CN102707273B - 一种THz雷达的收发前端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种THz雷达的收发前端，具体包括：点频源单元、中频本振产生单元、第一上混频单元、第二上混频单元和线性扫频单元。本发明的THz雷达的收发前端，通过使用两路非相干源分别驱动THz雷达发射链路与接收链路，解决了THz频段下单个信号源难以同时驱动发射链路与接收链路的问题；又通过采用非相参源实现相参系统，解决了使用两个信号源所产生的接收信号相位不同步的问题，并提供快速LFMCW扫频信号，从而能够实现对目标的厘米级距离分辨。

Description

一种THz雷达的收发前端

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种THz雷达的收发前端设计。

背景技术

THz雷达可以探测比微波雷达更小的目标和更准确的定位，并且具有更高的分辨率和更强的保密性。由于THz频段的波长远小于现有微波，更适合于极大信号带宽和极窄天线波束的实现，有利于获得目标的精细成像；物体运动引起的多普勒效应更为显著，利于低速运动目标检测、高分辨率合成孔径与逆合成孔径成像；避开了传统的隐身材料吸波频段，有利于隐身目标探测；另外，金属目标雷达截面积显著增大，时域频谱信噪比更高，有利于目标的探测；穿透性能好，能以较小的损耗穿透沙尘烟雾及非金属材料，这些特点使得THz波非常适用于微小目标和隐身目标探测、极高分辨率的目标成像识别。

雷达系统通常由天线、发射机、接收机、信号处理系统和显示系统等几部分组成。由于现代常规雷达，如脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达（SAR）及逆合成孔径雷达（ISAR）等，均采用了信号相干（或相参）技术，利用回波信号的相位变化获得多普勒信息，进而进行速度测量或成像等处理。因此，相干信号的获得是现代雷达技术中重要的环节之一，现有的常规雷达系统结构框图如图1所示。

频率源产生高稳定度的高频信号，由波形发生器产生的调制波形进行调制，通过天线辐射出去。携带目标信息的电磁波通过反射或散射回到雷达接收机中，通过混频下变频至中频，通过正交双通道处理获得I路和Q路信号，然后将I、Q两路信号送入数字信号处理系统中进行信号后处理。常规的雷达系统一般都是采用同一个频率源对发射信号进行调制（上变频）和对接收信号进行混频（下变频），保证了发射信号与接收信号的相干性。

考虑到太赫兹频段器件的现状，即在现有技术水平情况下得到太赫兹频率源通常功率较低，没有低噪声放大器且混频器件损耗较大，单个频率源产生的信号难以同时驱动发送链路和接收链路，而THz线性调频雷达测距与成像都需要使用相位信息，如采用两个或多个频率源各自驱动，则会带来相位不同步的问题，导致系统非相参。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的THz线性调频雷达存在的上述问题，提出了一种THz雷达的收发前端。

本发明的技术方案是：一种THz雷达的收发前端，包括：点频源单元、中频本振产生单元、第一上混频单元、第二上混频单元和线性扫频单元；其中，

所述点频源单元用于产生输入到所述第一上混频单元和第二上混频单元两路输出信号以及输入到所述中频本振产生单元的差频信号；

所述第一上混频单元根据接收到的所述点频源单元产生的第一路输出信号和所述线性扫频单元根据扫频控制信号输出的第一路线性扫频信号产生发射端驱动信号；

所述第二上混频单元根据接收到的所述点频源单元产生的第二路输出信号和所述线性扫频单元根据扫频控制信号输出的第二路线性扫频信号产生接收端驱动信号；

所述中频本振产生单元根据接收到的所述点频源单元产生的差频信号产生中频本振信号。

本发明的有益效果：本发明的THz雷达的收发前端，通过使用两路非相干源分别驱动THz雷达发射链路与接收链路，解决了THz频段下单个信号源难以同时驱动发射链路与接收链路的问题；又通过采用非相参源实现相参系统，解决了使用两个信号源所产生的接收信号相位不同步的问题，并提供快速LFMCW扫频信号，从而能够实现对目标的厘米级距离分辨。本发明的结构即能保证THz雷达发射系统与接收系统的相干性，又能够使接收机系统得到相应的简化，使得THz雷达系统具有较高可实现性，消除了非相干源带来的系统非相干缺点。

附图说明

图1为现有的常规雷达系统结构示意图。

图2为本发明实施例的THZ雷达的收发前端结构示意图。

图3为采用了本发明实施例的THZ雷达的收发前端的雷达系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本THZ雷达的收发前端结构的具体实施方式。

首先具体说明非相干频率源实现了相干接收原理

设频率源1和2产生的信号如下所示：

s₁(t)=A₁cos(ω₁t+θ₁)    (1)

s₂(t)=A₂cos(ω₂t+θ₂)

式中，A₁、A₂分别为频率源1和2的振幅，ω₁、ω₂为频率源对应的角频率，θ₁、θ₂为频率源1和2对应的初始相位。这两个频率源分别通过N倍频后，得到的信号形式如下：

s₁′(t)=A₁′cos(Nω₁t+Nθ₁)    (2)

s₂′(t)=A₂′cos(Nω₂t+Nθ₂)

s₁′(t)与目标作用后，得到的回波信号为s₁′(t)的延迟，即：

$s_r\left(t\right)=A^{\′}\cos ({\mathrm{N\ω}}_1(t-\mathrm{\τ})+{\mathrm{N\θ}}_1)---\left(3\right)$

式中，

接收信号s_r(t)与s₂′(t)混频后得到的输出信号形式为：

频率源1和2混频并经过N倍频后得到的信号为：

${\tilde{s}}_{\mathrm{IF}}\left(t\right)=A_{12}\cos ({\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1)t+N({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)---\left(5\right)$

将该信号作为本振信号与s_IF(t)进行正交解调后，得到了I、Q两路正交的零中频信号即由两个非相干频率源实现了相干接收。

根据上述原理，图2个给出了本发明实施例的THZ雷达的收发前端100结构示意图，具体包括：点频源单元101、中频本振产生单元102、第一上混频单元103、第二上混频单元104和线性扫频单元105；其中，

所述点频源单元101用于产生输入到所述第一上混频单元103和第二上混频单元104两路输出信号以及输入到所述中频本振产生单元102的差频信号；

所述第一上混频单元103根据接收到的所述Ku波段点频源单元101产生的第一路输出信号和所述线性扫频单元105根据扫频控制信号输出的第一路线性扫频信号产生发射端驱动信号；

所述第二上混频单元104根据接收到的所述Ku波段点频源单元101产生的第二路输出信号和所述线性扫频单元105根据扫频控制信号输出的第二路线性扫频信号产生接收端驱动信号；

所述中频本振产生单元102根据接收到的所述点频源单元101产生的差频信号产生中频本振信号。

图3采用了本发明实施例的THZ雷达的收发前端的雷达系统结构示意图，除了包括THz雷达的收发前端100外，还包括：发射端倍频链200、接收端倍频链300、中频接收机400和二次谐波混频器500。

下面结合图3对THz雷达的收发前端100的各个子模块进行阐述。

点频源单元101包括：第一点频源产生子单元、第二点频源产生子单元、第一功分器、第二功分器和第一混频器，其中，第一点频源产生子单元用于产生第一频率源S1并经第一功分器产生所述点频源单元101的第一路输出信号，第二点频源产生子单元用于产生第二频率源S2并经第二功分器产生所述点频源单元101的第二路输出信号；第一功分器的另一路输出和第二功分器的另一路输出分别输出到所述的第一混频器中，产生所述点频源单元101的差频信号。

在本实施例中，点频源产生子单元具体为Ku波段点频源单元，假设产生的第一频率源S1的信号频率为f1，产生的第二频率源S2的信号频率为f2，f1与f2的差值为100MHz，即第一混频器输出的信号具体为100MHz差频信号。

中频本振产生单元102包括：第一滤波器和第一倍频模块，所述的第一滤波器和第一倍频模块依次连接，产生中频本振信号，输出到中频接收机400中。

在本实施例中，这里的第一滤波器具体为低通滤波器，第一倍频模块具体为12倍频模块，经过本振产生单元102处理后生成1.2GHz中频本振信号。

第一上混频单元103包括：第一上变频器和第二滤波器，所述的第一上变频器和第二滤波器依次连接，第一上变频器接收来自Ku波段点频源单元101产生的第一路输出信号和线性扫频单元105产生的第一路线性扫频信号；所述的第一上混频单元103产生发射端驱动信号，输出到发射端倍频链200中。

第二上混频单元104包括：第二上变频器和第三滤波器，所述的第二上变频器和第三滤波器依次连接，第二上变频器接收来自Ku波段点频源单元101产生的第二路输出信号和线性扫频单元105产生的第二路线性扫频信号；所述的第二上混频单元104产生接收端驱动信号，输出到接收端倍频链300中。

这里，第二滤波器和第三滤波器具体为带通滤波器。

第一上变频器的一路输入是来自Ku波段点频源单元101的f1输出信号，另一路输入是来自线性扫频单元105的2.0GHz~2.2GHz的宽带扫频信号，两路输入信号经过上变频器与带通滤波器之后生成f1+2.0GHz~f1+2.2GHz的宽带信号，该宽带信号即为发射端驱动信号，输出到发射端倍频链模块200中。

此方案所述的点频源频率以及线性扫频生成器生成的线性调频信号的中心频率与扫频宽度都可以根据具体实例进行调整，而不是固定的。

第二上变频器的一路输入是来自Ku波段点频源单元101的f2的输出信号，另一路输入是来自线性扫频单元105的2.0~2.2GHz的宽带扫频源信号，两路输入信号经过上变频器与带通滤波器之后生成f2+2.0GHz~f2+2.2GHz的宽带信号，该宽带信号即为接收端驱动信号，输出到接收端倍频链模块300中。

线性扫频单元105包括：第一线性扫频发生器和第三功分器，第一线性扫频发生器根据扫频控制信号用于产生同步线性扫频信号，所述的第一线性扫频发生器和第三功分器依次连接，产生两路同相同频线性扫频信号，分别输入到第一上混频单元103的第一上变频器和第二上混频单元104的第二上变频器中。

这里，扫频控制信号来自主机，控制扫频的开始与结束。只有当输入信号给出触发脉冲之后，线性扫频单元105才会开始工作，中频接收机也会在触发脉冲给出之后开始接收信号，这样可以保证发射与接收信号的同步性。

频率源S1和频率源S2为非相干频率源。频率源S1为发射系统提供输入信号，信号频率为f1单频信号，该信号与中心频率2.1GHz、带宽200MHz的线性调频信号混频后产生具有200MHz带宽、频率范围f1+2.0GHz~f1+2.2GHz的线性调频信号，该信号通过发射端倍频链200后达到12*f1+24GHz~12*f1+26.4GHz，发射信号带宽为2.4GHz。

在接收机支路上，频率源S2产生频率为f2的输入信号，与同一扫频源提供的线性调频信号混频后产生频率范围为f2+2.0GHz~f2+2.2GHz、带宽200MHz的线性调频信号，该信号通过接收端倍频链300产生频率范围为6*f2+12GHz~6*f2+13.2GHz、带宽1.2GHz的本振信号。该本振信号与雷达回波信号通过二次谐波混频器混频后下变频到1.2GHz的中频上。将频率源S1和频率源S2混频得到的100MHz差频信号进行12倍频得到1.2GHz中频参考信号。将回波信号下变频得到的中频信号与该中频参考信号的进行零中频正交双通道处理，通过AD采样，将采样后的数字信号送入信号单元中进行处理。上述各个频率都是可以根据实际方案而调整的。

本发明的THz雷达的收发前端，通过使用两路非相干源分别驱动THz雷达发射链路与接收链路，解决了THz频段下单个信号源难以同时驱动发射链路与接收链路的问题；又通过采用非相参源实现相参系统，解决了使用两个信号源所产生的接收信号相位不同步的问题，并提供快速LFMCW扫频信号，从而能够实现对目标的厘米级距离分辨。本发明的结构即能保证THz雷达发射系统与接收系统的相干性，又能够使接收机系统得到相应的简化，使得THz雷达系统具有较高可实现性，消除了非相干源带来的系统非相干缺点。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种THz雷达的收发前端，其特征在于，包括：点频源单元、中频本振产生单元、第一上混频单元、第二上混频单元和线性扫频单元；其中，

所述点频源单元用于产生输入到所述第一上混频单元和第二上混频单元两路输出信号以及输入到所述中频本振产生单元的差频信号；

所述第一上混频单元根据接收到的所述点频源单元产生的第一路输出信号和所述线性扫频单元根据扫频控制信号输出的第一路线性扫频信号产生发射端驱动信号；

所述第二上混频单元根据接收到的所述点频源单元产生的第二路输出信号和所述线性扫频单元根据扫频控制信号输出的第二路线性扫频信号产生接收端驱动信号；

所述中频本振产生单元根据接收到的所述点频源单元产生的差频信号产生中频本振信号。

2.根据权利要求1所述的THz雷达的收发前端，其特征在于，所述点频源单元包括：第一点频源产生子单元、第二点频源产生子单元、第一功分器、第二功分器和第一混频器，其中，第一点频源产生子单元用于产生第一频率源并经第一功分器产生所述点频源单元的第一路输出信号，第二点频源产生子单元用于产生第二频率源并经第二功分器产生所述点频源单元的第二路输出信号；第一功分器的另一路输出和第二功分器的另一路输出分别输出到所述的第一混频器中，产生所述点频源单元的差频信号。

3.根据权利要求1所述的THz雷达的收发前端，其特征在于，所述中频本振产生单元包括：第一滤波器和第一倍频模块，所述的第一滤波器和第一倍频模块依次连接，产生中频本振信号。

4.根据权利要求1所述的THz雷达的收发前端，其特征在于，所述第一上混频单元包括：第一上变频器和第二滤波器，所述的第一上变频器和第二滤波器依次连接，第一上变频器接收来自点频源单元产生的第一路输出信号和线性扫频单元产生的第一路线性扫频信号；所述的第一上混频单元产生发射端驱动信号。

5.根据权利要求1所述的THz雷达的收发前端，其特征在于，所述第二上混频单元包括：第二上变频器和第三滤波器，所述的第二上变频器和第三滤波器依次连接，第二上变频器接收来自点频源单元产生的第二路输出信号和线性扫频单元产生的第二路线性扫频信号；所述的第二上混频单元产生接收端驱动信号。

6.根据权利要求1所述的THz雷达的收发前端，其特征在于，所述线性扫频单元包括：第一线性扫频发生器和第三功分器，第一线性扫频发生器根据扫频控制信号用于产生同步线性扫频信号，所述的第一线性扫频发生器和第三功分器依次连接，产生两路同相同频线性扫频信号。

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