CN107907866B - 一种用于阵列雷达信号数字化的电路、方法及装置 - Google Patents

一种用于阵列雷达信号数字化的电路、方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明适用电子信息技术领域，提供了一种用于阵列雷达信号数字化的电路、方法及装置，该电路包括N个采样通道、M个模数转换器和逻辑控制器，每个采样通道中包括L个采样单元组，每个采样单元组包括M个采样单元，每个采样单元包括一个输入开关、一个采保电容和一个输出开关，在每个采样单元中采保电容一端同时连接着输入开关和输出开关，在每个采样单元组中M个采样单元的输出开关另一端与M个模数转换器一一对应连接，逻辑控制器的写控制线和读控制线分别与输入开关和输出开关连接，N、M、L为自然数，从而有效地提高了阵列雷达信号的采样深度，同时提高了阵列雷达信号的采样速度和转换精度。

Description

一种用于阵列雷达信号数字化的电路、方法及装置
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，尤其涉及一种用于阵列雷达信号数字化的电路、方法及装置。
背景技术
数字化和多阵元是现代雷达系统的重要特点，模数转换器(ADC)是实现阵列雷达信号(或称为多阵元雷达信号)数字化不可或缺的部分，而采样速度和转换精度是ADC的两个关键指标，极大地影响着阵列雷达信号数字化效果。
目前，阵列雷达信号数字化过程主要采用连续变换的高速ADC，例如流水线型ADC、折叠内插型ADC和时间交织型ADC等，其中任意一种连续变换的高速ADC都很难同时满足高采样速率和高变换精度两项要求。
另外，有研究人员提出一种可以同时满足高采样速率和高变换精度要求的信号数字化方法，该方法由开关电容阵列(SCA)中的电容阵列替代ADC中单个的采保电容，通过SCA中的延迟线开关将模拟信号采保到电容阵列中，再由慢速高精度ADC对采样信号进行数字化。这种方法的采样深度很短，适用于信号持续时间在数百纳秒以内的短脉冲信号，例如激光雷达，而电磁雷达(调频连续波雷达)的信号持续时间较长，比激光雷达长十倍、甚至百倍，这种方法并不适用于电磁雷达。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于阵列雷达信号数字化的电路、方法及装置，旨在解决由于现有技术中阵列雷达信号数字化时很难同时满足高采样速率和高变换精度两项要求的问题。
一方面，本发明提供了一种用于阵列雷达信号数字化的电路，该电路包括N个采样通道、M个模数转换器和逻辑控制器，所述每个采样通道中包括L个采样单元组，所述每个采样单元组包括所述M个采样单元，所述每个采样单元包括一个输入开关、一个采保电容和一个输出开关，在所述每个采样单元中所述采保电容一端同时连接着所述输入开关和所述输出开关，在所述每个采样单元组中所述M个采样单元的所述输出开关另一端与所述M个模数转换器一一对应连接，所述逻辑控制器的写控制线和读控制线分别与所述输入开关和所述输出开关连接，所述N、M、L为自然数。
一方面，本发明提供了一种用于上述电路的用于阵列雷达信号数字化的方法，所述方法包括下述步骤：
获取所述阵列雷达中各阵元接收到的雷达探测信号，将所述每个阵元接收到的所述雷达探测信号输入对应的采样通道中；
通过所述采样通道上采样单元组中的采样单元对所述雷达探测信号进行采样，当检测到所述采样单元组中所有所述采样单元存储有采样信号时，将所述采样单元组中的所述采样信号一一对应地传输给所述模数转换器；
获取所述模数转换器的转换结果，根据所述所有模数转换器的转换结果获取所述所有雷达探测信号的数字化结果并输出。
另一方面，本发明提供了一种用于上述电路的用于阵列雷达信号数字化的装置，所述装置包括：
信号获取模块，用于获取所述阵列雷达中各阵元接收到的雷达探测信号，将所述每个阵元接收到的所述雷达探测信号输入对应的采样通道中；
信号采样转换模块，用于通过所述采样通道上采样单元组中的采样单元对所述雷达探测信号进行采样，当检测到所述采样单元组中所有所述采样单元存储有采样信号时，将所述采样单元组中的所述采样信号一一对应地传输给所述模数转换器；以及
结果输出模块，用于获取所述模数转换器的转换结果，根据所述所有模数转换器的转换结果获取所述所有雷达探测信号的数字化结果并输出。
本发明用于阵列雷达信号数字化的电路包括N个采样通道、M个模数转换器和逻辑控制器，每个采样通道中包括L个采样单元组，每个采样单元组包括M个采样单元，每个采样单元包括一个输入开关、一个采保电容和一个输出开关，在每个采样单元中采保电容一端同时连接着输入开关和述输出开关，在每个采样单元组中M个采样单元的输出开关另一端与M个模数转换器一一对应连接，逻辑控制器的写控制线和读控制线分别与输入开关和输出开关连接，N、M、L为自然数，从而有效地提高了阵列雷达信号的采样深度，提高了阵列雷达信号的采样速度和转换精度，使得阵列雷达信号的数字化同时满足高采样速度和高转换精度两项要求。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的用于阵列雷达信号数字化的电路的示意图；
图2是本发明实施例二提供的用于阵列雷达信号数字化的方法的实现流程图；
图3是本发明实施例三提供的用于阵列雷达信号数字化的装置的结构示意图；以及
图4是本发明实施例三提供的用于阵列雷达信号数字化的装置的优选结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
实施例一：
图1示出了本发明实施例一提供的用于阵列雷达信号数字化的电路，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。
本发明实施例的用于阵列雷达信号数字化的电路中包括N个采样通道11、M个模数转换器(ADC)12和逻辑控制器13，除每个采样通道11共用M个ADC 12以外，每个采样通道11的电路结构相同。一个采样通道11中包括L个采样单元组14，每个采样单元组14包括M个采样单元15，每个采样单元15包括一个输入开关16、一个采保电容17和一个输出开关18，在每个采样单元15中采保电容17一端同时连接着输入开关16和输出开关18，在每个采样单元组14中M个采样单元15的输出开关18另一端与M个ADC 12一一对应连接，逻辑控制器13的写控制线和读控制线分别与输入开关16和输出开关18连接，N、M、L为自然数。
例如，一个采样单元组14中可包括16、32或者64个采样单元15。
又如，逻辑控制器13可在FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)中实现，此外，在开始采样前，可由FPGA根据阵列雷达信号的长度和重复频率，确定阵列雷达信号的采样时间、采样深度和变换时间窗口，并控制ADC 12进行模数转换。
在本发明实施例中，一个采样通道11的采样深度为该采样通道11内采保电容17的数量，即采样深度为L*M，从而有效地增加了阵列雷达信号的采样深度。
优选地，用于阵列雷达信号数字化的电路中ADC 12为慢速高精度ADC，从而有效地提高阵列雷达信号的模数转换精度。
优选地，在相邻采样单元15的输入开关16间存在延迟单元19，使得相邻输入开关16的闭合存在一定的延迟时间，从而使得不同采样单元15依次进行采样，有效地提高了采样的准确度。其中，延迟时间可调节。
优选地，采样通道11的数量与阵列雷达的阵元数目相同，每个采样通道11用来对相应阵元接收的雷达探测信号进行采样，从而有效地提高了阵列雷达信号的采样速度。
在本发明实施例中，在阵列雷达信号数字化电路中，对采样单元15进行分组，得到多个采样单元组14，每个采样单元组14共用M个ADC 12，在采样时，通过逻辑控制器13的写控制按照预设的延迟次序依次闭合采样单元15中的输入开关16，当任一采样单元组14中的所有采保电容17都存储了相应的采样信号后，通过逻辑控制器13的读控制闭合该采样单元组14中的所有输出开关18，将这些采样信号通过对应的M个ADC 12一次性输出，从而有效地提高了阵列雷达信号的采样深度，有效地提高了阵列雷达信号的采样速度和转换精度，同时还能够有效减小电路芯片面积，便于电路芯片的多通道集成。
实施例二：
图2示出了本发明实施例二提供的用于阵列雷达信号数字化的方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
在步骤S201中，获取阵列雷达中各阵元接收到的雷达探测信号，将每个阵元接收到的雷达探测信号输入对应的采样通道中。
在本发明实施例中，获取阵列雷达中各阵元接收到的雷达探测信号，将这些雷达探测信号分别输入到对应的采样通道中，以对这些雷达探测信号进行采样。优选地，采样通道的数量与阵列雷达的阵元数量相同，从而能够同时处理多阵元雷达的雷达信号，有效地提高多阵元雷达信号的采样速度。
在步骤S202中，通过采样通道上采样单元组中的采样单元对雷达探测信号进行采样，当检测到采样单元组中所有采样单元存储有采样信号时，将采样单元组中的采样信号一一对应地传输给模数转换器。
在本发明实施例中，将各阵元的雷达探测信号输入相应的采样通道后，等待逻辑控制器的写控制指令，当接收写控制指令时，可依次闭合采样通道上各采样单元组中采样单元中的输入开关，通过采样单元中的采保电容对雷达探测信号进行采样、存储，当检测到任一采样单元组中所有采样单元的采保电容中都采集并存储有对应的采样信号后，等待逻辑控制器的读控制指令，当接收到读控制指令时，将该采样单元组所有采保电容存储的采样信号同时传输给对应的模数转换器。
作为实例地，逻辑控制器可在FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)中实现，此外，在开始采样前，可由FPGA根据阵列雷达信号的长度和重复频率，确定阵列雷达信号的采样时间、采样深度和变换时间窗口，并控制ADC进行模数转换。
在本发明实施例中，采样通道的数量为N，数模转换器(ADC)的数量为M，在采样通道上有L个采样单元组，每个采样单元组包括M个采样单元，每个采样单元包括一个输入开关、一个采保电容和一个输出开关，一个采用通道的采样深度为采样通道上采保电容的数量，因此采样深度为L*M，从而有效地提高了阵列雷达信号的采样深度。其中，N、L、M为自然数。
作为示例地，一个采样单元组中可包括16、32或者64个采样单元。
在本发明实施例中，不同采样通道共用M个ADC，不同采样单元组共用M个ADC，在同一采样单元组内M个采样单元与M个ADC一一对应，即在同一采样单元组内M个采样单元中输出开关的另一端与M个ADC一一对应连接。优选地，ADC为慢速高精度ADC，从而有效地提高了阵列雷达信号的转换精度。
在步骤S203中，获取模数转换器的转换结果，根据所有模数转换器的转换结果获取所有雷达探测信号的数字化结果并输出。
在本发明实施例中，由模数转换器对采样信号进行数字转换，得到采样信号对应的数码，当所有雷达探测信号采样结束时，根据这些转换得到的数码可获取所有雷达探测信号对应的数字化结果，这些数字化结果可以用来检测目标信息，例如雷达探测得到的目标位置、目标移动速度等。
在发明实施例中，将阵列雷达中各阵元的雷达探测信号输入对应的采样通道，通过每个采样通道上采样单元组内的采样单元对雷达探测信号进行采样，将采样单元组采集到的采样信号一次性地传输给对应的慢速高精度ADC，从而有效地提高了阵元雷达信号的采样深度、采样速度和转换精度，使得阵列雷达信号的数字化同时满足高采样速度和高转换精度两项要求。
实施例三：
图3示出了本发明实施例三提供的用于阵列雷达信号数字化的装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，其中包括：
信号获取模块31，用于获取阵列雷达中各阵元接收到的雷达探测信号，将每个阵元接收到的雷达探测信号输入对应的采样通道中。
在本发明实施例中，获取阵列雷达中各阵元接收到的雷达探测信号，将这些雷达探测信号分别输入到对应的采样通道中，以对这些雷达探测信号进行采样。优选地，采样通道的数量与阵列雷达的阵元数量相同，从而能够同时处理多阵元雷达的雷达信号，有效地提高多阵元雷达信号的采样速度。
信号采样转换模块32，用于通过采样通道上采样单元组中的采样单元对雷达探测信号进行采样，当检测到采样单元组中所有采样单元存储有采样信号时，将采样单元组中的采样信号一一对应地传输给模数转换器。
在本发明实施例中，将各阵元的雷达探测信号输入相应的采样通道后，等待逻辑控制器的写控制指令，当接收写控制指令时，可依次闭合采样通道上各采样单元组中采样单元中的输入开关，通过采样单元中的采保电容对雷达探测信号进行采样、存储，当检测到任一采样单元组中所有采样单元的采保电容中都采集并存储有对应的采样信号后，等待逻辑控制器的读控制指令，当接收到读控制指令时，将该采样单元组所有采保电容存储的采样信号同时传输给对应的模数转换器。
作为实例地，逻辑控制器可在FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)中实现，此外，在开始采样前，可由FPGA根据阵列雷达信号的长度和重复频率，确定阵列雷达信号的采样时间、采样深度和变换时间窗口，并控制ADC进行模数转换。
在本发明实施例中，采样通道的数量为N，ADC的数量为M，在采样通道上有L个采样单元组，每个采样单元组包括M个采样单元，每个采样单元包括一个输入开关、一个采保电容和一个输出开关，一个采用通道的采样深度为采样通道上采保电容的数量，因此采样深度为L*M，从而有效地提高了阵列雷达信号的采样深度。其中，N、L、M为自然数。
作为示例地，一个采样单元组中可包括16、32或者64个采样单元。
在本发明实施例中，不同采样通道共用M个ADC，不同采样单元组共用M个ADC，在同一采样单元组内M个采样单元与M个ADC一一对应，即在同一采样单元组内M个采样单元中输出开关的另一端与M个ADC一一对应连接。优选地，ADC为慢速高精度ADC，从而有效地提高了阵列雷达信号的转换精度。
结果输出模块33，用于获取模数转换器的转换结果，根据所有模数转换器的转换结果获取所有雷达探测信号对应的数字化结果并输出。
在本发明实施例中，由模数转换器对采样信号进行数字转换，得到采样信号对应的数码，当所有雷达探测信号采样结束时，根据这些转换得到的数码可获取所有雷达探测信号对应的数字化结果，这些数字化结果可以用来检测目标信息，例如雷达探测得到的目标位置、目标移动速度等。
优选地，如图4所示，信号采样转换模块32包括：
写控制模块421，用于当接收到逻辑控制器的写控制指令时，在每个采样通道中按照预设的延迟时间顺次闭合每个采样单元中的输入开关；
采样模块422，用于通过采样单元中采保电容对雷达探测信号进行采样，将采保电容采样得到的采样信号存储在采保电容中；
读控制模块423，用于当采样单元组中所有采保电容都存储有对应的采样信号时，闭合采样单元组中所有采样单元中的输出开关；以及
传输模块424，用于将采样单元组中所有采保电容存储的采样信号通过输出开关一一对应地传输给模数转换器。
在发明实施例中，将阵列雷达中各阵元的雷达探测信号输入对应的采样通道，通过每个采样通道上采样单元组内的采样单元对雷达探测信号进行采样，将采样单元组采集到的采样信号一次性地传输给对应的慢速高精度ADC，从而有效地提高了阵元雷达信号的采样深度、采样速度和转换精度，使得阵列雷达信号的数字化同时满足高采样速度和高转换精度两项要求。
在本发明实施例中，用于阵列雷达信号数字化的装置的各单元可由相应的硬件或软件单元实现，各单元可以为独立的软、硬件单元，也可以集成为一个软、硬件单元，在此不用以限制本发明。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于阵列雷达信号数字化的电路，其特征在于，包括N个采样通道、M个模数转换器和逻辑控制器，所述每个采样通道中包括L个采样单元组，所述每个采样单元组包括M个采样单元，所述每个采样单元包括一个输入开关、一个采保电容和一个输出开关，在所述每个采样单元中所述采保电容一端同时连接着所述输入开关和所述输出开关，在所述每个采样单元组中所述M个采样单元的所述输出开关另一端与所述M个模数转换器一一对应连接，所述逻辑控制器的写控制线和读控制线分别与所述输入开关和所述输出开关连接，所述N、M、L为自然数。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述模数转换器为慢速高精度模数转换器，所述每个采样通道的采样深度为L*M。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，相邻的所述输入开关之间存在写延迟单元。
4.一种用于权利要求1所述电路的用于阵列雷达信号数字化的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取所述阵列雷达中各阵元接收到的雷达探测信号，将所述每个阵元接收到的所述雷达探测信号输入对应的采样通道中；
通过所述采样通道上采样单元组中的采样单元对所述雷达探测信号进行采样，当检测到所述采样单元组中所有所述采样单元存储有采样信号时，将所述采样单元组中的所述采样信号一一对应地传输给所述模数转换器；
获取所述模数转换器的转换结果，根据所述所有模数转换器的转换结果获取所述所有雷达探测信号的数字化结果并输出。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述模数转换器为慢速高精度模数转换器，所述每个采样通道的采样深度为L*M。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，相邻的所述输入开关之间存在写延迟单元。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过所述采样通道上采样单元组中的采样单元对所述雷达探测信号进行采样，当检测到所述采样单元组中所有所述采样单元存储有采样信号时，将所述采样单元组中的所述采样信号一一对应地传输给所述模数转换器的步骤，包括：
当接收到所述逻辑控制器的写控制指令时，在所述每个采样通道中按照预设的延迟时间顺次闭合所述每个采样单元中的所述输入开关；
通过所述采样单元中所述采保电容对所述雷达探测信号进行采样，将所述采保电容采样得到的采样信号存储在所述采保电容中；
当所述采样单元组中所述所有采保电容都存储有对应的所述采样信号时，闭合所述采样单元组中所述所有采样单元中的所述输出开关；
将所述采样单元组中所述所有采保电容存储的所述采样信号通过所述输出开关一一对应地传输给所述模数转换器。
8.一种用于权利要求1所述电路的用于阵列雷达信号数字化的装置，其特征在于，所述装置包括：
信号获取模块，用于获取所述阵列雷达中各阵元接收到的雷达探测信号，将所述每个阵元接收到的所述雷达探测信号输入对应的采样通道中；
信号采样转换模块，用于通过所述采样通道上采样单元组中的采样单元对所述雷达探测信号进行采样，当检测到所述采样单元组中所有所述采样单元存储有采样信号时，将所述采样单元组中的所述采样信号一一对应地传输给所述模数转换器；以及
结果输出模块，用于获取所述模数转换器的转换结果，根据所述所有模数转换器的转换结果获取所述所有雷达探测信号的数字化结果并输出。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述信号采样转换模块包括：
写控制模块，用于当接收到所述逻辑控制器的写控制指令时，在所述每个采样通道中按照预设的延迟时间顺次闭合所述每个采样单元中的所述输入开关；
采样模块，用于通过所述采样单元中所述采保电容对所述雷达探测信号进行采样，将所述采保电容采样得到的采样信号存储在所述采保电容中；
读控制模块，用于当所述采样单元组中所述所有采保电容都存储有对应的所述采样信号时，闭合所述采样单元组中所述所有采样单元中的所述输出开关；以及
传输模块，用于将所述采样单元组中所述所有采保电容存储的所述采样信号通过所述输出开关一一对应地传输给所述的模数转换器。
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