CN105068055B - 双频全数字线性调频体制雷达的控制方法 - Google Patents

双频全数字线性调频体制雷达的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双频全数字线性调频体制雷达的控制方法，通过同步控制器实现对雷达系统发射、接收、数据传输、参数配置的整体控制，协调各模块单元的有序工作。系统发射端采用数/模转换器实现任意波形合成，不仅能够实现分时双频信号，还能实现同时双频信号。同步控制器通过状态机控制雷达的工作状态，在复位状态下，系统处于初始状态；满足一定触发条件下，系统可跳转到相应状态工作，或者保持当前状态工作。在每个状态下，通过独立的计数器来控制相应的工作时序。通过改变触发条件，可以十分方便地控制系统工作在单频方式或双频方式，还可以根据探测需要灵活配置双频波形的形式。

Description

双频全数字线性调频体制雷达的控制方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，涉及一种全数字线性调频体制雷达系统的控制方法，可以将系统从原有的单频工作扩展到双频工作，并能够根据雷达探测需要灵活配置双频工作的方式。
背景技术
武汉大学研制的多频全数字高频地波雷达系统主要用于探测海洋表面风、浪、流场和低速移动目标，专利《一种多频紧凑阵全数字雷达装置》(ZL：201320260206.9)。该系统采用单极子天线发射，紧凑型单极子/交叉环天线接收；采用线性调频中断连续波(FMICW)体制，通过直接数字合成(DDS)芯片产生发射信号，并对回波信号直接射频采样，在数字域实现混频、脉冲压缩，解出目标的距离和速度信息；然后通过后续的阵列信号处理算法得到海洋表面状态信息；系统能够工作在多频模式下，以适应大尺度海浪探测的需要，以及提升目标探测抗干扰性能的需求。
该系统具有结构简洁，体积小，成本低，控制灵活等优点，但是只能通过分时复用的方式实现多频工作，随着频率个数增加，能量利用率也成倍降低。在实际工程应用中，为了满足大尺度海浪探测和目标探测抗干扰的要求，通常只需要两个工作频率即可，且两个频率对应的探测距离差别并不大，此时，对于每个频率而言能量利用率都降低至原来的一半。此外，上述系统在时序控制上采用的是单一计数器计时的方式，每当增加工作状态时，需要重新设计时序，不够灵活。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，利用数/模转换器替代DDS芯片来产生射频信号，在改进系统结构的基础上，提供一种新的全数字雷达双频工作控制方法，使系统能够更加方便地切换单频和双频工作模式，并能够根据需要灵活配置双频工作方式。
本发明的技术方案如下：
一种双频全数字线性调频体制雷达的控制方法，所述雷达采用相干工作方式，即发射信号和本振信号是同相的，雷达系统的发射和接收均由同步控制器控制。在发射端，同步控制器分别连接数/模(D/A)转换器、发射机；在接收端，同步控制器分别连接接收天线、模拟前端、模/数(A/D)转换、数字处理模块、USB控制器。
如上所述的方法，其特征在于：所述同步控制器与雷达系统发射和接收端采用单一时钟源，时钟信号由单个晶振经过锁相环频率合成器得到，因此发射信号和本振信号具有几乎相同的相位噪声，经过混频后，这种相位噪声可以得到最大程度消除，使系统具有良好的相干处理性能。
如上所述的方法，其特征在于：所述雷达系统的发射信号由数/模转换器直接产生，可得到任意波形的信号，不仅能够实现分时双频信号，还能实现同时双频信号；接收信号经过模拟前端的放大、滤波、开关控制后直接进行采样，在数字域完成解调；数据传输通过USB接口实现。
如上所述的方法，其特征在于：所述同步控制器通过状态机控制雷达的工作状态，在复位状态下，系统处于初始状态；满足一定触发条件下，系统可跳转到相应状态工作，或者保持当前状态工作。在每个状态下，通过独立的计数器来控制相应的工作时序。通过控制触发条件，可以灵活地控制系统工作在单频方式或双频方式。
所述同步控制器通过状态机控制雷达的工作状态，共包含5个状态：初始状态，状态1—初始化完成状态，状态2—参数配置状态，状态3—配置完成状态，状态4—正常周期性工作状态；系统上电后，同步控制器进入初始状态，系统各部分电路进入初始化；初始化完成后，进入状态1，并通知上位机雷达系统已完成初始化；接着进入状态2，雷达系统按照默认的参数进行配置，包括发射波形的参数、接收波形、系统工作方式；完成参数配置后，进入状态4，系统按照指定的参数进行连续周期性工作，产生发射的扫频信号，同时对接收的回波信号进行采样、解调等数字处理；一旦系统出现故障或其他认为原因触发复位，则立即从当前工作状态跳转到初始状态；在状态4下，一旦主机发出参数配置的指令，立即跳转到状态2，并根据上位机发送的参数对雷达系统进行配置。
所述的数/模转换器选用美国模拟器件公司的16位数/模转换芯片AD9125实现；同步控制器还控制包括回波接收开关、采样、数字解调处理在内的接收处理，以及接收天线的频率选择；同步控制器和数字处理模块均在FPGA芯片中实现，FPGA芯片选用Xilinx公司的XC6SLX150-2FGG676I实现。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：
1、本发明的雷达系统发射端，可以根据实际探测需要灵活选择分时双频和同时双频方式，在满足波形参数设计原则的前提下，能最大限度地提高各个频率的能量利用率，从而提高雷达的探测性能。
2、本发明采用状态机来实现雷达工作状态的控制，通过设置状态机的触发条件，可以方便、灵活地配置雷达系统的不同工作状态，例如波形参数设置状态、单频工作状态、双频工作状态等；在每个状态内，通过独立的计数器计时，还可以精准地协调雷达系统的工作时序。
附图说明
图1是本发明同步控制器与雷达系统其它部件的连接关系。
图2是本发明同步控制器所采用的状态机工作示意图。
图3是本发明实施例的分时双频波形示意图。
图4是本发明实施例的同时双频波形示意图。
图5是本发明实施例的同时双频波形有效占空比示意图。
图6是本发明实施例的扫频工作状态时序。
其中，1-10MHz温补晶振，2-上位机，3-锁相环频率合成器，4-USB控制器，5-数/模转换器，6-同步控制器，7-数字处理模块，8-发射机，9-模拟前端，10-模/数转换器，11-发射天线，12-接收天线，13-10MHz参考时钟信号，14-USB电缆，15-数模转换时钟，16-同步控制时钟，17-USB参数设置信号，18-USB数据传输信号，19-射频信号，20-同步时序控制信号，21-采样数字信号；f1-工作频率1，f2-工作频率2，T-扫频持续时间，Tr-扫频重复周期，R1-工作频率1对应的探测距离，R2-工作频率2对应的探测距离，R-同时双频波形的设计探测距离，c-光速。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
图1所示为同步控制器6与雷达系统中各个模块的连接关系，用于协调各模块的有序工作。同步控制器6控制数/模转换器5来实现射频信号的合成，本实施例中的数/模转换器选用美国模拟器件公司(ADI)的16位数/模转换芯片AD9125实现；同步控制器6还控制包括回波接收开关、采样、数字解调处理在内的接收处理，以及接收天线12的频率选择；同步控制器6和数字处理模块7均在FPGA芯片中实现，本实施例中FPGA芯片选用Xilinx公司的XC6SLX150-2FGG676I实现。上位机2对雷达系统的控制也通过同步控制器6来实现。
图2所示为同步控制器所采用的状态机工作流程，本实施例中共包含5个状态：初始状态，初始化完成状态(状态1)，参数配置状态(状态2)，配置完成状态(状态3)，正常周期性工作状态(状态4)。系统上电后，同步控制进入初始状态，系统各部分电路进入初始化；初始化完成后，进入状态1，并通知上位机雷达系统已完成初始化；接着进入状态2，雷达系统按照默认的参数进行配置，包括发射波形的参数、接收波形、系统工作方式等；完成参数配置后，进入状态4，系统按照指定的参数进行连续周期性工作，产生发射的扫频信号，同时对接收的回波信号进行采样、解调等数字处理。一旦系统出现故障或其他认为原因触发复位，则立即从当前工作状态跳转到初始状态。在状态4下，一旦主机发出参数配置的指令，立即跳转到状态2，并根据上位机发送的参数对雷达系统进行配置。
图3和图4分别为分时双频波形和同时双频波形。对于分时双频波形，工作频率f1和工作频率f2在时间上是完全错开的，对每个频率而言，由于能量积累的时间减半，因此相干积累后回波信噪比相比单频工作方式下降了3dB。对于同时双频波形，两个频率的扫频是同时的，在发射一个频率的时候另一个频率接收，这种方式可以避免上述信噪比降低的情况，但代价是两个频率的波形参数(收发周期、占空比)不能单独设置。在设计波形参数时，通常要保证最大探测距离处的回波刚好完全被接收，即对应的占空比为50％，对应的收发周期与最大探测距离成正比。因此，与分时双频波形相比，同时双频波形虽然避免了因相干积累时间下降造成的3dB信噪比损失，但也因波形参数设计的折中，导致两个频率对应的最大探测距离回波无法完全被接收，从而造成能量利用率降低。
图5分析了同时双频波形下，两个频率最大探测距离处回波的有效占空比。假设频率f1和f2对应的探测距离满足R1<R2，实际设计的探测距离按照R＝(R1+R2)/2折中设置，则最大探测距离处回波对应的有效占空比分别为(2R1/c)/(4R/c)和(4R/c-2R2/c)/(4R/c)，均等于R1/(R1+R2)。由于R1<R2，R1/(R1+R2)小于50％，因此信噪比相比单频模式有所减小，减小的大小等于
令ΔP＝3dB，得到R2＝3R1，此时两种双频波形等效；当R2<3R1时，同时双频优于分时双频；当R2>3R1时，分时双频优于同时双频。在本实施例中，两个频率对应的探测距离分别100km和200km，因此选择同时双频方式。由单频工作方式扩展到双频工作方式，只需要在图2所示的状态机中增加一个状态即可。
图6展示了本实施例在单频模式下的扫频工作状态(状态4)时序，包括5个阶段：
阶段1：初始复位。由帧周期信号触发系统复位，开始一个完整的扫频工作周期，包括图中所示时刻①和②；
阶段2：噪声监测。这一阶段，发射端不工作，接收机直接对外部环境噪声进行采样，对应时刻③和④，采样得到的时域数据通过USB传输到主机端，用于后续的噪声频谱分析及自动选频；采样率决定了噪声谱的分析带宽，由于系统对射频直接进行过采样，因此工作频率附近的频带范围均能通过一次采样直接进行分析；采样时间决定了噪声谱分析的分辨率，将分辨率设为1.25kHz，则对应的采样时间为1/1.25kHz＝0:8ms；
阶段3：配置发射。设置D/A变换的工作参数，为了保证每帧的发射信号初始相位完全一致，对D/A变换的寄存器进行复位；设置完工作参数，触发扫频，这一阶段包括时刻⑤和⑥；
阶段4：发射/接收。在一个扫频过程中，发射和接收是交替完成的，发射结束时刻，为了避免开关拖尾造成的影响，要延迟一段时间再开始接收，这段时间对应雷达的距离探测盲区；扫频结束可以滞后收发周期，最终计算扫频时宽是以门控信号对应的积分区间来计算的；在该区间内，接收到的信号经过脉冲压缩处理得到最终的基带数据，并存入缓存中。这一阶段对应的时刻
阶段5：数据传输。将上一步得到的缓存数据取出来，并送入与USB接口相连的先入先出(First In-First Out,FIFO)缓存中，通过USB接口自动传输至主机端，对应时刻
分时双频波形通过引入一个与状态4完全相同的状态5来实现，并通过改变状态5的波形参数和触发条件实现双频分时工作。同时双频波形通过新增一个与状态4类似的状态5来实现，与状态4不同的是，状态5产生的发射信号是两个频率交替的，发射和接收门控信号对于两个频率也正好是相反的；通过改变触发条件，从状态3直接跳转到状态5来实现双频同时工作。

Claims (2)

1.一种双频全数字线性调频体制雷达的控制方法，其特征在于：
所述雷达采用相干工作方式，即发射信号和本振信号是同相的，雷达系统的发射和接收均由同步控制器控制；在发射端，同步控制器分别连接数/模转换器、发射机；在接收端，同步控制器分别连接接收天线、模拟前端、模/数转换器、数字处理模块、USB控制器；
所述同步控制器与雷达系统发射和接收端采用单一时钟源，时钟信号由单个晶振经过锁相环频率合成器得到，因此发射信号和本振信号具有几乎相同的相位噪声，经过混频后，这种相位噪声可以得到最大程度消除，使系统具有良好的相干处理性能；
所述雷达系统的发射信号由数/模转换器直接产生，不仅能够实现分时双频信号，还能实现同时双频信号；接收信号经过模拟前端的放大、滤波、开关控制后直接进行采样，在数字域完成解调；数据传输通过USB接口实现；
所述同步控制器通过状态机控制雷达的工作状态，在复位状态下，系统处于初始状态；满足触发条件下，系统跳转到相应状态工作，或者保持当前状态工作；在每个状态下，通过独立的计数器来控制相应的工作时序；通过控制触发条件，灵活地控制系统工作在单频方式或双频方式；
所述同步控制器通过状态机控制雷达的工作状态，共包含5个状态：初始状态，状态1—初始化完成状态，状态2—参数配置状态，状态3—配置完成状态，状态4—正常周期性工作状态；系统上电后，同步控制器进入初始状态，系统各部分电路进入初始化；初始化完成后，进入状态1，并通知上位机雷达系统已完成初始化；接着进入状态2，雷达系统按照默认的参数进行配置，包括发射波形的参数、接收波形、系统工作方式；完成参数配置后，进入状态4，系统按照指定的参数进行连续周期性工作，产生发射的扫频信号，同时对接收的回波信号进行采样、解调处理；一旦系统出现故障或其他人为原因触发复位，则立即从当前工作状态跳转到初始状态；在状态4下，一旦主机发出参数配置的指令，立即跳转到状态2，并根据上位机发送的参数对雷达系统进行配置。
2.按权利要求1所述的一种双频全数字线性调频体制雷达的控制方法，其特征在于：所述的数/模转换器选用美国模拟器件公司的16位数/模转换芯片AD9125实现；同步控制器还控制包括回波接收开关、采样、数字解调处理在内的接收处理，以及接收天线的频率选择；同步控制器和数字处理模块均在FPGA芯片中实现，FPGA芯片选用Xilinx公司的XC6SLX150-2FGG676I实现。
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