CN106526582A - 双基地雷达系统 - Google Patents

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Abstract

公开一种双基地雷达系统(10)，其配置用于雷达信号(44)的相干检测，所述系统包括多个雷达收发器(30A、30B、30K)、控制器(34)和通信装置(32)。多个雷达收发器(30A、30B、30K)表征为相对于彼此在物理上分隔。控制器(34)与每个雷达收发器(30A、30B、30K)通信，并且配置成相干地操作每个雷达收发器(30A、30B、30K)。通信装置(32)通过将参考时钟信号和帧同步信号(38)两者从控制器(34)发送至多个雷达收发器(30A、30B、30K)的每一个以使多个雷达收发器(30A、30B、30K)相干地操作。

Description

双基地雷达系统
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)，主张2015年8月28日提交的美国临时专利申请序号62/211,114的权利，其全部公开在此通过引入的方式合并入本文中。
技术领域
本发明总体上涉及双基地雷达系统。
背景技术
双基地雷达可用于多种目的，包括改进的检测概率、通过从多雷达收发器接收的信号组合形成更大的天线孔径等。更大的天线孔径的重要动机以及或许是相干双基地雷达的首要动机是极大改进的角度能力(准确性和辨别力)。与那些利用独立VCO操作的雷达相比，相干雷达收发器操作将为双基地雷达提供改进的性能。一种使多个零差接收器相干的已知方法是将本地振荡器信号(LO)分发至每个接收器以用于下变频。然而，在毫米波长频率处，当接收器具有明显间距时，这可能是昂贵的或不切实际的。一种用于VCO控制的已知方法是小数N分频锁相环(Fractional N PLL)，在其中VCO频率被划分并且然后与参考振荡器比较。一种用于产生VCO的频率调制的已知技术是小数N PLL中的分频器随时间而变化。一个示例是线性FM扫描。常见的是，用于小数N PLL的参考振荡器也用作时钟源以控制频率调制和利用ADC的数据采集。在两个传感器中启动FM扫描的任何时间差异将显现为距离延迟。这可以通过对所接收信号进行处理来校准。
发明内容
具有独立VCO的多个T/R模块通过用单独的小数N PLL控制它们的每一个来使它们相干，但其中每一个小数N PLL使用共同的参考时钟信号。这些T/R模块生成的数据以相干方式组合。两个VCO生成的信号具有不相关的相位噪声，但由于在独立的频率上操作而将不会实现累积的相位误差。该参考时钟也提供共同的时间基础以用于频率调频控制和ADC采样。共同的频率调制序列在远端PLL中实现，但需要一个定时同步信号以使得序列在相同时间开始。这些波形的起始时间上的任何差异将看起来像距离延迟。该时间差可通过评估两个接收器所测量的信号来确定，但理想的是，该时间差异跨相干处理间隔是一致的。帧同步信号被用于提供定时参考至每个雷达模块。该帧同步信号具有相对于参考频率一致的定时以确保全部信号使用相同的参考时钟脉冲以启动调制序列。用于分配参考和帧同步信号的一个可能方法是通过LVDS接口。已开发出一种用于分配时钟和帧同步信号的类似方法以同步多个图像传感器以使得可以组合这些传感器的输出。
根据一个实施例，提供了一种双基地雷达系统，其配置用于雷达信号的相干检测。该系统包括多个雷达收发器、控制器和通信装置。多个雷达收发器表征为彼此物理分隔。控制器与每个雷达收发器通信。控制器配置成相干地操作每个雷达收发器。通信装置配置成通过将来自控制器的参考时钟信号和帧同步信号传送至多个雷达收发器的每一个，由此多个雷达收发器相干地操作。
根据另一实施例，提供了一种双基地雷达系统，其配置用于雷达信号的相干检测。该系统包括参考信号发生器、发送器和多个接收器。参考信号发生器可操作为生成由参考频率表征的参考信号，该参考频率与系统所发送的雷达信号的雷达频率的分数成比例。发送器可操作为基于参考信号以雷达频率生成雷达信号。多个接收器可操作为相干地检测基于参考信号的雷达信号。
进一步的特征和优点将在阅读以下优选实施例的详细描述中显得更清楚，其仅通过非限制性示例并且参考附图给出。
附图说明
现在将通过示例的方式参考附图描述本发明，其中：
图1是根据一个实施例的双基地雷达系统的示图；
图2是根据一个实施例的双基地雷达系统的示图；
图3是根据另一实施例的双基地雷达系统的示图；
图4是根据另一实施例的双基地雷达系统的示图；
图5是根据另一实施例的双基地雷达系统的示图；以及
图6是根据另一实施例的双基地雷达系统的示图。
具体实施方式
图1展示了双基地雷达系统(下文称为系统10)的一部分的非限制性示例，其包括相位频率检测器，下文称为PFD 12。基于从参考和VCO反馈信号接收的边界，PFD 12提供控制或命令电荷泵14(标记为CP)的输出至电源或灌电流。标记为“/N”的方框是N分分频器，下文称为N分频器16，其用于下分频f_out，f_out是反馈至PFD 12的电压控制的振荡器18或VCO 18的输出。包括PFD_12和VCO 18的锁相环(PLL)将试图使分频的信号的相位锁定至由参考振荡器22输出的参考频率(f_ref)。Sigma-Delta(∑Δ)调制器24变化表征N分频器16的操作的N的值以便提供各种分数因子值。扫描控制26的输出将使小数N分频器的值随时间变化。帧同步28是定时信号，用于启动扫描控制26的调制序列。
为了使该功能图适用于多个物理上分开的雷达收发器，从而避免将雷达频率信号分配至物理上分开的雷达收发器的问题(图2)，通信装置32(图4)需要能够：将雷达数据从多个雷达传感器传输至一些中央位置以便相干处理；将参考时钟从一些中央位置传输至多个雷达传感器以便在PLL中使用；以及利用受控的延迟将帧同步从中央位置传输至多个雷达传感器，以允许所有的雷达传感器在雷达信号之间产生具有一致时间偏移的相同波形。期望的是，在雷达信号之间具有一致的波形相位。在快速啁啾(chirps)的情况下，这意味着每个啁啾具有相同的起始相位，这通常意味着“相干”。
图3展示了多个相干接收器的可能配置100的非限制性示例。组成多个雷达收发器30A、30B、...30K(K的值理解为可变的)的每个发送-接收(T/R)模块包括图1中描述的小数N分频锁相环(小数N PLL)控制的VCO，其使用参考时钟信号作为PLL控制系统的输入并且作为频率调制的定时参考。小数N PLL也使用帧同步信号以触发调制序列。每个T/R模块(雷达收发器30A、30B、...30K)包括至少一个或多个发送天线和/或一个或多个接收天线。构想到，在一些情况下T/R模块可能只有接收天线而没有发送天线。当包括发送天线时，它们由来自VCO的信号驱动。当包括接收天线时，VCO提供参考以用于下变频至基带。利用模数(A至D)转换器数字化基带信号，其采样是可用于直接输出，或可用于一些水平的预处理。输出采样或预处理采样被称为T/R模块雷达数据。参考时钟发生器提供适合小数N PLL使用的时钟信号。帧同步发生器将提供信号用于触发调制序列的启动。雷达处理器具有从多T/R模块接收雷达数据并且进一步处理和组合信号以便相干处理的能力。
图4展示了一种配置的非限制性示例，该配置使用Maxium 9205和9206的组合作为通信装置32以分配参考时钟和帧同步信息。使用了现成的串行器/解串器芯片组。捕捉时钟和同步信号，然后串行化到高速LVDS道中。在恢复时，可能需要时钟抖动滤除器以便提供合适的PLL性能。
图5展示了提供时钟和帧同步分配的系统10的另一可能配置(配置1)。系统10包括控制器34和多个T/R模块，即多个雷达收发器30A、30B、...30K。控制器34包括帧同步发生器、参考时钟发生器和雷达处理器。每个T/R模块通过数据串行接口(即通信装置32)连接至控制器34。雷达数据在该接口上从T/R模块传递至控制器34。将一些命令在该串行接口的返回通道上从控制器34发送至T/R模块。每个T/R模块也通过第二串行接口连接至控制器34。在该串行接口上从控制器34至每个T/R模块的信息包括参考时钟和帧同步。来自每个T/R模块的信息包括雷达数据(假设T/R模块包含雷达数据)和任选的其他数据，诸如关于雷达数据的元数据或各种诊断测量的结果。在每个T/R模块中接收的帧同步必须具有相对于参考时钟的受控的相位延迟，使得每个T/R模块将参照帧同步的边界之间的相同数量的参考时钟脉冲。
图6说明了被称为主/从配置的系统10的另一可能配置(配置2)，其与图5所示配置相同，除了在此非限制性示例中，主T/R模块包括控制器、雷达处理器、帧同步发生器、参考时钟发生器和T/R模块。这称为主模块。主模块然后与一个或多个从属模块以与图5所示配置类似的方式通信。
构想了用于时钟和帧同步分配的另一实施例(配置3：独立参考时钟和帧同步)，其中参考时钟发生器和帧同步发生器位于与雷达处理器分离的模块中并且独立于雷达处理器操作。这些信号至T/R模块的通信经由与用于雷达数据的接口不同的接口来执行。雷达处理器可经由较慢的通信接口与T/R模块通信以协调每个T/R模块的测量模式。
构想了与配置1(图5)类似的用于时钟和帧同步分配的另一实施例(配置4：独立通信接口)，但是代替在单一串行接口上传输各种信号，信号被分到多个串行接口的一些组合中。
构想了用于时钟和帧同步分配的另一实施例(配置5：组合雷达数据、指令、参考时钟和帧同步)，其中雷达数据接口和参考时钟/帧同步接口的内容被组合进单个双向串行接口中。
因此，提供了双基地雷达系统(系统10)、用于系统10的控制器34以及操作系统10的方法。系统10配置用于雷达信号的相干检测。系统包括多个雷达收发器30A、30B、...30K。多个雷达收发器30A、30B、...30K被表征为彼此物理分隔。如在本文中使用的，雷达收发器被表征为分隔的距离使得典型雷达频率处(例如76GHz)的信号不能使用简单的导线或电路板上的迹线良好地传输或传播。例如，当雷达收发器被分隔时，例如分隔500毫米(500mm)，昂贵的波导可能是必要的。控制器34与每个雷达收发器通信，所述控制器配置成经由通信装置32相干地操作每个雷达收发器30A、30B、...30K，该通信装置配置成将参考时钟信号或参考信号36和帧同步信号38从控制器34传输至多个雷达收发器30A、30B、...30K中的每一个。给定这些信号，多个雷达收发器30A、30B、...30K中的每一个能够与所有其他的多个雷达收发器30A、30B、...30K相干地操作，即在相位上。
如在本文中使用的，相干地操作意指雷达信号具有共同的相位参考或已知的相位关系，使得雷达处理器可使用雷达信号的相对幅度和相位来组合雷达信号作为相量(复向量)。雷达信号的相干性通常通过使用用于发送和接收的共同的参考振荡器来实现。在缺少共同的相位参考或已知的相位关系时，雷达处理器只能仅使用信号的幅度而不是它们的相位来非相干地组合雷达信号。
多个雷达收发器30A、30B、...30K的相干操作是有利的，因为相干的雷达信号可被组合以提高信噪比以便更好的目标检测以及在距离、多普勒和角度上解析目标。相反，对非相干信号进行雷达处理(仅使用信号的幅度而不是它们的相位)以较小的程度改进目标检测并且不能在距离、多普勒或角度上区分目标。
在多个雷达接收器的环境下，相干操作意指全部的收发器具有用于发送信号的同步的共同的时间参考以及用于发送和接收信号的共同的相位参考。以这种方式，每个收发器发送和接收的信号可在雷达处理器中被相干地组合以实现相干雷达操作在目标检测和解析中的优点。当与来自仅单个雷达收发器的信号的相干处理比较时，来自分隔一定距离的多个雷达收发器信号的相干处理延伸了总体天线尺寸以便充分地改善角度分辨率。
系统10包括参考信号发生器40(类似于参考振荡器22)，其可操作为生成由参考频率表征的参考信号36，该参考频率与系统10发送的雷达信号44(f_out)的雷达频率的分数成比例。系统包括至少一个发送器46，其可以是多个雷达收发器30A、30B、...30K中的任何一个的一部分。发送器46通常可操作来基于参考信号36以雷达频率生成雷达信号44。系统也包括多个接收器48，其可操作来相干地检测雷达信号，并且该相干操作基于或参照参考信号。多个接收器48可以是多个雷达收发器30A、30B、...30K的每一个的一部分，其可包括第一接收器48A和与第一接收器48A分隔的第二接收器48B。通过非限制性示例的方式，第一接收器48A可与第二接收器48B分隔超过500毫米(500mm)。
虽然本发明已根据其优选实施例描述，但并不旨在受此限制，而仅在所附权利要求中阐述范围。

Claims (4)

1.一种双基地雷达系统(10)，其配置为用于雷达信号(44)的相干检测，所述系统(10)包括：
多个雷达收发器(30A、30B、30K)，所述多个雷达收发器(30A、30B、30K)表征为相对于彼此在物理上分隔；
控制器(34)，其与每个雷达收发器(30A、30B、30K)通信，所述控制器(34)配置成相干地操作每个雷达收发器(30A、30B、30K)；以及
通信装置(32)，配置成将参考时钟信号和帧同步信号(38)两者从控制器(34)传输至所述多个雷达收发器(30A、30B、30K)的每一个，由此所述多个雷达收发器(30A、30B、30K)相干地操作。
2.一种双基地雷达系统(10)，其配置为用于雷达信号(44)的相干检测，所述系统(10)包括：
参考信号发生器(40)，其可操作来生成由参考频率表征的参考信号(36)，所述参考频率与所述系统(10)发送的雷达信号(44)的雷达频率的分数成比例；
发送器(46)，其可操作来基于所述参考信号(36)以所述雷达频率生成所述雷达信号(44)；以及
多个接收器(48)，其可操作来相干地检测基于所述参考信号(36)的所述雷达信号(44)。
3.根据权利要求2所述的系统(10)，其中所述多个接收器(48)包括第一接收器(48A)和与所述第一接收器(48A)分隔的第二接收器(48B)。
4.根据权利要求3所述的系统(10)，其中所述第一接收器(48A)与所述第二接收器(48B)分隔超过500毫米(500mm)。
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