CN102707263A - 一种多频多基地高频地波雷达系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多频多基地高频地波雷达系统及其操作方法，包括模拟分机、数字分机、超高稳时间频率标准器、功率放大器、发射天线、接收天线和GPS天线。模拟分机包括频率合成器、模拟放大滤波组件、模拟倍频器和多通道模拟接收前端，数字分机包括多通道数据采集及处理板卡、同步控制板卡和工控计算机。频率合成器采用数字上变频方案；模拟接收前端采用无需混频的多级宽带程控跟踪滤波方案；数据采集采用射频直接采样和数字下变频方案；时间频率标准由GPS驯服低相噪超高稳晶振提供。本发明具有如下优点：采用全数字发射与接收技术，具有很好的通用性和可扩展性；雷达波形与时序灵活可控，可实现分时多频、单或多基地探测。

Description

一种多频多基地高频地波雷达系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种雷达系统及其操作方法，尤其是涉及一种多频多基地高频地波雷达系统及其操作方法。

背景技术

高频地波雷达利用与海面垂直极化的高频电磁波在海洋表面绕射传播衰减小的特点，能超视距探测海面上的舰船、低空飞行的飞机和导弹等运动目标；同时，利用海洋表面对高频电磁波的Bragg散射机制，能监测海面风、浪、流等海洋状态参数和信息，可实现对海洋环境大范围、高精度和全天候的实时监测，是当今世界海洋环境监测的重要工具。

1997年武汉大学电波传播实验室主持了国家九五“863计划”海洋领域的重大课题“高频地波雷达海洋环境监测技术”，成功研制出可探测200公里内海流、150公里内风浪场的高频地波雷达OSMAR2000。该系统采用“一发八收，收发共用”的天线阵，工作频率6～9MHz,距离分辨率2.5～5公里。由于受当时技术条件和器件水平的限制，OSMAR2000采用模拟三次混频、基带采样的接收方案。射频信号为6～9 MHz，经过可变频频率振荡器混频后统一为40 MHz的高中频带通信号，经过第二次混频后为1.4 MHz的低中频带通信号，最后第三次混频得到基带信号并在基带进行采样处理。

“十五”前期，武汉大学承担了国家“863”计划重大项目“远程高频地波雷达监测技术”的研究，成功研制了高频地波雷达OSMAR2003。该雷达系统采用线性调频中断连续波体制，发射天线采用高增益三元八木天线，接收天线为约120米长的8元电小天线阵。针对OSMAR2000系统功能单一、灵活性差的不足，OSMAR2003采用大动态范围无源混频器，一次混频、高中频带通采样结构。接收通道使用一次模拟变频将7～8 MHz的射频信号变为40.5 MHz的固定中频，并在高中频进行带通采样和数字正交变换。OSMAR2003系统灵活性和可靠性得到较大的改进和提高，但与真正意义上的软件无线电思想还存在一定差距。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种采用全数字发射与接收技术，具有很好的通用性和可扩展性的一种多频多基地高频地波雷达系统及其操作方法。

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种雷达波形与时序灵活可控，可实现分时多频、单或多基地探测的一种多频多基地高频地波雷达系统及其操作方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种多频多基地高频地波雷达系统，其特征在于，包括模拟分机、数字分机、超高稳时间频率标准器、功率放大器、发射天线、接收天线和GPS天线；所述模拟分机分别与接收天线、功率放大器、超高稳时间频率标准器以及数字分机连接；所述发射天线、功率放大器和模拟分机依次连接；所述GPS天线、超高稳时间频率标准器和模拟分机依次连接；所述数字分机与超高稳时间频率标准器连接。

在上述的一种多频多基地高频地波雷达系统，所述模拟分机包括频率合成器、模拟放大滤波组件、模拟倍频器和多通道模拟接收前端；所述频率合成器分别与功率放大器、多通道模拟接收前端以及模拟放大滤波组件连接；所述模拟放大滤波组件通过功率放大器与发射天线连接；所述接收天线通过多通道模拟接收前端与数字分机连接；所述模拟倍频器通过超高稳时间频率标准器与上述GPS天线连接，该模拟倍频器还分别与数字分机以及频率合成器连接。

在上述的一种多频多基地高频地波雷达系统，所述数字分机包括多通道数据采集及处理板卡、同步控制板卡和工控计算机；所述多通道数据采集及处理板卡分别与模拟倍频器、多通道模拟接收前端、同步控制板卡以及工控计算机连接；所述同步控制板卡分别与模拟倍频器、超高稳时间频率标准器、频率合成器以及工控计算机连接。

在上述的一种多频多基地高频地波雷达系统，所述频率合成器采用数字上变频芯片实现。

在上述的一种多频多基地高频地波雷达系统，所述模拟倍频器采用模拟倍频的方法产生时钟信号。

在上述的一种多频多基地高频地波雷达系统，所述模拟接收前端采用无需混频的多级宽带程控跟踪滤波方案。

在上述的一种多频多基地高频地波雷达系统，所述多通道数据采集及处理板卡包括FPGA芯片，以及分别与FPGA芯片连接的ADC芯片、DSP芯片和PCI接口芯片。

在上述的一种多频多基地高频地波雷达系统，所述同步控制板卡包括FPGA芯片，以及分别与FPGA芯片连接的ARM芯片、DPRAM 芯片和PCI接口芯片；所述DPRAM 芯片还与ARM芯片连接。

在上述的一种多频多基地高频地波雷达系统，所述超高稳时间频率标准器通过GPS驯服低相噪超高稳晶振提供时间频率标准，与模拟倍频器相连为整个系统提供频率标准，与同步控制板卡相连为整个系统提供时间标准。

一种多频多基地高频地波雷达系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，系统上电后，超高稳时间频率标准器输出固定参考时钟给模拟倍频器，模拟倍频器经模拟倍频输出M兆赫兹的时钟，为多通道数据采集及处理板卡、同步控制板卡和频率合成器提供统一的工作时钟；

步骤2，工控计算机将采集参数下载到多通道数据采集及处理板卡，并将发射时序参数、模拟接收前端参数、发射波形参数、工作模式参数、触发脉冲参数下载到同步控制板卡；同步控制板卡利用工作模式参数和触发脉冲参数完成初始化并分发发射时序参数、模拟接收前端参数、发射波形参数到频率合成器；频率合成器利用发射时序参数和发射波形参数完成初始化并配置模拟接收前端参数到多通道模拟接收前端；

步骤3，同步控制板卡接收并解析通过GPS天线接收的GPS信息，提取UTC时间，与定时时间比较产生定时标志；当工作模式为单基地时，同步控制板卡忽略定时标志，由工控计算机触发其产生同步控制脉冲，当工作模式为双/多基地时，由定时标志和工控计算机共同触发其产生同步控制脉冲；

步骤4，频率合成器由步骤3中的同步控制脉冲触发并根据发射时序参数和发射波形参数产生一定时序的特定波形信号，并产生一系列的时序信号控制模拟放大滤波组件和多通道模拟接收前端；发射信号经模拟放大滤波组件调理后，再经功率放大后送至发射天线，由发射天线将信号发射；

步骤5，接收天线接收回波信号经多通道模拟接收前端滤波放大后，多通道数据采集及处理板卡由步骤3中的同步控制脉冲触发进行射频直接采样，然后进行数字下变频输出I/Q基带数据，再经脉冲压缩和射频干扰抑制得到距离谱数据，最后通过相干累积获得目标距离多普勒信息后传输给工控计算机。

因此，本发明具有如下优点：1.采用全数字发射与接收技术，具有很好的通用性和可扩展性；2.雷达波形与时序灵活可控，可实现分时多频、单或多基地探测。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

图2为本发明的频率合成器实施方案的结构原理示意图。

图3为本发明的多通道数据采集及处理板卡实施方案的结构原理示意图。

图4为本发明的多通道数据采集及处理板卡实施方案中FPGA数字下变频工作示意图。

图5为本发明的多通道数据采集及处理板卡实施方案中DSP脉冲压缩实现原理框图。

图6为本发明的同步控制板卡实施方案的结构原理示意图。

图7为本发明实施例单基地探测距离多普勒谱。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

参见图1，本发明包括模拟分机、数字分机、超高稳时间频率标准器、功率放大器、发射天线、接收天线和GPS天线。

本实施例中，模拟分机包括频率合成器、模拟放大滤波组件、模拟倍频器和多通道模拟接收前端。该分机采用定制的插槽机箱，频率合成器、模拟倍频器、模拟放大滤波组件安装在一个插件中，多通道模拟接收前端安装在另外的插件中。

图2是频率合成器的一种实施方案。该频率合成器包括以数字上变频芯片AD9957为主体的波形产生电路，以高速SRAM为主体的波形数据缓存电路，以ARM和FPGA为主体的主控电路。其中波形产生电路产生两通道的波形，一个通道用于发射，另一通道用于闭环校准。该频率合成器的具体工作流程是：系统正式工作之前，由上位机软件MATLAB生成所需的波形数据文件，然后将该文件通过CAN总线下载到FLASH中，以保证波形数据掉电不丢失；系统正式工作时，首先由ARM完成一系列的初始化，然后等待同步控制通过CAN总线传来配置参数（其中配置参数包括发射时序参数、模拟接收前端参数、发射波形参数等），收到参数后，ARM根据发射波形参数配置AD9957，并复制相应波形数据到SRAM中，根据模拟接收前端参数配置模拟接收前端；此时频率合成器已经准备就绪，只要收到同步控制传来的发射波形起始信号，频率合成器就根据发射时序参数产生一定时序的特定波形信号，并产生一系列的时序信号控制模拟放大滤波组件和多通道模拟接收前端。

本实施例中，模拟放大滤波组件包括射频开关、低噪声放大器、低通滤波器和带通滤波器，以上器件依次电连接。频率合成器与模拟放大滤波组件相连，通过同步控制信号实现开关发射控制。

本实施例中，模拟接收前端包括限幅器、射频开关1、低通滤波器、程控跟踪滤波器、低噪声放大器1、可控增益放大器、射频开关2、数控衰减器和低噪声放大器2，以上器件依次电连接。频率合成器与模拟接收前端相连，通过控制射频开关来控制信号的接收，通过配置程控跟踪滤波器的中心频率来选择相应频率的接收信号，通过配置可控增益放大器和数控衰减器来控制接收信号的增益，调整系统动态范围。

本实施例中，数字分机包括多通道数据采集及处理板卡、同步控制板卡和工控计算机。该分机基于CPCI总线，采用标准的6U CPCI机箱。多通道数据采集及处理板卡、同步控制板卡和工控计算机均插入CPCI机箱插槽。其中同步控制板卡是整个系统的控制核心，不仅控制数字分机，还通过频率合成器间接地控制模拟分机。

图3是多通道数据采集及处理板卡的一种实施方案。该数据采集及处理板卡包括以8个高分辨率、低抖动ADC为主体的模数转换电路，以2个大规模FPGA为主体的数字下变频电路，以8个DDR2为主体的数据缓存电路，以2个DSP为主体的用于实现参数配置和雷达信号处理的主控电路，以CPLD为主体的用于实现FPGA程序加载的配置电路，以专用PCI桥接芯片为主体的PCI接口电路。该数据采集及处理板卡的具体工作流程是：用80MHz频率直接射频采样，然后经FPGA数字下变频输出采样率为500kHz的I/Q基带数据送至DSP，DSP实现脉冲压缩和射频干扰抑制算法得到距离谱数据，最后经CPCI总线传送至工控计算机。

图4是多通道数据采集及处理板卡实施方案中FPGA数字下变频工作示意图。经AD数据锁存的数据分成两路，一路与数控振荡器NCO产生的余弦信号相乘，另一路与NCO产生的正弦信号相乘。相乘后的数据经截取分别输入积分级联梳状滤波器CIC，抽取滤波后的数据经截取分别输入FIR滤波器，FIR滤波器整形滤波后的I/Q基带数据经截取存入FIFO。截取位数综合考虑了信号动态范围和FPGA资源，保证了截取高位。其中，NCO、乘法器、CIC、FIR均由Altera公司提供的IP核完成，CIC抽取倍数为160，级数为5，FIR滤波器的通带截止频率和阻带截止频率根据采样信号带宽和FPGA资源进行设置。

图5是多通道数据采集及处理板卡实施方案中DSP脉冲压缩实现原理框图。s(n)为雷达回波经ADC采样和数字下变频后的复信号，其点数为M；h(n)为雷达匹配样本，其点数为N，其中L=M+N-1。回波数据与匹配样本均经补零FFT后相乘，再做IFFT即可得匹配滤波输出y(n)。DSP开发采用ADI公司提供的Visual DSP++集成开发环境，该工具包括实现FFT和IFFT的库文件。

图6是同步控制板卡的一种实施方案。该同步控制板卡包括以专用PCI接口芯片为主体的PCI接口电路，以双口RAM为主体的数据缓存电路，以ARM为主体的用于实现参数配置和工作状态控制的主控电路，以FPGA为主体的用于实现PCI9656时序控制和雷达一系列触发脉冲信号产生的同步控制电路。该同步控制板卡的具体工作流程是：首先，工控计算机将发射时序参数、模拟接收前端参数、发射波形参数、工作模式参数、触发脉冲参数等通过CPCI总线下载到双口RAM中，完成参数下载后，ARM将发射时序参数、模拟接收前端参数、发射波形参数通过CAN接口发送到频率合成器，将工作模式参数和触发脉冲参数配置到FPGA内部的参数缓存模块；然后ARM初始化串口，通过中断的方式接收并解析超高稳时间频率标准器送来的GPS信息，提取UTC时间，与定时时间比较产生定时标志；最后，FPGA检测工作模式，当工作模式为单基地时，忽略定时标志，由工控计算机触发ARM产生触发使能信号来触发脉冲产生，当工作模式为双/多基地时，由定时标志和触发使能信号共同触发脉冲产生。

本实施例中，超高稳时间频率标准器采用北京泰福特电子科技有限公司的HJ5434，该时间频率标准器选用低相噪、低漂移的双槽恒温高稳晶振和高精度授时型GPS接收机，采用寒江泰福所特有的GPS频率测控技术，对晶体振荡器的输出频率进行精密测量与校准，使GPS驯服晶振的输出频率精确同步在GPS系统上，准确度优于1E-12。

本实施例中，发射天线采用三鞭宽带天线，天线高度7m；接收天线采用16或32元电小天线组成的相控阵，天线单元采用宽频带无源单极螺旋天线，天线高度2m；功率放大器采用固态功率放大技术，输出峰值功率1.5kw。

本发明实施例的效果可通过外场实验进一步说明：

图7为本发明实施例单基地探测距离多普勒谱。工控计算机累积512帧数据，并对同一距离元数据进行FFT运算获得目标距离多普勒信息。其中发射信号为非线性调频信号，带宽为100kHz，脉冲重复周期为2ms；探测环境为开阔的陆地，存在很强的杂波，遮挡距离为27km。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种多频多基地高频地波雷达系统，其特征在于，包括模拟分机、数字分机、超高稳时间频率标准器、功率放大器、发射天线、接收天线和GPS天线；所述模拟分机分别与接收天线、功率放大器、超高稳时间频率标准器以及数字分机连接；所述发射天线、功率放大器和模拟分机依次连接；所述GPS天线、超高稳时间频率标准器和模拟分机依次连接；所述数字分机与超高稳时间频率标准器连接。

2.根据权利要求1所述的一种多频多基地高频地波雷达系统，其特征在于，所述模拟分机包括频率合成器、模拟放大滤波组件、模拟倍频器和多通道模拟接收前端；所述频率合成器分别与功率放大器、多通道模拟接收前端以及模拟放大滤波组件连接；所述模拟放大滤波组件通过功率放大器与发射天线连接；所述接收天线通过多通道模拟接收前端与数字分机连接；所述模拟倍频器通过超高稳时间频率标准器与上述GPS天线连接，该模拟倍频器还分别与数字分机以及频率合成器连接。

3.根据权利要求2所述的一种多频多基地高频地波雷达系统，其特征在于，所述数字分机包括多通道数据采集及处理板卡、同步控制板卡和工控计算机；所述多通道数据采集及处理板卡分别与模拟倍频器、多通道模拟接收前端、同步控制板卡以及工控计算机连接；所述同步控制板卡分别与模拟倍频器、超高稳时间频率标准器、频率合成器以及工控计算机连接。

4.根据权利要求3所述的一种多频多基地高频地波雷达系统，其特征在于，所述频率合成器采用数字上变频芯片实现。

5.根据权利要求1所述的一种多频多基地高频地波雷达系统，其特征在于，所述模拟倍频器采用模拟倍频的方法产生时钟信号。

6.根据权利要求1所述的一种多频多基地高频地波雷达系统，其特征在于，所述模拟接收前端采用无需混频的多级宽带程控跟踪滤波方案。

7.根据权利要求1所述的一种多频多基地高频地波雷达系统，其特征在于，所述多通道数据采集及处理板卡包括FPGA芯片，以及分别与FPGA芯片连接的ADC芯片、DSP芯片和PCI接口芯片。

8.根据权利要求1所述的一种多频多基地高频地波雷达系统，其特征在于，所述同步控制板卡包括FPGA芯片，以及分别与FPGA芯片连接的ARM芯片、DPRAM 芯片和PCI接口芯片；所述DPRAM 芯片还与ARM芯片连接。

9.根据权利要求1所述的一种多频多基地高频地波雷达系统，其特征在于，所述超高稳时间频率标准器通过GPS驯服低相噪超高稳晶振提供时间频率标准，与模拟倍频器相连为整个系统提供频率标准，与同步控制板卡相连为整个系统提供时间标准。

10.一种权利要求1所述的一种多频多基地高频地波雷达系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，系统上电后，超高稳时间频率标准器输出固定参考时钟给模拟倍频器，模拟倍频器经模拟倍频输出M兆赫兹的时钟，为多通道数据采集及处理板卡、同步控制板卡和频率合成器提供统一的工作时钟；

步骤2，工控计算机将采集参数下载到多通道数据采集及处理板卡，并将发射时序参数、模拟接收前端参数、发射波形参数、工作模式参数、触发脉冲参数下载到同步控制板卡；同步控制板卡利用工作模式参数和触发脉冲参数完成初始化并分发发射时序参数、模拟接收前端参数、发射波形参数到频率合成器；频率合成器利用发射时序参数和发射波形参数完成初始化并配置模拟接收前端参数到多通道模拟接收前端；

步骤3，同步控制板卡接收并解析通过GPS天线接收的GPS信息，提取UTC时间，与定时时间比较产生定时标志；当工作模式为单基地时，同步控制板卡忽略定时标志，由工控计算机触发其产生同步控制脉冲，当工作模式为双/多基地时，由定时标志和工控计算机共同触发其产生同步控制脉冲；

步骤4，频率合成器由步骤3中的同步控制脉冲触发并根据发射时序参数和发射波形参数产生一定时序的特定波形信号，并产生一系列的时序信号控制模拟放大滤波组件和多通道模拟接收前端；发射信号经模拟放大滤波组件调理后，再经功率放大后送至发射天线，由发射天线将信号发射；

步骤5，接收天线接收回波信号经多通道模拟接收前端滤波放大后，多通道数据采集及处理板卡由步骤3中的同步控制脉冲触发进行射频直接采样，然后进行数字下变频输出I/Q基带数据，再经脉冲压缩和射频干扰抑制得到距离谱数据，最后通过相干累积获得目标距离多普勒信息后传输给工控计算机。

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