探测器的工作原理

常用的探测器种类繁多,其组成结构也各不相同,但是各类探测器的工作原理大同小异,即任何一种探测器,必须由发送端到接收端,并且有相应的检测方法。在建立仿真模型时必须要考虑从发送端到接收端的整个信号处理过程,即发送端的信号调制过程和接收端的解调和信号处理过程。文章中的伪码调相探测器是由调相器、载波振荡器、伪码产生器、延时器、混频器、恒虚警放大器、信号处理电路和收、发天线等部分组成,其原理框图如图1所示[1]。

图1 伪码调相多普勒探测器原理框图

2 伪码调相多普勒信号分析

按照图1所示的原理框图,观察各个模块上信号的变化情况,对整个系统进行理论分析,为仿真模型寻找合理的参数集。

伪码调相探测器的发射信号可以表示为:

上式中,At为发射信号的幅度;ω0为载波角频率;m(t)为伪随机m序列,作为二值序列其值为1或-1,At的值为任意值。

发射信号经过反射回来后幅度会发生变化,伪随机码有时间延迟,载波角频率会受多普效应的影响[1],则回波信号可以表示为:

式中,Ar为回波信号的幅度;τ0为反射信号的时间延迟;ωd为多普勒频率。

根据反射回来的信号情况,反射信号的时间延迟τ0用下式[1]计算:

以上τ0的表达式中,R为发射端和接收端之间的距离,Vt为目标对于探测器的相对运动速度(径向速度),c为光速,其值为c=3×108m/s。

假设选择的距离为R=30m,径向速度为Vt=400m/s,载波频率为f0=108Hz。则按照(3)式可以算出τ0的值:

式(2)中多普勒频率ωd是由以下两个公式推算出来的结果:

则根据所给参数按照上式(4)可以算出多普勒频率ωd的值:

设本振信号为:

式中,Al为本振信号的幅度。

载波角频率ω0为ω0=2πf0=2π×108Hz,则:

式(2)的回波信号与式(5)的本振信号相混频,可得混频信号UI(t):

(4)经恒虚警放大限幅处理,得到幅度归一化的输出信号Ua(t):

选择低通滤波器的截止频率时,必须要保证多普勒频率完全能够通过。一般选择小于载波频率、比多普勒频率大的频率(如果仅为提取多普勒频率,则只需比多普勒频率大即可,一般不大于1倍)[1]。

(5)将伪码产生器输出的伪码序列m(t)进行延时,延时量τ主要由系统要求的精度决定,通过延时器的伪码序列Ud(t)为:

(6)将Ua(t)和Ud(t)进行相关检测参考文献[1]得到输出信号UR(τ):

上式(9)中TC为伪随机码码元宽度,N为码元个数,这两个参数相乘可以算出伪随机序列一个周期的长度。由于,在一个伪码序列周期内,多普勒信号的幅度基本不变,故多普勒信号可以移到积分符号外,参考文献[1]故:

式中R(τ-τ0)是自相关函数。当τ0=τ时,R(τ-τ0)取得最大值。τ与t的关系为:

Vr为径向速度。码字频率fN由伪随机码码元宽度TC和码元个数N来确定:

3 伪随机码调相多普勒定距系统的参数选择原理

根据原理框图和对信号处理过程的分析可知,伪随机码调相多普勒定距过程需要几项参数,合理选出这些参数有利于缩短仿真过程所需的时间。这些参数具有密切的相关性,准确把握各项参数间的关系对于能否顺利运行仿真实验是极其重要的。这些参数的选择方式如下:

(1)伪随机码码元宽度N:其长短决定伪随机序列的周期长度。一般取值范围为50ns-100ns,选择小于50ns或者大于100ns的宽度会造成周期过短或者过长会影响仿真速度和失真度。

(2)反射信号的时间延迟τ0:由设备性能决定,时间延迟越短越好。

(3)R为发射端和接收端之间的距离:通常定距实验的实际距离较长,仿真实验一般选取30-100米,可以选择更长距离,距离越长仿真需要的时间越多。

(4)Vt为目标对于探测器的相对运动速度(径向速度):由目标的运动速度决定。

(5)低通滤波器的截止频率f:从混频信号中滤除高频成分,在提取多普勒频率成分时需要选择的频率,一般选择小于载波频率、大于多普勒频率。

在做Simulink仿真实验时,需要调试的另外一个参数是运行时间。时间参数的单位为ns,频率参数单位为MHz,因此调试的运行时间要非常短,一般为0.1s-1s,才能够保证观察提取的多普勒信号一个完整的周期。若时间太长,则结果会出现几个重复的周期;太短,则得不到完整的周期。

4 结束语

文章分析了伪随机码多普勒定距系统的工作原理,并通过对信号处理过程的分析确定了影响系统的各项参数。合理选择参数是伪随机序列多普勒定距系统正确定位的关键。文章的参数选择方法和参考范围对加快仿真速度、提高提取信号质量、短时间内调试系统等方面具有重要的实际应用意义。

参考文献:

[1]阿依夏木·力提甫.伪码调相多普勒定距信号处理电路的设计与仿真[D].南京理工大学硕士论文,2012:20-45.

[2]阿依夏木·力提甫.伪随机m序列自相关函数的Simulink仿真设计与实现[J].新疆师范大学学报(自然科学版),2012:31(4):50-53.

[3]阿依夏木·力提甫.伪码调相系统的Simulink仿真设计与实现[J].新疆师范大学学报(自然科学版),2013,32(4):39-42.

[4]涂友超.典型伪码体制引信参数提取及干扰效果研究[D].南京:南京理工大学,2010:1-35.

[5]樊昌信.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2012:187-190.

[6]张居正.伪随机码调相引信原理及设计[J].制导与引信,2000,(3):1-7.

[7]夏冠云.伪码调相完距系统应用技术研究[D].南京理工大学,2007:5-30.

Pseudorandom Code Phase M odu latio Dopp ler Distance Princip le and Param eter Designing M ethod

AYIXIAMU·Litifu

(CollegeofPhysicsand ElectronicEngineering,Xinjiang NormalUniversity,Urumqi,Xinjiang,830054,China)

The pseudo-random code hasgood randomness,itsautocorrelation functionwith thewhite noise autocorrelation function is similar to thatwith narrow correlation peak and wide peak power spectral density,so it is easy to separate from the other signals or interferences.This paper first introduces the pseudo random code Doppler distance principle,whichwidely usedmilitary careerand the nationaldefense affairs.Then studies the parametersof Doppler distance determining algorithm,parameters calculated to provide reasonable experimental basis for the Simulink simulationmodel.Finally,put forward the selectionmethod of parameters from pseudo-random code phase miduclatio Dopplersystem.

Pseudo-random code;Autocorrelative function;Reasonable parameterset

O454

A

1008-9659(2016)04-0057-04

2016-10-20

新疆师范大学优秀青年教师科研启动基金项目(XJNU201418)。

阿依夏木·力提甫(1980-),女,新疆吐鲁番人,讲师,主要从事电子信息专业目标探测与控制方向的教学与研究。

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