CN110243436B - 一种用于雷达物位计的近距离干扰信号消除系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于雷达物位计的近距离干扰信号消除系统，涉及雷达物位计领域，包括雷达前端设备和处理设备；雷达前端设备包括天线、发射链路和接收链路；发射链路包括锁相环、压控振荡器、第一定向耦合器、功率放大器、环形器；接收链路包括检波模块、干扰对消模块、第二定向耦合器、低噪声放大器、第一混频器、带通滤波器、运算放大器；处理设备包括处理器、频率控制检测模块、第一模数转换器、显示接口、通信协议栈。解决了调频连续波雷达物位计中接收链路容易受到阻塞干扰而无法使用低噪声放大器的问题，提高了接收链路的噪声系数、小信号信噪比以及接收灵敏度。

Description

一种用于雷达物位计的近距离干扰信号消除系统

技术领域

本发明涉及雷达物位计领域，尤其是一种用于雷达物位计的近距离干扰信号消除系统。

背景技术

雷达物位计在工业生产过程中对确保产品质量、经济效益和安全性发挥着重要作用，目前物位测量远离主要有脉冲式（TDR）和调频连续波（FMCW）两种。脉冲雷达物位计利用脉冲时间差测量物位距离，但在液面波动或泡沫粉尘环境下容易造成没有回波信号的情况，精度较低；调频连续波物位计利用调频连续波的频率差信息进行物位测量，能够降低对反射信号幅度的要求，提高测量精度和可靠性。

调频连续波雷达物位计的收发单元必须同时工作，提高了测量精度和可靠性的同时，存在接收信号处理单元会收到发射信号的影响的问题。

发明内容

本发明针对上述问题及技术需求，提出了一种用于雷达物位计的近距离干扰信号消除系统。

本发明的技术方案如下：

一种用于雷达物位计的近距离干扰信号消除系统，包括：雷达前端设备和处理设备；

所述雷达前端设备包括天线、发射链路和接收链路；所述发射链路包括锁相环、压控振荡器、第一定向耦合器、功率放大器、环形器；所述接收链路包括检波模块、干扰对消模块、第二定向耦合器、低噪声放大器、第一混频器、带通滤波器、运算放大器；在所述发射链路中，所述锁相环控制所述压控振荡器输出频率调制的本振信号给所述第一定向耦合器，所述第一定向耦合器耦合出一部分信号能量给所述接收链路的所述第一混频器和所述干扰对消模块使用，剩余的信号能量输入所述功率放大器，放大后的信号通过所述环形器输出给所述天线进行信号发射；在所述接收链路中，从所述天线接收到的接收信号通过所述环形器输入到所述检波模块进行目标信号和干扰信号的能量检测，所述干扰对消模块输出干扰对消信号至所述第二定向耦合器，所述接收信号通过所述第二定向耦合器与干扰对消信号进行混合，消除干扰信号后输入所述低噪声放大器进行放大，放大后的信号与本振信号一起进入所述第一混频器进行下变频，完成下变频后的中频信号通过所述带通滤波器进行滤波，通过所述运算放大器进行信号放大；

所述处理设备包括处理器、频率控制检测模块、第一模数转换器、显示接口、通信协议栈；所述处理器分别与所述频率控制检测模块、所述第一模数转换器、所述显示接口、所述通信协议栈连接，所述显示接口用于提供连接LCD屏幕的接口，所述通信协议栈用于提供连接物理层设备的外部接口；所述频率控制检测模块与所述锁相环连接；所述运算放大器输出的信号经过所述第一模数转换器输出至所述处理器进行处理；所述处理设备分别与所述检波模块和所述干扰对消模块连接。

其进一步的技术方案为：所述检波模块包括检波器、检波二极管、第二混频器和第二模数转换器；所述检波器由微带线平行线耦合器构成，耦合度设置在-10dB~-20dB之间；所述检波器耦合两路信号，一路直接输入所述检波二极管进行包络检波，输出检波电压反馈给所述处理设备计算干扰信号的能量信息，另一路输入至所述第二混频器，下变频为中频信号后，所述第二模数转换器通过FFT得到干扰信号的频率信息和相位信息。

其进一步的技术方案为：所述干扰对消模块包括多普勒延迟器、增益调节器和移相器；

从所述本振信号耦合出的一部分信号能量经过所述多普勒延迟器进行频率调整，所述增益调节器对干扰对消信号进行增益调节，使得所述干扰对消信号和干扰信号的功率值一致，所述移相器对相位信息进行调整。

其进一步的技术方案为：所述第二定向耦合器为180°反向耦合器；所述180°反向耦合器由微带线分支线定向耦合器构成。

其进一步的技术方案为：所述检波模块和所述干扰对消模块自动周期性运行或受控运行。

本发明的有益技术效果是：

通过检波模块得到干扰信号的幅度、频率、相位信息，通过干扰对消模块从发射信号，即本振信号耦合并创造出一路干扰对消信号，使得干扰信号与干扰对消信号在幅度、频率上完全一致，相位180°相反，利用矢量信号合成的理论和方法，使两路信号完全抵消。解决了调频连续波雷达物位计FMCW中接收链路容易受到阻塞干扰而无法使用低噪声放大器的问题，从而提高了接收链路的噪声系数NF水平、小信号信噪比SNR以及接收灵敏度，使得调频连续波雷达物位计在不增加发射功率、不增大天线增益的前提下能够测量的距离更远，且由于改善了小信号特性，能够对更低介电常数的物体和液体进行直接测量，增加了同型号雷达物位计的应用范围，降低了应用条件。

附图说明

图1是本申请一个实施例提供的用于雷达物位计的近距离干扰信号消除系统的结构示意图。

图2是本申请一个实施例提供的检波模块的示意图。

图3是本申请一个实施例提供的干扰对消模块的示意图。

图4是本申请一个实施例提供的180°反向耦合器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

传统的调频连续波雷达物位计为了解决接收信号处理单元会收到发射信号的影响的问题，对射频、中频链路设计上做了折中处理，通常会取消低噪声放大器(LNA)，转而在中频、数字部分进行滤波处理，但是这样会造成接收链路噪声系数NF、接收信噪比SNR以及接收灵敏度的恶化，缩短探测距离，降低测量精度。

针对于此，本申请提出了一种用于雷达物位计的近距离干扰信号消除系统，解决了低噪声放大器LNA与接收链路被大幅度干扰信号所阻塞之间的矛盾，在解决掉阻塞干扰问题的同时，保留了低噪声放大器，改善调频连续波雷达物位计的探测距离并进一步提升测量精度。图1是本申请一个实施例提供的用于雷达物位计的近距离干扰信号消除系统的结构示意图，如图1所示，该系统包括雷达前端设备和处理设备。

雷达前端设备包括天线1、发射链路和接收链路；发射链路包括锁相环2、压控振荡器3、第一定向耦合器4、功率放大器5、环形器6；接收链路包括检波模块7、干扰对消模块8、第二定向耦合器9、低噪声放大器10、第一混频器11、带通滤波器12、运算放大器13；在发射链路中，锁相环2控制压控振荡器3输出频率调制的本振信号给第一定向耦合器4，第一定向耦合器4耦合出一部分信号能量给接收链路的第一混频器11和干扰对消模块8使用，剩余的信号能量输入功率放大器5，放大后的信号通过环形器6输出给天线1进行信号发射；在接收链路中，从天线1接收到的接收信号通过环形器6输入到检波模块7进行目标信号和干扰信号的能量检测，干扰对消模块8输出干扰对消信号至第二定向耦合器9，接收信号通过第二定向耦合器9与干扰对消信号进行混合，消除干扰信号后输入低噪声放大器10进行放大，放大后的信号与本振信号一起进入第一混频器11进行下变频，完成下变频后的中频信号通过带通滤波器12进行滤波，通过运算放大器13进行信号放大。

处理设备包括处理器14、频率控制检测模块15、第一模数转换器16、显示接口17、通信协议栈18；处理器14分别与频率控制检测模块15、第一模数转换器16、显示接口17、通信协议栈18连接，显示接口17用于提供连接LCD屏幕19的接口，通信协议栈18用于提供连接物理层设备20的外部接口；频率控制检测模块15与锁相环2连接；运算放大器13输出的信号经过第一模数转换器16输出至处理器14进行处理；处理设备分别与检波模块7和干扰对消模块8连接。

集控制和信号处理于一体的处理设备、检波模块7和干扰对消模块8组成了干扰信号强度检测及对消模块。

检波模块7位于接收链路的最前级，用于检测接收信号中是否存在阻塞性干扰信号，负责提取干扰信号的幅度、频率、相位信息。

可选的，结合参考图2，检波模块7包括检波器21、检波二极管22、第二混频器23和第二模数转换器24；检波器21由微带线平行线耦合器构成，耦合度设置在-10dB~-20dB之间，在提取足够能量用于检波的同时，对接收链路的功率没有太大影响；检波器21耦合两路信号，一路直接输入检波二极管22进行包络检波，输出检波电压反馈给处理设备计算干扰信号的能量信息，另一路输入至第二混频器23，下变频为中频信号后，第二模数转换器24通过FFT得到干扰信号的频率信息和相位信息。

示例性的，结合参考图2，图中端口a用于连接环形器6，端口b用于连接第二定向耦合器9，端口c用于连接处理器14，端口d用于连接第一定向耦合器4与第一混频器11连接的一端。

检波模块7会先于中频信号处理单元工作，对接收信号进行幅度信息的检测，判断幅度是否超过接收链路阻塞门限，若没有超过阻塞门限，则中频信号处理单元开始正常工作，完成物位目标信息的提取工作，若接收信号幅度超过接收链路阻塞门限，则触发干扰对消模块8工作。

由于距离近，近距离干扰信号通常有两个特点：干扰信号功率大，多普勒频移比较小。因此检测模块7主要通过功率检测、频率检测来判断干扰信号。检波模块7和干扰对消模块8都与处理设备连接，可以有处理设备分别进行信号判断和控制。

可选的，结合参考图3，干扰对消模块8包括多普勒延迟器25、增益调节器26和移相器27。从本振信号耦合出的一部分信号能量经过多普勒延迟器25进行频率调整，增益调节器26对干扰对消信号进行增益调节，使得干扰对消信号和干扰信号的功率值一致，移相器27对相位信息进行调整。

示例性的，图3中的端口e用于连接第一定向耦合器4，端口f用于连接第二定向耦合器9。

得到干扰信号的幅度、频率、相位信息后，干扰对消模块8根据上述信息生成干扰对消信号。干扰对消模块8由发射信号（即本振信号）耦合出一部分能量进行干扰对消信号的生成，先经过多普勒延迟器25进行频率调整，多普勒延迟器25主要由高介电常数材质制成，可以有效替代空间传播，在有限的CPB面积内模拟干扰信号经过空间传播后造成的多普勒频移，使得干扰对消信号与干扰信号的多普勒频移能够一致，频率一致后有利于更好地进行信号能量的对消。完成多普勒频移后，再经过增益调节器26对从发射链路耦合出来的干扰对消信号进行增益调节，使其功率值与干扰信号保持一致，最后经过移相器27微调相位信息。

干扰对消模块8自动或受控识别出干扰信号，利用射频对消的原理，将干扰信号的幅值有效降低，解决接收链路被干扰信号阻塞瘫痪的问题，同时提高有用信息的解调信噪比SNR。

可选的，结合参考图4，第二定向耦合器9为180°反向耦合器；180°反向耦合器由微带线分支线定向耦合器构成。

在实际应用中，第一定向耦合器4和第二定向耦合器9均为图4中的结构，对于第一定向耦合器4，端口p用于连接功率放大器5，端口q用于连接干扰对消模块8的e端口，端口r用于连接第一混频器44，端口s用于连接压控振荡器3；对于第二定向耦合器9，端口q用于连接检波器7的端口b，端口r用于连接低噪声放大器10，端口s用于连接干扰对消模块8的端口f。

利用从检波模块7获取到干扰信号的幅值、频率、相位信息后，干扰对消模块8将会从发射链路耦合出一路干扰对消信号，参考干扰信号的幅值、频率、相位信息，干扰对消信号先进行幅度控制、多普勒频移以及移相调整后，再经过180°反向耦合器输入接收链路，此时干扰对消信号和干扰信号在幅值上相等、频率上相同、相位反转180°，根据矢量合成原理，两个信号叠加对消。

干扰对消信号生成后，经由180°反向耦合器送入接收链路，在输入低噪声放大器LNA之前，完成与干扰信号之间的对消工作。处于系统末级的处理设备将负责对消结果的检验及判定，并可以根据对消结果，动态调整干扰对消模块8中的多普勒延迟器25、增益调节器26和移相器27，优化对消结果。其中180°反向耦合器由于设计或加工工艺的偏差问题，在宽带频率范围内，其相位反转无法达到准确的180°，这样会影响对消的效果，可以由系统末级的处理设备根据对消处理结果调整干扰对消模块8中的移相器27，对180°反向结果进行补偿调整。

可选的，检波模块7和干扰对消模块8自动周期性运行或受控运行。经过检波模块7、干扰对消模块8与处理设备的配合，可以有效降低由发射泄漏、近距离目标反射所造成的干扰信号幅值，解决接收链路增加低噪声放大器后容易产生阻塞瘫痪问题，改善接收信噪比，提高灵敏度，增加测量距离，提高测量精度。

以上所述的仅是本发明的优先实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于雷达物位计的近距离干扰信号消除系统，其特征在于，包括：雷达前端设备和处理设备；

所述雷达前端设备包括天线、发射链路和接收链路；所述发射链路包括锁相环、压控振荡器、第一定向耦合器、功率放大器、环形器；所述接收链路包括检波模块、干扰对消模块、第二定向耦合器、低噪声放大器、第一混频器、带通滤波器、运算放大器；在所述发射链路中，所述锁相环控制所述压控振荡器输出频率调制的本振信号给所述第一定向耦合器，所述第一定向耦合器耦合出一部分信号能量给所述接收链路的所述第一混频器和所述干扰对消模块使用，剩余的信号能量输入所述功率放大器，放大后的信号通过所述环形器输出给所述天线进行信号发射；在所述接收链路中，从所述天线接收到的接收信号通过所述环形器输入到所述检波模块进行目标信号和干扰信号的能量检测，所述干扰对消模块输出干扰对消信号至所述第二定向耦合器，所述接收信号通过所述第二定向耦合器与干扰对消信号进行混合，消除干扰信号后输入所述低噪声放大器进行放大，放大后的信号与本振信号一起进入所述第一混频器进行下变频，完成下变频后的中频信号通过所述带通滤波器进行滤波，通过所述运算放大器进行信号放大；

所述处理设备包括处理器、频率控制检测模块、第一模数转换器、显示接口、通信协议栈；所述处理器分别与所述频率控制检测模块、所述第一模数转换器、所述显示接口、所述通信协议栈连接，所述显示接口用于提供连接LCD屏幕的接口，所述通信协议栈用于提供连接物理层设备的外部接口；所述频率控制检测模块与所述锁相环连接；所述运算放大器输出的信号经过所述第一模数转换器输出至所述处理器进行处理；所述处理设备分别与所述检波模块和所述干扰对消模块连接。

2.根据权利要求1所述的用于雷达物位计的近距离干扰信号消除系统，其特征在于，所述检波模块包括检波器、检波二极管、第二混频器和第二模数转换器；所述检波器由微带线平行线耦合器构成，耦合度设置在-10dB~-20dB之间；所述检波器耦合两路信号，一路直接输入所述检波二极管进行包络检波，输出检波电压反馈给所述处理设备计算干扰信号的能量信息，另一路输入至所述第二混频器，下变频为中频信号后，所述第二模数转换器通过FFT得到干扰信号的频率信息和相位信息。

3.根据权利要求1所述的用于雷达物位计的近距离干扰信号消除系统，其特征在于，所述干扰对消模块包括多普勒延迟器、增益调节器和移相器；

从所述本振信号耦合出的一部分信号能量经过所述多普勒延迟器进行频率调整，所述增益调节器对干扰对消信号进行增益调节，使得所述干扰对消信号和干扰信号的功率值一致，所述移相器对相位信息进行调整。

4.根据权利要求1所述的用于雷达物位计的近距离干扰信号消除系统，其特征在于，所述第二定向耦合器为180°反向耦合器；所述180°反向耦合器由微带线分支线定向耦合器构成。

5.根据权利要求1至4任一所述的用于雷达物位计的近距离干扰信号消除系统，其特征在于，所述检波模块和所述干扰对消模块自动周期性运行或受控运行。

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