CN110133732A - 一种基于超视距微波的探测系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种基于超视距微波的探测系统，所述系统包括天线、GPS模块、频率合成器、模拟接收机、数字接收机、系统同步控制器和主控PC。该系统能够有效提取探测回波的距离信息和多普勒信息；幅度稳定性和相位稳定性较佳，同时信噪比较高，从而能够应用于实际的海洋探测系统，满足实际工程需要。

Description

一种基于超视距微波的探测系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种基于超视距微波的探测系统。
背景技术
数字微波中继通信技术是在数字通信和微波通信技术基础上发展起来的新型通信传输系统，具有传输容量大、上下话路方便、传输质量好、投资小、见效快等特点，同时，作为一种快速连接方法，在民用固定及移动通信中广泛应用，多个站点之间通过建立中继站，实现长距离的通信传输。然而，在某些临时、应急、军事和海洋环境中，中继站的建设费时费力，后勤保障要求高，而且机动性差，安全性不能得到保障。在这种情况下，基于微波超视距的通信技术应运而生，近年来得到广泛发展。
超视距微波通信技术是在光滑球面上超出视距范围之外的电波传输模式，包括恒参非视距NLOS、变参非视距NLOS和超视距BLOS等三种主要方式。利用基于微波超视距的斜向返回探测原理，可以探测视距之外的海洋状态、飞机、导弹和舰艇等。对于我国而言，在幅员辽阔的海洋中，超视距微波通信技术具有极其广泛的应用前景。
然而，在实际应用中，基于微波超视距的探测系统通常处于较为复杂的工作环境中，容易受到各种各样的干扰，包括电离层、有源干扰、杂波和噪音等。这导致探测系统设计时需要考虑的因素众多，出了需要考虑高性能的发射和接收系统之外，还需要选择合适的工作频率与波形参数，以及及其高效的信号处理算法。才能使得探测系统能够克服复杂多变的电磁环境，有效地完成探测任务。
然而，在实际应用中，现有探测系统的使用性能仍然不能令人满意，主要表现在：探测系统不能有效提取探测回波的距离信息和多普勒信息；探测通道的幅度稳定性和相位稳定性不佳；此外信噪比不高，难以满足需要。
上述缺陷导致现有基于超视距微波的探测系统难以满足视距之外的海洋状态、飞机、导弹和舰艇的探测需要，迫切需要针对现有探测系统进行改进。
发明内容
本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种能够有效提取探测回波的距离信息和多普勒信息；幅度稳定性和相位稳定性较佳，同时信噪比较高的基于超视距微波的探测系统。
为实现上述目的，本发明提供一种基于超视距微波的探测系统，所述系统包括天线、GPS模块、频率合成器、模拟接收机、数字接收机、系统同步控制器和主控PC；其中，
所述天线用于接收探测回波的射频信号；
所述GPS模块用于产生系统基准时钟；
所述频率合成器用于提供系统基准时钟并且为模拟接收机提供本振信号；
所述模拟接收机通过放大、混频和滤波操作将所述射频信号转化为中频信号；
所述数字接收机通过量化和基带解调操作对中频信号进行处理，并将其上传至所述主控PC机；
所述系统同步控制器用于控制整个系统的时序；
所述主控PC机用于配置系统参数、启动接收机和处理数据。
根据本发明所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述模拟接收机的输入信号包括射频信号、中频信号和接收窗门控脉冲信号，所述接收窗门控脉冲信号用于打开或关闭模拟接收机。
根据本发明所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述模拟接收机包括一级射频信号放大模块和二级中频信号放大模块。
根据本发明所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述射频信号和所述本振信号具有固定的相位关系。
根据本发明所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述数字接收机和系统同步控制器集成于第一子系统中。
根据本发明所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述第一子系统包括电平转换模块、模数转换模块、现场可编辑门阵列模块和USB接口。
根据本发明所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述现场可编辑门阵列模块进一步包括系统同步控制模块和数字信号处理模块。
根据本发明所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述数字信号处理模块包括数控震荡模块，用于产生两路正交混频信号。
根据本发明所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述数字信号处理模块包括第一抽取滤波模块、第二抽取滤波模块和第三抽取滤波模块。
根据本发明所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述第一抽取滤波模块采取5级级联的方式，抽取倍数为100。
根据本发明所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述第二抽取滤波模块和所述第三抽取滤波模块均为1级，抽取倍数分别为2和4。
与现有技术相比，本发明具有下列有益技术效果：
根据本发明所述的基于超视距微波的探测系统，能够有效提取探测回波的距离信息和多普勒信息；幅度稳定性和相位稳定性较佳，同时信噪比较高，从而能够应用于实际的海洋探测系统，满足实际工程需要。
此外，本发明的探测系统计算复杂度较低，易于推广，具有较高实用价值。
附图说明
图1是根据本发明一个具体实施方式所述的基于超视距微波的探测系统的示意图。
图2是根据本发明一个具体实施方式所述的第一子系统示意图。
具体实施方式
下面，将结合具体的实施方式对本发明进行详细阐释。
首先，图1所示，提供了一种基于超视距微波的探测系统，所述系统包括天线、GPS模块、频率合成器、模拟接收机、数字接收机、系统同步控制器和主控PC；其中，
所述天线用于接收探测回波的射频信号；
所述GPS模块用于产生系统基准时钟；
所述频率合成器用于提供系统基准时钟并且为模拟接收机提供本振信号；
所述模拟接收机通过放大、混频和滤波操作将所述射频信号转化为中频信号；
所述数字接收机通过量化和基带解调操作对中频信号进行处理，并将其上传至所述主控PC机；
所述系统同步控制器用于控制整个系统的时序；
所述主控PC机用于配置系统参数、启动接收机和处理数据。
进一步地，所述模拟接收机的输入信号包括射频信号、中频信号和接收窗门控脉冲信号，所述接收窗门控脉冲信号用于打开或关闭模拟接收机。
进一步地，所述模拟接收机包括一级射频信号放大模块和二级中频信号放大模块。
其中，由于系统的芯片采用同源的系统基准时钟，因此，所述射频信号和所述本振信号具有固定的相位关系。
如图2所示，所述数字接收机和系统同步控制器集成于第一子系统中。
进一步地，所述第一子系统包括电平转换模块、模数转换模块、现场可编辑门阵列模块(PLD模块)和USB接口。
从图上可以看出，所述现场可编辑门阵列模块进一步包括系统同步控制模块和数字信号处理模块。
进一步地，所述数字信号处理模块包括数控震荡模块，用于产生两路正交混频信号。
产生正交混频信号的方法是本领域技术人员熟知的，包括但不限于，ROM查找表法和CORDIC法。
在一个具体的实施方式中，所述方法选自ROM查找表法。
进一步地，由于相位截断和幅度量化等因素的影响，导致产生较大的杂散信号，从而会对正交混频产生较大影响。为了抑制上述不利影响，有利地，采取随机码注入法添加随机抖动。
根据本发明所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述数字信号处理模块包括第一抽取滤波模块、第二抽取滤波模块和第三抽取滤波模块。
优选地，所述第一抽取滤波模块采用级联积分梳状滤波模块，并采取多级级联的方式，否则阻带衰减程度难满足实际需要。然而，本领域技术人员也清楚，如果级数太多，则平坦度较差，同样难以满足实际需要。
进一步地，所述第一抽取滤波模块需要提供足够的位宽防止溢出，相关公式如下：
BCIC＝Nlog2(ML)
其中，在上式中，N为所述第一抽取滤波模块的级数，M为延迟系数，赋值为2；L为所述第一抽取滤波模块的抽取倍数。
在一个具体的实施方式中，所述第一抽取滤波模块的级数为5，抽取倍数为100。
优选地，所述第二抽取滤波模块和第三抽取滤波模块分别采用半带抽取滤波模块和非递归型滤波模块。
有利地，所述半带抽取滤波模块和非递归型滤波模块采用相同的滤波模块结构，并且系数对称。这样可以减少一半的乘法器资源，提高探测系统的工作效率，并节省系统计算资源。
在一个具体的实施方式中，通过等波纹设计方法设计半带抽取滤波模块和非递归型滤波模块，并将二者的系数转化为十八位定点数；然后对上一级数据进行移位相加；进一步将移位相加结果与相对应系数相乘，最后将相乘结果截断16位后输出。
进一步地，所述第二抽取滤波模块和所述第三抽取滤波模块均为1级，抽取倍数分别为2和4。
在一个具体的实施方式中，数据采样率为40MHz，总的抽取倍数为800，最后输出采样率为50kHz；总共16个通道，包括I/Q两路信号。
作为系统同步控制模块，是协调整个探测系统的中枢机构，负责提供定时和控制信号。由于在实际应用环境中，本发明的探测系统用于分析处理海洋回波的相位信息。具体地，通过相干累加的方式，从而使得输出信噪比达到最大。这就要求射频信号和本振信号由相同的系统基准时钟产生，并具有固定的相位关系。
如图2所示，在一个具体的实施方式中，所述系统基准时钟为SYS_CLK。
为了验证本发明的基于超视距微波的探测系统，采用两种测试方法对其实际使用性能进行测试。
第一种测试方法是通过使发射信号延迟衰减后接入接收机系统从而模拟海洋回波的距离谱，以提取探测回波的距离谱信息。具体的测试条件如下：频率合成器的输出RF频率为322MHz，延迟3ms，并添加60dB的衰减输入到模拟接收机中，同时现场可编辑门阵列模块中混频信号的起始频率同样为322MHz，带宽均为618kHz，输出采样率为50kHz，每个周期各I/Q通道的输出点数为512。理论上距离谱出现在592km处，多普勒谱峰值出现在零频率。
通过对各通道的幅度变化进行分析，各通道的平均幅度变化小于0.03dB，相位变化小于0.4°。上述结果表明，探测系统的幅度稳定性和相位稳定性较高，均能满足海洋回波的实际探测需求。另一方面，由于本测试中不包含运动信息，探测系统最终给出的多普勒峰值确实出现在零频率，并且多普勒峰值的信号比可以达到120dB以上。
此外，探测回波距离谱的提取也较为准确，与理论值的偏差仅为13.2km。
这表明，本发明的探测系统能够有效提取探测回波的距离信息和多普勒信息。进一步地，即使考虑到实际应用环境中的海浪效应和海面遮蔽效应对电磁波损耗产生的影响，上述准确度也充分考虑了系统的设计冗余度，能够满足超视距探测的需求。
第二种测试方法是在第一种测试方法基础之上，在频率合成器的参数设置中，每个周期叠加5Hz的相位偏移，从而模拟海洋运动目标的运动信息。这样，在相应距离元上信号处理时，多普勒谱图5Hz的位置应当出现一个比较高的尖峰。此外，延迟时间修改为2ms，以验证探测回波的距离信息提取是否准确。
结果表明，探测系统最终给出的多普勒峰值确实出现在5Hz频率处，同时峰值多普勒峰的信噪比达到80dB以上。
此外，探测回波的距离信息提取为564.7km，表明距离信息提取同样准确。
上述情况表明，本发明的基于超视距微波的探测系统能够有效提取探测回波的距离信息和多普勒信息；幅度稳定性和相位稳定性较佳，同时信噪比较高，从而能够应用于实际的海洋探测系统，满足实际工程需要。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超视距微波的探测系统，所述系统包括天线、GPS模块、频率合成器、模拟接收机、数字接收机、系统同步控制器和主控PC；其中，
所述天线用于接收探测回波的射频信号；
所述GPS模块用于产生系统基准时钟；
所述频率合成器用于提供系统基准时钟并且为模拟接收机提供本振信号；
所述模拟接收机通过放大、混频和滤波操作将所述射频信号转化为中频信号；
所述数字接收机通过量化和基带解调操作对中频信号进行处理，并将其上传至所述主控PC机；
所述系统同步控制器用于控制整个系统的时序；
所述主控PC机用于配置系统参数、启动接收机和处理数据。
2.根据权利要求1所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述模拟接收机包括一级射频信号放大模块和二级中频信号放大模块。
3.根据权利要求1所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述射频信号和所述本振信号具有固定的相位关系。
4.根据权利要求1所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述数字接收机和系统同步控制器集成于第一子系统中。
5.根据权利要求4所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述第一子系统包括电平转换模块、模数转换模块、现场可编辑门阵列模块和USB接口。
6.根据权利要求5所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述现场可编辑门阵列模块进一步包括系统同步控制模块和数字信号处理模块。
7.根据权利要求5所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述数字信号处理模块包括数控震荡模块，用于产生两路正交混频信号。
8.根据权利要求5所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述数字信号处理模块包括第一抽取滤波模块、第二抽取滤波模块和第三抽取滤波模块。
9.根据权利要求5所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述第一抽取滤波模块采取5级级联的方式，抽取倍数为100。
10.根据权利要求5所述的基于超视距微波的探测系统，其中，所述第二抽取滤波模块和所述第三抽取滤波模块均为1级，抽取倍数分别为2和4。
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