一种多普勒声场偏频测量装置及频率调整方法

技术领域

本发明属于多普勒测频技术领域，具体为一种多普勒声场偏频测量装置及频率调整方法。

背景技术

多普勒效应不仅仅适用于机械波，它也适用于所有类型的波，包括电磁波和引力波，在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以我们在移动通信中要充分考虑多普勒效应，由于日常生活中，我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这不可否认地会给移动通信带来影响，为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑，也加大了移动通信的复杂性，在单色的情况下，眼睛感知的颜色可以解释为光波振动的频率，或者解释为，在1秒钟内电磁场所交替为变化的次数，在可见区域，这种频率越低，就越趋向于红色，而频率越高的，就趋向于蓝、紫色。比如，由氦—氖激光所产生的鲜红色对应的频率为4.74×10

在通信系统中，由于多普勒效应和时钟精度的影响，接收机和发射机之间存在一定的频偏，又由于传播距离的影响，接收机和发射机之间存在一定的时偏，接收机与发射机之间的频偏和时偏会对接收机解调带来影响。

目前，利用多普勒声场频率变化率实现测距是一种快速高精度的无源定位技术，当受目标辐射源限制，机载单站无源系统截获次数很低时，依然可以通过较少的测量次数达到较高的测距精度，传统实现多普勒声场频率变化率测量，即声场偏频测量的信道化、瞬时测频等测频方法需要大量的脉冲数据，再经过时间的积累处理得到的，耗费大量的硬件资源，同时计算量大、时间长、且影响偏频测量精度。

发明内容

(一)解决的技术问题

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种多普勒声场偏频测量装置及频率调整方法，解决了传统实现多普勒声场频率变化率测量，即声场偏频测量的信道化、瞬时测频等测频方法需要大量的脉冲数据，再经过时间的积累处理得到的，耗费大量的硬件资源，同时计算量大、时间长、且影响偏频测量精度的问题。

本发明的目的为：

通过基于互相关的脉组间多普勒频率变化率测量方法，较直接测量信号频率的方法可以大幅度提高测量精度，同时，该方法还使系统的设备量和复杂程度大幅度降低，不仅简化了系统设备，所需的计算量也大大减小，实用性强，解决了传统声场偏频测量的信道化、瞬时测频法等测频方法的测量精度且难以满足单站无源快速定位系统要求的问题，有效提高偏频测量精度，为工程应用和能力升级及扩展提供了良好的技术基础。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多普勒声场偏频测量装置，所述偏频测量装置包括信号脉组接收模块、脉组交互模块、相关峰记录模块、相位差跟踪模块、脉组中频计算模块、频率跟踪模块和偏频计算模块，所述偏频测量装置与测量数学模型建立模块双向连接，所述偏频测量装置的输出端与频率调整模块的输入端连接，所述信号脉组接收模块的输出端通过脉组交互模块与相关峰记录模块的输入端连接，所述相关峰记录模块的输出端通过相位差跟踪模块与脉组中频计算模块的输入端连接，所述脉组中频计算模块的输出端与频率跟踪模块的输入端连接，所述频率跟踪模块的输出端与偏频计算模块的输入端连接。

作为本发明的进一步方案：所述测量数学模型建立模块用于通过接收的声场信号进行频率计算，建立测量数学模型并且进行模型训练。

所述测量数学模型具体如下所示：

设定0时刻接收的声场发射信号为：

s(t)＝g

式中，f

信号到达接收机时的形式为：x

根据时间压缩，信号的频率发射变化并且产生多普勒频率，即：

τ

其次，对上式进行AD采集，设定采样间隔为t

N

相应的采样的数据写成K段，第k段数据为：

k＝0,1,...,K-1；n＝0,1,...,N-1

设t

f

式中，f

设T为测量周期，则在t

f

若T足够小，两脉组间的多普勒频率变化率

由上式件，通过精确测量相邻脉组间信号频差(f

作为本发明的进一步方案：所述信号脉组接收模块采用数字干涉仪接收声场信号脉组。

所述信号脉组接收模块采用数字干涉仪中宽带平面螺旋天线和接收机以一定的测量周期截获一系列脉组，且脉组间多普勒频率变化率等同于声场信号的相对频率变化率。

作为本发明的进一步方案：所述脉组交互模块用于对所接收的脉组进行混频、采样处理并对脉组中的连续脉冲对进行互相关处理。

所述脉组交互模块通过对脉组中的连续脉冲信号进行互相关处理，并构造同一脉组内各相邻脉冲间的互相关函数。

具体如下：

定义第m个脉冲与第m+1个脉冲中频采样信号间的互相关函数为：

式中：

[]

作为本发明的进一步方案：所述相关峰记录模块用于对互相关处理后的数据进行相关峰搜索，并记录相关峰的位置和相位估计值。

作为本发明的进一步方案：所述相位差跟踪模块用于进行相位差跟踪，并检测相位差是否存在突变，若存在突变则对发生突变的脉冲对的相位差进行修正。

由于相位差以2π为周期，因而由上述互相关函数法测得的两个脉冲间相位差通常是包含模糊的，两个脉冲间的实际相位差为

脉组中频计算模块：基于脉冲对的相位差，计算脉组的中频相对频率f

由脉冲对间的相参性，中频频率可表示为：

(m＝1,2,...,M-1)

定义：

基于上述定义，利用用同一脉组内测得的M-1个时移和模糊相位差直接求得脉组的中频相对频率f

频率跟踪模块：用于对脉组的中频相对频率f

偏频计算模块：基于脉组的中频相对频率f

频率调整模块：用于通过滤波算法提取多普勒频率变化率后，并且计算目标声场信号距离，根据目标声场信号距离来对声场频率进行调整。

首先利用Kalman滤波算法提取多普勒频率变化率，其次利用下式计算与目标的距离R，且下式为：

式中，d为天线阵元间距，

一种多普勒声场偏频测量装置的频率调整方法，包括以下步骤：

S100、采用数字干涉仪接收声场信号脉组。

S200、对所接收的脉组进行混频、采样处理并对脉组中的连续脉冲对进行互相关处理。

S300、对互相关处理后的数据进行相关峰搜索，并记录相关峰的位置和相位估计值ΔT

S400、进行相位差跟踪，并检测相位差是否存在突变，若存在突变则对发生突变的脉冲对的相位差进行修正，若不存在突变，则直接进入S500；

S500、基于脉冲对的相位差，计算脉组的中频相对频率f

S600、对脉组的中频相对频率f

S700、基于脉组的中频相对频率f

S800、通过滤波算法提取多普勒频率变化率后，并且计算目标声场信号距离，根据目标声场信号距离来对声场频率进行调整。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明中，通过基于互相关的脉组间多普勒频率变化率测量方法，较直接测量信号频率的方法可以大幅度提高测量精度，同时，该方法还使系统的设备量和复杂程度大幅度降低，不仅简化了系统设备，所需的计算量也大大减小，实用性强，解决了传统声场偏频测量的信道化、瞬时测频法等测频方法的测量精度且难以满足单站无源快速定位系统要求的问题，有效提高偏频测量精度，为工程应用和能力升级及扩展提供了良好的技术基础。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

如图1-2所示，本发明提供一种技术方案：一种多普勒声场偏频测量装置，偏频测量装置包括信号脉组接收模块、脉组交互模块、相关峰记录模块、相位差跟踪模块、脉组中频计算模块、频率跟踪模块和偏频计算模块，偏频测量装置与测量数学模型建立模块双向连接，偏频测量装置的输出端与频率调整模块的输入端连接，信号脉组接收模块的输出端通过脉组交互模块与相关峰记录模块的输入端连接，相关峰记录模块的输出端通过相位差跟踪模块与脉组中频计算模块的输入端连接，脉组中频计算模块的输出端与频率跟踪模块的输入端连接，频率跟踪模块的输出端与偏频计算模块的输入端连接。

测量数学模型建立模块用于通过接收的声场信号进行频率计算，建立测量数学模型并且进行模型训练。

测量数学模型具体如下所示：

设定0时刻接收的声场发射信号为：

s(t)＝g

式中，f

信号到达接收机时的形式为：x

根据时间压缩，信号的频率发射变化并且产生多普勒频率，即：

τ

其次，对上式进行AD采集，设定采样间隔为t

N

相应的采样的数据写成K段，第k段数据为：

k＝0,1,...,K-1；n＝0,1,...,N-1

设t

f

式中，f

设T为测量周期，则在t

f

若T足够小，两脉组间的多普勒频率变化率

由上式件，通过精确测量相邻脉组间信号频差(f

信号脉组接收模块采用数字干涉仪接收声场信号脉组。

信号脉组接收模块采用数字干涉仪中宽带平面螺旋天线和接收机以一定的测量周期截获一系列脉组，且脉组间多普勒频率变化率等同于声场信号的相对频率变化率。

脉组交互模块用于对所接收的脉组进行混频、采样处理并对脉组中的连续脉冲对进行互相关处理。

脉组交互模块通过对脉组中的连续脉冲信号进行互相关处理，并构造同一脉组内各相邻脉冲间的互相关函数。

具体如下：

定义第m个脉冲与第m+1个脉冲中频采样信号间的互相关函数为：

式中：

[]

相关峰记录模块用于对互相关处理后的数据进行相关峰搜索，并记录相关峰的位置和相位估计值。

相位差跟踪模块用于进行相位差跟踪，并检测相位差是否存在突变，若存在突变则对发生突变的脉冲对的相位差进行修正。

由于相位差以2π为周期，因而由上述互相关函数法测得的两个脉冲间相位差通常是包含模糊的，两个脉冲间的实际相位差为

脉组中频计算模块：基于脉冲对的相位差，计算脉组的中频相对频率f

由脉冲对间的相参性，中频频率可表示为：

(m＝1,2,...,M-1)

定义：

基于上述定义，利用用同一脉组内测得的M-1个时移和模糊相位差直接求得脉组的中频相对频率f

频率跟踪模块：用于对脉组的中频相对频率f

偏频计算模块：基于脉组的中频相对频率f

频率调整模块：用于通过滤波算法提取多普勒频率变化率后，并且计算目标声场信号距离，根据目标声场信号距离来对声场频率进行调整。

首先利用Kalman滤波算法提取多普勒频率变化率，其次利用下式计算与目标的距离R，且下式为：

式中，d为天线阵元间距，

一种多普勒声场偏频测量装置的频率调整方法，包括以下步骤：

S100、采用数字干涉仪接收声场信号脉组。

S200、对所接收的脉组进行混频、采样处理并对脉组中的连续脉冲对进行互相关处理。

S300、对互相关处理后的数据进行相关峰搜索，并记录相关峰的位置和相位估计值ΔT

S400、进行相位差跟踪，并检测相位差是否存在突变，若存在突变则对发生突变的脉冲对的相位差进行修正，若不存在突变，则直接进入S500；

S500、基于脉冲对的相位差，计算脉组的中频相对频率f

S600、对脉组的中频相对频率f

S700、基于脉组的中频相对频率f

S800、通过滤波算法提取多普勒频率变化率后，并且计算目标声场信号距离，根据目标声场信号距离来对声场频率进行调整。

综上所得：

通过基于互相关的脉组间多普勒频率变化率测量方法，较直接测量信号频率的方法可以大幅度提高测量精度，同时，该方法还使系统的设备量和复杂程度大幅度降低，不仅简化了系统设备，所需的计算量也大大减小，实用性强，解决了传统声场偏频测量的信道化、瞬时测频法等测频方法的测量精度且难以满足单站无源快速定位系统要求的问题，有效提高偏频测量精度，为工程应用和能力升级及扩展提供了良好的技术基础。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。