一种基于数字信号重构的单通道单脉冲角跟踪方法
阅读说明：本技术 一种基于数字信号重构的单通道单脉冲角跟踪方法 (Single-channel single-pulse angle tracking method based on digital signal reconstruction ) 是由 吴兆平 蒙艳松 王恺宇 王登峰 王玉凡 杨瑞强 翟军涛 于 2021-06-29 设计创作，主要内容包括：一种基于数字信号重构的单通道单脉冲角跟踪方法,属于空间通信技术领域。本发明能将时间上断续的信号恢复为时间上相位连续的连续信号。基于此,本发明使用微波开关代替传统单通道单脉冲技术中的调制与和路模块,通过控制微波开关分时交替选通和、差信号,后者经过放大、下变频、滤波后被转换成数字信号,在数字域采用本发明的信号重构方法从断续的和信号中恢复出连续的同相和正交信号,并以该重建的同相和正交信号为基准,提取差信号的相对幅度和相位,实现了对目标角度信息的估计。(A single-channel single-pulse angle tracking method based on digital signal reconstruction belongs to the technical field of space communication. The invention can recover the discontinuous signal in time into the continuous signal with continuous phase in time. Based on this, the invention uses the microwave switch to replace the modulation and sum-path module in the traditional single-channel single-pulse technology, the sum and difference signals are alternately gated in time division by controlling the microwave switch, the latter is converted into digital signals after amplification, down-conversion and filtering, continuous in-phase and orthogonal signals are recovered from the discontinuous sum signals by adopting the signal reconstruction method of the invention in a digital domain, and the relative amplitude and phase of the difference signals are extracted by taking the reconstructed in-phase and orthogonal signals as the reference, thereby realizing the estimation of the target angle information.)
技术领域
本发明涉及一种基于数字信号重构的单通道单脉冲角跟踪方法，属于空间通信技术领域。
背景技术
星间/星地单通道单脉冲波束指向跟踪技术在卫星星地和星间通信领域广泛应用，其主要功能是接收目标天线发射的射频信号并形成和、差波束，根据和、差波束信号的幅度和相位计算出本体天线电轴偏离目标天线电轴的角位置偏差，以该偏差信号驱动伺服来控制本体卫星天线的运动，最终实现对目标天线波束的指向对准，建立稳定的星地/星间通信链路。
单通道单脉冲跟踪技术在工程应用中的关键难点在于对和、差通道相位一致性的控制，要求和、差通道在全温范围内和真空环境下的相对相位误差小于一定范围。由于Ka、V甚至THz频段的波长很小，环境的变化极易引起和、差通道相位一致性变差，进而导致跟踪系统不能正常工作。
现有方法主要通过在天线射频输出口将三通道或两通道和、差信号合成为一路信号再进行下变频处理实现对和、差相位一致性的控制。该方法需要对差信号进行相位调制并与和信号进行合成，对相位调制和合路器在全温范围内的相位变化一致性要求很高，尤其在V端甚至更高的THz频段，这种方案往往不能在全温范围内保证和、差通道的相位特性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于数字信号重构的单通道单脉冲角跟踪方法，能将时间上断续的信号恢复为时间上相位连续的连续信号。基于此，本发明使用微波开关代替传统单通道单脉冲技术中的调制与和路模块，通过控制微波开关分时交替选通和、差信号，后者经过放大、下变频、滤波后被转换成数字信号，在数字域采用本发明的信号重构方法从断续的和信号中恢复出连续的同相和正交信号，并以该重建的同相和正交信号为基准，提取差信号的相对幅度和相位，实现了对目标角度信息的估计。
本发明的技术解决方案是：一种基于数字信号重构的单通道单脉冲角跟踪系统，包括：
单脉冲跟踪天线，用于获取和、差信号，并输出至稳相电子开关；
稳相电子开关，用于根据信号处理器输出的开关控制信号分时选通和信号与差信号，并将分时和信号与差信号输出至微波通道；
微波通道，用于将分时和信号与差信号进行放大、滤波和下变频处理后输出至信号处理器；
信号处理器，用于根据开关控制信号的高低电平信息将和信号与差信号分离出来，形成一路在时间上断续的和信号和另一路在时间上断续的差信号；同时对断续的和信号进行捕获与跟踪，并重构出与和信号同相和正交的连续信号，同时获取和信号的能量值；使用本地重构的与信号同相和正交的连续参考信号与差路信号进行混频、滤波，并进行相干积分，获取差信号的同相分量和正交分量值，并以和信号能量值对其进行归一化，从而获取方位差和俯仰差信号，完成对角误差信号的提取；将角误差信号进行滤波后输出给伺服控制器；
伺服控制器，用于根据角误差信号提供的角度信息驱动电机带动机构转动，实现天线波束的扫描，直到信号处理器输出的角度信息小于阈值，从而完成闭环跟踪。
一种基于数字信号重构的单通道单脉冲角跟踪方法，包括如下步骤：
接收空间无线电信号后经馈源激励后形成和通道信号e∑(t)和差通道信号eΔ(t)；
稳相微波电子开关根据开关控制信号对和通道信号e∑(t)与差通道信号eΔ(t)进行二选一导通，得到单通道信号e(t)；
单通道信号e(t)经过信号放大与下变频处理，经过模数转换后成为数字信号；
信号处理器根据开关控制信号，将单通道信号分离成时分的和信号e′∑(t)与差信号e′Δ(t)；
对和信号e′∑(t)进行捕获，捕获成功后采用三阶锁相环对时分和信号e′∑(t)进行跟踪，获取时分和信号的同相和正交连续信号；
采用本地重构的和信号的同相连续信号SI(t)和正交连续信号SQ(t)对差信号e′Δ(t)进行下变频处理，先进行混频，之后再采用低通滤波器滤除二倍高频分量并进行相干积分，获得对方位差ΔVA和俯仰差ΔVE的能量值；
将方位差ΔVA和俯仰差ΔVE的能量值以和信号能量为基准进行归一化处理，获取方位差和俯仰差的估计值；
调整相对相位补偿量，使得和、差信号在微波开关输出前的相对相位差α接近为零，并在为1的时刻输出方位差和俯仰差
将所述方位差和俯仰差发送给伺服电机驱动天线转动，完成天线对信号的闭环跟踪。
进一步地，所述和通道信号e∑(t)和差通道信号eΔ(t)分别为
e∑(t)＝Am cosωt
式中，Amμθ为方位误差信号、俯仰误差信号的合成矢量的幅度，其中Am为和波束信号的幅度，μ为天线的差斜率，A为目标在方位上偏离电轴的角度，E为目标在俯仰上偏离电轴的角度；为差信号合成载波的相位；角误差信息包含在差信号的幅度Amμθ和相位之中。
进一步地，所述采用稳相电子开关根据信号处理器输出的开关控制信号分时选通和信号与差信号，并将分时和信号与差信号输出至微波通道。
进一步地，所述单通道信号e(t)为其中，M和α是和、差两路信号在微波电子开关输出前的微波通道传输路径中由环境变化引起的相对幅度及相位误差；C(t)为周期为T幅度为1和0的方波，为C(t)的取反。
进一步地，所述分时的和信号e′∑(t)与差信号e′Δ(t)分别为e′∑(t)＝AmC(t)cosωt、
进一步地，对和信号e′∑(t)进行捕获，捕获成功后采用三阶锁相环对时分和信号e′∑(t)进行跟踪，获取时分和信号的同相和正交连续信号；采用本地重构的和信号的同相连续信号SI(t)和正交连续信号SQ(t)对差信号e′Δ(t)进行下变频处理，先进行混频，之后再采用低通滤波器滤除二倍高频分量并进行相干积分，获得对方位差ΔVA和俯仰差ΔVE的能量值；
进一步地，所述方位差ΔVA和俯仰差ΔVE的能量值分别为
进一步地，所述在为1的时刻输出的方位差和俯仰差分别为
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)本发明基于信号重构的方法，使用微波电子开关取代了和、差信号相位调制与单通道合成模块，减少了信号传输过程中影响和、差相位变化的因素，提高了单通道单脉冲跟踪系统的环境适应性；
2)本发明采用微波电子开关代替传统方案中的单通道合成器，避免了传统方法中单通道合成时引起的信噪比损失，提高了方位差、俯仰差的估计精度；
3)相比传统相位调制与合成模块，高频段的微波电子开关结构简单，在工程上容易实现，降低了单通道单脉冲技术在Ka、V和THz等高频段的工程应用难度；
4)本发明可直接替换现有单通道单脉冲技术，无需双方目标进行询问和握手。
附图说明
图1基于信号重构的单通道单脉冲角跟踪方法的硬件平台框图
图2是本发明的基于信号重构的单通道单脉冲角跟踪方法流程图；
图3是本发明的微波电子开关的输出信号示意图；
图4和、差信号通过微波电子开关选择后的信号示意图
图5是本发明的基于信号重构的单通道单脉冲角误差信号提取算法。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于数字信号重构的单通道单脉冲角跟踪系统及方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～5所示)：
步骤一：和、差信号的产生
该方法采用单脉冲跟踪天线获取和、差信号，单脉冲天线可采用多喇叭跟踪天线、高次模跟踪或相控阵天线。空间无线电波被该天线接收后会激励天线上的高次模馈源、多喇叭馈源或相控阵天线产生和路、差路两路信号。
步骤二：稳相电子开关的和、差信号分时采集
稳相电子开关为二选一开关，具有较高的隔离度和相对相位稳定性。开关控制信号为TTL电平形式，分为高电平和低电平。稳相电子开关根据信号处理器输出的开关控制信号分时选通和信号与差信号，在高电平时输出和信号、低电平是输出差信号。稳相电子开关输出的信号为分时和信号与差信号。
步骤三：和、差信号的信号重构与角误差信号提取
稳相电子开关输出的分时和信号与差信号经过微波通道放大、滤波和下变频后被信号处理器采集变换为数字信号。数字信号处理器根据开关控制信号的高低电平信息将和信号与差信号分离出来，形成一路在时间上断续的和信号和另一路在时间上断续的差信号。信号处理器采用锁相环跟踪技术对断续的和信号进行跟踪，并重构出与和信号同相和正交的连续信号，同时获取和信号的能量值。使用本地恢复的与信号同相和正交的连续参考信号与差路信号进行混频、滤波和相干积分，获取差信号的同相分量和正交分量值，并以和信号能量值进行归一化从而获取方位差和俯仰差信号，完成对角误差信号的提取。
步骤四：根据误差信号实现对目标信号的闭环跟踪
信号处理器将角误差信号进行滤波后输出给伺服控制器，后者根据角度信息驱动电机带动机构转动，实现天线波束的扫描，直到信号处理器输出的角度信息小于阈值，从而完成闭环跟踪。
在本申请实施例所提供的方案中，一种基于数字信号重构的单通道单脉冲角跟踪方法具体包括如下步骤：
步骤一：根据图3的连接关系安装微波电子开关。天线馈源的和、差信号输出口直接连接具有相同设计的波导，和通道波导与差通道波导末端分别连接具有相同设计的波同转换器件，波同转换后连接微波电子开关，后者的输出采用同轴射频线缆连接后级设备；
步骤二：天线接收空间无线电信号后经馈源激励后形成和通道信号e∑(t)和差通道信号eΔ(t)。
e∑(t)＝Am cosωt (1)
式中，Amμθ为方位误差信号、俯仰误差信号的合成矢量的幅度，其中Am为和波束信号的幅度，μ为天线的差斜率，A为目标在方位上偏离电轴的角度，E为目标在俯仰上偏离电轴的角度。为差信号合成载波的相位。角误差信息包含在差信号的幅度Amμθ和相位之中。
步骤三：稳相微波电子开关根据开关控制信号对和通道信号e∑(t)与差通道信号eΔ(t)进行二选一导通，得到单通道信号e(t)，
其中，M和α是和、差两路信号在进入微波电子开关输出前的微波通道传输路径中由环境变化引起的相对幅度及相位误差。C(t)为周期为T幅度为1和0的方波，可表示为
为C(t)的取反。
步骤四：单通道信号e(t)经过信号放大与下变频处理，经过模数转换后成为数字信号。根据开关控制信号，将单通道信号分离成分时的和信号e′∑(t)与差信号e′Δ(t)，
e′∑(t)＝AmC(t)cosωt (5)
步骤五：采用频域能量检测的方法对和信号e′∑(t)进行捕获，捕获成功后采用三阶锁相环对和信号e′∑(t)进行跟踪。通过设计合理的开关控制信号和环路参数，信号处理器能稳定跟踪这种分时和路信号e′∑(t)，在跟踪过程中可恢复出和路信号e′∑(t)的同相连续信号SI(t)和正交连续信号SQ(t)。
SI(t)＝cos(ωt) (7)
SQ(t)＝sin(ωt) (8)
步骤六：采用同相连续信号SI(t)和正交连续信号SQ(t)对差信号e′Δ(t)进行下变频处理，先进行混频，之后再采用低通滤波器滤除二倍高频分量，获得对方位差ΔVA和俯仰差ΔVE的能量值。
步骤七：将方位差ΔVA和俯仰差ΔVE以和信号为基准进行归一化处理，得到方位差和俯仰差的估计值为
在系统工作时，会调整相对相位补偿量，使得和、差信号在微波开关输出前的相对相位差α接近为零，并在为1的时刻输出方位差和俯仰差
步骤八：将式(13)和式(14)所述方位差和俯仰差送给伺服电机驱动天线转动，完成天线对信号的闭环跟踪。
本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
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