CN104535994A - 便携式雷达测速机 - Google Patents

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张艳
郝世锋
张兵
单洪春
李楠
王伟
刘森
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    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G01S13/581—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems using transmission of interrupted pulse modulated waves and based upon the Doppler effect resulting from movement of targets

Abstract

本发明是有关一种便携式雷达测速机，包括脉冲信号采集处理模块，信号实时存储模块和便携式机箱，所述脉冲信号采集处理模块和实时存储模块通过便携式机箱的总线进行连接。所述便携式雷达测速机可实现雷达回波信号的高速采样和实时记录，便于事后回放分析；可在220V交流电下正常工作，能方便地与雷达中频采用无线电天线接口连接，在连接时成为雷达的一个附加开环支路，通过运动模型约束的瞬时测频方法，增强了对目标机动情况的适应能力，可实现雷达对高动态目标的高精度测速，又不影响原雷达系统的闭环跟踪。

Description

便携式雷达测速机
技术领域
本发明涉及雷达测量领域，特别涉及一种便携式雷达测速机。
背景技术
传统的脉冲雷达测速机是作为雷达系统一部分与整个雷达固定连接在一起的，它主要原理是：对接收的回波进行相参积累，利用快速傅里叶变换做频谱分析，估计多普勒频率，再利用测距数据和不变量嵌入法进行模糊度解算，进而得出速度估计。传统雷达测速机子系统属于雷达跟踪回路的一部分，与其它雷达子系统不可分割，受闭环跟踪回路带宽的影响，当跟踪目标有较大机动时，测量回波的相位会发生畸异，采用简单的快速傅里叶变换，会出现错误的测速结果；同时不变量嵌入法需要较长时间积累且仅能获得积累区间内平均模糊度，当速度发生突变时，难以快速恢复正常，无法应用于精度和稳健性要求较高的领域。
发明内容
有鉴于上述现有技术所存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种便携式雷达测速机，使其测速灵敏，精度高，并且可以提供原始回波数据以供分析。
为了实现上述目的，依据本发明提出的一种便携式雷达测速机，包括信号采集处理模块1，信号实时存储模块2和便携式机箱3，所述信号采集处理模块1和实时存储模块2通过便携式机箱3的总线进行连接。
本发明还可以采用以下技术措施进一步实现。
前述的便携式雷达测速机，其中所述的便携式机箱为采用面向仪器系统的外部设备互连总线扩展接口的便携式机箱。
前述的便携式雷达测速机，其中所述便携式雷达测速机采取无线电天线接口与雷达连接。
前述的便携式雷达测速机，其中所述信号采集处理模块1包括外触发单元11、信号调理通道12、外时钟调理单元13、模数转换器件14、高速时钟发生单元15、现场可编程门阵列16、存储器17、数据传输接口18和电源管理单元19；所述现场可编程门阵列16分别与外触发单元11、模数转换器14、存储器17、数据传输接口18连接，所述模数转换器14还分别与信号调理通道12、高速时钟发生单元15连接，所述高速时钟发生单元15还与外时钟调理单元13连接，所述电源管理单元19负责各部件的供电。
前述的便携式雷达测速机，其中所述存储器17为第三代双倍率数据同步动态随机存取存储器。
前述的便携式雷达测速机，其中所述数据传输接口18为外围组件接口。
前述的便携式雷达测速机，其中所述模数转换器14将经过信号调理通道12调理后的信号转换为数字化信号输入到现场可编程门阵列16中。
前述的便携式雷达测速机，其中所述现场可编程门阵列16将其处理后的信号及原始雷达回波信号通过数据传输端口18输入到与便携式机箱3连接的信号实时存储模块2。
前述的便携式雷达测速机，其中所述现场可编程门阵列16包括外部芯片控制模块、同相正交解调模块161、选取幅度最大值模块162、反三角函数arctan(x)运算模块163、直线拟合模块164、指数exp(x)运算模块165、相位积累运算模块166、实时模糊度运算模块167、有限冲激响应数字滤波模块168.
前述的便携式雷达测速机，其中所述数字化信号输入到现场可编程门阵列16后，进入同相正交解调模块161，即数字化信号分别与两个正交的正弦信号sin(ω0t)和cos(ω0t)相乘，再通过两个低通滤波器，得到脉冲采样信号；之后通过选取幅度最大值模块162选出最大值相位；在反三角函数arctan(x)运算模块163中求出相位差序列；再通过直线拟合模块164进行相位差序列的线性拟合，实现相位分层，找出主相位层；将主相位层的数据在指数运算模块165实现相位重构；将重构的结果输入相位积累运算模块166，获得测量的瞬时频率；通过实时模糊度运算模块167，获得速度的估值；再通过有限冲激响应数字滤波模块168，滤除噪声信号，将信号输出。本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案,本发明的便携式雷达测速机，至少具有下列优点：
一、本发明的便携式雷达测速机，可实现雷达回波信号的高速采样和实时记录，便于事后回放分析。
二、本发明的便携式雷达测速机，可在220V交流电下正常工作，能方便地与雷达中频采用同轴电缆连接，在连接时成为雷达的一个附加开环支路，既实现了高精度测速，又不影响原雷达系统工作。
三、本发明的便携式雷达测速机，采用相位分层方法找出主相位层，可降低相位畸变带来的测量误差；采用运动模型约束的相位积累运算，求得积累区间每点的瞬时频率，提高快速傅里叶变换求解平均频率带来的误差，提高了测量测量精度；采用实时模糊度解算方法，能提高模糊度解算的速度，当速度发生突变时，可快速恢复(0.3s内)正常；采用开环支路的设计，可避免闭环跟踪回路引入的误差。
附图说明
图1本发明便携式雷达测速机结构框图
图2本发明便携式雷达测速机信号采集处理模块结构框图
图3本发明便携式雷达测速机信号采集处理模块信号传递示意图
图4本发明便携式雷达测速机、现场可编程门阵列信号处理模块流程示意图
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的便携式雷达测速机其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。
请参阅图1所示，是本发明便携式雷达测速机结构框图，所述便携式雷达测速机包括信号采集处理模块1、信号实时存储模块2和面向仪器系统的外部设备互连总线扩展接口便携式机箱3，信号采集处理模块1和信号实时存储模块2通过面向仪器系统的外部设备互连总线扩展接口便携式机箱3的总线相互连接。
本发明使用面向仪器系统的外部设备互连总线扩展接口总线实时传输技术，通过使用外围组件接口硬核IP和直接内存存取控制组件对面向仪器系统的外部设备互连总线扩展接口进行封装，简化了端口复杂性，提高了实时数据传输速率，方便便携式雷达测速机与雷达回路的连接与断开。在连接时成为雷达的一个附加开环支路，既实现了高精度测速，又不影响原雷达系统工作。
本发明的信号实时存储模块优选为大容量的硬盘，用于实时数据存储，便于数据的保存与后期处理分析。
请参阅图2所示，是本发明便携式雷达测速机信号采集处理模块结构框图，本发明便携式雷达测速机信号采集处理模块1优选包括外触发单元11、信号调理通道12、外时钟调理单元13、模数转换器14、高速时钟发生单元15、现场可编程门阵列16、存储器17、数据传输接口18和电源管理单元19。所述现场可编程门阵列16分别与外触发单元11、模数转换器14、存储器17、数据传输接口18连接；所述模数转换器14还分别与信号调理通道12、高速时钟发生单元15连接；所述高速时钟发生单元15还与外时钟调理单元连接；所述电源管理单元19，电源管理单元19负责各部件的供电。
所述存储器17优选为第三代双倍率数据同步动态随机存取存储器，用于暂时缓存采集到的回波数据，便于后续分析处理。
所述数据传输接口18优选为外围组件接口，用于连接便携式机箱。
请参阅图3所示，是本发明便携式雷达测速机信号采集处理模块信号传递示意图。便携式雷达测速机工作时，脉冲触发信号从端口A输入外触发单元11,再通过端口B输入到现场可编程门阵列16中；外部时钟信号从端口C输入外时钟调理单元13，再通过D端口输入到高速时钟发生单元15，产生的高速时钟信号通过端口E输入到模数转换器14中，为模数转换器14提供高速时钟信号；雷达回波信号通过F端口输入到信号调理通道12进行信号调理之后通过G端口输入到模数转换器14中，经模数转换器14转换为数字化信号并依据高速时钟信号同步后通过H端口输入到现场可编程门阵列16中；现场可编程门阵列16依据外部触发单元11传递的脉冲触发信号，对模数转换器14输入的数字化信号进行截取，然后在现场可编程门阵列16内部处理为频率信号，将频率信号和原始雷达回波信号通过端口I输入数据传输接口18并向面向仪器系统的外部设备互连总线扩展接口便携式机箱传输，再通过具有面向仪器系统的外部设备互连总线扩展接口便携式机箱3连接的信号实时存储模块2实现实时存储，同时现场可编程门阵列将处理为频率信号的数据暂时缓存到第三代双倍率数据同步动态随机存取存储器中，便于后续分析处理。
所述实时存储模块2优选为大容量硬盘，用于数据存储，便于事后分析处理。
请参阅图4，是本发明便携式雷达测速机现场可编程门阵列信号处理模块流程示意图。所述现场可编程门阵列16包括外部芯片控制模块、同相正交解调模块161、选取幅度最大值模块162、反三角函数arctan(x)运算模块163、直线拟合模块164、指数exp(x)运算模块165、相位积累运算模块模块166、实时模糊度运算模块167、有限冲激响应数字滤波模块168。雷达回波信号经过模数转换器14数字化后得到数字化信号，输入到现场可编程门阵列16，进入同相正交解调模块161，即数字化信号分别与两个正交的正弦信号sin(ω0t)和cos(ω0t)相乘，通过两个低通滤波器，得到脉冲采样信号；之后通过选取幅度最大值模块162选出相关结果最大值进行相位对齐，得到最大值相位；在反三角函数arctan(x)运算模块163中求出相位差序列；再通过直线拟合模块164进行相位差序列的线性拟合，实现相位分层，找出主相位层；将主相位层的数据在指数运算模块165实现相位重构；将重构的结果输入相位积累运算模块166，获得测量的瞬时频率；通过实时模糊度运算模块167，获得速度的估值；再通过有限冲激响应数字滤波模块168，滤除噪声信号，将信号输出。
本发明申请采用相位分层方法找出主相位层，可降低相位畸变带来的测量误差；采用运动模型约束的相位积累运算，求得积累区间每点的瞬时频率，提高快速傅里叶变换求解平均频率带来的误差，提高了测量测量精度；采用实时模糊度解算方法，能提高模糊度解算的速度，当速度发生突变时，可快速恢复(0.3s内)正常；采用开环支路的设计，可避免闭环跟踪回路引入的误差。
优选地，所述便携式雷达测速机的采样速率为100MHz，量化位宽14比特(bit)，记录时间大于10分钟，在此条件下可满足增强对目标机动情况的适应能力，提高了速度测量精度，可满足常规任务需要。
优选地，所述便携式雷达测速机的采样速率可根据具体的雷达回波的频谱特性选择的，为了保证量化的精度，量化位宽优选为14比特(bit),记录时间优选为大于十分钟。
优选地，所述便携式雷达测速机的测量参数可根据任务需要选择适当的范围。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然并非用以限定本发明实施的范围，依据本发明的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种便携式雷达测速机，其特征在于包括信号采集处理模块，信号实时存储模块和便携式机箱，所述信号采集处理模块和实时存储模块通过便携式机箱的总线进行连接。
2.如权利要求1所述的便携式雷达测速机，其特征在于所述便携式机箱为采用面向仪器系统的外部设备互连总线扩展接口的便携式机箱。
3.如权利要求1所述的便携式雷达测速机，其特征在于所述便携式雷达测速机采取无线电天线接口与雷达连接。
4.如权利要求1所述的便携式雷达测速机，其特征在于所述信号采集处理模块包括外触发单元、信号调理通道、外时钟调理单元、模数转换器、高速时钟发生单元、现场可编程门阵列、存储器、数据传输接口和电源管理单元；所述现场可编程门阵列分别与外触发单元、模数转换器、存储器、数据传输接口连接，所述模数转换器还分别与信号调理通道、高速时钟发生单元连接，所述高速时钟发生单元还与外时钟调理单元连接，所述电源管理单元负责各部件的供电。
5.如权利要求4所述的便携式雷达测速机，其特征在于所述存储器为第三代双倍率数据同步动态随机存取存储器。
6.如权利要求4所述的便携式雷达测速机，其特征在于所述数据传输接口为外围组件接口。
7.如权利要求4至5任一项所述的便携式雷达测速机，其特征在于所述模数转换器将经过信号调理通道调理后的信号转换为数字化信号输入到现场可编程门阵列中。
8.如权利要求4至5任一项所述的便携式雷达测速机，其特征在于所述现场可编程门阵列将其处理后的信号及原始雷达回波信号通过数据传输接口输入到与便携式机箱连接的信号实时存储模块。
9.如权利要求4至5任一项所述的便携式雷达测速机，其特征在于所述现场可编程门阵列包括外部芯片控制模块、同相正交解调模块、选取幅度最大值模块、反三角函数arctan(x)运算模块、直线拟合模块、指数exp(x)运算模块、相位积累运算模块、实时模糊度运算模块、有限冲激响应数字滤波模块。
10.如权利要求9所述的便携式雷达测速机，其特征在于所述数字化信号输入到现场可编程门阵列后，进入同相正交解调模块，即数字化信号分别与两个正交的正弦信号sin(ω0t)和cos(ω0t)相乘，再通过两个低通滤波器，得到脉冲采样信号；之后通过选取幅度最大值模块选出最大值相位；在反三角函数arctan(x)运算模块中求出相位差序列；再通过直线拟合模块进行相位差序列的线性拟合，实现相位分层，找出主相位层；将主相位层的数据在指数运算模块实现相位重构；将重构的结果输入相位积累运算模块，获得测量的瞬时频率；通过实时模糊度运算模块，获得速度的估值；再通过有限冲激响应数字滤波模块，滤除噪声信号，将信号输出。
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