CN109709542B - 一种轻便式高频地波雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种轻便式高频地波雷达系统。本发明让射频前端尽可能地接近天线。本发明将多通道接收机分成多个独立的单通道单元装配在天线上或者天线旁，让接收机射频前端尽可能地接近天线，突破高频电缆的束缚，并通过无线方式完成参数配置和数据传输。本发明包括多根接收天线、多个单通道接收单元、发射系统和控制中心；单通道接收单元由射频前端、采样及信号处理模块、同步模块和数据传输模块、电源模块组成。本发明可有效解决高频地波雷达电缆成本高、布放、维护和回收困难等问题，在有效降低回波信号因长电缆损耗从而提高雷达远距离探测性能的同时，使雷达系统变得轻便、灵活，大大降低了系统布设方式和工作成本，有利于雷达的应用和推广。

Description

一种轻便式高频地波雷达系统

技术领域

本发明涉及高频雷达海洋环境监测和目标探测技术领域，特别涉及一种轻便式高频地波雷达系统。

背景技术

作为一种新兴的海洋监测技术，高频地波雷达利用垂直极化的电磁波可沿海洋表面绕射传播的特点，实现对海洋表面风浪流等动力学参数、海面及低空目标的大范围、长时间、全天候的实时观测。

为了获得较高的方位分辨能力，高频地波雷达均采用多通道接收机，工作于一发多收或者多发多收的形式，按照天线形式不同，可分为阵列式和紧凑式等。当前高频地波雷达采用较传统的设计方法，接收天线和接收机之间均利用高频电缆进行连接。然而，在天线阵列较大或者地形限制造成雷达站机房距离较远的情况下，动辄需要几百米的电缆进行连接，一方面电缆成本较高，铺设麻烦，不利于雷达的架设、应用、维护和推广，特别是在地形复杂的海边和人口密集的海滩，另一方面较长的电缆存在衰减和损耗，这将严重影响和限制雷达对远距离目标的探测性能。

因此，如果能够对其系统设计方法进行调整，尽可能地减少甚至去掉接收电缆对高频地波雷达的限制，能够在不影响甚至能够提高雷达探测性能的前提下尽可能地轻便灵活且易扩展，能够实现随时随地架设和工作，这将非常有利于地波雷达广泛部署和使用。

发明内容

本发明针对背景技术存在的问题，提供出了一种轻便式高频地波雷达系统，在轻便式高频地波雷达系统中让接收机射频前端尽可能地接近天线，用以解决高频地波雷达因系统和电缆等因素束缚而影响部署及远距离探测性能的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种轻便式高频地波雷达系统，突破原有的“接收天线-长电缆-多通道接收机射频前端-多通道接收机采样及信号处理”这种传统模式，将多通道接收机分成多个装配在接收天线上或者旁边的单通道接收单元，让接收机射频前端尽可能地接近天线，突破高频电缆的束缚，通过无线方式完成参数配置和数据传输。基于该设计方法的雷达系统包括多根接收天线、多个单通道接收单元、发射系统和控制中心；

所述的发射系统和接收天线跟高频雷达相同，根据实际需要确定天线阵型。

作为优选，所述的单通道接收单元由射频前端、采样及信号处理模块、同步模块和数据传输模块、电源模块组成；

作为优选，所述各接收天线与所述各单通道接收单元依次对应连接；所述各单通道接收单元与所述控制中心通过无线通信方式连接；

作为优选，所述的接收天线、射频前端、采样及信号处理模块、同步模块以及数据传输模块通过有线方式依次串联连接；所述数据传输模块与所述控制中心通过无线通信方式无线连接；

作为优选，所述单通道接收单元与所述接收天线连接，所述单通道接收单元直接安装在所述接收天线上或者所述单通道接收单元与所述接收天线通过电缆连接；

作为优选，所述的射频前端用于接收所述接收天线传输的回波信号；

作为优选，所述采样及信号处理模块用于对回波信号进行放大、采样、下变频及匹配滤波的预处理；

作为优选，所述数据传输模块在每一帧预处理后的回波信号数据前加上时间戳及各单通道接收单元的同步状态标志位，所述数据传输模块用于将加上时间戳后回波信号通过无线通信方式上传至所述控制中心；

作为优选，所述同步模块实现所述各单通道接收单元的时钟同步，包括时钟源频率相位同步和时间同步；

由于所述各单通道接收单元均采用独立时钟源，而接收机的下变频和匹配滤波过程均需要采用同步时钟，以满足其相位一致性。此外，各单通道接收单元必须同时工作，这样才能进行后续的目标信息提取。因此时钟同步性能将直接影响各通道的采样及匹配滤波后的信号频率和相位，从而严重影响了最终的探测性能。

作为优选，所述同步模块可通过所述各单通道接收单元单独配备GPS同步模块的方式实现，通过GPS秒脉冲同步所述各单通道接收单元的本地时钟用于实现时钟源频率相位同步，并利用GPS同步模块输出的时间信息完成所述各单通道接收单元的时间信息同步用于实现时间同步；

由于GPS秒脉冲仍存在随机误差，各个不同的秒脉冲信号仍存在由于天线等引起的100ns以内的时间差，这将造成各接收单元的时钟不完全同步，对于其引起的通道间的相位差将在控制中心进行消除。

作为优选，所述的电源模块完成对所述的射频前端、采样及信号处理模块、同步模块和数据传输模块进行供电；所述电源模块可采用太阳能供电、蓄电池或市电相结合的方式；

作为优选，所述的控制中心用于参数配置，数据接收和数据处理；所述控制中心为处于中心站的高性能计算机；

作为优选，所述控制中心通过无线通信的方式向所述各发射系统及所述各单通道接收单元传递参数，将所述各单通道接收单元开始工作的时间设置为统一时间，并且通过无线通信的方式接收所述数据传输模块无线传输的各单通道接收单元的同步状态标志位；在所述各单通道接收单元开始工作后，所述控制中心接收所述各单通道接收单元发送的加上时间戳的回波信号，并利用单信号辅助源去除时钟不完全同步的影响；

作为优选，所述单信号辅助源可选用其他站的直达波、应答器，通过改进的通道校准方法实行；

所述控制中心通过接收加上时间戳的回波信号的接收时间，根据时间戳将所述各单通道接收单元发送的加上时间戳的回波信号对齐；

利用单信号辅助源去除时钟不完全同步的影响具体过程为：

设雷达发射信号S_T(t)的扫频时宽为T，带宽为B，雷达载频为f₀，扫频速率为K＝B/T，T_r为扫频重复周期，则一个扫频周期内的发射连续信号为：

假设目标在距离r处以径向速度v靠近雷达站，则目标回波相对于发射信号的时延为：

其中，c表示光速，雷达回波信号可写成：

其中，A表示信号在自由空间传播过程中幅度的衰减，τ为目标回波相对于发射信号的时延，将雷达回波信号与本振信号混频，本振信号具有与发射信号相同的波形，混频后得到的基带信号可表示为：

带入时延表达式可得其基带信号相位为：

在第n个扫频脉冲内(n＝1,2,…)，基带信号相位可近似为：

对于本发明的这种体制，由于收发天线不是同一个时钟源，即使做了同步控制，由于同步脉冲的随机误差和时钟漂移等因素使同步误差仍然存在；

这样在单通道接收单元中通过所述采样及信号处理模块经过下变频会在基带信号相位中引入一个误差量ψ_n，这个相位误差量跟同步精度有关，且随着时间变化；

由于各个单通道接收单元都是独立时钟，不同单通道接收单元这个误差量也不同，则对于单通道接收单元m，在第n个扫频脉冲其基带信号的相位误差量为ψ_n,m，使天线回波信号间的相位差也多了一个新的差异量，因此时钟同步的结果将严重影响最终的方位估计精度；

在不考虑通道其他不一致因素的情况下，根据所述单信号辅助源的距离在距离谱中找到对应的距离元，构造多个单通道接收单元的接收快拍数据表示为：

Y(k)＝[Y₁(k),Y₂(k),…,Y_M(k)]^T,

其中，Y_i(k)表示第k帧第i通道接收的单信号辅助源的回波，M为单通道接收单元的数量；

对Y(k)的协方差矩阵R_yy＝E[Y^H(k)Y(k)]进行特征值分解；

对于单信号辅助源，最大特征值对应的特征矢量e₁＝[e₁₁,e₁₂,…,e_1,M]^T与信号导向矢量α'(θ)满足：

Γα′(θ)＝ue₁

其中，a’(θ)为导向矢量，与阵列流型有关，当天线阵元的几何位置确定后，其导向矢量也就唯一确定，u为复常数，θ是单信号源应答器的方位，根据该公式得到由时钟不同步引起的相位误差矩阵Γ＝diag([Γ₁,Γ₂,…,Γ_M])，分别对应着单通道接收单元，基于相位误差矩阵Γ对单通道接收单元的接收快拍数据Y(k)进行相位补偿，实现对时钟不同步影响的去除。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明提供的高频地波雷达设计方法与系统，可有效地克服高频地波雷达电缆成本高、布放、维护和回收困难等问题，使雷达系统变得轻便、灵活，大大降低了系统布设方式和工作成本，有利于雷达的应用和推广。

本发明提供的高频地波雷达设计方法与系统，让接收机射频前端尽可能地接近天线，这将有效地降低回波信号因长电缆而造成的损耗和衰减，有利于提高雷达的探测性能，尤其有利于提升雷达对远距离目标的探测与跟踪。

附图说明

图1：本发明系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。

一种轻便式高频地波雷达系统，本发明将多通道接收机分成多个单通道接收单元，让单通道接收单元尽可能地接近天线，突破高频电缆的束缚，通过无线方式完成参数配置和数据传输。本发明系统结构示意图如附图1所示，本发明包括多根接收天线、多个单通道接收单元、发射系统和控制中心；单通道接收单元由射频前端、采样及信号处理模块、同步模块和数据传输模块、电源模块组成。

所述的发射系统和接收天线跟高频雷达相同，根据实际需要确定天线阵型。

所述各接收天线与所述各单通道接收单元依次对应连接；所述各单通道接收单元与所述控制中心通过无线通信方式连接；

所述的接收天线、射频前端、采样及信号处理模块、同步模块以及数据传输模块通过有线方式依次串联连接；所述数据传输模块与所述控制中心通过无线通信方式无线连接；

所述单通道接收单元与所述接收天线连接，所述单通道接收单元直接安装在所述接收天线上或者所述单通道接收单元与所述接收天线通过电缆连接；

对于由M根天线组成的接收阵列，就需要M个单通道接收单元。单通道接收单元的射频前端、采样及信号处理模块同传统的地波雷达接收机的接收单元功能和设计方式基本相同；

所述的射频前端用于接收所述接收天线传输的回波信号，由收发开关、低噪声放大器和滤波器电路组成，用于对回波信号的放大和滤波；

所述采样及信号处理模块用于对回波信号进行放大、采样、下变频及匹配滤波的预处理，由A/D、数字下变频模块组成，数字下变频模块可以用专用芯片实现，也可利用FPGA来实现；

所述数据传输模块在每一帧预处理后的回波信号数据前加上时间戳及各单通道接收单元的同步状态标志位，所述数据传输模块用于将加上时间戳后回波信号通过无线通信方式上传至所述控制中心；可根据雷达架设地的网络环境和实际需要传输的数据率等来选择无线网络类型完成数据传输，传输时需要在数据前加上标签便于区别；

所述的电源模块完成对所述的射频前端、采样及信号处理模块、同步模块和数据传输模块进行供电；所述电源模块可采用太阳能供电、蓄电池或市电相结合的方式；可根据雷达架设地的实际环境来选择电源；

传统的雷达虽然也可工作于双/多基地模式，此时各接收机之间也需要同步模块，但其各接收机的多个采样和信号处理数据往往是集中在一起，来源于同一个时钟信号，因此只需要同步发射脉冲和接收脉冲即可，接收机的各个接收通道间不存在因时钟不同源而产生的频率和相位误差。而本系统由于各个接收通道是分离的，而时钟不同步会严重影响相位同步甚至造成信号不相干的问题，因此同步精度要求非常高。

所述同步模块实现所述各单通道接收单元的时钟同步，包括时钟源频率相位同步和时间同步；其同步的性能直接决定各接收天线回波信号相位差的稳定性；

所述同步模块可通过所述各单通道接收单元单独配备GPS同步模块的方式实现；通过GPS秒脉冲同步所述各单通道接收单元的本地时钟用于实现时钟源频率相位同步，并利用GPS同步模块输出的时间信息完成所述各单通道接收单元的时间信息同步用于实现时间同步；

所述的控制中心用于参数配置，数据接收和数据处理；所述控制中心为处于中心站的高性能计算机；

所述控制中心通过无线通信的方式向所述各发射系统及所述各单通道接收单元传递参数，将所述各单通道接收单元开始工作的时间设置为统一时间，并且通过无线通信的方式接收所述数据传输模块无线传输的各单通道接收单元的同步状态标志位；在所述各单通道接收单元开始工作后，所述控制中心接收所述各单通道接收单元发送的加上时间戳的回波信号，并利用单信号辅助源去除时钟不完全同步的影响；所述控制中心通过接收加上时间戳的回波信号的接收时间，根据时间戳将所述各单通道接收单元发送的加上时间戳的回波信号对齐；

所述单信号辅助源可选用其他站的直达波、应答器，通过改进的通道校准方法实行；

所述的控制中心主要完成参数配置，数据接收和数据处理，所述控制中心为处于中心站的高性能计算机；所述控制中心通过无线通信的方式向所述各发射系统及所述各单通道接收单元传递参数，将所述各单通道接收单元开始工作的时间设置为统一时间，并且通过无线通信的方式接收所述数据传输模块无线传输的各单通道接收单元的同步状态标志位；在所述各单通道接收单元开始工作后，所述控制中心接收所述各单通道接收单元发送的加上时间戳的回波信号，并利用单信号辅助源去除时钟不完全同步的影响；所述控制中心通过接收加上时间戳的回波信号的接收时间，根据时间戳将所述各单通道接收单元发送的加上时间戳的回波信号对齐；

控制中心利用单信号辅助源去除时钟不完全同步的影响具体过程为：

设雷达发射信号S_T(t)的扫频时宽为T，带宽为B，雷达载频为f₀，扫频速率为K＝B/T，T_r为扫频重复周期，则一个扫频周期内的发射连续信号为：

假设目标在距离r处以径向速度v靠近雷达站，则目标回波相对于发射信号的时延为：

其中，c表示光速，雷达回波信号可写成：

其中，A表示信号在自由空间传播过程中幅度的衰减，τ为目标回波相对于发射信号的时延，将雷达回波信号与本振信号混频，本振信号具有与发射信号相同的波形，混频后得到的基带信号可表示为：

带入时延表达式可得其基带信号相位为：

在第n个扫频脉冲内(n＝1,2,…)，基带信号相位可近似为：

对于本发明的这种体制，由于收发天线不是同一个时钟源，即使做了同步控制，由于同步脉冲的随机误差和时钟漂移等因素使同步误差仍然存在；

这样在单通道接收单元中通过所述采样及信号处理模块经过下变频会在基带信号相位中引入一个误差量ψ_n，这个相位误差量跟同步精度有关，且随着时间变化；

由于各个单通道接收单元都是独立时钟，不同单通道接收单元这个误差量也不同，则对于单通道接收单元m，在第n个扫频脉冲其基带信号的相位误差量为ψ_n,m，使天线回波信号间的相位差也多了一个新的差异量，因此时钟同步的结果将严重影响最终的方位估计精度；

在不考虑通道其他不一致因素的情况下，根据所述单信号辅助源的距离在距离谱中找到对应的距离元，构造多个单通道接收单元的接收快拍数据表示为：

Y(k)＝[Y₁(k),Y₂(k),…,Y_M(k)]^T,

其中，Y_i(k)表示第k帧第i通道接收的单信号辅助源的回波，M为单通道接收单元的数量；

对Y(k)的协方差矩阵R_yy＝E[Y^H(k)Y(k)]进行特征值分解；

对于单信号辅助源，最大特征值对应的特征矢量e₁＝[e₁₁,e₁₂,…,e_1,M]^T与信号导向矢量α'(θ)满足：

Γα′(θ)＝ue₁

其中，a’(θ)为导向矢量，与阵列流型有关，当天线阵元的几何位置确定后，其导向矢量也就唯一确定，u为复常数，θ是单信号源应答器的方位，根据该公式得到由时钟不同步引起的相位误差矩阵Γ＝diag([Γ₁,Γ₂,…,Γ_M])，分别对应着单通道接收单元，基于相位误差矩阵Γ对单通道接收单元的接收快拍数据Y(k)进行相位补偿，实现对时钟不同步影响的去除。

所述的后续信号和数据处理是指雷达根据探测目标和探测需求进行后续的目标检测或者参数反演等过程。

尽管本文较多地使用了接收天线、单通道接收单元、发射系统、控制中心、射频前端、采样及信号处理模块、同步模块和数据传输模块以及电源模块等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种轻便式高频地波雷达系统，其特征在于包括：多根接收天线、多个单通道接收单元、发射系统和控制中心；其中，所述的单通道接收单元由射频前端、采样及信号处理模块、同步模块和数据传输模块、电源模块组成；

所述各接收天线与所述各单通道接收单元依次对应连接；所述各单通道接收单元与所述控制中心通过无线通信方式连接；

所述的接收天线、射频前端、采样及信号处理模块、同步模块以及数据传输模块通过有线方式依次串联连接；所述数据传输模块与所述控制中心通过无线通信方式无线连接；

所述单通道接收单元与所述接收天线连接，所述单通道接收单元直接安装在所述接收天线上或者所述单通道接收单元与所述接收天线通过电缆连接；

所述的控制中心用于参数配置，数据接收和数据处理；

所述控制中心为处于中心站的高性能计算机；

所述控制中心通过无线通信的方式向所述各发射系统及所述各单通道接收单元传递参数，将所述各单通道接收单元开始工作的时间设置为统一时间，并且通过无线通信的方式接收所述数据传输模块无线传输的各单通道接收单元的同步状态标志位；在所述各单通道接收单元开始工作后，所述控制中心接收所述各单通道接收单元发送的加上时间戳的回波信号，并利用单信号辅助源去除时钟不完全同步的影响；

所述控制中心通过接收加上时间戳的回波信号的接收时间，根据时间戳将所述各单通道接收单元发送的加上时间戳的回波信号对齐；

所述单信号辅助源可选用其他站的直达波、应答器，通过改进的通道校准方法实行；

利用单信号辅助源去除时钟不完全同步的影响具体过程为：

对于这种体制，由于收发天线不是同一个时钟源，即使做了同步控制，由于同步脉冲的随机误差和时钟漂移等因素使同步误差仍然存在；

这样在单通道接收单元中通过所述采样及信号处理模块经过下变频会在基带信号相位中引入一个误差量ψ_n，这个相位误差量跟同步精度有关，且随着时间变化；

由于各个单通道接收单元都是独立时钟，不同单通道接收单元这个误差量也不同，则对于单通道接收单元m，在第n个扫频脉冲其基带信号的相位误差量为ψ_n,m，使天线回波信号间的相位差也多了一个新的差异量，因此时钟同步的结果将严重影响最终的方位估计精度；

在不考虑通道其他不一致因素的情况下，根据所述单信号辅助源的距离在距离谱中找到对应的距离元，构造多个单通道接收单元的接收快拍数据表示为：

Y(k)＝[Y₁(k),Y₂(k),…,Y_M(k)]^T,

其中，Y_i(k)表示第k帧第i通道接收的单信号辅助源的回波，M为单通道接收单元的数量；

对Y(k)的协方差矩阵R_yy＝E[Y^H(k)Y(k)]进行特征值分解；

对于单信号辅助源，最大特征值对应的特征矢量e₁＝[e₁₁,e₁₂,…,e_1,M]^T与信号导向矢量α'(θ)满足：

Γα′(θ)＝ue₁

其中，a’(θ)为导向矢量，与阵列流型有关，当天线阵元的几何位置确定后，其导向矢量也就唯一确定，u为复常数，θ是单信号源应答器的方位，根据该公式得到由时钟不同步引起的相位误差矩阵Γ＝diag([Γ₁,Γ₂,…,Γ_M])，分别对应着单通道接收单元，基于相位误差矩阵Γ对单通道接收单元的接收快拍数据Y(k)进行相位补偿，实现对时钟不同步影响的去除。

2.根据权利要求1所述的轻便式高频地波雷达系统，其特征在于，所述的射频前端用于接收所述接收天线传输的回波信号。

3.根据权利要求1所述的轻便式高频地波雷达系统，其特征在于，所述采样及信号处理模块用于对回波信号进行放大、采样、下变频及匹配滤波的预处理。

4.根据权利要求1所述的轻便式高频地波雷达系统，其特征在于，所述数据传输模块在每一帧预处理后的回波信号数据前加上时间戳及各单通道接收单元的同步状态标志位，所述数据传输模块用于将加上时间戳后回波信号通过无线通信方式上传至所述控制中心。

5.根据权利要求1所述的轻便式高频地波雷达系统，其特征在于，所述同步模块实现所述各单通道接收单元的时钟同步，包括时钟源频率相位同步和时间同步；

所述同步模块可通过所述各单通道接收单元单独配备GPS同步模块的方式实现，通过GPS秒脉冲同步所述各单通道接收单元的本地时钟用于实现时钟源频率相位同步，并利用GPS同步模块输出的时间信息完成所述各单通道接收单元的时间信息同步用于实现时间同步。

6.根据权利要求1所述的轻便式高频地波雷达系统，其特征在于，所述的电源模块完成对所述的射频前端、采样及信号处理模块、同步模块和数据传输模块进行供电；所述电源模块可采用太阳能供电、蓄电池或市电相结合的方式。

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