CN103728593A - 一种实现地波超视距雷达同时多频发射/接收的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现地波超视距雷达同时多频发射/接收的方法，基于帧间相位线性偏移的方法，实现地波超视距雷达从单频模式到同时多频模式的扩展。在发射端，根据扫频周期和频率路数，设置合适的相位偏移量，由频率合成电路生成多路频率不同且帧间相位变化率不同的发射信号，经天线发射；在接收机端，由混频电路将多路不同频率的接收信号变频到同一频段上，经过两次快速傅立叶变换后在多普勒谱上对多个频率的回波信号进行分离，从而实现了多个频率的同时工作。本发明实现了地波超视距雷达严格意义上的多频同时工作，不需要增加硬件成本，各个频率同时工作不存在相互干扰的现象，得到的不同频率下的数据易于分离，提高了雷达的探测性能和探测精度。

Description

一种实现地波超视距雷达同时多频发射/接收的方法

技术领域

本发明属于雷达领域、无线电物理学等技术领域，特别涉及一种用于实现地波超视距雷达同时多频发射/接收的方法。

背景技术

作为一种新兴的海洋遥感设备，地波超视距雷达具能够对海洋表面环境和海上移动目标进行全天候、超视距、大面积的实时监测。目前国内外多数高频地波雷达都采用了线性调频中断连续波(FMICW)体制,它在线性调频连续波(FMCW)基础上引入收发调制技术,可以较好地解决强直达波信号造成的接收机阻塞的问题。

传统的超视距雷达多数工作在单个频点上,抗干扰能力相对较弱,回波中包含的信息量少,制约了海洋环境监测能力的发挥。多频超视距雷达工作在多个频率点上,增强了抗干扰能力和自校正能力,回波所包含的海洋动力学参数和移动目标信息得到增加，具有探测性能稳定、探测精度高和抗干扰能力强等优点。然而在多频体制下FMICW参数设计将受到很大限制,各频率间参数相互制约,尤其是各个频率的距离混叠问题很难克服,如参数选择不当,将会因距离模糊使雷达探测性能急剧下降。现有的将超视距雷达从单频模式扩展到多频模式的方法，主要是脉内多频、脉间多频和扫频周期间多频。脉内多频和脉间多频，属于频分复用的形式，脉内多频同时发射多个频率FMICW信号，在接收端需要增加新的信号处理通道，增加了硬件设备；脉间多频在一个脉冲周期内发送多个子脉冲，每个子脉冲分属不同的线性扫频过程，其参数计算复杂，要充分考虑多个收发脉冲集中脉压处理引入的距离混叠问题；扫频周期间多频，是以牺牲时间资源获取频带扩展的，属于分时多频，每个频率的平均发射功率相对较小。

发明内容

本发明针对背景技术存在的不足，提供出了一种实现地波超视距雷达同时多频发射/接收的方法，它基于帧间相位线性偏移的方法，实现地波超视距雷达从单频模式到同时多频模式的扩展。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种实现地波超视距雷达同时多频发射/接收的方法，基于帧间相位线性偏移的方法，实现地波超视距雷达从单频模式到同时多频模式的扩展；即：对雷达工作的不同频段，设置的不同相位偏移值，根据相位偏移值，对雷达发射的线性调频信号进行相位调制，使不同频率的发射信号具有不同的帧间相位偏移量，从而改变其多普勒谱的形式，实现地波超视距雷达同时多频发射/接收。

在发射端，采用帧间相位线性偏移的方法，根据扫频周期和频率路数设置相位偏移量，由频率合成电路生成两路以上不同频率、不同相位的发射信号，由合路器合并后经发射天线发射；对于每一个发射频率，频率合成电路均生成一个本振信号与之对应，本振信号的相位初值固定，帧间相位变化率为零。

在接收机端，接收天线接收到回波信号，再由混频电路对不同频率的回波信号进行频率变换；混频电路的本振信号为上述频率合成电路产生的本振信号，其输出为两路以上同频率区间、不同相位的中频或零频信号；混频电路将两路以上不同频率的接收信号变频到同一频段上，由合路器合并后，通过数字信号处理通道经过两次快速傅立叶变换；经过两次快速傅立叶变换后，各路不同频率回波的多普勒谱在同一张多普勒谱图上显示，由于不同发射频率的信号帧间的相位差不同，在多普勒谱上会产生频率偏移，在多普勒谱上对两路以上不同频率的的回波信号进行分离，从而实现多个频率的同时工作。

所述的频率合成电路生成两路以上不同频率的发射信号的帧间相位差由扫频周期和回波多普勒谱上的频率偏移量决定。

所述频率合成电路生成的两路以上的发射信号的帧间相位变化率不同。

所述的混频电路的路数同发射信号的路数相同。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明方法占用资源少，不需要增加硬件成本，即可有效地实现超视距雷达由单频转为多频模式，从而达到提高其探测性能和探测精度的目的。

2、本发明方法可实现严格意义上的多频同时工作，各个频率同时工作不存在相互干扰的现象，得到的不同频率下的数据易于分离。

3、本发明方法配置简单，具有很好的通用性，不受雷达设备硬件限制，适用性强，可移植性高。

附图说明

图1是本发明实施例中的系统组成框图。

具体实施方式

下面通过实施例，结合附图，对本发明作进一步详细的描述。

本发明采用如下的技术方案：对雷达工作的不同频段，设置的不同相位偏移值，根据相位偏移值，对雷达发射的线性调频信号进行相位调制，使不同频率的发射信号具有不同的帧间相位偏移量，从而改变了其多普勒谱的形式，实现地波超视距雷达同时多频发射/接收。具体的实现方法为：在发射端，由频率合成电路生成多路不同频率不同相位的发射信号，由合路器合并后经天线发射；在接收机端，回波信号经接收天线后，由混频电路将多路不同频率的接收信号变频到同一频段上，通过一个数字信号处理通道，最后在多普勒谱上进行分离，从而实现了多个频率的同时工作。

上述频率合成电路由FPGA芯片和DDS芯片组成，可按照系统配置的波形参数生成多组不同频率的发射信号和本振信号；其中，发射信号的各路相位可线性变化，从而得到多路频率不同且帧间相位变化率不同的发射信号；对于每一个发射频率，均有一个本振信号与之对应；本振信号的相位初值固定，帧间相位变化率为零；所述的帧是指线性扫频连续波的扫频周期；各路的发射信号和本振信号的频率差值相同，具体差值可根据接收机的具体设计来定，可以为中频，也可以为零。此外，也可以设置发射信号为相位初值固定、帧间相位变化率为零的多路不同频率的信号，将本振信号设置为多路频率不同且帧间相位变化率不同的信号，结果也是相同的。

混频电路包括混频器和滤波电路。输入混频器的本振信号为频率合成器产生的本振信号，滤波电路根据发射信号与本振的频率差值进行选择。混频电路输出为多路频率区间同相位不同的中频或零频信号。混频电路的路数同发射信号的路数相同，其实现方式可以是数字混频和数字滤波，也可以采用模拟混频器和模拟滤波器的方式。

数字信号处理通道进行的处理包括抽取与滤波、数据传输和信号处理。混频电路将多路不同频率信号变频至同一中频或零频信号，这样仅需一个数字信号处理通道即可完成多频信号的信号处理。在完成抽取与滤波后，信号经一次快速傅立叶变换得到距离谱，在距离谱上多路不同频率的回波是混叠在一起的。通过相干积累对同一距离元的信号再经一次快速傅立叶变换得到多普勒谱，由于不同发射频率的信号帧间的相位差不同，在多普勒谱上会产生频率偏移。根据扫频周期和频率路数，在设置合适的相位偏移量的情况下，可以实现多频信号在多普勒谱上的分离。

地波超视距雷达的工作原理简要介绍如下：雷达工作于线性调频中断连续波体制,在对解调后的信号进行采样后，对每一个扫频周期内的信号进行一次离散傅里叶变换得到的距离谱，每一个谱点对应于一个距离元。在由多个扫频周期组成的相干积累时间内对同一个距离元的谱值进行第二次离散傅里叶变换得到多普勒谱。

参见图1，本发明实施例中的一种实现地波超视距雷达同时多频发射/接收的方法，以同时双频为例，图中给出了同时双频的示意图，其中S_H(t)和S_L(t)分别表示频率合成器生成的高频/低频的线性扫频连续波信号。S_TH(t)为高频发射信号，S_TL(t)为低频发射信号，它们均为线性扫频中断连续波，与单频的发射信号相比，它们均多了一个相位偏移量

其具体表达式为：

其中，f_H和f_L为雷达高低波段载频；

和

为高低波段在每一帧的相位偏置；

T为扫频周期；

K=B/T为扫频速率；

N为一个相干积累时间内的帧数；

p为扫频时宽T内的门控脉冲个数；

T₀、q分别为脉冲宽度和周期，rect为矩形脉冲。

与单频的本振信号类似，本振信号的不带偏置，只是分成了高低两路。高低发射信号对应的本振信号分别为S_LH(t)和S_LL(t)。各路的发射信号和本振信号的频率差值Δf相同，其具体表达式为：

$S_{\mathrm{LH}}\left(t\right)=[1-g\left(t\right)]\cos \left(2\mathrm{\π}(f_H+\mathrm{\Δf}-\frac{\mathrm{Kt}}{2})t\right),$

$S_{\mathrm{LL}}\left(t\right)=[1-g\left(t\right)]\cos \left(2\mathrm{\π}(f_L+\mathrm{\Δf}-\frac{\mathrm{Kt}}{2})t\right),$

与单频的回波信号相同，目标反射的回波信号为：

S_r(t)=S_T(t-τ)=g(t-τ)S(t-τ)，其中τ为回波信号时延。

回波信号进入接收机时受收发开关T/R开关脉冲调制，故接收信号为：

S_R(t)=[1-g(t)]g(t-τ)S(t-τ)

按照单频高频超视距雷达的信号处理过程，高低频段的回波信号在混频电路与本振信号混频后，低通滤波后滤掉了高频成分和脉冲调制就得到高、低频段的回波信号经解调后输出的基带信号S_IH（t）和S_IL（t）

其中，v为目标速度，c为光速，r为探测目标初始距离。

基带信号的瞬时频率为：

在高频地波雷达中 $\left|\frac{2\mathrm{Kr}}{c}\right|>>|\frac{2f_{H}v}{c}-\frac{4\mathrm{Kvt}}{c}|$ 和 $\left|\frac{2\mathrm{Kr}}{c}\right|>>|\frac{2f_{L}v}{c}-\frac{4\mathrm{Kvt}}{c}|,$ 于是对于高低频段，都有

这同单频工作时相同，仅与距离有关，和发射信号工作频段无关。因此，在数字信号处理模块对基带信号进行一次FFT可得距离谱R(m)，高低频段在距离谱上混叠在一起。

第l次扫频时，目标距离为r_l=r-v(l-1)T_r，T_r为采样周期，T_r>T；

高、低频段回波对应的基带信号相位分别为φ_lH和φ_lL

对于同一个距离元，计算连续两次扫频的信号相位差，略去小的相位项，高、低频段回波对应的两次扫频信号的相位差Δφ_H和Δφ_L分别为：

与单频的信号相比，相位差多了一个相位偏移量，对每一个距离元进行一次FFT作为多普勒变换，可得到与速度信息对应的多普勒频谱。这样同一个距离元上收到的高低频率回波对应的多普勒谱的频率约为

在选择的相位差值和扫频周期的情况下，即可实现多频信号在多普勒谱上的分离。

以250ms扫频周期为例，设高频段

低频段

则

在其多普勒谱上，高频段回波多普勒谱会位于右侧，中心位置位于+1.33Hz处；低频段回波多普勒谱会位于左侧，中心位置位于-1.33Hz处。

Claims (7)

1.一种实现地波超视距雷达同时多频发射/接收的方法，其特征在于：基于帧间相位线性偏移的方法，实现地波超视距雷达从单频模式到同时多频模式的扩展；即：对雷达工作的不同频段，设置的不同相位偏移值，根据相位偏移值，对雷达发射的线性调频信号进行相位调制，使不同频率的发射信号具有不同的帧间相位偏移量，从而改变其多普勒谱的形式，实现地波超视距雷达同时多频发射/接收。

2.根据权利要求1所述的一种实现地波超视距雷达同时多频发射/接收的方法，其特征在于： 

在发射端，采用帧间相位线性偏移的方法，根据扫频周期和频率路数设置相位偏移量，由频率合成电路生成两路以上不同频率、不同相位的发射信号，由合路器合并后经发射天线发射；对于每一个发射频率，频率合成电路均生成一个本振信号与之对应，本振信号的相位初值固定，帧间相位变化率为零。

3.根据权利要求2所述的一种实现地波超视距雷达同时多频发射/接收的方法，其特征在于： 

在接收机端，接收天线接收到回波信号，再由混频电路对不同频率的回波信号进行频率变换；混频电路的本振信号为上述频率合成电路产生的本振信号，其输出为两路以上同频率区间、不同相位的中频或零频信号；混频电路将两路以上不同频率的接收信号变频到同一频段上，由合路器合并后，通过数字信号处理通道经过两次快速傅立叶变换；经过两次快速傅立叶变换后，各路不同频率回波的多普勒谱在同一张多普勒谱图上显示，由于不同发射频率的信号帧间的相位差不同，在多普勒谱上会产生频率偏移，在多普勒谱上对两路以上不同频率的回波信号进行分离，从而实现多个频率的同时工作。

4.根据权利要求2或3所述的一种实现地波超视距雷达同时多频发射/接收的方法，其特征在于：所述的频率合成电路生成两路以上不同频率的发射信号的帧间相位差由扫频周期和回波多普勒谱上的频率偏移量决定。

5.根据权利要求2或3所述的一种实现地波超视距雷达同时多频发射/接收的方法，其特征在于：所述频率合成电路生成的两路以上的发射信号的帧间相位变化率不同。

6.根据权利要求3所述的一种实现地波超视距雷达同时多频发射/接收的方法，其特征在于：所述的混频电路的路数同发射信号的路数相同。

7.根据权利要求3所述的一种实现地波超视距雷达同时多频发射/接收的方法，其特征在于：所述的接收端接收的两路以上不同频率的回波信号共用同一个数字信号处理通道。

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