CN106597449A - 基于fpga的机载气象雷达 - Google Patents

基于fpga的机载气象雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小型化机载气象雷达，主要解决现有机载气象雷达体积大的问题。其包括天线(1)、天线驱动器(2)、发射机(3)、接收机(4)、控制单元(5)和信号处理单元(6)，信号处理单元(6)采用FPGA和微处理器实现，该信号处理单元接收外部控制指令使控制单元产生相应的激励信号，以激励发射机产生相应的射频信号并通过天线对外定向辐射，同时产生天线控制信号控制天线驱动器转动，以带动天线进行方位扫描和俯仰调整；射频信号被目标反射后，被天线接收并传输给被控制单元控制的接收机进行变频、放大和量化后，再传输给信号处理单元处理显示。本发明具有体积小，重量轻，易于维护的优点，可用于各种飞行器。

Description

基于FPGA的机载气象雷达
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别是一种机载气象雷达，可用于各种飞行器。
背景技术
机载气象雷达是各种飞机上必不可少的飞行安全保障设备，它能在载机飞行过程中实时探测载机前方航路上一定空域范围内的气象目标和其他目标，如云、雨、雷暴区等的分布状况，并将探测到的目标的轮廓、雷雨区的降雨量、方位和距离等信息显示在显示器上，为飞行员提供危险气象条件预警等功能，可广泛应用于航空领域。
目前机载气象雷达主要分为相参体制机载气象雷达和非相参体制机载气象雷达，通常安装在载机机头雷达天线罩内，在进行气象目标探测时，天线驱动器会进行周期性机械扫描。
相参体制机载气象雷达和非相参体制机载气象雷达结构大体相当，其主要由天线及驱动器、收发机、信号处理机、控制盒构成。天线及驱动器用于发射和接收电磁波信号；收发机中包括发射机、接收机和电源等部件，用于完成机载气象雷达射频和中频部分功能；信号处理器对回波信号进行处理，同时完成雷达系统的控制功能；控制盒用于接收飞行员的操作指令。他们的区别在于：相参体制机载气象雷达收发机采用固态源，其峰值功率较低，天线体积较大，所需载机机头雷达天线罩体积较大，主要用于大型飞机，并且其射频组件成本高，信号处理过程较为复杂；非相参体制机载气象雷达多采用磁控管，其峰值功率较高，天线体积可以缩小，所需载机机头雷达天线罩体积较小，射频组件成本低，因此多用于小型飞机。但现有此种机载气象雷达具有分机多、各分机体积较大、较为笨重，维护不便，不能满足小型飞机对机载气象雷达的轻量化要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于FPGA的机载气象雷达，以减小雷达体积重量，便于维护，满足小型飞机对机载气象雷达的轻量化要求。
为实现上述目的，本发明的机载气象雷达包括：包括天线1、天线驱动器2、发射机3、接收机4、控制单元5和信号处理单元6，其特征在于：
所述信号处理单元6包括：雷达接口模块61、雷达控制模块62、雷达时序模块63、回波处理模块64、雷达工作模式响应模块65、雷达回波显示模块66和信标译码模块67；
雷达接口模块61将雷达外部接口指令操作转换为雷达内部所用雷达工作模式标志，分别送入雷达控制模块62、雷达时序模块63、回波处理模块64和雷达工作模式响应模块65；
雷达控制模块62根据雷达工作模式标志，控制雷达各种工作模式的切换，同时产生雷达控制码，控制雷达各个部分的工作状态，同时将雷达控制码传送给雷达时序模块63和回波处理模块64；
雷达时序模块63，根据雷达工作模式标志和雷达控制码，产生雷达工作过程中雷达各种工作模式所需的时序信号和时钟信号；
回波处理模块64，用于接收收发机中的数字化回波信息，并根据雷达工作模式标志和雷达控制码，对雷达回波进行滤波、积累和杂波抑制的处理，得到雷达回波信息，该回波信息传输给雷达回波显示模块66，当雷达工作模式标志为信标或信标复合时，在得到雷达回波信息的同时对雷达回波进行信标处理识别得到信标位置特征数据，该信标位置特征数据传输给信标译码模块67；
雷达工作模式响应模块65，根据雷达工作模式标志识别雷达当前工作模式，控制雷达回波显示模块66将雷达回波信息以不同方式显示出来，当雷达工作模式标志为信标或信标复合时，控制信标译码模块67对信标位置特征数据进行译码显示。
作为优选，所述的回波处理模块64，包括：
滤波子模块641，用于对数字化回波信息进行滤波，剔除毛刺干扰，并将滤波后的结果传输给回波采样子模块642和信标信号过滤子模块645；
回波采样子模块642，用于根据雷达工作模式标志采用不同的采样方式对滤波结果进行采样，将采样结果传输给回波积累子模块643；
回波积累子模块643，用于对采样结果进行非相参积累，并将积累后的采样结果幅度值与设定的门限值进行比较判定，将判定结果传输给杂波抑制子模块644；
杂波抑制子模块644，用于根据雷达工作模式标志对回波积累子模块643输出的判定结果进行杂波抑制处理，然后将处理后得到的回波信息传输给雷达回波显示模块66；
信标信号过滤子模块645，用于根据雷达工作模式标志和雷达控制码将滤波子模块641滤波后的结果进行信标信号特性判别，如果判定为信标信号，则将回波信息直接传输给信标采样子模块646，如果判定为非信标信号，则传输数据0给信标采样子模块646；
信标采样子模块646，用于根据雷达工作模式标志和雷达控制码对信标信号回波信息进行采样，将采样结果传输给信标积累子模块647；
信标积累子模块647，用于将采样结果进行信标非相参积累后，再进行信标目标有无判定，并将判定结果传输给信标特征提取子模块648；
信标特征提取子模块648，用于对信标目标有无判定后的结果进行信标位置特征信息提取，将信标位置特征信息传输给信标译码模块67。
作为优选，所述的雷达接口模块61、雷达控制模块62、雷达时序模块63和回波处理模块64通过现场可编辑门阵列FPGA实现。
作为优选，所述的雷达工作模式响应模块65、雷达回波显示模块66和信标译码模块67设置在微处理器中。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明由于利用FPGA和微处理器实现对机载气象雷达的信号处理，剔除了现有机载气象雷达的信号处理机和控制盒，大大减小了机载气象雷达系统的重量和体积；
2.本发明由于剔除了信号处理机这个体积庞大的设备和控制盒分机，使本发明的结构仅由收发分机和天线分机这2个分机构成，方便分机级故障定位、更换，较现有技术更易于维护。
附图说明
图1为本发明的小型化的机载气象雷达的原理示意图；
图2为本发明中的发射机原理示意图；
图3为本发明中的接收机原理示意图；
图4为本发明中的控制单元原理示意图；
图5为本发明中的信号处理单元原理示意图；
图6为本发明中的回波处理模块原理示意图；
图7为本发明中的天线驱动器原理示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明中的机载气象雷达，包括天线1、天线驱动器2、发射机3、接收机4、控制单元5、信号处理单元6、收发开关7和电源模块8，该发射机3、接收机4、控制单元5、信号处理单元6、收发开关7和电源模块8构成收发分机，该天线1和天线驱动器2构成天线分机；收发分机与天线分机之间通过波导和电缆连接，收发分机响应外部控制指令，产生特定的大功率射频信号，并控制天线分机定向辐射，大功率射频信号被目标反射后通过天线分机定向接收后传输给收发分机进行处理和显示。
一、天线分机各部件功能及结构
天线1，采用平板裂缝天线，其固定在天线驱动器的转动部件上，并通过波导与收发开关7相连，用于将发射机3通过收发开关7传输的大功率射频信号定向辐射出去，并接收目标反射回来的射频信号通过收发开关7传输给接收机4；
天线驱动器2，通过电缆与信号处理单元6相连，用于接收信号处理单元6传输的天线控制信号，控制其机械部分转动，带动天线1进行方位扫描和俯仰调整。
二、收发分机各部件的功能及结构
发射机3，分别与控制单元5和收发开关7相连，用于接收控制单元5的发射激励信号，产生大功率射频信号通过收发开关7传输给天线1；
接收机4，分别与控制单元5、信号处理单元6和收发开关7相连，用于接收控制单元5传输的控制信号，对天线1通过收发开关7传输的射频信号进行放大和量化后，得到数字化回波信息传输给信号处理单元6；
控制单元5，分别与发射机3、接收机4和信号处理单元6相连，用于接收信号处理单元6传输的雷达控制码以产生发射激励信号和增益控制电压，该发射激励信号传输给发射机3，该增益控制电压传输给接收机4；
信号处理单元6，分别与接收机4、控制单元5和天线驱动器2相连，用于接收外部控制指令，产生雷达控制码传输给控制单元5，对接收机4传输的数字化回波信息进行接收处理并显示，同时产生天线控制信号传输给天线驱动器2控制天线转动扫描；
收发开关7，分别通过波导与天线1、发射机3和接收机4相连，用于分离发射通道和接收通道传输的射频信号，同时保护接收机4不被大功率射频信号烧毁；
电源模块8，用于给上述天线驱动器2、发射机3、接收机4、控制单元5和信号处理单元6供电。
参照图2，所述发射机3包括：调制器31、变压器32和磁控管33，其中：
调制器31，接收控制单元5送来的发射激励信号，产生大功率脉冲传输给变压器32；变压器32将调制器产生的大功率脉冲从低电压变到高电压后，传输给磁控管33；磁控管33，将高压脉冲转变为大功率射频信号通过收发开关7再传输给天线1。
参照图3，所述接收机4包括：射频模块41、中频模块42和雷达采样模块43，其中：
射频模块41，用于将天线1通过收发开关7传输来的射频信号进行放大后，经过混频滤波后变成中频信号传输给中频模块42，其中混频时所用的本振频率经过雷达采样模块43传输来的频率自适应调整信号进行微调，使输出的中频信号稳定在一个固定频率上；
中频模块42，用于根据接收到的控制单元5传来的增益控制电压和雷达采样模块43传来的噪声功率指示信号，将射频模块41传输中频信号进一步放大得到模拟信号，传输给雷达采样模块43；
雷达采样模块43，包括：信号量化子模块431、频率跟踪子模块432和中放增益控制子模块433，其中：
信号量化子模块431，用于将中频模块42传输的模拟信号与量化门限进行对比，得到量化的数字信号，传输给信号处理单元6；
频率跟踪子模块432，用于将中频模块42传输的模拟信号与本地参考频率进行对比，得到频率自适应调整信号传输给射频模块41；
中放增益控制子模块433，用于将中频模块42传输的模拟信号进行噪声采样平均，得到噪声功率指示信号传输给中频模块42。
参照图4，所述控制单元5包括：状态译码模块51、发射信号激励模块52和前端增益控制模块53，其中：
状态译码模块51接收信号处理单元6传输的雷达控制码以产生两路控制信号，一路控制发射信号激励模块52产生发射激励信号传输给发射机3，另一路控制前端增益控制模块53产生对应的增益控制电压传输给接收机4。
参照图5，所述信号处理单元6通过FPGA和微处理器实现，其包括：雷达接口模块61、雷达控制模块62、雷达时序模块63、回波处理模块64、雷达工作模式响应模块65、雷达回波显示模块66和信标译码模块67，其中：
雷达接口模块61，将雷达外部接口指令操作转换为雷达内部所用雷达工作模式标志，分别送入雷达控制模块62、雷达时序模块63、回波处理模块64和雷达工作模式响应模块65；
雷达控制模块62，根据雷达工作模式标志，控制雷达各种工作模式的切换，同时产生雷达控制码，控制雷达各个部分的工作状态，同时将雷达控制码传送给雷达时序模块63和回波处理模块64；
雷达时序模块63，根据雷达工作模式标志和雷达控制码，产生雷达工作过程中雷达各种工作模式所需的时序信号和时钟信号；
回波处理模块64，用于接收接收机4中的数字化回波信息，并根据雷达工作模式标志和雷达控制码，对雷达回波进行滤波、积累和杂波抑制的处理，得到雷达回波信息，该回波信息传输给雷达回波显示模块66，当雷达工作模式标志为信标或信标复合时，在得到雷达回波信息的同时对雷达回波进行信标处理识别得到信标位置特征数据，该信标位置特征数据传输给信标译码模块67；
雷达工作模式响应模块65，根据雷达工作模式标志识别雷达当前工作模式，控制雷达回波显示模块66将雷达回波信息以不同方式显示出来，当雷达工作模式标志为信标或信标复合时，控制信标译码模块67对信标位置特征数据进行译码显示；
所述雷达接口模块61、雷达控制模块62、雷达时序模块63和回波处理模块64通过FPGA实现，雷达工作模式响应模块65、雷达回波显示模块66和信标译码模块67设置在微处理器中。
参照图6，所述的回波处理模块64，包括：滤波子模块641、回波采样子模块642、回波积累子模块643、杂波抑制子模块644、信标信号过滤子模块645、信标采样子模块646、信标积累子模块647和信标特征提取子模块648，其中：
滤波子模块641，用于对数字化回波信息进行滤波，剔除毛刺干扰，并将滤波后的结果传输给回波采样子模块642和信标信号过滤子模块645；
回波采样子模块642，用于根据雷达工作模式标志采用不同的采样方式对滤波结果进行采样，将采样结果传输给回波积累子模块643；
回波积累子模块643，用于对采样结果进行非相参积累，并将积累后的采样结果幅度值与设定的门限值进行比较判定，将判定结果传输给杂波抑制子模块644；
杂波抑制子模块644，用于根据雷达工作模式标志对回波积累子模块643输出的判定结果进行杂波抑制处理，然后将处理后得到的回波信息传输给雷达回波显示模块66；
信标信号过滤子模块645，用于根据雷达工作模式标志和雷达控制码将滤波子模块641滤波后的结果进行信标信号特性判别，如果判定为信标信号，则将回波信息直接传输给信标采样子模块646，如果判定为非信标信号，则传输数据0给信标采样子模块646；
信标采样子模块646，用于根据雷达工作模式标志和雷达控制码对信标信号回波信息进行采样，将采样结果传输给信标积累子模块647；
信标积累子模块647，用于将采样结果进行信标非相参积累后，再进行信标目标有无判定，并将判定结果传输给信标特征提取子模块648；
信标特征提取子模块648，用于对信标目标有无判定后的结果进行信标位置特征信息提取，将信标位置特征信息传输给信标译码模块67。
参照图7，所述天线驱动器2包括：驱动电机模块21和控制反馈模块22，其中：
驱动电机模块21，其主要由电机211和角度传感器212组成，电机211安装在天线驱动器2底座上，通过齿轮传动带动带动天线驱动器机械转动部分转动，使安装在上面的天线随之进行方位扫描和俯仰调整；角度传感器212安装在天线转动轴上，用于将天线转动角度变为天线角度反馈信号传输给控制反馈模块22；
控制反馈模块22，用于接收信号处理单元6送来的天线控制信号，同时接收角度传感器212传来的天线角度反馈信号，通过综合两个信号产生电机驱动信号传输给电机211控制其转动。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些是基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.基于FPGA的机载气象雷达，包括天线(1)、天线驱动器(2)、发射机(3)、接收机(4)、控制单元(5)和信号处理单元(6)，其特征在于：
所述信号处理单元(6)包括：雷达接口模块(61)、雷达控制模块(62)、雷达时序模块(63)、回波处理模块(64)、雷达工作模式响应模块(65)、雷达回波显示模块(66)和信标译码模块(67)；
雷达接口模块(61)将雷达外部接口指令操作转换为雷达内部所用雷达工作模式标志，分别送入雷达控制模块(62)、雷达时序模块(63)、回波处理模块(64)和雷达工作模式响应模块(65)；
雷达控制模块(62)根据雷达工作模式标志，控制雷达各种工作模式的切换，同时产生雷达控制码，控制雷达各个部分的工作状态，同时将雷达控制码传送给雷达时序模块(63)和回波处理模块(64)；
雷达时序模块(63)，根据雷达工作模式标志和雷达控制码，产生雷达工作过程中雷达各种工作模式所需的时序信号和时钟信号；
回波处理模块(64)，用于接收接收机(4)中的数字化回波信息，并根据雷达工作模式标志和雷达控制码，对雷达回波进行滤波、积累和杂波抑制的处理，得到雷达回波信息，该回波信息传输给雷达回波显示模块(66)，当雷达工作模式标志为信标或信标复合时，在得到雷达回波信息的同时对雷达回波进行信标处理识别得到信标位置特征数据，该信标位置特征数据传输给信标译码模块(67)；
雷达工作模式响应模块(65)，根据雷达工作模式标志识别雷达当前工作模式，控制雷达回波显示模块(66)将雷达回波信息以不同方式显示出来，当雷达工作模式标志为信标或信标复合时，控制信标译码模块(67)对信标位置特征数据进行译码显示。
2.根据权利要求1所述的机载气象雷达，其特征在于，天线(1)安装在天线驱动器上，天线驱动器(2)与信号处理单元(6)之间电连接。
3.根据权利要求1所述的机载气象雷达，其特征在于，雷达接口模块(61)、雷达控制模块(62)、雷达时序模块(63)和回波处理模块(64)通过现场可编辑门阵列FPGA实现。
4.根据权利要求1所述的机载气象雷达，其特征在于，雷达工作模式响应模块(65)、雷达回波显示模块(66)和信标译码模块(67)设置在微处理器中。
5.根据权利要求1所述的机载气象雷达，其特征在于，回波处理模块(64)，包括：
滤波子模块(641)，用于对数字化回波信息进行滤波，剔除毛刺干扰，并将滤波后的结果传输给回波采样子模块(642)和信标信号过滤子模块(645)；
回波采样子模块(642)，用于根据雷达工作模式标志采用不同的采样方式对滤波结果进行采样，将采样结果传输给回波积累子模块(643)；
回波积累子模块(643)，用于对采样结果进行非相参积累，并将积累后的采样结果幅度值与设定的门限值进行比较判定，将判定结果传输给杂波抑制子模块(644)；
杂波抑制子模块(644)，用于根据雷达工作模式标志对回波积累子模块(643)输出的判定结果进行杂波抑制处理，然后将处理后得到的回波信息传输给雷达回波显示模块(66)；
信标信号过滤子模块(645)，用于根据雷达工作模式标志和雷达控制码将滤波子模块(641)滤波后的结果进行信标信号特性判别，如果判定为信标信号，则将回波信息直接传输给信标采样子模块(646)，如果判定为非信标信号，则传输数据0给信标采样子模块(646)；
信标采样子模块(646)，用于根据雷达工作模式标志和雷达控制码对信标信号回波信息进行采样，将采样结果传输给信标积累子模块(647)；
信标积累子模块(647)，用于将采样结果进行信标非相参积累后，再进行信标目标有无判定，并将判定结果传输给信标特征提取子模块(648)；
信标特征提取子模块(648)，用于对信标目标有无判定后的结果进行信标位置特征信息提取，将信标位置特征信息传输给信标译码模块(67)。
6.根据权利要求1所述的机载气象雷达，其特征在于：控制单元(5)包括：状态译码模块(51)、发射信号激励模块(52)、前端增益控制模块(53)；该状态译码模块(51)接收信号处理单元(6)传输的雷达控制码以产生两路控制信号，一路控制发射信号激励模块(52)产生发射激励信号传输给发射机(3)，另一路控制前端增益控制模块(53)产生对应的增益控制电压传输给接收机(4)。
7.根据权利要求1所述的机载气象雷达，其特征在于：接收机(4)包括：
射频模块(41)，用于将天线(1)传输来的射频信号进行放大后，经过混频滤波后变成中频信号传输给中频模块(42)，其中混频时所用的本振频率经过雷达采样模块(43)传输来的频率自适应调整信号进行微调，使输出的中频信号稳定在一个固定频率上；
中频模块(42)，用于根据接收到的控制单元(5)传来的增益控制电压和雷达采样模块(43)传来的噪声功率指示信号，将射频模块(41)传输中频信号进一步放大得到模拟信号，传输给雷达采样模块(43)；
雷达采样模块(43)，包括：
信号量化子模块(431)，用于将中频模块(42)传输的模拟信号与量化门限进行对比，得到量化的数字信号，传输给信号处理单元(6)；
频率跟踪子模块(432)，用于将中频模块(42)传输的模拟信号与本地参考频率进行对比，得到频率自适应调整信号传输给射频模块(41)；
中放增益控制子模块(433)，用于将中频模块(42)传输的模拟信号进行噪声采样平均，得到噪声功率指示信号传输给中频模块(42)。
8.根据权利要求1所述的机载气象雷达，其特征在于：发射机(3)包括：
调制器(31)，用于接收控制单元(5)送来的发射激励信号，产生大功率脉冲传输给变压器(32)；
变压器(32)，用于将调制器产生的大功率脉冲从低电压变到高电压后，传输给磁控管(33)；
磁控管(33)，用于将高压脉冲转变为大功率射频信号传输给天线(1)。
9.根据权利要求1所述的机载气象雷达，其特征在于：天线驱动器(2)包括
驱动电机模块(21)，其主要由电机(211)和角度传感器(212)组成，电机(211)安装在天线驱动器(2)底座上，通过齿轮传动带动带动天线驱动器机械转动部分转动，使安装在上面的天线随之进行方位扫描和俯仰调整；角度传感器(212)安装在天线转动轴上，用于将天线转动角度变为天线角度反馈信号传输给控制反馈模块(22)；
控制反馈模块(22)，用于接收信号处理单元(6)送来的天线控制信号，同时接收角度传感器(212)传来的天线角度反馈信号，通过综合两个信号产生电机驱动信号传输给电机(211)控制其转动。
10.根据权利要求1所述的机载气象雷达，其特征在于：天线(1)采用平板裂缝天线，用于将发射机(3)传输来的大功率射频信号定向辐射出去，并接收目标反射回来的射频信号传输给接收机(4)。
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