CN109490866B - 一种冲激雷达系统、信号发射、接收、收发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲激雷达系统、信号发射、接收、收发方法，解决现有系统和方法时钟抖动大的问题。所述系统，包含：功分器、分频器、窄脉冲产生模块、发射天线、第一高精度延时模块、采样保持模块、低通滤波器、低噪声放大器、接收天线、第二高精度延时模块、模数转换器、数字信号处理模块、控制模块。输入基准时钟信号经功分器输出四路；第一路经分频器、窄脉冲产生模块至发射天线；控制电路接收第二路基准时钟信号；第一、第二高精度延时模块，输出第一、第二时钟信号；空间回波信号经接收天线、低噪声放大器、低通滤波器、采样保持模块、模数转换器至数字信号处理模块。所述方法用于所述系统。本发明有效减小了时钟抖动造成的误差。

Description

一种冲激雷达系统、信号发射、接收、收发方法

技术领域

本发明涉及雷达探测领域，尤其涉及一种冲激雷达系统、信号发射、接收、收发方法。

背景技术

冲激雷达系统时钟信号的抖动特性直接关系延时步进的准确度，时钟信号抖动越大，延时步进的偏差越大，等效时间采样获得的目标回波信号质量越差，进而直接导致冲激雷达系统定位精度或成像质量变差。在传统的冲激雷达系统设计中，为了实现时钟信号及触发信号的灵活控制，通常采用现场可编程逻辑阵列(FPGA)生成窄脉冲触发信号、采样保持电路和模数转换器的时钟信号。由于FPGA属于大规模数字器件，其内部延时不可控，因此FPGA产生的触发信号以及时钟信号存在较大的时钟抖动，经过实际测试，其抖动均方根误差在100ps左右，对冲激雷达系统性能造成极大影响。

发明内容

本发明提供一种冲激雷达系统、信号发射、接收、收发方法，解决现有系统和方法时钟抖动大的问题。

一种冲激雷达系统，包含：功分器、分频器、窄脉冲产生模块、发射天线、第一高精度延时模块、采样保持模块、低通滤波器、低噪声放大器、接收天线、第二高精度延时模块、模数转换器、数字信号处理模块、控制模块；输入的一路基准时钟信号经过所述功分器，输出四路；所述分频器，用于接收第一路基准时钟信号，分频后输出窄脉冲触发信号；所述窄脉冲产生模块，用于接收所述窄脉冲触发信号，输出周期冲激信号；所述发射天线，用于接收所述周期冲激信号，向空间辐射；所述控制电路，用于接收第二路基准时钟信号，产生第一、第二、第三控制信号；所述第一高精度延时模块，用于接收第三路基准时钟信号、第一控制信号，输出第一时钟信号；所述第二高精度延时模块，用于接收第四路基准时钟信号、第二控制信号，输出第二时钟信号；空间回波信号经所述接收天线、低噪声放大器、低通滤波器至所述采样保持模块；所述采样保持模块，还用于接收所述第一时钟信号，输出采样信号；所述模数转换器，用于接收所述第三控制信号、第二时钟信号、采样信号，输出回波数字信号；所述数字信号处理模块，用于接收所述回波数字信号，提取回波信息。

进一步地，所述窄脉冲产生模块、采样保持模块、模数转换器的内部时钟为低相位噪声特性的恒温晶振。

优选地，所述控制模块选用FPGA芯片。

优选地，所述数字信号处理模块选用DSP芯片。

优选地，所述功分器为一分四功分器。

一种冲激雷达系统信号发射方法，用于所述冲激雷达系统，包含以下步骤：通过分频器接收基准时钟信号，并输出窄脉冲触发信号；通过窄脉冲产生模块接收所述窄脉冲触发信号，输出周期冲激信号；通过所述发射天线，接收所述周期冲激信号，向空间辐射。

一种冲激雷达系统信号接收方法，用于所述冲激雷达系统，包含以下步骤：通过所述控制电路，接收所述基准时钟信号，输出第一、第二、第三控制信号；通过所述第一高精度延时模块，接收所述基准时钟信号、第一控制信号，输出第一时钟信号；通过所述第二高精度延时模块，接收所述基准时钟信号、第二控制信号，输出第二时钟信号；通过所述接收天线接收空间回波信号，并通过所述低噪声放大器、低通滤波器至所述采样保持模块；通过所述采样保持模块，接收所述第一时钟信号，输出采样信号；通过所述模数转换器，接收所述第三控制信号、第二时钟信号、采样信号，输出回波数字信号；通过所述数字信号处理模块，接收所述回波数字信号，提取回波信息。

一种冲激雷达系统信号收发方法，用于所述冲激雷达系统，包含以下步骤：通过功分器，将输入的一路基准时钟信号输出四路；通过分频器接收第一路基准时钟信号，并输出窄脉冲触发信号；通过窄脉冲产生模块接收所述窄脉冲触发信号，输出周期冲激信号；通过所述发射天线，接收所述周期冲激信号，向空间辐射；通过所述控制电路，接收所述第二路基准时钟信号，输出第一、第二、第三控制信号；通过所述第一高精度延时模块，接收第三路基准时钟信号、第一控制信号，输出第一时钟信号；通过所述第二高精度延时模块，接收第四路基准时钟信号、第二控制信号，输出第二时钟信号；通过所述接收天线接收空间回波信号，并通过所述低噪声放大器、低通滤波器至所述采样保持模块；通过所述采样保持模块，接收所述第一时钟信号，输出采样信号；通过所述模数转换器，接收所述第三控制信号、第二时钟信号、采样信号，输出回波数字信号；通过所述数字信号处理模块，接收所述回波数字信号，提取回波信息。

本发明有益效果包括：本发明提供的冲激雷达系统中，窄脉冲触发信号、采样保持模块和模数转换器的时钟信号都有具有低相位噪声特性的恒温晶振作为基准时钟模块，因此有效地降低了冲激雷达系统中时钟抖动问题，根据实际测试，时钟抖动均方根误差可以控制在10ps左右。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种冲激雷达系统实施例；

图2为一种冲激雷达系统信号发射方法流程实施例；

图3为一种冲激雷达系统信号接收方法流程实施例；

图4为一种冲激雷达系统信号收发方法流程实施例。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

冲激雷达采用窄脉冲信号作为探测目标信息的载体，窄脉冲信号的时域持续时间极短，为纳秒(ns)甚至亚纳秒量级，其频域的频谱分量极为丰富，可覆盖直流至几个吉赫兹(GHz)。冲激雷达具有工作带宽大、分辨力高、穿透性强、定位准确的独特优势，同时兼顾结构简单、体积小、功耗低的特点，在探地雷达、穿墙雷达等领域有着广泛的应用。

在冲激雷达的应用中，发射信号和目标回波信号的频谱很宽，按照奈奎斯特(Nyquist)采样定律，如果雷达接收机采用实时采样方法，则要具有非常高的采样速率。这在实现上有很大的难度，而且成本也会很高。为了克服采样率过高的难题，雷达接收机通常采用等效时间采样方法。

在脉冲重复周期为T的周期性信号条件下，等效时间采样在第N个周期的采样时刻为t₁，则在第N+1个周期的采样时刻t₂＝T+Δτ，Δτ为等效时间采样的延时步进，为了实现对纳秒甚至亚纳秒量级窄脉冲信号的等效时间采样，延时步进Δτ通常要做到10ps甚至更小。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

图1为一种冲激雷达系统实施例，能够减小时钟抖动对雷达系统的误差，作为本发明实施例，一种冲激雷达系统，包含：功分器1、分频器2、窄脉冲产生模块3、发射天线4、第一高精度延时模块5、采样保持模块6、低通滤波器7、低噪声放大器8、接收天线9、第二高精度延时模块10、模数转换器11、数字信号处理模块12、控制模块13。

输入的一路基准时钟信号经过所述功分器，输出四路；所述分频器，用于接收第一路基准时钟信号，分频后输出窄脉冲触发信号；所述窄脉冲产生模块，用于接收所述窄脉冲触发信号，输出周期冲激信号；所述发射天线，用于接收所述周期冲激信号，向空间辐射；所述控制电路，用于接收第二路基准时钟信号，产生第一、第二、第三控制信号；所述第一高精度延时模块，用于接收第三路基准时钟信号、第一控制信号，输出第一时钟信号；所述第二高精度延时模块，用于接收第四路基准时钟信号、第二控制信号，输出第二时钟信号；空间回波信号经所述接收天线、低噪声放大器、低通滤波器至所述采样保持模块；所述采样保持模块，还用于接收所述第一时钟信号，输出采样信号；所述模数转换器，用于接收所述第三控制信号、第二时钟信号、采样信号，输出回波数字信号；所述数字信号处理模块，用于接收所述回波数字信号，提取回波信息。

作为本发明实施例，所述功分器为一分四功分器，需要说明的是，所述功分器可以是一分四功分器，也可是其他功分器，至少能够实现输入一路信号，输出相同的四路信号即可，这里对功分器类型不做特别限定。

作为本发明实施例，所述窄脉冲产生模块、采样保持模块、模数转换器的内部时钟为低相位噪声特性的恒温晶振。

在本发明实施例中，所述窄脉冲产生模块在所述窄脉冲触发信号的触发下生成所述周期冲激信号，所述周期冲激信号为具有一定脉冲重复周期的冲激信号。

在本发明实施例中，所述发射天线接收所述周期冲激信号，功率放大后，向空间辐射。

在本发明实施例中，所述空间回波信号为周期信号，经过所述低噪声放大器放大和低通滤波器的滤波，所述空间回波信号的噪声、高频分量和带外杂散等信号被有效抑制。

作为本发明实施例，所述控制模块选用FPGA芯片，所述控制模块产生的所述第一控制信号、第二控制信、第三控制信号的作用是对所述第一高精度延时模块、第二高精度延时模块、采样保持模块进行时序控制。

在本发明实施例中，所述第一高精度延时模块、第二高精度延时模块对输入的信号进行高精度延时控制。

所述采样保持模块，在所述第三控制信号的时序控制下，对所述低通滤波器输出的信号进行采样和保持。

作为本发明实施例，所述数字信号处理模块对所述回波数字信号，进行信号处理算法，提取回波信息，所述回波信息包含目标的位置信息、速度信息、角度信息、高度信息，所述数字信号处理模块选用DSP芯片，需要说明的是所述DSP芯片的类型这里不做特别限定。

本发明实施例提供了一种冲激雷达系统，在该系统中采用基准时钟信号作为窄脉冲产生模块、采样保持模块以及模数转换器的参考时钟，实现了减小时钟抖动的作用，时钟抖动均方根误差可以控制在10ps左右。

图2为一种冲激雷达系统信号发射方法流程实施例，用于冲激雷达系统信号发射，作为本发明实施例，一种冲激雷达系统信号发射方法，包含以下步骤：

步骤101，通过分频器接收基准时钟信号，并输出窄脉冲触发信号。

步骤102，通过窄脉冲产生模块接收所述窄脉冲触发信号，输出周期冲激信号。

步骤103，通过所述发射天线，接收所述周期冲激信号，向空间辐射。

本发明实施例提供的冲激雷达系统信号发射方法，用基准时钟作为分频器参考时钟，减小了雷达系统发射信号的时钟抖动误差。

图3为一种冲激雷达系统信号接收方法流程实施例，用于冲激雷达系统信号发射，作为本发明实施例，一种冲激雷达系统信号接收方法，包含以下步骤：

步骤104，通过所述控制电路，接收所述基准时钟信号，输出第一、第二、第三控制信号。

步骤105，通过所述第一高精度延时模块，接收所述基准时钟信号、第一控制信号，输出第一时钟信号。

步骤106，通过所述第二高精度延时模块，接收所述基准时钟信号、第二控制信号，输出第二时钟信号。

步骤107，通过所述接收天线接收空间回波信号，并通过所述低噪声放大器、低通滤波器至所述采样保持模块。

步骤108，通过所述采样保持模块，接收所述第一时钟信号，输出采样信号。

步骤109，通过所述模数转换器，接收所述第三控制信号、第二时钟信号、采样信号，输出回波数字信号。

步骤110，通过所述数字信号处理模块，接收所述回波数字信号，提取回波信息。

本发明实施例提供的冲激雷达系统信号接收方法，用基准时钟作为所述第一高精度延时模块、第二高精度延时模块、控制模块的参考时钟，减小了雷达系统信号接收时由于时钟抖动产生的误差。

图4为一种冲激雷达系统信号收发方法流程实施例，用于冲激雷达系统信号收发，作为本发明实施例，包含以下步骤：

步骤201，通过功分器，将输入的一路基准时钟信号输出四路。

在步骤201中，所述功分器可选用一分四功分器，需要说明的是，所述功分器输出信号的个数也可大于四个，这里不做特别限定。

步骤202，通过分频器接收第一路基准时钟信号，并输出窄脉冲触发信号。

步骤102，通过窄脉冲产生模块接收所述窄脉冲触发信号，输出周期冲激信号。

步骤103，通过所述发射天线，接收所述周期冲激信号，向空间辐射。

步骤203，通过所述控制电路，接收所述第二路基准时钟信号，输出第一、第二、第三控制信号。

步骤204，通过所述第一高精度延时模块，接收第三路基准时钟信号、第一控制信号，输出第一时钟信号。

步骤205，通过所述第二高精度延时模块，接收第四路基准时钟信号、第二控制信号，输出第二时钟信号。

步骤107，通过所述接收天线接收空间回波信号，并通过所述低噪声放大器、低通滤波器至所述采样保持模块。

步骤108，通过所述采样保持模块，接收所述第一时钟信号，输出采样信号。

步骤109，通过所述模数转换器，接收所述第三控制信号、第二时钟信号、采样信号，输出回波数字信号。

步骤110，通过所述数字信号处理模块，接收所述回波数字信号，提取回波信息。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种冲激雷达系统，采用等效时间采样方法，其特征在于，包含：功分器、分频器、窄脉冲产生模块、发射天线、第一高精度延时模块、采样保持模块、低通滤波器、低噪声放大器、接收天线、第二高精度延时模块、模数转换器、数字信号处理模块、控制模块；

输入的一路基准时钟信号经过所述功分器，输出四路；

所述分频器，用于接收第一路基准时钟信号，分频后输出窄脉冲触发信号；

所述窄脉冲产生模块，用于接收所述窄脉冲触发信号，输出周期冲激信号；

所述发射天线，用于接收所述周期冲激信号，向空间辐射；

所述控制电路，用于接收第二路基准时钟信号，产生第一、第二、第三控制信号；

所述第一高精度延时模块，用于接收第三路基准时钟信号、第一控制信号，输出第一时钟信号；

所述第二高精度延时模块，用于接收第四路基准时钟信号、第二控制信号，输出第二时钟信号；

空间回波信号经所述接收天线、低噪声放大器、低通滤波器至所述采样保持模块；

所述采样保持模块，还用于接收所述第一时钟信号，输出采样信号；

所述模数转换器，用于接收所述第三控制信号、第二时钟信号、采样信号，输出回波数字信号；

所述数字信号处理模块，用于接收所述回波数字信号，提取回波信息；

所述窄脉冲产生模块、采样保持模块、模数转换器的内部时钟为低相位噪声特性的恒温晶振。

2.如权利要求1所述的冲激雷达系统，其特征在于，所述控制模块选用FPGA芯片。

3.如权利要求1所述的冲激雷达系统，其特征在于，所述数字信号处理模块选用DSP芯片。

4.如权利要求1所述的冲激雷达系统，其特征在于，所述功分器为一分四功分器。

5.一种冲激雷达系统信号发射方法，用于权利要求1～4任一项所述冲激雷达系统，其特征在于，包含以下步骤：

通过分频器接收基准时钟信号，并输出窄脉冲触发信号；

通过窄脉冲产生模块接收所述窄脉冲触发信号，输出周期冲激信号；

通过所述发射天线，接收所述周期冲激信号，向空间辐射。

6.一种冲激雷达系统信号接收方法，用于权利要求1～4任一项所述冲激雷达系统，其特征在于，包含以下步骤：

通过所述控制电路，接收所述基准时钟信号，输出第一、第二、第三控制信号；

通过所述第一高精度延时模块，接收所述基准时钟信号、第一控制信号，输出第一时钟信号；

通过所述第二高精度延时模块，接收所述基准时钟信号、第二控制信号，输出第二时钟信号；

通过所述接收天线接收空间回波信号，并通过所述低噪声放大器、低通滤波器至所述采样保持模块；

通过所述采样保持模块，接收所述第一时钟信号，输出采样信号；

通过所述模数转换器，接收所述第三控制信号、第二时钟信号、采样信号，输出回波数字信号；

通过所述数字信号处理模块，接收所述回波数字信号，提取回波信息。

7.一种冲激雷达系统信号收发方法，用于权利要求1～4任一项所述冲激雷达系统，其特征在于，包含以下步骤：

通过功分器，将输入的一路基准时钟信号输出四路；

通过分频器接收第一路基准时钟信号，并输出窄脉冲触发信号；

通过窄脉冲产生模块接收所述窄脉冲触发信号，输出周期冲激信号；

通过所述发射天线，接收所述周期冲激信号，向空间辐射；

通过所述控制电路，接收所述第二路基准时钟信号，输出第一、第二、第三控制信号；

通过所述第一高精度延时模块，接收第三路基准时钟信号、第一控制信号，输出第一时钟信号；

通过所述第二高精度延时模块，接收第四路基准时钟信号、第二控制信号，输出第二时钟信号；

通过所述接收天线接收空间回波信号，并通过所述低噪声放大器、低通滤波器至所述采样保持模块；

通过所述采样保持模块，接收所述第一时钟信号，输出采样信号；

通过所述模数转换器，接收所述第三控制信号、第二时钟信号、采样信号，输出回波数字信号；

通过所述数字信号处理模块，接收所述回波数字信号，提取回波信息。

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