CN110133650B - 一种基于步进频率合成孔径雷达的近距离rcs测量电子系统 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于步进频率合成孔径雷达的近距离RCS测量电子系统，涉及频率步进技术、SAR图像处理、FPGA数字信号处理。目标相对于雷达系统近距离测量是因为雷达的RCS近场成像方法相比于远场测量、紧缩场测量等传统方法，大大提高了获得的信息量，可获得更丰富的目标散射特征分布。针对于背景技术的不足，雷达系统采用步进频窄脉冲信号可以收发共用天线，距离盲区小，可测范围大，且避免了连续波体制的隔离问题。步进频率信号属于脉冲信号的一种。采用频率步进信号的雷达，通过使相参脉冲串中各个脉冲的载频跳变可以灵活获得任意频率的大带宽，对脉冲回波的IDFT处理获得距离高分辨率的效果；同时降低对数字信号处理瞬时带宽和接收端回波信号数字处理硬件的指标要求。

Description

一种基于步进频率合成孔径雷达的近距离RCS测量电子系统

技术领域

本发明是一种基于步进频率合成孔径雷达的近距离RCS电子测量系统，涉及频率步进技术、SAR图像处理、FPGA数字信号处理。

背景技术

雷达散射截面积(Radar cross-section，RCS)是表征雷达目标对照射电磁波散射能力的一个复杂物理量，与目标的几何尺寸、入射电磁波的参数和目标相对于雷达的姿态角有关。近年来，随着科技的进步，隐身技术与反隐身技术的发展，RCS的测量也需要提出更有效和精确的方法。现有的雷达RCS测量方法主要包括理论计算和实际测量。前者通过电磁理论对目标RCS进行计算，但受限于复杂、符合材料的目标；因而，一般通过对目标的实际测量，获得目标的RCS特征数据，然后通过RCS反演算法得到待测目标的RCS测量值。通过合成孔径雷达成像进行RCS反演就是一种可行方法。

要通过合成孔径雷达成像来测量RCS，则要求雷达信号是宽带信号。宽带雷达信号主要分为连续波信号和脉冲信号。雷达如果发射连续波，就不能与脉冲式雷达一样采用电开关来控制天线的收发转换，所以必须将发射天线和接收天线隔离开。如果连续波雷达的隔离度不够，会大大降低雷达作用距离，严重时会造成接收通道饱和，从而使雷达系统无法工作。如果要提高连续波雷达的隔离度，就需要增大收发天线的距离，或者在收发天线间设计隔离罩，导致系统的接收性能变差和制造成本的增加。而如果采用宽带脉冲信号，雷达需要实时处理的数据率又非常大。

已有的基于合成孔径雷达的RCS测量系统对于目标反射的回波信号采用射频传输方式到后续信号处理部分，雷达系统结构如图1所示。回波信号在射频电缆传输过程中因为电缆物理特性损耗、复杂环境等原因会使相位产生不同程度的误差，测量精度会受影响。回波信号以射频方式传输不仅对系统信号处理部分的器件选型和指标要求较高，还增加了电缆的设计要求和成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足之处。提出的一种基于步进频率合成孔径雷达的近距离RCS测量电子系统。目标相对于雷达系统近距离测量是因为雷达的RCS近场成像方法相比于远场测量、紧缩场测量等传统方法，大大提高了获得的信息量，可获得更丰富的目标散射特征分布。针对于背景技术的不足，雷达系统采用步进频窄脉冲信号可以收发共用天线，距离盲区小，可测范围大，且避免了连续波体制的隔离问题。步进频率信号属于脉冲信号的一种。采用频率步进信号的雷达，通过使相参脉冲串中各个脉冲的载频跳变可以灵活获得任意频率的大带宽，对脉冲回波的IDFT处理获得距离高分辨率的效果；同时降低对数字信号处理瞬时带宽和接收端回波信号数字处理硬件的指标要求。

相对于采用射频方式传输的RCS测量系统，本发明将雷达系统接收的回波信号传输方式从射频传输改进为数字基带传输，一方面降低了雷达系统的传输线缆的设计要求和成本、信号处理部分器件的指标；另一方面降低回波信号数据传输时的数据量，使数据传输通道从万兆网变为千兆网。

对雷达系统信号处理效率来说，本发明的3D RCS雷达系统结合现场可编程逻辑(即FPGA)技术，充分发挥FPGA并行处理，灵活编程的优势，提高系统的工作效率。在3D RCS系统开发环境上运行嵌入式系统，通过编程实现与PC端上的终端控制软件按照定制网络协议通信，对系统工作频率范围和带宽、系统的工作状态、天线和前端运动轨迹能进行实时设置，并对系统与外部设备的协议进行解析等功能。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于步进频率合成孔径雷达的近距离RCS测量电子系统，其特征在于：该系统包括：信号产生模块，射频通道模块，中频信号采集模块，天线模块，数据存储和处理系统，终端控制软件模块，运动平台；其中射频通道模块包括频综、上变频通道和下变频通道，所述上变频通道和下变频通道都由频综控制；运动平台包括运动控制部分和位置传感器；数据存储和处理系统包括数据存储服务器和显示控制服务器；中频信号采集模块包括A/D采集模块和中频信号控制模块；所述数据存储和处理系统、终端控制软件系统通过交换机与中频信号采集模块连接；所述中频信号采集模块中的中频信号控制模块将控制数据传输给运动平台中的运动控制部分，运动控制部分控制雷达沿竖直方向的“Z”字型往复运动，该雷达与目标之间的距离为S，5m≤S≤15m，所述运动平台中的位置传感器将雷达的运动状态信息传输给中频信号控制模块；所述中频信号控制模块同时还要控制信号产生模块和射频通道模块中的频综，所述射频通道模块中的频综连接信号产生模块，所述信号产生模块产生信号给上变频通道，上变频通道输出信号给天线模块；所述天线模块接收到信号后传输信号给下变频通道，下变频通道输出信号给中频信号采集模块中的A/D采集模块，中频信号控制模块控制A/D采集模块对接收的信号进行A/D转换；

用户通过显示控制服务器上运行的终端控制软件设置本发明RCS测量电子系统发射的步进频率信号带宽、运动平台的运动速度、系统的工作状态，然后按照通信协议，将相关控制指令通过千兆网线和交换机，传输给中频信号采集模块；中频信号采集模块按通信协议，将控制指令解析并分别发送给运动平台、信号产生模块；运动平台接收到控制指令后，设置运动平台的运动速度，等待终端控制软件发送运动指令；信号产生模块接收到中频信号采集模块解析后的指令后，产生满足设置带宽要求的脉冲组，然后通过射频通道模块的上变频部分完成对信号的混频后，通过天线模块将射频信号转换电磁信号并向目标发射，同时通知运动平台开始工作，对目标进行扫描；经过目标反射后的电磁信号通过天线模块转换为带有目标信息的射频回波信号，然后通过射频通道模块的下变频部分将射频信号混频到中频信号，传输给中频信号采集模块；中频信号采集模块开始采集射频通道模块输出的中频信号，并对采集的信号进行数字信号处理和数据打包，然后通过千兆网线和交换机，将数据传输给数据存储和处理系统。

进一步的，所述中频信号采集模块中的中频信号控制模块包括K7和Z7两块FPGA芯片，其中K7包括：数字下变频、数据缓存、数据帧、读出寄存器、写入寄存器、指令打包和数据解析模块；所述Z7包括Data Buffer模块、读出寄存器、PS端、UDF接口；所述的中频信号采集模块中A/D采集模块采集到的数据依次经过K7中的数字下变频、数据缓存、数据帧、后传依次经过Z7中的Data Buffer模块、PS端，所述指令打包和数据解析模块输出数据控制信号产生模块的波形产生和运动平台的动作，指令打包和数据解析模块通过读出寄存器输出数据给数据帧；所述Z7中的读出寄存器通过K7中的写入寄存器将Data Buffer模块中的数据传输给PS端和指令打包和数据解析模块，所述Z7中的UDF接口和PS端直接进行数据交换；

所述中频信号采集模块中A/D采集模块为一块16bit的模数转换芯片，中频信号控制模块通过Serial Peripheral interface协议控制A/D采集模块的运行；A/D采集模块的中频信号频率范围为150MHz±6.25MHz，从功能结构来看中频信号采集模块是终端控制软件和雷达系统其它模块通信的纽带，中频信号控制模块中有K7和Z7两块FPGA芯片，两者通过低电压差分通道传输终端控制软件下发的指令；工作流程如下：

流程1，中频信号控制模块中的A/D采集模块将射频通道模块输出的回波信号数据转换为数字信号，然后通过数字下变频的信号处理，将回波数据暂时缓存在数据帧模块中；数据帧模块将读出寄存器中的数据和回波数据按协议打包，然后通过GTX传输给DataBuffer模块暂存，等待PS端读取；

流程2，中频信号控制模块通过串口通信协议接收从信号产生模块和运动平台返回的模块状态信号和实时位置信息，然后通过指令打包和数据解析功能模块对信息进行解析并按协议打包，存入读出寄存器模块，最后与回波信号组成数据帧；

流程3，中频信号控制模块通过读出寄存器模块从PS端中读取从终端控制软件发送的控制指令，然后通过LVDS通道将数据存入写入寄存器功能模块中，最后通过指令打包和数据解析功能模块将指令信息解析并发送给信号产生模块和运动平台，从而控制其工作。

进一步的，所述天线模块包括3根天线，所述上变频模块的输入中频频率为：150MHz±6.25MHz；输出射频信号为：1GHz～2GHz，2GHz～6GHz，6GHz～18GHz；

下变频模块的输入射频频率为：1GHz～2GHz，2GHz～6GHz，6GHz～18GHz；输出中频信号为：150MHz±6.25MHz。

本发明中，信号产生模块：主要是一个可灵活调整步进的跳频源，产生电子系统所需要的宽带信号，采用可灵活调整的步进频脉冲信号，主要是因为采用步进频脉冲信号可以满足系统覆盖频率范围大，且信号带宽可灵活调整的要求，在不同频率范围工作时，可以根据终端控制软件下发的指令，按照不同的脉冲组和脉冲个数产生合成宽带信号和同步时序信号。

附图说明

图1.射频方式传输的RCS测量系统；

图2.本发明雷达系统结构框图；

图3.发射波形示意图；

图4.射频子系统组成结构图；

图5.上变频模块框图；

图6.下变频模块框图；

图7.中频信号采集模块工作流程。

具体实施方式

本发明RCS测量电子系统包括：信号产生模块，射频通道模块，中频信号采集模块，天线模块，数据存储和处理系统，终端控制软件模块。以实施例来详细说明本发明的实施方式，以便对如何应用本发明技术手段来解决技术问题有更加深刻的理解，以期达到良好地解决实际问题目的，并据以实施。

射频通道模块：主要包括环形器，上变频通道，下变频通道和捷变频频综组成。射频通道模块的作用是将波形产生模块输出的中频信号经过射频通道模块变频为满足要求的射频信号，并接收目标反射回来的射频信号，通过变频成中频信号，然后将接收的中频信号给中频信号采集模块。

中频信号采集模块：模块主要由A/D采集模块和中频信号控制模块组成。A/D采集模块是一个受中频信号控制模块控制的有源器件模块。而中频信号控制模块由两块Xilinx公司的型号分别为K7系列和Z7系列的FPGA芯片及其外围电路组成。该模块由信号采集板实现单通道的中频信号采集、处理和结果数据发送，实现数据网络传输。信号采集板采用赛灵思的Zynq-7000完成信号采集、控制、信号处理、网络协议处理等功能。Zynq-7000系列器件是带有双ARM Cortex处理器A9MPCore处理器的SoC，具有可满足复杂嵌入式系统的高性能、低功耗和多核处理能力的特点。

天线模块：采用宽带喇叭天线，具有宽频带，高增益，大功率和体积小等特点，由喇叭腔和馈电接头组成。天线属于无源模块，通过射频线，与射频通道模块的环形器相连，直接输出。

数据存储和处理系统：该模块接收来自中频信号采集模块通过千兆网传输的基带数据和运动状态信息进行存储处理和备份，然后等待成像处理。

终端控制软件模块：该模块是一个由运行在PC端的用户界面。通过该软甲可以控制整个雷达系统工作时的状态，包括：系统发射端的信号频率带宽，系统运动平台的速度、范围和实时位置，系统的运行或关闭。

信号产生模块：通过PC端终端控制软件设置所需信号带宽，然后通过终端控制软件与中频信号采集系统的传输协议，将带宽转换为符合跳频源要求的特定编码，再由中频信号采集系统传输给信号产生模块，最后跳频源输出符合带宽的脉冲组，脉冲时宽τ为80ns,脉冲重复间隔T_r为1us，如图3。

射频通道模块：按功能划分，射频通道模块主要分为上变频部分，下变频部分，频综和环形器，具体结构如图4所示。各模块的具体功能如下：

1)频综(频率综合器)是现代通信系统、雷达、测试设备中的关键器件,能够为射频通道模块的上下变频结构的混频功能提供高精度、高稳定度的本振频率。

2)环形器是使电磁波单向环形传输的器件，使本发明的电子系统中使用的收发天线实现隔离发射信号和回收信号的功能。

3)上变频的结构框图如图5，主要包括：多路选择器(简称MUX)，运算放大器(简称AMP)，功率放大器(简称PA)，混频器。其主要指标如下所示：

a.输入中频频率：150MHz±6.25MHz；

b.输出射频信号：1GHz～2GHz；

2GHz～6GHz；

6GHz～18GHz。

4)下变频的接收框图如图6，主要包括：低噪声放大器(简称LNA)，运算放大器(简称AMP)，多路复用器(简称DEMUX)，混频器。主要指标如下所示：

a.输入射频频率：1GHz～2GHz；

2GHz～6GHz；

6GHz～18GHz；

b.输出中频信号：150MHz±6.25MHz。

该模块将波形产生模块输出的中频信号经过上变频和功率放大后送至环行器，然后由天线辐射出去，并接收目标反射回来的信号，经过放大滤波后下变频到中频输出。由于该系统要求的频率覆盖范围大，为了保证信号质量，将覆盖频率范围划分为3段：1-2GHz，2-6GHz，6-18GHz，所以本模块采用3路并行通道来进行处理，结构框图如图4。

中频信号采集模块：模块的A/D采集部分是一块16bit的模数转换芯片，中频信号控制模块通过Serial Peripheral interface(简称SPI)协议控制A/D采集模块的运行；模块采集的中频信号频率范围为150MHz±6.25MHz，中频信号控制模块结构如图7所示。从功能结构来看中频信号采集模块是终端控制软件和雷达系统其它模块通信的纽带，并采用Xilinx公司ZYNQ-7000硬件平台设计。而ZYNQ开发环境按功能分为Processing System(以下简称PS)端和Progarmmable Logic(以下简称PL端)，分别对应于ARM的SOC部分和FPGA部分。从图7可知，中频信号控制模块中有两块FPGA芯片(K7和Z7)正常工作，两者通过低电压差分(Low Voltage Differential Signal简称LVDS)通道传输终端控制软件下发的指令；通过FPGA平台的吉比特收发器(以下简称GTX)进行高速传输，其最高速率每秒可达12.5Gbps。如图7所示PL端FPGA工作流程中，因为其并行处理的逻辑结构和特性，极大的提高系统的处理效率。同时，PL端的并行工作流程如下:

1)流程1，中频信号控制模块中的A/D数据采集模块将射频通道模块输出的回波信号数据转换为数字信号，然后通过数字下变频的信号处理，将回波数据暂时缓存在数据帧模块中。数据帧模块将读出寄存器中的数据和回波数据按协议打包，然后通过GTX传输给Data Buffer模块暂存，等待PS端读取。

2)流程2，中频信号控制模块通过串口通信(简称UART)协议接收从信号产生模块和运动平台返回的模块状态信号和实时位置信息，然后通过指令打包和数据解析功能模块对信息进行解析并按协议打包，存入读出寄存器模块，最后与回波信号组成数据帧。

3)流程3，中频信号控制模块通过读出寄存器模块从PS端中读取从终端控制软件发送的控制指令，然后通过LVDS通道将数据存入写入寄存器功能模块中，最后通过指令打包和数据解析功能模块将指令信息解析并发送给信号产生模块和运动平台，从而控制其工作。

在PS端集成了ARM Cortex A9处理器，所以制作了一个Linux系统镜像，通过SD卡启动，使其在处理器上运行。PS端的数据和指令的处理都在Linux系统上编程实现，为了提高系统处理效率，如图7所示PS端工作流程，将使用三个进程独立实现：

1)线程1，从PL端通过GTX接收数据，使用TCP接口通过千兆网线传输采集数据，到网络存储服务器和运算服务器；网络磁盘阵列的数据作为备份，运算服务器接收的数据进行实时成像处理。

2)线程2通过UDP接口间断传输采集数据和机箱状态信息给显示控制服务器，方便确定雷达系统机箱运动位置；

3)线程3通过UDP接口接收运行在显示控制服务器上的终端控制软件下发的指令信息并解析，然后通过LVDS通道转发给PL端。

天线模块：该天线模块由两部分组成，一个是垂直极化天线，另一个是水平极化天线。采用宽带喇叭天线，具有宽频带，高增益，大功率和体积小等特点，由喇叭腔和馈电接头组成。采用3个喇叭天线，分别覆盖1-2GHz、2-6GHz、6-18GHz，保证了波束宽度和旁瓣电平，确保波束宽度60度，增益5dB，旁瓣电平优于10dB。

数据存储和处理系统：信号采集控制模块处理后的I/Q基带数据在ZYNQ的PL端将数据按照软件帧的协议打包，通过数据通道传输到PS端；然后将PS端的数据以千兆网线为传输媒介并按照TCP/IP网络传输协议发送给数据存储服务器上运行的数据存储软件，将数据以.bin文件的格式保存到网络存储服务器(NAS)。网络存储服务器(NAS)的数据作为备份，而数据存储服务器因为插入GPU卡，对接收的数据按照RCS成像算法进行实时成像处理。

终端控制软件模块：终端控制软件在显示控制服务器中运行，控制整个系统的运行；同时在中频信号采集模块的PS端工作过程中，PS部分每隔1S，将通过TCP接口上传的数据包，通过UDP接口上传到显示控制服务器，以便对采集波形和工作状态进行监测。终端控制软件通过Qt Company跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架设计完成，在Qt开发环境中，通过编码实现系统所需要的控制功能和与中频信号采集模块的通信协议，将用户的指令通过协议发送给中频信号采集模块。

Claims (3)

1.一种基于步进频率合成孔径雷达的近距离RCS测量电子系统，其特征在于：该系统包括：信号产生模块，射频通道模块，中频信号采集模块，天线模块，数据存储和处理系统，终端控制软件模块，运动平台；其中射频通道模块包括频综、上变频通道和下变频通道，所述上变频通道和下变频通道都由频综控制；运动平台包括运动控制部分和位置传感器；数据存储和处理系统包括数据存储服务器和显示控制服务器；中频信号采集模块包括A/D采集模块和中频信号控制模块；所述数据存储和处理系统、终端控制软件系统通过交换机与中频信号采集模块连接；所述中频信号采集模块中的中频信号控制模块将控制数据传输给运动平台中的运动控制部分，运动控制部分控制雷达沿竖直方向的“Z”字型往复运动，该雷达与目标之间的距离为S，5m≤S≤15m，所述运动平台中的位置传感器将雷达的运动状态信息传输给中频信号控制模块；所述中频信号控制模块同时还要控制信号产生模块和射频通道模块中的频综，所述射频通道模块中的频综连接信号产生模块，所述信号产生模块产生信号给上变频通道，上变频通道输出信号给天线模块；所述天线模块接收到信号后传输信号给下变频通道，下变频通道输出信号给中频信号采集模块中的A/D采集模块，中频信号控制模块控制A/D采集模块对接收的信号进行A/D转换；

用户通过显示控制服务器上运行的终端控制软件设置RCS测量电子系统发射的步进频率信号带宽、运动平台的运动速度、系统的工作状态，然后按照通信协议，将相关控制指令通过千兆网线和交换机，传输给中频信号采集模块；中频信号采集模块按通信协议，将控制指令解析并分别发送给运动平台、信号产生模块；运动平台接收到控制指令后，设置运动平台的运动速度，等待终端控制软件发送运动指令；信号产生模块接收到中频信号采集模块解析后的指令后，产生满足设置带宽要求的脉冲组，然后通过射频通道模块的上变频部分完成对信号的混频后，通过天线模块将射频信号转换电磁信号并向目标发射，同时通知运动平台开始工作，对目标进行扫描；经过目标反射后的电磁信号通过天线模块转换为带有目标信息的射频回波信号，然后通过射频通道模块的下变频部分将射频信号混频到中频信号，传输给中频信号采集模块；中频信号采集模块开始采集射频通道模块输出的中频信号，并对采集的信号进行数字信号处理和数据打包，然后通过千兆网线和交换机，将数据传输给数据存储和处理系统。

2.如权利要求1所述的一种基于步进频率合成孔径雷达的近距离RCS测量电子系统，其特征在于所述中频信号采集模块中的中频信号控制模块包括K7和Z7两块FPGA芯片，其中K7包括：数字下变频、数据缓存、数据帧、读出寄存器、写入寄存器、指令打包和数据解析模块；所述Z7包括Data Buffer模块、读出寄存器、PS端、UDF接口；所述的中频信号采集模块中A/D采集模块采集到的数据依次经过K7中的数字下变频、数据缓存、数据帧、后传依次经过Z7中的Data Buffer模块、PS端，所述指令打包和数据解析模块输出数据控制信号产生模块的波形产生和运动平台的动作，指令打包和数据解析模块通过读出寄存器输出数据给数据帧；所述Z7中的读出寄存器通过K7中的写入寄存器将Data Buffer模块中的数据传输给PS端和指令打包和数据解析模块，所述Z7中的UDF接口和PS端直接进行数据交换；

所述中频信号采集模块中A/D采集模块为一块16bit的模数转换芯片，中频信号控制模块通过Serial Peripheral interface协议控制A/D采集模块的运行；A/D采集模块的中频信号频率范围为150MHz±6.25MHz，从功能结构来看中频信号采集模块是终端控制软件和雷达系统其它模块通信的纽带，中频信号控制模块中有K7和Z7两块FPGA芯片，两者通过低电压差分通道传输终端控制软件下发的指令；工作流程如下：

流程1，中频信号控制模块中的A/D采集模块将射频通道模块输出的回波信号数据转换为数字信号，然后通过数字下变频的信号处理，将回波数据暂时缓存在数据帧模块中；数据帧模块将读出寄存器中的数据和回波数据按协议打包，然后通过GTX传输给Data Buffer模块暂存，等待PS端读取；

流程2，中频信号控制模块通过串口通信协议接收从信号产生模块和运动平台返回的模块状态信号和实时位置信息，然后通过指令打包和数据解析功能模块对信息进行解析并按协议打包，存入读出寄存器模块，最后与回波信号组成数据帧；

流程3，中频信号控制模块通过读出寄存器模块从PS端中读取从终端控制软件发送的控制指令，然后通过LVDS通道将数据存入写入寄存器功能模块中，最后通过指令打包和数据解析功能模块将指令信息解析并发送给信号产生模块和运动平台，从而控制其工作。

3.如权利要求1所述的一种基于步进频率合成孔径雷达的近距离RCS测量电子系统，其特征在于所述天线模块包括3根天线，所述上变频模块的输入中频频率为：150MHz±6.25MHz；输出射频信号为：1GHz～2GHz，2GHz～6GHz，6GHz～18GHz；

下变频模块的输入射频频率为：1GHz～2GHz，2GHz～6GHz，6GHz～18GHz；输出中频信号为：150MHz±6.25MHz。

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