CN103135093A - 一种人工模拟散射体目标 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种人工模拟散射体目标，包括授时监控单元、射频前端单元和数字处理板；授时监控单元用于监控GPS接收机模块是否处于被卫星锁定状态；射频前端单元用于对通过天线接收的非合作辐射信号进行滤波、放大处理，将处理后的信号输出到数字处理板进行存储、延迟和转发处理；并对数字处理板提供的信号进行滤波和放大处理，处理后的信号提供给天线发射出去；数字处理板用于将射频前端单元提供的模拟信号进行量化、存储和延迟转发后发射；数字处理板包括A/D转换模块、FPGA处理模块、存储器缓存模块和D/A转换模块。本发明可以对接收的电磁信号进行可控的时延、对接收的非合作辐射信号进行增益可控的放大、转发。

Description

一种人工模拟散射体目标

技术领域

本发明涉及多站无源定位技术的验证技术，具体为一种将从空中接收到的非合作辐射信号转变成数字信号，再进行存储转发来模拟被探测目标体辐射的电磁信号，天线阵列接收前端接收该信号，进行后续信号处理，对人工模拟散射体目标进行定位。

背景技术

无源定位技术是一种利用调频广播、电视信号、目标体自身辐射的信号等非合作辐射信号对目标体进行探测定位与跟踪的定位系统，其特点是接收系统本身不辐射任何信号，而是利用外辐射源辐射的电磁信号进行定位。

多站无源定位技术的可行性验证方法的设计是整个多站无源定位系统的关键技术之一。若直接使用被探测的目标体进行验证，则被探测目标体距离天线阵列比较近的时候，接收到的非合作辐射信号到达天线阵列接收端和辐射被探测的目标之后再到达天线阵列接收端的时延差会很小，即直达波和散射波的时差小，估计时差困难；此外，若到达天线阵列的被探测目标体辐射的电磁信号即散射波的功率比直接到达天线阵列接收端的电磁信号即直达波的功率小很多，那么散射波很容易被天线阵列接收前端的热噪声等噪声所淹没，无法进行后期定位处理。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种人工模拟散射体目标，该目标可以对接收的非合作辐射信号进行可控的时延、对接收的非合作辐射信号进行增益可控的放大、转发。

本发明提供的一种人工模拟散射体目标，其特征在于，它包括授时监控单元、射频前端单元和数字处理板；

授时监控单元用于监控GPS接收机模块是否处于被卫星锁定状态，如果是，授时成功；如果不是，则表示授时失败；

射频前端单元用于对通过天线接收的非合作辐射信号进行滤波、放大处理，将处理后的信号输出到数字处理板进行存储、延迟和转发处理；并对数字处理板提供的信号进行滤波和放大处理，处理后的信号提供给天线发射出去；

数字处理板用于将射频前端单元提供的模拟信号进行量化、存储和延迟转发后发射；数字处理板包括A/D转换模块、FPGA处理模块、存储器缓存模块和D/A转换模块；

A/D转换模块用于将射频前端单元提供的模拟信号进行数字量化，转换成数字信号，将量化后的数字信号送入FPGA处理模块进行存储和延迟转发；

FPGA处理模块接收并缓存A/D转换模块提供的量化后的数字信号，当模块内的数据FIFO或RAM预设的快满信号有效后，将缓存的数据读出；

存储器缓存模块用于缓存A/D转换模块中ADC模数转换量化后的数字信号；

D/A转换模块接收来自FPGA处理模块的数字信号，并进行数模转换，将其恢复成模拟信号输出，提供给射频前端单元。

从理论上讲，相比于直接使用真实目标体进行实验验证，该系统具有两个优点：(1)该系统具有近场优势，即使为了实验方便，将系统放置于天线阵列的近场，也可以提供较大的直达波和散射波的时差来模拟上前公里外的散射体目标。(2)由于该系统设计的射频前端单元的发射模块和接收模块都设计了大功率功放，因此，可以保证要转发给天线阵列的非合作信号不至于在天线阵列接收端被噪声所淹没，变相的降低了对接收机灵敏度的要求。

从以下的推导可以说明这个问题，假设理想传输没有损耗即L＝0。

天线阵列接收到的直达波信号功率为：

$\mathrm{Pp}=\frac{\mathrm{Pt}*\mathrm{Gt}*\mathrm{Gr}*{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2{\left(\right|\mathrm{AC}\left|\right)}^2}---\left(1\right)$

Pt为发射天线的功率，Gt为发射天线增益，Go为天线阵列接收端接收天线增益，|AC|为发射天线和接收天线的距离，λ为非合作信号的波长。

天线阵列接收到的人工模拟散射体目标的非合作信号功率为：

$P^{\′}p=\frac{\mathrm{Pt}*\mathrm{Gt}*\mathrm{Gr}*{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2{\left(\right|\mathrm{AD}\left|\right)}^2}*\frac{\mathrm{Go}*\mathrm{Gr}1*{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2{\left(\right|\mathrm{CD}\left|\right)}^2}---\left(2\right)$

|AD|为发射天线到该系统的距离，Go为该目标提供的放大增益，Gr1为该系统天线的增益，|CD|为散射波到达天线阵列接收端的距离。

(1)式和(2)式相比得：

$\frac{P^{\′}p}{\mathrm{Pp}}=\mathrm{Go}*\mathrm{Gr}1*\frac{{\left|\mathrm{AC}\right|}^2}{{\left|\mathrm{AD}\right|}^2}\frac{1}{{\left|\mathrm{CD}\right|}^2}\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2}---\left(3\right)$

由式(3)可知，在人工模拟散射体目标和多站无源定位系统天线增益确定的情况下，总可以调整该目标的功率增益Go，使得上式大于1。

从硬件实现上讲，该人工模拟散射体目标包括授时监控单元、射频前端单元和数字处理板，是一种便携式、低成本的可靠系统，既可以放置在任意陆地位置做静止定位实验，又可以搭载飞机做飞行定位实验，即可满足多种实验环境的人工模拟散射体目标。

附图说明

图1是人工模拟散射体目标的整体模块结构图；

图2是人工模拟散射体目标射频前端单元模块图；

图3是人工模拟散射体目标的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，人工模拟散射体目标包括授时监控单元100、射频前端单元200和数字处理板300。

授时监控单元100主要包括PC机110和GPS接收机模块120，利用PC机监控GPS接收机模块120是否处于被卫星锁定状态，如果是，则表明GPS接收机输出的1PPS信号可用，表明授时成功；如果不是，则表示授时失败，1PPS信号不可用，无法利用1PPS信号实现该系统和天线阵列接收端同步。

射频前端单元200包括接收模块210、发射模块220和收发切换模块230。

接收模块210用于对通过天线接收的信号进行滤波、放大处理，将处理后的信号输出到数字处理板300进行下一步处理。

如图2所示，接收模块210包括第一前滤波模块211、第一放大模块212和第一后滤波模块213。第一前滤波模块211用于滤除天线接收到的信号的带外噪声；由于天线接收下来的信号功率比较小，因此，第一放大模块212主要用来对滤波后的信号进行放大，且放大的增益可控；第一后滤波模块213用来滤除信号被放大过程中产生的噪声。

收发切换模块230用于在FPGA处理模块320的控制下利用SPDT(单刀双掷开关)进行发射模块220还是接收模块210切换。

发射模块220用于对数字处理板300提供的信号进行滤波、放大处理，处理后的信号提供给天线发射出去。天线阵列接收端接收该信号，并将其作为散射体目标的散射信号处理。

如图2所示，发射模块220包括第二前滤波模块221、第二放大模块222和第二后滤波模块223。第二前滤波模块221用于滤除数字板处理信号过程中产生的噪声；第二放大模块222主要用来对滤波后的信号功率进行放大，且放大的增益可控，这样可以保证天线发射具有足够功率的信号，以便天线阵列接收端接收到高信噪比的信号；第二后滤波模块223用来滤除信号被放大过程中产生的噪声。

接收模块210和发射模块220都具有放大和滤波的作用。FPGA处理模块320可以通过控制线分别配置接收模块210和发射模块220中放大器的增益。

数字处理板300是本系统的核心部分，其主要作用是将接收模块210提供的模拟信号进行量化、存储和延迟转发，转发的信号提供给发射模块220。数字处理板300包括A/D转换模块310、FPGA处理模块320、存储器缓存模块330和D/A转换模块340，

A/D转换模块310采用高速、高精度ADC数模转换器将接收模块210提供的模拟信号进行数字量化，转换成数字信号，将量化后的数字信号送入FPGA处理模块320进行存储和延迟转发。

FPGA处理模块320接收并缓存A/D转换模块310提供的量化后的数字信号，当模块内的数据FIFO或RAM等预设的快满信号有效后，将缓存的数据读出。

存储器缓存模块330用于缓存A/D转换模块310中ADC模数转换量化后的数字信号。理论上，缓存的数据越多，可提供的直达波和散射波的时差越大，越容易验证定位系统的可行性。

D/A转换模块340接收来自FPGA处理模块320的数字信号，并进行数模转换，将其恢复成模拟信号输出，提供给发射模块220。

FPGA处理模块320包括写存储器缓存模块321、控制模块322和读存储器缓存模块323。

由于FPGA处理模块320和A/D转换模块310的数据率与控制模块322和存储器缓存模块330的数据率不同，FPGA处理模块320和D/A转换模块340的数据率与控制模块322和存储器缓存模块330的数据率不同，所以在数据位宽已经确定的情况下，需要做时钟域的转换。写存储器缓存模块321主要完成前者的时钟域转换，读存储器缓存模块323主要完成后者的时钟域转换。完成时钟域的转换可以利用基于HDL语言的FIFO或RAM等来完成。控制模块322主要完成FPGA和存储器之间的通信、设定延迟时间、读取写存储器缓存模块321的数据和地址、向读存储器缓存模块323写入数据和读取读存储器缓存模块323的产生的存储器地址等功能；

写存储器缓存模块321接收缓存A/D转换模块310提供的量化后的数字信号，当模块内的数据FIFO或RAM等预设的快满信号有效后，控制模块322开始将缓存的数据读出；

控制模块322根据存储器的写时序不断将从写存储器缓存模块321中读出的数据存储到存储器缓存模块330中；存储的数据量可在控制模块322中设定，最大存储量由存储器缓存模块330决定。当缓存的数据量达到设定的数据量后，开始等待射频前端单元200收发切换模块230中SPDT开关瞬态响应持续时间结束。避开开关瞬态响应后，控制模块322再根据存储器的读时序将缓存在存储器缓存模块330中的数据全部读出，通过读存储器缓存模块323输出给D/A转换模块340。

读存储器缓存模块323中FIFO或RAM等用来缓存控制模块322从存储器读出的数据，完成时钟域的转换。当读存储器缓存模块323中FIFO或RAM等预设的快满信号有效后，开始读出其中的数据到给D/A转换模块340；

其中，FPGA是整个系统的核心控制部分，图3给出了其协调各个模块工作的整个流程，下面结合图3说明人工模拟散射体目标的工作流程。

(1)初始化、配置：系统上电后，FPGA处理模块320中的控制模块322分别配置接收模块210和发射模块220的增益、将收发切换模块230中的SPDT开关切换到接收模块210、配置D/A转换模块340中DAC的工作模式、初始化存储器缓存模块330中的存储器，所以的配置、初始化完成后开始等待。

(2)检测1PPS信号：在授时监控单元100正常工作的情况下，控制模块322检测到GPS接收机模块120输出的1PPS信号是否为低电平时，若是则进入下一步骤，若不是则继续检测。

(3)存储数据：在授时监控单元100正常工作的情况下，当控制模块322检测到GPS接收机模块120输出的1PPS信号为低电平时，写存储器缓存模块321开始接收A/D转换模块310输出的数据，当该模块中FIFO或RAM等预设的快满信号有效后，控制模块322开始读取FIFO或RAM等中的数据并存入存储器缓存模块330中的存储器缓存。这样就完成了时钟域和不同数据速率的转换。存入到存储器的数据量在是可控的，在控制模块322中设置。当存储的数据达到设置的数据量时，停止继续存储数据。

(4)延迟(可选)：SPDT单刀双掷开关存在开关瞬态响应，为了保证转发的信号都不失真，控制模块322在写入存储器的数据达到预设的数据量后，控制模块322提前将收发切换模块230中的SPDT开关切换到发射模块220，但此时并不读取存储器缓存模块330内存储的数据。而是开始等待瞬态响应时间结束。在这里，如果开关切换速度够快，可在存储完数据后直接进行读取操作。

(5)读出数据：当瞬态响应时间结束后，控制模块322开始从存储器缓存模块330读取缓存到存储器的数据，并存入读存储器缓存模块323。当模块中FIFO或RAM等预设的快满信号有效后，读存储器缓存模块323开始将缓存的数据输出，提供给D/A转换模块340进行数模转换，转换后的模拟信号提供给发射模块220。发射模块220对其进行放大、滤波处理后，通过天线将处理后的信号发射出去，直到缓存到存储器缓存模块330中的数据全部被读完为止。全部读完后，重复步骤(2)、(3)、(4)和(5)。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种人工模拟散射体目标，其特征在于，它包括授时监控单元(100)、射频前端单元(200)和数字处理板(300)；

授时监控单元(100)用于监控GPS接收机模块(120)是否处于被卫星锁定状态，如果是，授时成功；如果不是，则表示授时失败；

射频前端单元(200)用于对通过天线接收的非合作辐射信号进行滤波、放大处理，将处理后的信号输出到数字处理板(300)进行存储、延迟和转发等处理；并对数字处理板(300)提供的信号进行滤波和放大处理，处理后的信号提供给天线发射出去；

数字处理板(300)用于将射频前端单元(200)提供的模拟信号进行量化、存储和延迟转发后发射；数字处理板(300)包括A/D转换模块(310)、FPGA处理模块(320)、存储器缓存模块(330)和D/A转换模块(340)；

A/D转换模块(310)用于将射频前端单元(200)提供的模拟信号进行数字量化，转换成数字信号，将量化后的数字信号送入FPGA处理模块(320)进行存储和延迟转发；

FPGA处理模块(320)接收并缓存A/D转换模块(310)提供的量化后的数字信号，当模块内的数据FIFO或RAM预设的快满信号有效后，将缓存的数据读出；

存储器缓存模块(330)用于缓存A/D转换模块(310)中ADC模数转换量化后的数字信号；

D/A转换模块(340)接收来自FPGA处理模块(320)的数字信号，并进行数模转换，将其恢复成模拟信号输出，提供给射频前端单元(200)。

2.根据权利要求1所述的人工模拟散射体目标，其特征在于，FPGA处理模块(320)包括写存储器缓存模块(321)、控制模块(322)和读存储器缓存模块(323)；

写存储器缓存模块(321)用于完成前者的时钟域转换，读存储器缓存模块(323)用于完成后者的时钟域转换；控制模块(322)主要完成FPGA和存储器之间的通信、设定延迟时间、读取写存储器缓存模块(321)的数据和地址、向读存储器缓存模块(323)写入数据和读取读存储器缓存模块(323)的产生的存储器地址功能。

3.根据权利要求2所述的人工模拟散射体目标，其特征在于，工作时，写存储器缓存模块(321)接收缓存A/D转换模块(310)提供的量化后的数字信号，当模块内的数据FIFO或RAM预设的快满信号有效后，控制模块(322)开始将缓存的数据读出；

控制模块(322)根据存储器的写时序不断将从写存储器缓存模块(321)中读出的数据存储到存储器缓存模块(330)中；存储的数据量在控制模块(322)中设定，最大存储量由存储器缓存模块(330)决定；当缓存的数据量达到设定的数据量后，开始等待射频前端单元(200)收发切换模块(230)中SPDT开关瞬态响应持续时间结束；避开开关瞬态响应后，控制模块(322)再根据存储器的读时序将缓存在存储器缓存模块(330)中的数据全部读出，通过读存储器缓存模块(323)输出给D/A转换模块(340)；

读存储器缓存模块(323)中FIFO或RAM用来缓存控制模块(322)从存储器读出的数据，完成时钟域的转换；当读存储器缓存模块(323)中FIFO或RAM预设的快满信号有效后，开始读出其中的数据给D/A转换模块(340)。

4.根据权利要求1所述的人工模拟散射体目标，其特征在于，授时监控单元(100)主要包括PC机(110)和GPS接收机模块(120)，利用PC机监控GPS接收机模块(120)是否处于被卫星锁定状态，如果是，则表明GPS接收机输出的1PPS信号可用，表明授时成功；如果不是，则表示授时失败，1PPS信号不可用，无法利用1PPS信号实现该系统和天线阵列接收端同步。

5.根据权利要求1所述的人工模拟散射体目标，其特征在于，射频前端单元(200)包括接收模块(210)、发射模块(220)和收发切换模块(230)；

接收模块(210)用于对通过天线接收的信号进行滤波、放大处理，将处理后的信号输出到数字处理板(300)进行下一步处理；

收发切换模块(230)用于在FPGA处理模块(320)的控制下利用单刀双掷开关进行发射模块(220)还是接收模块(210)切换；

发射模块(220)用于对数字处理板(300)提供的信号进行滤波、放大处理，处理后的信号提供给天线发射出去；天线阵列接收端接收该信号，并将其作为散射体目标的散射信号处理。

6.根据权利要求1所述的人工模拟散射体目标，其特征在于，发射模块(220)包括第二前滤波模块(221)、第二放大模块(222)和第二后滤波模块(223)；第二前滤波模块(221)用于滤除数字板处理信号过程中产生的噪声；第二放大模块(222)主要用来对滤波后的信号功率进行放大；第二后滤波模块(223)用来滤除信号被放大过程中产生的噪声。

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