李白燕，张　健

（黄淮学院信息工程学院，河南驻马店463000）

一种改进的数字单脉冲技术抗干扰特性研究*

李白燕*，张健

（黄淮学院信息工程学院，河南驻马店463000）

目前的数字单脉冲技术在空放环境中具有精度高以及抗干扰能力强的优势，但在具有多重环境障碍的室内环境中，其精度和抗干扰能力大大降低，如何抵抗多重路径反射成为一个亟待解决的课题。鉴于此，提出一个改进的单脉冲技术算法，利用单脉波技术的多重误差检测曲线以获得精确的定位位置，并针对在不同干扰源的情况下做出了分析。通过仿真验证了这种改进的单脉冲技术的精度和抗干扰特性，证明了这种新算法的有效性。

单脉冲技术；抗干扰；多重路径反射；精确定位

探测与跟踪系统已经发展有年，在许多领域，例如医学、军事国防、地质探勘等都有一定的发展及应用。在众多追踪系统中，已经有各式各样的方法来侦测各种事物，例如船上利用声纳来侦测水面以下的情况并进行追踪，民生安全方面也常利用红外线侦测系统来侦测是否有外人入侵以及追踪其行径，而在无线电领域中，最常见的就是利用雷达系统来侦测物体方位、距离、以及速度，雷达的应用举凡在国防上可以追踪敌方飞弹或是飞机行径，以及在民生上可做为汽车防撞装置。因此侦测系统不论在军事，或在民生，都有很大的用途［1-3］。单脉冲（Monopulse）技术已经发展多年，至今此常被用作雷达系统、基地台系统等许多地方。单脉冲系统是侦测系统中常见的系统之一，它不论在定位，或是测量距离以及速度都有许多应用。如Wu J C等人将其发展成室内定位系统，以及Raman S等人做出一个利用于W频段的单脉冲集成电路雷达系统，侦测来波方位的侦测系统并进行追踪，此系统可运用在基地台的来波侦测，也能够运用在无线电感测上，在军事国防上亦可作为飞弹寻标器等设备［4-5］。

目前的数字单脉冲技术在空放环境中具有精度高以及抗干扰能力强的优势，但在具有多重环境障碍的室内环境中，其精度和抗干扰能力大大降低，如何抵抗多重路径反射成为一个亟待解决的课题。基于此，本文提出一个改进的单脉冲技术算法，利用单脉波雷达的多重误差检测曲线以获得精确的定位位置，并针对在不同干扰源的情况下做出了分析。

1　传统的单脉冲模型

图1（a）为传统单脉波雷达追踪示意图，假设欲追踪目标（如图中飞机）位在135°，此时图2（a）中的Σ和Δ波束将接收到各自对应的能量，将Σ和Δ波束接收到的能量振幅相减，即可在Σ-Δ曲线上找到能量相减后的位置和对应的角度（135°），此时Σ波束仍指向90°，在Σ-Δ曲线上90°和目标物（135°）间的能量差距称之为偏移或错误讯号（Off-Axis or Error Signal），利用此讯号驱动步进马达将Σ波束指向目标物，如图1（b）所示，重复上述动作，即可持续追踪目标物［6］。

传统振幅比较法利用两波束得到信号误差率，但因两波束之间分离的角度是固定的，相对侦测的范围（θ1-θ2）也被限制住，如图3所示，因此使用马达转动天线达到较大的侦测范围，这也是传统单脉波雷达需要高线性度信号误差斜率的原因之一。

图1　传统单脉波雷达追踪目标示意图

图2　传统单脉波雷达

图3　传统单脉波雷达侦测范围示意图

2　改进的数字单脉冲技术

图4为相改进的数字单脉冲技术系统最常见的电路架构图，它的构成主要是两支相同的天线，经过比较器之后产生Σ讯号以及Δ讯号，接下来再将两讯号分别注入到相位侦测器（Phase detector）中，侦测完相位差后再将结果送进后端做讯号处理，让用户可以清楚观察是否侦测到来波讯号以及确认来波讯号的方位［7-8］。这就要求如何从比较器输出的讯号来观测来波的方位。

图4　相位比较单脉冲系统基本电路图

假设现在有一个波从θ度过来，从图5可知两支天线所接收到的波会有

的相位差，其中k为波数（Wave Number），k=2π/λ，d为两天线间距，θ为接收所在来波的角度，因此我们可以将两支天线接收到的讯号列成下列数学式：

ωc为中心频率，在此系统我们运用在2.4 GHz的范围，也就是说ωc=2π·2.4 G。K是一常数，因此我们将这两个讯号经过比较器之后，输出端得到的讯号分别为

图5　天线接收示意图

经过数学运算之后，我们可以得到

利用Matlab我们可以算出式（5）的关系如图6，在此注意图5的R与x轴的夹角θ，也就是来波的角度，经过式（1）将θ和ψ做转换后再代入式（5）就可以画出图6。由图6便可以清楚了解到当有来波时，藉由单脉冲系统的相位侦测，我们可以清楚看到从比较器出来的相位差会有一剧烈的变化，因此当在接收端屏幕看到在某一个方位波形有剧烈变化时，便可以猜测出该方位有讯号过来［9-10］。

图6　αΣ-αΔ对θ关系图

3　计算机仿真与结果分析

在前面讨论中提到利用众数算法进行角度的判断，但是于实际的环境时，多重路径反射讯号将会造成系统的角度误差。系统在多重路径干扰讯号影响下，会产生正角度与负角度之误差偏移量，利用此法将角度的误差平均化的特性修正偏移误差量。因为多重路径反射讯号为随机变量，下面我们将计算多重路径反射造成的定位角度误差。

以下我们将针对二维系统在多重路径下造成的误差做分析，单脉冲系统电路架构图，由2×2天线数组接上偶合器，并于前端分别加入一反射式相移器，用以改变天线间馈入的相位差。将公式中所得到的讯号，经由电路后端耦合器的网络处理后，我们即可得到一受到多重路径讯号反射干扰的曲线（如图7（a）），经由和原本不受多重路径讯号反射干扰的理想曲线（如图7（b））做比对时，即可得到角度误差［11］。

图8～图10为不同K值下的定位角度误差，N=2、4、6、8、16 5种情况。K为直视讯号功率与多重路径反射讯号功率和的比值。由上述的模拟结果图可得到两个结论：

（1）K值愈小，代表多重路径讯号相对直线接收讯号愈强，则角度偏移量愈大。

（2）K值相同，判读之N值愈大，则偏移量愈小。

图7　误差检测曲线，N=2

图8　多重路径讯号反射干扰造成系统之角度误差（K=4）

图9　多重路径讯号反射干扰造成系统之角度误差（K=10）

图10　多重路径讯号反射干扰造成系统之角度误差（K=16）

综上所述，从准确度或精准度两种不同定位系统结果指针来看，本论文所提出的理论可有效降低多重路径的干扰，且不需增加庞大的硬件电路或成本［12］。

4　结论

目前的数字单脉冲技术在空放环境中具有精度高以及抗干扰能力强的优势，但在具有多重环境障碍的室内环境中，其精度和抗干扰能力大大降低，为此，本文针对传统单脉冲技术在多重障碍环境下的精度和抗干扰能力差的问题，提出一个改进的单脉冲技术算法，利用单脉波雷达的多重误差检测曲线以获得精确的定位位置，并针对在不同干扰源的情况下做出了仿真分析，仿真分析结果显示，从准确度或精准度两种不同定位系统结果指针来看，本论文所提出的理论可有效降低多重路径的干扰，且不需增加庞大的硬件电路或成本。

［1］韩彦明，希信.自适应和差波束形成单脉冲测角研究［J］.现代雷达，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］叶建杰.一种应用于GPS抗干扰的改进LCMV算法［J］.电子科技，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］徐伟.线性约束自适应单脉冲测角算法约束条件研究［J］.火控雷达技术，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］陈亮，盛卫星，马晓峰.改进的基于旁瓣对消的单脉冲测角算法［J］.数据采集于处理，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］黄飞，盛卫星，马晓峰.基于广义旁瓣相消器的快速降秩自适应波束形成算法［J］.兵工学报，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，张皓，宗成阁，等.子阵级自适应单脉冲的四通道主瓣干扰抑制［J］.电波科学学报，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，李会勇，黄秋钦，等.基于PASTd的圆阵ESPRIT算法［J］.系统仿真技术，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］赵英俊，李荣锋，王永良，等.一种基于共形阵的自适应单脉冲测角方法［J］.电光与控制，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，河南驻马店，汉族，硕士，副教授，研究方向为数字信号处理、图像处理；

张健（1980-），男，河南省驻马店市，汉族，硕士，讲师，研究方向为数字通信。

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

项目来源：河南省科技攻关项目（152102110038）

2015-11-06修改日期：2016-03-14

EEACC:126010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.016