CN108535700A - 基于组网模式的导航雷达收发机装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于组网模式的导航雷达收发机装置，包括天线、天线座，天线与天线座通过旋转关节连接，天线座包含上壳体、下壳体、收发机芯、PM性能监视器和传动机构；收发机芯包含依次连接的采集控制板、高压电源模块、调制器、磁控管、三端环形器、限幅器、微波前端、STC组件和中频放大器；三端环形器的第三端与旋转关节连接；采集控制板与中频放大器相连，与高压电源相连，与室内机相连；PM性能监视器一端与天线连接，另一端与采集控制板连接；传动机构一端与旋转关节相连，另一端与采集控制板相连；本发明采用刚性、固态调制，进行功能划分，并采用STC组件抑制杂波，实现多雷达组网，抗干扰，可靠控制开启和关闭，远程控制。

Description

基于组网模式的导航雷达收发机装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及雷达收发技术的研究领域，特别涉及基于组网模式的导航雷达收发机装置及其工作方法。

背景技术

雷达是用无线电技术发现目标并测定目标在空间的位置，而雷达收发机部分，作为其核心处理单元，用于发射电磁波并接收海浪及船只、陆地等回波，通过读取回波的方位、距离信息，实现目标的位置的测定，并为后端的目标显示、跟踪、海浪的波浪频谱测量、波高测量、波峰波向测量等提供前端传感器数据。

传统的雷达收发技术，一般发射机采用软性调制方案，其方案只能控制发射，不能精确控制关闭时间，依靠其发射机内部的电阻、电容RC时间决定，本方案在发射机技术中采用刚性、固态调制技术，能可靠的控制发射机的开启及关闭时间。

传统的雷达收发机均采用模拟传输、控制方案，从而带来无法实现多雷达收发机组网、信号衰减严重、控制通路复杂等问题，并且容易受到海杂波和路杂波的干扰。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供基于组网模式的导航雷达收发机装置，通过采集控制板控制整个雷达信号的发射和接收。

本发明的另一目的在于提供基于组网模式的导航雷达收发机方法，用于上述基于组网模式的导航雷达收发机装置。

本发明的主要目的通过以下的技术方案实现：

基于组网模式的导航雷达收发机装置，包括天线、天线座，所述天线与天线座通过旋转关节连接，所述天线座包含上壳体、下壳体、收发机芯、PM性能监视器和传动机构；所述收发机芯包含依次连接的采集控制板、高压电源模块、调制器、磁控管、三端环形器、限幅器、微波前端、STC组件和中频放大器；所述三端环形器的第三端与旋转关节连接；所述采集控制板与中频放大器相连，与高压电源相连，与室内机相连；所述PM性能监视器一端与天线连接，另一端与采集控制板连接；所述传动机构一端与旋转关节相连，另一端与采集控制板相连。

采集控制板包括网络通信部分电路和FPGA时钟电路，所述网络通信部分电路千兆网络接口芯片采用DP83867IRRGZ，核心芯片采用EP4CE115F23I7；所述FPGA时钟电路采用FGPA核心控制单元，能实现网络接口。

FPGA产生12V±1.5V的调谐电压，微波前端输出回波频率范围为50MHz～70MHz。

FPGA时钟电路包括50MHz、55.4MHz、125MHz，其中50MHz、125MHz系统时钟，55.4为回波AD采样时钟。

所述高压电源模块包含主电路和控制电路。

高压电源模块采用反激拓扑设计，其中副边采用多路串联升压设计，原边采用峰值电流控制模式。

高压电源模块输出电压为650V，输出电流为0.3A。

传动机构包含传动齿轮、电机、方位/船首发生电路，所述电机由直流24V电源供电，电机转速为150转/分,电机与齿轮减速比为6:1。

优选的，采集控制板采用FGPA核心控制单元，能实现网络接口。

优选的，天线为裂缝波导天线，所述天线能进行360度旋转。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

基于组网模式的导航雷达收发机方法：

在发射阶段：由采集控制板控制雷达发射和回波接收通路，在采集控制板和高压电源的作用下，调制器实现固态、刚性调制技术，产生高压调制脉冲作用于磁控管；磁控管在高压脉冲作用下，产生X波段射频信号；磁控管发射X波段射频信号，X波段射频信号通过三端环形器第一端进入，通过三端环形器第二端辐射至旋转关节，再由旋转关节辐射至裂缝波导天线，通过裂缝波导天线实现射频信号的定向发射；

在接收阶段，裂缝波导天线接收目标反射的回波，回波进入旋转关节，并由旋转关节三端环形器第二端进入，通过三端环形器第三段进入限幅器，限幅器对回波进行限幅，限幅之后的回波进入微波前端；微波前端将回波下变频至中频信号，实现镜频的抑制；中频信号进入STC组件，STC组件实现中频STC抑制，并进行海浪杂波和陆地杂波的抑制；由STC组件输出的射频信号进入中频放大器，中频放大器实现雷达中频信号放大和检波功能；中频放大器输出的回波检波进入采集控制板，采集控制板实现回波的AD变换，并由采集控制板实现数字化后的积累、抗干扰功能，采集控制板将处理后的回波通过组播的方式，发送给局域网上的设备，实现组网工作方式。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用刚性、固态调制技术，对雷达收发机功能实现单元进行划分，能可靠的控制发射机的开启及关闭时间，方便、快捷、具有高强的稳定性。

2、本发明通过采集控制板，实现组网，从雷达室外单元接收机实现AD采样，并通过组播的方式实现数据及控制指令的传输，特别是在远程、无人值守等情况下，如VTS、岸基监控等领域的应用，远程指挥中心通过网络即可控制其工作。

3、本发明采用了中频STC抑制近处的海杂波及陆地杂波，STC曲线的生成通过杂波图方案生成，从而实现智能化、自动的海浪等杂波抑制，由于在接收机前端采用AD处理，因此可在室外机的接收机中实现杂波的抗干扰，以及数字积累技术。

附图说明

图1为本发明基于组网模式的导航雷达收发机装置整体结构框图。

图2为本发明基于组网模式的导航雷达收发机装置正面结构示意图。

图3为本发明基于组网模式的导航雷达收发机装置组网模式结构框图。

图4为本发明基于组网模式的导航雷达收发机装置的采集控制板网络通信部分电路示意图。

图5为本发明基于组网模式的导航雷达收发机装置的采集控制板FPGA时钟电路示意图。

图6为本发明基于组网模式的导航雷达收发机装置的高压电源模块示意图。

图7为本发明基于组网模式的导航雷达收发机装置的高压电源模块控制电路示意图。

图8为本发明基于组网模式的导航雷达收发机装置的高压电源模块信号调理电路示意图。

图9为本发明基于组网模式的导航雷达收发机装置的传动机构结构主视图。

图10为本发明基于组网模式的导航雷达收发机装置的传动机构结构侧视图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

基于组网模式的导航雷达收发机装置，如图1所示，为实现多雷达收发机组网，刚性、固态调制技术，对雷达收发机功能实现单元进行划分，包括天线、天线座，如图2所示，所述天线与天线座通过旋转关节连接；天线座包含上壳体、下壳体、收发机芯、PM性能监视器和传动机构；收发机芯包含依次连接的采集控制板、高压电源模块、调制器、磁控管、三端环形器、限幅器、微波前端、STC组件和中频放大器；所述三端环形器的第三端与旋转关节连接；采集控制板与中频放大器相连，与高压电源相连，与室内机相连；PM性能监视器一端与天线连接，另一端与采集控制板连接；传动机构一端与旋转关节相连，另一端与采集控制板相连。

采集控制板为核心控制单元，采用FGPA核心控制单元，能实现网络接口，即实现组网模式，组网模式如图3所示，主要完成室外部分的等待、发射、脉宽、转速控制，视频采集功能，即控制雷达发射及回波接收通路；采集控制板通过控制千兆网卡芯片实现室内机和室外部分的网络通信，外部视频信号经过可变增益放大器、雨雪抑制电路进入A/D转换芯片，并将信号数据送至FPGA核心控制单元，实现视频处理及信号数据打包，其中增益控制电压、雨雪抑制电压由FPGA通过D/A控制，FPGA通过外部节后电路控制发射，产生频率参差信号，起同频抑制作用。在系统时钟125MHz驱动下，FPGA驱动网卡芯片DP83867IRRGZ，即千兆网络卡芯片，实现物理层的网络协议，DP83867IRRGZ能轻松实现10/100/1000Mbps以太网LAN。它通过外部变压器直接连接双绞线介质，实现网络接口，采集控制板通信部分电路如图5所示，采集控制板FPGA时钟电路如图6所示。

FPGA产生调谐电压控制数值，并通过D/A产生12V±1.5V的调谐电压，控制微波前端的自带本振频率，使前端混频器输出回波频率范围为50MHz～70MHz。

PM性能监视器获得的PM监测信号即调谐指示信号，通过A/D变化后进入FPGA，并进行分析处理。

高压电源模块包含控制电路和信号调理电路；高压电源模块整体电路图如图7所示，控制电路控制芯片采用UC3846，用于控制产生PWM信号，同时采用芯片UCC27324用于增强信号驱动能力，高压电源模块控制电路如图8所示；所述信号调理电路包括第一光耦N5、第二光耦N8，以及第一运放电路N7A和第二运放电路N7B及外围电路，所述第一光耦N5、第二光耦N8采用PC817，所述第一运放电路N7A、第二运放电路N7B采用LM2904，高压电源模块信号调理电路如图8所示。

高压电源模块主要作用是把输入的48V直流电转换为650V的直流电输出，为调制器提供所需的高压；电源模块采用反激拓扑的设计方案，其中副边采用多路串联升压的设计，原边采用峰值电流控制模式，从而提高电路的可靠性。

变压器为T1，其中副边采用多路串联升压设计，由变压器第一次级侧及第一整流电路，第二次级侧及第二整流电路串联实现升压，原边采用峰值电流控制模式，由控制电路产生的脉冲控制V4、V12MOS管产生驱动电路；第一次级侧为NS2,第一整流电路包含二极管V1、V3、V5、V8；第二次级侧为NS1,第二整流电路包含二极管V9、V11、V13、V14；

所述高压电源模块采用的反激拓扑设计为：变压器T1的3脚、4脚连接输入电压的正极，变压器T1的5脚、6脚与电阻R27、电阻R28、电阻R29相连，相连并连接至V12MOS管的源级，电阻R27、电阻R28、电阻R29并联，V12MOS管的漏级接地；变压器T1的1脚、2脚与电阻R24、电阻R25、电阻R26相连，并连接至V4MOS管的源级，电阻R24、电阻R25、电阻R26并联，V4MOS管的漏级接地；变压器T1副边的10脚与V11、V13相连，V11与V13串联；变压器T1的9脚与V9、V14相连，V9与V14串联，且变压器T1的9脚连接R13、C20至V13，L4与C21、C22、R15组成滤波电路；变压器T1副边的12脚与V3、V5相连，V3与V5串联；变压器T1的11脚与V1、V8相连，V1与V8串联；且变压器T1的11脚连接R1、C3至V5，L1与C4、C5、R3组成滤波电路。

高压电源模块输出电压为650V，输出电流为0.3A，其有输入防雷保护、过压保护、过流保护、过温保护功能。

高温电源模块包括控制电路和调制信号电路，控制电路为完成电能转换的主通道，为功率转换电路。

调制器为了实现固态、刚性调制技术，在采集控制板和高压电源的作用下，产生高压调制脉冲，磁控管在高压脉冲的作用下，实现X波段发射射频信号。

微波前端输出的中频信号进入STC组件，STC组件实现中频STC抑制，进行海浪杂波及陆地杂波的抑制。由STC组件输出的射频信号，进入中频放大板，中频放大板实现雷达中频信号放大，检波功能。

中频放大器主要实现对下变频后的中频信号进行放大、检波，中频放大器的实现采用对数放大器结构，最大限度的保持接收机的动态。

中频放大器分两路处理回波信号，一路经过调谐处理电路，形成调谐指示电压，用于采集控制板实现自动调谐功能。

传动机构，主视图如图9所示，侧视图如图10所示，主要功能用于实现控制天线以固定转速进行匀速转动，天线传动机构以固定速度驱动天线360°旋转，并带动方位产生模块转动，产生雷达方位信号，主要包括传动齿轮、电机、方位/船首发生电路，低速船天线转速设计为25转/分，为满足低速舰船对天线转速的要求，天线驱动电机由直流24V电源供电，电机转速为150转/分,电机与齿轮的减速比为6:1，即电机自带齿轮半径为24.5mm，传动齿轮半径为137mm，因此天线的转速为25转/分。

基于组网模式的导航雷达收发装置的工作原理如下：

在发射阶段：由采集控制板控制雷达发射和回波接收通路，在采集控制板和高压电源的作用下，调制器实现固态、刚性调制技术，产生高压调制脉冲作用于磁控管；磁控管在高压脉冲作用下，产生X波段射频信号；磁控管发射X波段射频信号，X波段射频信号通过三端环形器第一端进入，通过三端环形器第二端辐射至旋转关节，再由旋转关节辐射至裂缝波导天线，通过裂缝波导天线实现射频信号的定向发射；

在接收阶段，裂缝波导天线接收目标反射的回波，回波进入旋转关节，并由旋转关节三端环形器第二端进入，通过三端环形器第三段进入限幅器，限幅器对回波进行限幅，限幅之后的回波进入微波前端；微波前端将回波下变频至中频信号，实现镜频的抑制；中频信号进入STC组件，STC组件实现中频STC抑制，并进行海浪杂波和陆地杂波的抑制；由STC组件输出的射频信号进入中频放大器，中频放大器实现雷达中频信号放大和检波功能；中频放大器输出的回波检波进入采集控制板，采集控制板实现回波的AD变换，并由采集控制板实现数字化后的积累、抗干扰功能，采集控制板将处理后的回波通过组播的方式，发送给局域网上的设备，实现组网工作方式。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于组网模式的导航雷达收发机装置，其特征在于，包括天线、天线座，所述天线与天线座通过旋转关节连接，所述天线座包含上壳体、下壳体、收发机芯、PM性能监视器和传动机构；所述收发机芯包含依次连接的采集控制板、高压电源模块、调制器、磁控管、三端环形器、限幅器、微波前端、STC组件和中频放大器；所述三端环形器的第三端与旋转关节连接；所述采集控制板与中频放大器相连，与高压电源相连，与室内机相连；所述PM性能监视器一端与天线连接，另一端与采集控制板连接；所述传动机构一端与旋转关节相连，另一端与采集控制板相连。

2.根据权利要求1所述的基于组网模式的导航雷达收发机装置，其特征在于，所述采集控制板包括网络通信部分电路和FPGA时钟电路，所述网络通信部分电路千兆网络接口芯片采用DP83867IRRGZ，所述FPGA时钟电路核心芯片采用EP4CE115F23I7，能实现网络接口。

3.根据权利要求2所述的基于组网模式的导航雷达收发机装置，其特征在于，所述FPGA时钟电路核心芯片产生12V±1.5V的调谐电压，微波前端输出回波频率范围为50MHz～70MHz；所述FPGA时钟电路包括50MHz、55.4MHz、125MHz。

4.根据权利要求1所述的基于组网模式的导航雷达收发机装置，其特征在于，所述高压电源模块包含控制电路和信号调理电路；控制电路控制芯片采用UC3846，用于控制产生PWM信号，同时采用芯片UCC27324，用于增强信号驱动能力；所述信号调理电路包括第一光耦、第二光耦、第一运放电路和第二运放电路及外围电路，用于采集变压器反馈的电压；所述第一光耦、第二光耦采用PC817，所述第一运放电路、第二运放电路采用LM2904。

5.根据权利要求4所述的基于组网模式的导航雷达收发机装置，其特征在于，所述高压电源模块采用反激拓扑设计，变压器副边采用多路串联，由变压器第一次级侧及第一整流电路，第二次级侧及第二整流电路串联用于升压；变压器原边采用峰值电流控制模式，由控制电路产生的脉冲控制MOS管产生驱动电路。

6.根据权利要求4所述的基于组网模式的导航雷达收发机装置，其特征在于，所述高压电源模块输出电压为650V，输出电流为0.3A。

7.根据权利要求1所述的基于组网模式的导航雷达收发机装置，其特征在于，所述传动机构包含传动齿轮、电机、方位/船首发生电路，所述电机由直流24V电源供电，电机转速为150转/分,电机与齿轮减速比为6:1。

8.根据权利要求1所述的基于组网模式的导航雷达收发机装置，其特征在于，所述天线为裂缝波导天线，所述天线能进行360度旋转。

9.基于组网模式的导航雷达收发机装置的工作方法，在基于组网模式的导航雷达收发机装置上使用，其特征在于，在发射阶段：由采集控制板控制雷达发射和回波接收通路，在采集控制板和高压电源的作用下，调制器实现固态、刚性调制技术，产生高压调制脉冲作用于磁控管；磁控管在高压脉冲作用下，产生X波段射频信号；磁控管发射X波段射频信号，X波段射频信号通过三端环形器第一端进入，通过三端环形器第二端辐射至旋转关节，再由旋转关节辐射至裂缝波导天线，通过裂缝波导天线实现射频信号的定向发射；

在接收阶段，裂缝波导天线接收目标反射的回波，回波进入旋转关节，并由旋转关节三端环形器第二端进入，通过三端环形器第三段进入限幅器，限幅器对回波进行限幅，限幅之后的回波进入微波前端；微波前端将回波下变频至中频信号，实现镜频的抑制；中频信号进入STC组件，STC组件实现中频STC抑制，并进行海浪杂波和陆地杂波的抑制；由STC组件输出的射频信号进入中频放大器，中频放大器实现雷达中频信号放大和检波功能；中频放大器输出的回波检波进入采集控制板，采集控制板实现回波的AD变换，并由采集控制板实现数字化后的积累、抗干扰功能，采集控制板将处理后的回波通过组播的方式，发送给局域网上的设备，实现组网工作方式。