CN102360070B - 超宽带脉冲信号接收装置及超宽带脉冲雷达系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超宽带脉冲信号接收装置及超宽带脉冲雷达系统，超宽带脉冲信号接收装置包括：射频接收通道、自适应双门限取样模块、接收模块，其中：超宽带脉冲回波信号由射频接收通道接收后，经过自适应双门限取样模块进行异步直接取样，并将得到的采样信号分配成多路采样信号输送给接收模块，接收模块将接收到的多路采样信号进行同步交替重采样、低位宽数据恢复，得到恢复后的超宽带脉冲回波信号。由于超宽带脉冲信号接收装置无需采用传统的高功耗的高速模数转换器、高速锁相环和高速串转并器，故结构简单、功耗低、成本低，可以充分发挥超宽带脉冲信号在短距高速互联与高精度测量中的优势，同时发挥超宽带脉冲信号应用系统低复杂度的潜力。

Description

超宽带脉冲信号接收装置及超宽带脉冲雷达系统

技术领域

本申请涉及通信技术领域，特别是涉及超宽带脉冲信号接收装置及超宽带脉冲雷达系统。

背景技术

近几年，随着对雷达应用领域的广泛，对雷达的体积、成本、性能等方面的要求也越来越高。

以探测雷达系统为例说明雷达的基本工作原理，探测雷达系统主要包括：发射装置和接收装置，发射装置产生电磁波信号，并发射至外界，所述接收装置用于接收所述发射装置发射的电磁波的散射回波信号进行相应的处理，得到探测目标的相关信息。

由于脉冲超宽带(Impulse Radio-Ultra Wide Band，IR-UWB)技术在穿透能力、精细分辨、精确测距、高速传输、抗多径和抗干扰等方面具有独特的优势，并且，应用超宽带脉冲的系统在工程实现上具有低复杂度、低功耗和低成本的潜力，然而，现有技术中采用超宽带脉冲信号的雷达系统，虽然利用了超宽带脉冲信号作为工作波形，但是，工程实现时，接近于传统的雷达系统，接收装置仍采用复杂的高速采样器、增益控制模块、复杂的时间灵敏度控制，导致整个雷达系统的复杂度高、功耗大、成本高。

此外，现有的超宽带脉冲雷达系统的发射装置采用了正交发射与接收器件，增加了所述雷达系统的复杂度和成本。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种超宽带脉冲信号接收装置及超宽带脉冲雷达系统，以解决现有的超宽带脉冲信号接收装置及超宽带脉冲雷达系统的结构复杂、功耗高及成本高的问题，技术方案如下：

一种超宽带脉冲信号接收装置，包括：射频接收通道、自适应双门限取样模块、接收模块，其中：

所述射频接收通道，用于接收超宽带脉冲回波信号，并提供给所述自适应双门限取样模块；

所述自适应双门限取样模块，用于对接收到的所述超宽带脉冲回波信号进行异步直接采样，得到采样信号，并将该采样信号分配成多路采样信号，提供给所述接收模块；

所述接收模块，用于将接收到的所述多路采样信号，进行同步交替重采样、低位宽数据恢复，得到恢复后的超宽带脉冲回波信号。

优选的，上述超宽带脉冲信号接收装置还包括：与所述接收模块相连的雷达探测模块，用于根据接收到的所述接收模块提供的恢复后的超宽带脉冲回波信号，计算得到探测结果。

优选的，所述自适应双门限取样模块包括：单路转双路数据模块、第一高速比较器、第二高速比较器、第一差分分配器，以及第二差分分配器，其中：

所述单路转双路数据模块，接收所述射频接收通道接收到的回波信号转换成同相回波信号和反相回波信号；

与所述单路转双路数据模块相连的第一高速比较器，用于接收所述同相回波信号，进行高速异步直接采样，得到同相采样信号；

与所述单路转双路数据模块相连的第二高速比较器，用于接收所述反相回波信号，进行高速异步直接采样，得到反相采样信号；

与所述第一高速比较器相连的第一差分分配器，用于将所述同相采样信号分配成多路采样信号，提供给所述接收模块；

与所述第二高速比较器相连的第二差分分配器，用于将所述反相采样信号分配成多路采样信号，提供给所述接收模块。

优选的，所述接收模块包括：

交替接收模块，用于将所述多路采样信号分别进行不同的延时后，进行交替重采样后，转换为多路并行低速数据，提供给所述低位宽数据恢复模块；

低位宽数据恢复模块，用于将接收到的所述多路并行低速数据进行累加处理后，再转换为串行数据，利用该串行数据估算出恢复后的超宽带脉冲回波信号。

优选的，所述交替接收模块包括：第一延时接收模块、第二延时接收模块和低压差分接收模块，其中：

所述第一延时接收模块，用于对所述第一差分分配器得到的多路采样信号进行各不相同的时间延时接收后，提供给所述低压差分接收模块；

所述第二延时接收模块，用于对所述第二差分分配器得到的多路采样信号进行各不相同的时间延时接收后，提供给所述低压差分接收模块；

所述低压差分接收模块，用于对所述延时接收模块提供的信号利用低压差分传输方式进行传输，输出以多路并行低速数据。

优选的，所述低位宽数据恢复模块包括：累加模块、并转串模块、信号恢复模块，其中：

所述累加模块，用于将所述多路并行低速数据进行周期性累加处理后，提供给所述并转串模块；

所述并转串模块，用于将所述累加模块提供的并行数据转换为串行数据提供给所述信号恢复模块；

所述信号恢复模块，利用所述将所述并转串模块提供的串行数据估算得到恢复后的超宽带脉冲回波信号。

优选的，所述雷达探测模块包括：平滑窗处理模块、雷达门限检测模块，其中：

所述平滑窗处理模块，用于将所述恢复后的超宽带脉冲回波信号进行平滑滤波，得到平滑滤噪后的超宽带脉冲信号；

所述雷达门限检测模块，用于利用所述平滑滤噪后的超宽带脉冲回波信号计算得到目标判决结果。

优选的，上述超宽带脉冲信号接收装置，还包括：与所述第一高速比较器及第二高速比较器相连的采样门限自适应控制模块，用于根据所述恢复后的超宽带脉冲回波信号计算得到最优的采样门限值，提供给所述第一高速比较器和所述第二高速比较器。

优选的，上述超宽带脉冲信号接收装置，还包括：与所述接收模块相连的通信模块，用于根据所述接收模块提供的恢复后的超宽带脉冲回波信号进行通信，或者，

与所述接收模块相连的测距模块，用于根据所述接收模块提供的恢复后的超宽带脉冲回波信号计算得到目标的距离信息。

一种超宽带脉冲雷达系统，包括：超宽带脉冲信号发射装置，以及权利要求上述的超宽带脉冲信号接收装置，其中：

所述超宽带脉冲信号发射装置包括：脉冲生成模块、合路器、第一带通滤波器、第一放大器、高速开关、天线、低噪声放大模块、第二带通滤波模块及第二放大器；

所述脉冲生成模块产生的正负极性的超宽带脉冲信号经过所述合路器合并成一路超宽带脉冲信号，该超宽带脉冲信号经过所述第一带通滤波器过滤得到所需要的带宽内的超宽带脉冲信号后，所述第一放大器对得到的带宽内的超宽带脉冲信号进行放大后，放大后的所述超宽带脉冲信号经过所述高速开关后，通过所述天线向自由空间辐射；

所述高速开关打至接收状态，接收发射出的所述超宽带脉冲信号的回波信号，接收到的所述回波信号通过所述低噪声放大模块进行低噪声放大后再经过第二带通滤波器进行带通滤波处理后，再经过所述第二放大器进行放大后提供给所述射频接收通道。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，该超宽带脉冲信号接收装置通过自适应双门限取样模块对所述超宽带脉冲信号进行异步直接取样，并将采样得到的信号分配成多路采样信号，实现了对高速数据的采样，从而避免使用传统的高功耗的模数转换器，由于采用异步采样，故不需要使用高速锁相环和高速串转并器件。而且在接收侧对所述多路采样信号中的每一路高速数据进行低速重采样，再将采样得到的合并，进行低位宽数据恢复，得到恢复后的超宽带脉冲信号，最后根据该恢复后的超宽带脉冲信号计算得到探测结果。由于本申请提供的超宽带脉冲信号接收装置，不需要采用传统的高功耗的高速模数转换器、高速锁相环和高速串转并器，因此结构简单、功耗低、成本低充分发挥了超宽带脉冲信号在短距高速通信与高精度测量时的优势，且发挥了超宽带脉冲信号的应用系统的低复杂度的潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一种超宽带脉冲信号接收装置的结构示意图；

图2a为本申请实施例一种自适应双门限取样模块的结构示意图；

图2b为一种恢复后的超宽带脉冲回波信号的波形图；

图3为本申请实施例一种接收模块和雷达探测模块的结构示意图；

图4为雷达探测结果波形图；

图5为本申请实施例超宽带脉冲信号发射装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

请参见图1，示出了本申请实施例一种超宽带脉冲信号接收装置的结构示意图，主要包括：射频接收通道100、自适应双门限取样模块200、接收模块300，其中：

所述射频接收通道100，用于接收超宽带脉冲回波信号，并提供给所述自适应双门限取样模块200；

所述自适应双门限取样模块200，用于对接收到的所述超宽带脉冲回波信号，进行异步直接采样，并对得到的采样信号分配成多路采样信号，提供给所述接收模块300；

具体实施时，所述自适应双门限取样模块200，将接收到的超宽带脉冲回波信号转换为两路回波信号，其中一路与所述超宽带脉冲回波信号的相位相同，另一路与所述超宽带脉冲回波信号的相位相反，再对这两路回波信号通过两个使用同一个采样门限的高速比较器，进行异步采样，使用同一个采样门限，大大简化了电路结构。再将两个高速比较器的输出通过差分分配器，分配成多路信号，然后将分配后的多路信号提供给所述接收模块300。

异步采样方式，由于不受同步时钟速率与串转并器件的限制，转换速率直接取决于高速比较器的最小脉冲宽度，通常可达100ps左右，本实施例中，高速比较器的最小脉冲宽度与发射装置所发射的基带脉冲的最小宽度相同，具体为125ps，即可以实现高达8GSPS的采样速率。

所述接收模块300，用于将接收到的所述多路采样信号，进行同步交替重采样、低位宽数据恢复，得到恢复后的超宽带脉冲回波信号。

所述雷达探测模块400，用于根据接收到的所述恢复后信号进行计算得到探测结果。

具体实施时，接收模块300可以通过FPGA(Field-Programmable GateArray，即现场可编程门阵列)芯片实现。

为了使用较低的时钟频率500MHz来采集8Gbps的数据，本发明实施例利用FPGA芯片内可变并行度双倍速率交替重采样的方法，即使用FPGA芯片内500MHz时钟，且使FPGA芯片工作于双倍速率模式下这样可以采样1Gbps的信号，而所述自适应双门限取样模块200采样得到的是8Gbps的采样信号，因此需要利用的差分分配器，将每路采样信号分配成8路相同的采样信号，两组回波信号一共16路。

这样，使用FPGA芯片内的延时接收模块分别对每一组回波信号中的8路信号，分别进行(n/8)纳秒，其中，n＝1、2、3、4、5、6、7、8，每一组回波信号有8路经过不同延时的相同信号，然后再使用FPGA芯片内的低压差分接收模块(Low-Voltage Differential Signaling，LVDS)进行接收处理，对每一路采样信号采样出1Gbps的数据率，将每一组的8路数据合并后相当于采样得到了8Gbps的数据率，利用所述低压差分接收模块输出的串转并功能，将每组8路数据转换为多路低速数据进行并行处理，从而降低了数据的速率。

为了提高信噪比，通常在接收端采用积累方式，即数字域中的累加处理，而且，由于本发明实施例的采样位宽较低，为了从采样得到的离散值中获得原始回波信号，需要多个脉冲周期，将得到的多路并行数据进行多周的实时累加处理，得到的并行数据的速度进一步大大降低，然后这些数据通过并转串模块，按原始时间的关系拼接成原始双路数据。

优选的，参见图1，上述实施例提供的超宽带脉冲接收装置，还包括与所述接收模块相连的雷达探测模块400，根据接收到的所述接收模块300提供的恢复后的超宽带脉冲信号计算得到探测结果。

具体的，将接收到的所述接收模块300提供的恢复后的超宽带脉冲信号进行滑窗操作、雷达门限检测，最后将检测后的结果进行判断并输出。

优选的，上述实施例提供的超宽带脉冲信号接收装置，还可以包括：与所述接收模块相连的通信模块，利用超宽带脉冲回波信号进行通信。

优选的，上述实施例提供的超宽带脉冲信号接收装置，还可以包括：测距模块，利用所述超宽带脉冲回波信号计算得到目标的距离。

请参见图2a-2b及图3-4，图2a示出了本申请实施例自适应双门限取样模块的结构示意图，图2b示出了一种恢复后的超宽带脉冲回波信号的波形，图3示出了本申请实施例的接收模块和雷达探测模块的结构示意图，图4示出了一种雷达检测结果波形图。

与图1所对应的实施例相比，本实施例更具体的说明了该超宽带脉冲信号接收装置的结构组成和工作过程。

该超宽带脉冲信号接收装置包括：射频接收通道100、自适应双门限取样模块200、接收模块300、雷达探测模块400，其中：

具体的，所述接收模块300和雷达探测模块400可以通过FPGA芯片实现。

参见图2a，所述自适应双门限取样模块200包括：单路转双路数据模块201、第一高速比较器202、第二高速比较器203、第一差分分配器204、第二差分分配器205，其中：

单路转双路数据模块201，将所述射频接收通道100接收到的超宽带脉冲回波信号，转换为两路相位相反的回波信号，其中的一路回波信号是与所述超宽带脉冲回波信号同相的同相回波信号，另一路回波信号是与所述超宽带脉冲回波信号反相的反相回波信号。

所述第一高速比较器202，用于对所述同相回波信号进行异步采样，得到同相采样信号；

所述第二高速比较器203，用于对所述反相回波信号进行异步采样，得到反相采样信号；

具体的，所述第一高速比较器202和第二高速比较器203的最小脉冲宽度设定为与发射装置所发射的基带脉冲的最小宽度相同的值，具体为125ps，即可以实现8GSPS的采样速率，远远高于同步采样所能达到的最大采样速率。

而且，两个高速比较器使用同一个采样门限即可实现对正、负电平的检测，因为单路转双路数据模块201的存在可以避免使用负门限电平，单路转双路数据模块201，将单路回波信号分配成两路回波信号，且将其中的一路进行反相后，即反相回波信号。对该反相回波信号使用与同相回波信号相同的正门限能够检测到负电平信号的目的，且仅使用了单路转双路数据模块201这样一个无源器件，实现了使用同一个采样门限，简化了电路结构。

采样的表达式为：

$d_{+}=\left\{\begin{array}{cc}1,& r({\mathrm{iT}}_s+\mathrm{kT})>\mathrm{\&theta;}\\ 0,& r({\mathrm{iT}}_s+\mathrm{kT})<\mathrm{\&theta;}\end{array}\right.,$ $d_{-}=\left\{\begin{array}{cc}1,& \stackrel{\&OverBar;}{r}({\mathrm{iT}}_s+\mathrm{kT})>\mathrm{\&theta;}\\ 0,& \stackrel{\&OverBar;}{r}({\mathrm{iT}}_s+\mathrm{kT})<\mathrm{\&theta;}\end{array}\right.$ (式1)

式中，T_s为脉冲周期，T为采样周期，θ为门限，r(iT_s+kT)为第i个周期中的第k个采样周期对应的回波信号，为经过单路转双路数据模块反相后的回波信号，d₊，d_-采样后得到的两路数据。

第一差分分配器204，用于将所述第一高速比较器202输出的同相采样信号分配成多路采样信号；

第二差分分配器205，用于将所述第二高速比较器203输出的反相采样信号分配成多路采样信号；

为了使用FPGA芯片内的高速锁相环所支持的最高时钟频率500Hz来采集8Gbps的数据，利用FPGA芯片内可变并行度双倍速率交替重采样的方法，需要利用所述第一差分分配器204和第二差分分配器205将两路采样信号分配成多路采样信号提供给接收模块300进行交替重采样接收。

所述第一差分分配器204和第二差分分配器205的分配比根据所述FPGA芯片的最高时钟频率及接收到的超宽带脉冲回波信号的速率设定。

在本实施例中，超宽带脉冲回波信号经过高速比较器采样后的速率为8Gbps，FPGA芯片可以达到的最高采样速率1GSPS，故上述两个差分分配器的分配比为1∶8，即将一组回波信号分配成8路相同的回波信号，一共为16路回波信号。

参见图3，所述接收模块300，包括：交替接收模块310和低位宽数据恢复模块320，其中：所述交替接收模块包括：第一延时接收模块311、第二延时模块312和低压差分接收模块313；所述低位宽数据恢复模块包括：第一累加模块321、第二累加模块322、并转串模块323、信号恢复模块324。

所述第一延时接收模块311，用于对所述第一差分分配器204得到的8路回波信号分别进行(n/8)纳秒，其中，n＝1、2、3、4、5、6、7、8，提供给低压差分接收模块；.

所述第二延时接收模块312，用于对所述第二差分分配器205得到的8路回波信号，分别进行(n/8)纳秒，其中，n＝1、2、3、4、5、6、7、8，提供给低压差分接收模块。

FPGA芯片内的低压差分接收模块(Low-Voltage Differential Signaling，LVDS)，对延时后的回波信号进行接收处理，对每一路采样信号采样出1Gbps的数据率，将每一组的8路数据合并后相当于采样得到了8Gbps的数据率，再利用所述低压差分接收模块输出的串转并功能，将每组8路数据转换为多路低速数据进行并行处理，从而降低了数据的速率。

为了提高信噪比，将多个脉冲周期的多路低速并行数据，进行实施累加，得到的并行数据的速率进一步大大降低，提供给并转串模块323。

具体的，所述第一累加模块321，用于将所述两组多路并行低速数据中的一组进行周期性累加处理后，提供给所述并转串模块323。所述第二累加模块322，用于将所述两组多路并行低速数据中的另一组进行周期性累加处理后，提供给所述并转串模块323。

所述并转串模块323，用于将所述累加模块提供的并行数据转换为串行数据提供给所述信号恢复模块324

信号恢复模块324，利用所述将所述并转串模块提供的串行数据估算得到恢复后的超宽带脉冲回波信号。

由于本申请实施例采用了双采样门限，将整个幅度空间分成了三份，即量化位数为3，因此，需要将两路1bit数据(d₊，d_-)转化为单路的3电平数据，该电平数据定义为

其中，

表示第i个脉冲周期中的第k个采样点的幅度位于第n个幅度区间内，其中n为量化位数，在本发明实施例中n具体为3。因此，代表正部分幅度空间，

代表0值附近幅度空间，

代表负值附近幅度空间。假设总共存在N_t个探测周期，定义

代表将所有周期进行积累后第k个采样点的幅度位于第n个幅度区间内。

原始超宽带脉冲回波信号值为s_i，k，噪声方差为σ，则超宽带脉冲回波信号r_i，k位于量化区间l_n的概率为 ${\mathrm{\&rho;}}_{n,k}:=\hat{P}(r_{i,k}=l_n;s_{i,k},\mathrm{\&sigma;}),$ n＝1，2，3。根据得到的N_t个周期的采样值

可以将此概率近似写成：

$\hat{P}(r_{i,k}=l_n;s_{i,k},\mathrm{\&sigma;})=\left\{\begin{array}{c}1-Q\left(\frac{\mathrm{\&theta;}-s_{i,k}}{\mathrm{\&sigma;}}\right)=N_k^{l_1}/N_t\\ Q\left(\frac{\mathrm{\&theta;}-s_{i,k}}{\mathrm{\&sigma;}}\right)-Q\left(\frac{-\mathrm{\&theta;}-s_{i,k}}{\mathrm{\&sigma;}}\right)=N_k^{l_2}/N_t\\ Q\left(\frac{-\mathrm{\&theta;}-s_{i,k}}{\mathrm{\&sigma;}}\right)=N_k^{l_3}/N_t\end{array}\right.$ (式2)

上式中

由于采用了N_t个周期，因此此概率的最小分辨率为1/N_t，在实际中，应将所有

的值修改为

从而避免0值出现，否则在Q函数计算时，会出现无穷大的情况。

由式2可以求出在无发射脉冲信号时，可以通过采样后的离散值估计出原始超宽带脉冲回波的噪声方差，即

$\widehat{\mathrm{\&sigma;}}=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\frac{\mathrm{\&theta;}}{Q^{-1}(N_k^{l_1}/N_t)}-\frac{\mathrm{\&theta;}}{Q^{-1}(N_k^{l_3}/N_t)})$ (式3)

同样，在有发射脉冲信号时，原始超宽带脉冲回波信号可以被估计为：

$s_{i,k}=\frac{\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}{2}(Q^{-1}(N_k^{l_1}/N_t)-Q^{-1}(N_k^{l_L}/N_t))$ (式4)

通过以上方法，初步完成了从采样信号离散值中恢复出原始的超宽带脉冲回波信号，图2b示出了一种超宽带脉冲回波信号的波形图，其横坐标标为距离，纵坐标为超宽带脉冲信号的相对幅度值。

参见图3，所述雷达探测模块400包括：平滑窗处理模块410和雷达门限检测模块420，

所述平滑窗处理模块410，用于将所述恢复后的超宽带脉冲回波信号进行平滑滤波，得到平滑滤噪后的超宽带脉冲信号。

所述雷达门限检测模块420，利用所述平滑滤噪后的超宽带脉冲回波信号计算得到目标判决结果。

所述平滑滤噪后的超宽带脉冲回波信号选择最大能量所在的区域，假定该区域为信号所在区域，从而计算得到该信号的强度与位置信息，并根据计算得到的信号估计值得到判决门限，再将平滑滤噪后的超宽带脉冲回波信号和所述判决门限进行判决，选择出超过所述判决门限的区域，进行合并聚类处理，如果存在超过所述判决门限的信号，则判定为目标存在，并对目标的位置进行估计；如果存在多个超过判决门限的区域，且这些区域具有一定的间隔互不重叠，则判决为存在多个目标，并输出目标判决结果。

图4示出了一种雷达检测结果，该图中横坐标表示距离，纵坐标表示脉冲相对幅度，该图所示的波形在7m处脉冲的相对幅度最大，表明目标位于此位置。

如果第一高速比较器和第二高度比较器的初始采样门限设置不合理，如果采样门限设置过高，则会导致信号的漏检；如果采样门限设置的过低，则会加大噪声对结果的影响，最终导致超宽带脉冲回波信号的估计结果误差过大。

因此，优选的，参见图2a，上述的所有的超宽带脉冲信号接收装置实施例还包括：与所述第一高速比较器204和所述第二高速比较器205相连的采样门限自适应控制模块500，其中：

该采样门限自适应控制模块采用门限扫描方法，更新采样门限，将所述N_t个脉冲重复周期分为D_S份，量化门限每隔N_t/D_S个脉冲周期进行一次更新。设量化门限最大值为DR，则其每一次更新的步长为DR/D_S，而每一次量化门限的值为n·DR/D_S，其中n＝1，...，D_S，表示D_S个更新周期。通过对量化门限由小到大的扫描，可以对整个超宽带脉冲的幅度空间进行检测，然后将每一次的结果积累得到

值。经过门限的扫描后，由于获得了多个门限情况下的信号过门限情况，通过式3和式4计算出的噪声方差与回波信号离散值将会更加准确。

动态设置采样门限具有以下优势：

(1)、通过合理设置采样门限可以去除噪声对信号的影响，例如，在信号较强时，动态的提高采样门限，将噪声压于l₂区域内，可以很好地抑制噪声的影响；

(2)、在脉冲周期的不同适合设置不同的采样门限，可以起到增益控制的作用，可以抑制一部分的强杂波干扰，例如，将采样门限设置成按距离衰减的形式，可以实现传统雷达灵敏度时间控制(sensitivity time control，STC)的功能，对于多目标的检测具有很大的优势。

但是实际应用时，不需要每次都获取完整的信号值，通过使用上述的门限扫描获取信号估计后，由于信噪比的情况以及信号幅度范围不会再较短的时间内发生剧烈变化，因此，利用得到的信号估计值设置一个合理的固定采样门限值，只有当环境或信噪比情况发生较大的变化时，才需进行采样门限扫描。

下面详细说明如何得到所述合理的固定采样门限值：

在本发明实施例中，所述采样门限自适应控制模块500包括：数模转换装置501、数模转换驱动模块502和最优门限计算模块503，其中，所述数模转换驱动模块502和最优门限计算模块503可以通过所述FPGA芯片内的功能模块实现。

所述最优门限计算模块503根据最大能量区域的信号估计值，计算得到最优采样门限值；

具体的，使用计算Fisher信息量的方法，得出在给定信号电平下的最优Fisher量所对应的门限值，其中接收的超宽带脉冲回波信号的Fisher值可以为：

$J=\underset{l_n}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{{\left(\frac{\&PartialD;}{{\&PartialD;s}_{i,k}}\hat{P}(r_{i,k}=l_n;s_{i,k},\mathrm{\&sigma;})\right)}^2}{\hat{P}(r_{i,k}=l_n;s_{i,k},\mathrm{\&sigma;})}$ (式5)

由于

是关于(l_n，θ，s_i，k，σ)的函数，根据式2可以得出根据最大化Fisher量得到量化门限的表达式为：

θ_opt＝arg max_Δ(J(l_n，θ，s_i，k，σ))：＝f_Δ(l_n，s_i，k，σ)  (式6)

根据式6可以得到了经过优化后的量化门限值。式中s_i，k需要从接收到的量化信号中进行估计，可以由式4估计得到。

对于简单的固定采样门限的设置，可以通过计算平滑窗处理模块检测后的信号值来代替s_i，k。对于采样门限随距离衰减的情况，可以事先估计好s_i，k在不同位置的值，得出随距离衰减变化的s_i，k，再代入式6得到相应的固定采样门限值。

本申请实施例还提供一种超宽带脉冲雷达系统，包括：超宽带脉冲信号发射装置和超宽带脉冲信号接收装置，其中，超宽带脉冲信号接收装置上述的所有实施例已经详细介绍，此处不再赘述。

本系统为保证超宽带脉冲发射装置与超宽带脉冲信号接收装置之间的时钟同步，使用所述超宽带脉冲信号接收装置内的FPGA芯片内的锁相环与时序控制模块600为整个雷达系统提供时钟基准，锁相环与时序控制模块600的输入为FPGA芯片外的温补晶体振荡器，具有可控延时输出，最小延时可达到125ps，因此，可以使用两路具有一定相位差的时钟，通过脉冲生成模块生成脉冲宽度可控的超宽带脉冲。

请参见图3，为了扩展雷达的功能，使其具备通信传输的能力，本发明实现了发射脉冲的双极调制，脉冲生成模块700可生成正、负极性两种脉冲：当数据为0时输出负脉冲，此时正脉冲无输出；当数据为1时输出正脉冲，此时负脉冲无输出。所述脉冲生成模块700可以通过所述FPGA内的功能模块实现

如图5所示，所述超宽带脉冲信号发射装置包括：合路器1、第一带通滤波器2、第一放大器3、高速开关4、天线5、低噪声放大模块6、第二带通滤波模块7及第二放大器8，其中，

脉冲生成模块700产生的正、负极性的超宽带脉冲经过第一发射脉冲接口9和第二发射脉冲接口10接收至该超宽带脉冲信号发射装置中，其中所述第一发射脉冲接口9用于接收负极性脉冲，所述第二发射脉冲接口10用于接收正极性脉冲，再经过合路器1，两路脉冲合并为一路使其在数据0时输出负脉冲，数据为1时输出正脉冲。然后，将超宽带脉冲信号通过第一带通滤波器2，过滤得到系统带宽内的信号，即频率为1-2GHz的信号，然后，使用第一放大器3将获得的带通信号进行放大，再经过高速开关4后通过天线5向自由空间辐射。

当超宽带脉冲信号通过天线5向外发射后，通过控制脉冲接口12接收到的时序控制脉冲，立即将高速开关4打至接收状态，接收超宽带脉冲回波信号，然后对接收到的超宽带脉冲回波信号通过低噪声放大模块6，进行低噪声放大，再由第二带通滤波模块7进行带通滤波处理，然后，经过第二放大器8进行放大处理后，通过同轴电缆接口11送入所述射频接收通道100。

所述控制脉冲接口与图3所示的所述FPGA芯片内的开关控制模块800相连。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于装置实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，包括：射频接收通道、自适应双门限取样模块、接收模块，其中：

所述射频接收通道，用于接收超宽带脉冲回波信号，并提供给所述自适应双门限取样模块；

所述自适应双门限取样模块，用于对接收到的所述超宽带脉冲回波信号进行异步直接采样，得到采样信号，并将该采样信号分配成多路采样信号，提供给所述接收模块；

所述接收模块，用于将接收到的所述多路采样信号，进行同步交替重采样、低位宽数据恢复，得到恢复后的超宽带脉冲回波信号。

2.根据权利要求1所述的超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，还包括：与所述接收模块相连的雷达探测模块，用于根据接收到的所述接收模块提供的恢复后的超宽带脉冲回波信号，计算得到探测结果。

3.根据权利要求2所述的超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，所述自适应双门限取样模块包括：单路转双路数据模块、第一高速比较器、第二高速比较器、第一差分分配器，以及第二差分分配器，其中：

所述单路转双路数据模块，接收所述射频接收通道接收到的回波信号转换成同相回波信号和反相回波信号；

与所述单路转双路数据模块相连的第一高速比较器，用于接收所述同相回波信号，进行高速异步直接采样，得到同相采样信号；

与所述单路转双路数据模块相连的第二高速比较器，用于接收所述反相回波信号，进行高速异步直接采样，得到反相采样信号；

与所述第一高速比较器相连的第一差分分配器，用于将所述同相采样信号分配成多路采样信号，提供给所述接收模块；

与所述第二高速比较器相连的第二差分分配器，用于将所述反相采样信号分配成多路采样信号，提供给所述接收模块。

4.根据权利要求3所述的超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，所述接收模块包括：

交替接收模块，用于将所述多路采样信号分别进行不同的延时后，进行交替重采样后，转换为多路并行低速数据，提供给低位宽数据恢复模块；

低位宽数据恢复模块，用于将接收到的所述多路并行低速数据进行累加处理后，再转换为串行数据，利用该串行数据估算出恢复后的超宽带脉冲回波信号。

5.根据权利要求4所述的超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，所述交替接收模块包括：第一延时接收模块、第二延时接收模块和低压差分接收模块，其中：

所述第一延时接收模块，用于对所述第一差分分配器得到的多路采样信号进行各不相同的时间延时接收后，提供给所述低压差分接收模块；

所述第二延时接收模块，用于对所述第二差分分配器得到的多路采样信号进行各不相同的时间延时接收后，提供给所述低压差分接收模块；

所述低压差分接收模块，用于对所述延时接收模块提供的信号利用低压差分传输方式进行传输，输出多路并行低速数据。

6.根据权利要求5所述的超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，所述低位宽数据恢复模块包括：累加模块、并转串模块、信号恢复模块，其中：

所述累加模块，用于将所述多路并行低速数据进行周期性累加处理后，提供给所述并转串模块；

所述并转串模块，用于将所述累加模块提供的并行数据转换为串行数据提供给所述信号恢复模块；

所述信号恢复模块，利用所述并转串模块提供的串行数据估算得到恢复后的超宽带脉冲回波信号。

7.根据权利要求6所述的超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，所述雷达探测模块包括：平滑窗处理模块、雷达门限检测模块，其中：

所述平滑窗处理模块，用于将所述恢复后的超宽带脉冲回波信号进行平滑滤波，得到平滑滤噪后的超宽带脉冲信号；

所述雷达门限检测模块，用于利用所述平滑滤噪后的超宽带脉冲回波信号计算得到目标判决结果。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：与所述第一高速比较器及第二高速比较器相连的采样门限自适应控制模块，用于根据所述恢复后的超宽带脉冲回波信号计算得到最优的采样门限值，提供给所述第一高速比较器和所述第二高速比较器。

9.根据权利要求1-8任一项所述的超宽带脉冲信号接收装置，其特征在于，还包括：与所述接收模块相连的通信模块，用于根据所述接收模块提供的恢复后的超宽带脉冲回波信号进行通信，或者，

与所述接收模块相连的测距模块，用于根据所述接收模块提供的恢复后的超宽带脉冲回波信号计算得到目标的距离信息。

10.一种超宽带脉冲雷达系统，其特征在于，包括：超宽带脉冲信号发射装置，以及权利要求1-8任一项所述的超宽带脉冲信号接收装置，其中：

所述超宽带脉冲信号发射装置包括：脉冲生成模块、合路器、第一带通滤波器、第一放大器、高速开关、天线、低噪声放大模块、第二带通滤波模块及第二放大器；

所述脉冲生成模块产生的正负极性的超宽带脉冲信号经过所述合路器合并成一路超宽带脉冲信号，该超宽带脉冲信号经过所述第一带通滤波器过滤得到所需要的带宽内的超宽带脉冲信号后，所述第一放大器对得到的带宽内的超宽带脉冲信号进行放大后，放大后的所述超宽带脉冲信号经过所述高速开关后，通过所述天线向自由空间辐射；

所述高速开关打至接收状态，接收发射出的所述超宽带脉冲信号的回波信号，接收到的所述回波信号通过所述低噪声放大模块进行低噪声放大后再经过第二带通滤波器进行带通滤波处理后，再经过所述第二放大器进行放大后提供给所述射频接收通道。

Images