CN113030872B - 适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法，应用于高低频激励波形交替产生装置，高低频激励波形交替产生装置包括时钟管理模块、参数解析模块、波形产生模块、数模转换芯片，所述方法包括：时钟管理模块产生时钟信号、相参处理间隔信号、导前信号；参数解析模块对接收到的工作参数进行解析，译码成波形产生模块需要的波形参数；波形产生模块产生线性调频信号的波形数据；数模转换芯片将波形数据转换为模拟线性调频信号，送至后续雷达微波系统，产生对应射频电磁波形；本发明的优点在于：实现在同一CPI内同时获取高频与低频的地表电磁回波信息，便于对火星次表层探测。

Description

适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法
技术领域
本发明涉及深空探测星载雷达收发处理系统领域，更具体涉及适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法。
背景技术
火星次表层探测雷达实现对火星的表面和内部结构的岩性、电磁参数及主要组成成份探测，其依据电磁波会穿过不同的电介质并在交界处形成反射波，通过检测反射波能对地面分层信息进行判断。低频段电磁波有利于穿透地表，探测较深的地层以及粗粒度的地层探测，而高频段电磁波有利于实现较高分辨率的地层探测和精确测量雷达到地表距离。
传统深空探测星载雷达的激励波形产生形式为在同一段相参处理间隔(CPI)中的每个导前(FR)周期内，采用同一个波形参数产生同一种频段的激励波形，雷达在单个CPI内仅能产生高频或者低频电磁波，因此无法在同一CPI内同时获取高频与低频的地表电磁回波信息。《雷达科学与技术》2017年12月第6期公开了文献《火星次表层探测雷达信号分析与处理》，表明探测火星地面以及地表之下的液态水或固态冰，是对火星探测活动最有意义的一项任务，基于任务实际，从火星探测任务的原理出发，分析了火星次表层探测雷达工作方式，对火星次表层探测雷达回波进行仿真分析，基于平台水平和垂直向的误差对成像结果的主副瓣水平的影响，对星上实时处理流程以及算法容许的平台误差进行了计算机仿真。但是其无法在同一CPI内同时获取高频与低频的地表电磁回波信息，不利于对火星次表层探测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术深空探测星载雷达的激励波形产生方法无法在同一CPI内同时获取高频与低频的地表电磁回波信息，不利于对火星次表层探测。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法，应用于高低频激励波形交替产生装置，高低频激励波形交替产生装置包括时钟管理模块、参数解析模块、波形产生模块、数模转换芯片，所述方法包括：
步骤1：时钟管理模块产生时钟信号、相参处理间隔信号、导前信号；
步骤2：根据所述时钟信号、相参处理间隔信号、导前信号，参数解析模块对接收到的工作参数进行解析，译码成波形产生模块需要的波形参数，并在每个相参处理间隔信号下降沿对波形参数进行更新，然后以导前信号下降沿为周期，交替将本次相参处理间隔信号周期内的高低频波形参数送至波形产生模块；
步骤3：根据所述的高低频波形参数，波形产生模块产生线性调频信号的波形数据；
步骤4：根据所述线性调频信号的波形数据，数模转换芯片将波形数据转换为模拟线性调频信号，送至后续雷达微波系统，产生对应射频电磁波形。
本发明在每个相参处理间隔信号下降沿对波形参数进行更新，然后以导前信号下降沿为周期，交替将本次相参处理间隔信号周期内的高低频波形参数送至波形产生模块，在同一相参处理间隔信号内同时获取高频与低频的地表电磁回波信息，利于对火星次表层探测。
进一步地，所述交替将本次相参处理间隔信号周期内的高低频波形参数送至波形产生模块，其中，高低频波形参数的比值为X:Y，X、Y均为预设常数值。
进一步地，所述交替将本次相参处理间隔信号周期内的高低频波形参数送至波形产生模块，其中，高低频波形参数送至波形产生模块的顺序为先高频波形参数后低频波形参数，或者先低频波形参数后高频波形参数。
进一步地，所述相参处理间隔信号与导前信号间隔数个或数十个时钟。
进一步地，所述参数解析模块包括串行通讯单元和参数译码单元，所述参数译码单元下分工作参数译码单元和波形参数译码单元，串行通讯单元接收时钟信号、相参处理间隔信号、导前信号进行解析和参数校验，并将校验后的结果输出至工作参数译码单元和波形参数译码单元，工作参数译码单元用于参数解析并得到M值、高频频率码、低频频率码、高频脉宽码、低频脉宽码；波形参数译码单元用于对码值译码并生成频率信息，即产生频率调谐字、频率步进调谐字、相位调谐字和脉宽字，发送给波形产生模块。
更进一步地，在波形参数译码单元前，先对高频或者低频码值选取，然后对选取的码值译码并生成频率信息。
更进一步地，在每个相参处理间隔信号的下降沿到来时，根据M值设置高低频指示标志位DDS_HL的初始值，当M值为00和01时，高低频指示标志位DDS_HL取值为0，当M值为10和11时，高低频指示标志位DDS_HL取值为1；
在每个导前信号的下降沿到来时，对高低频指示标志位DDS_HL进行取反并判断，当高低频指示标志位为0时，输出低频频率码和低频脉宽码，当高低频指示标志位为1时，输出高频频率码和高频脉宽码，波形参数译码单元最终输出相应频率调谐字、频率步进调谐字、相位调谐字和脉宽字至波形产生模块。
再进一步地，设定高低频切换计数值CNT_SW、权重系数K2以及权重系数K1，在每个导前信号的下降沿到来时，对高低频切换计数值CNT_SW累加，然后将高低频切换计数值CNT_SW分别与权重系数K2以及权重系数K1进行比较判断，通过控制权重系数K2与权重系数K1的数值来控制高低频波形参数的权重比，当高低频切换计数值CNT_SW等于权重系数K1时，高低频指示标志位DDS_HL产生一次翻转；当高低频切换计数值CNT_SW大于等于权重系数K2时，高低频指示标志位DDS_HL产生再次翻转，并将高低频切换计数值CNT_SW复位清零；当高低频切换计数值CNT_SW在其余计数值时，高低频指示标志位DDS_HL保持不变。
更进一步地，所述波形产生模块包括频率累加单元、相位累加单元、相位/幅度转换单元、DDS控制单元，在处理时钟的驱动下，频率累加单元用于对参数解析模块输入的频率调谐字和频率步进调谐字进行累加，频率累加值作为相位累加单元的输入；相位累加单元完成对输入的频率累加值和相位调谐字进行累加，累加结果输出到相位/幅度转换单元；相位/幅度转换单元根据频率累加值和相位调谐字的累加结果产生对应波形码值送至DDS控制单元，DDS控制单元再结合脉宽字产生DDS波形数据，DDS波形数据送至DAC芯片，最后完成模拟激励波形的产生。
再进一步地，所述频率调谐字、频率步进调谐字、相位调谐字和脉宽字的字长范围为16位～64位。
本发明的优点在于：
(1)本发明在每个相参处理间隔信号下降沿对波形参数进行更新，然后以导前信号下降沿为周期，交替将本次相参处理间隔信号周期内的高低频波形参数送至波形产生模块，在同一相参处理间隔信号内同时获取高频与低频的地表电磁回波信息，利于对火星次表层探测。
(2)本发明采用模块化设计，各模块为最小功能模块，通过模块间的参数传递，完成激励波形产生。
(3)本发明高频波形参数与低频波形参数的权重占比可调，高频波形参数与低频波形参数先后顺序可调，可灵活生成多种高低频配比的激励波形，利于雷达产生多种配比电磁波，完成对行星多种地层探测科学任务。
(4)本发明的相参处理间隔信号与导前信号间隔数个或数十个时钟，以确保完成波形参数更新动作，并在导前信号到达时取用正确参数。
(5)本发明在波形参数译码单元前，完成对高频或者低频码值选取，避免译码后再取用，可节省星载雷达上处理芯片的有限资源，提高执行效率，并降低电源功耗。
(6)本发明的波形产生模块采用的直接数字频率合成器(DDS)技术，输出的线性调频信号精度高、灵活性好。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法中高低频激励波形交替产生装置原理框图；
图2为本发明实施例所公开的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法中时钟管理模块组成架构框图；
图3为本发明实施例所公开的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法中CLK信号、CPI信号、FR信号时序关系图；
图4为本发明实施例所公开的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法中参数解析模块组成架构框图；
图5为本发明实施例所公开的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法中高低频权重比为1:1时的一种实施例流程图；
图6为本发明实施例所公开的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法中高低频指示标志位产生流程图；
图7为本发明实施例所公开的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法中产生高频波形参数或低频波形参数流程图；
图8为本发明实施例所公开的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法中波形产生模块组成架构框图；
图9为本发明实施例所公开的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法中DDS波形产生原理框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
参见图1，适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法，应用于高低频激励波形交替产生装置，高低频激励波形交替产生装置包括时钟管理模块、参数解析模块、波形产生模块、数模转换芯片，所述方法包括：
步骤1：时钟管理模块产生时钟(以下称CLK)信号、相参处理间隔(以下称CPI)信号、导前(以下称FR)信号；
步骤2：根据所述CLK信号、CPI信号、FR信号，参数解析模块对接收到的工作参数进行解析，译码成波形产生模块需要的波形参数，并在每个相参处理间隔信号下降沿对波形参数进行更新，然后以导前信号下降沿为周期，交替将本次相参处理间隔信号周期内的高低频波形参数送至波形产生模块；
步骤3：根据所述的高低频波形参数，波形产生模块产生线性调频信号的波形数据；
步骤4：根据所述线性调频信号的波形数据，数模转换芯片(DAC)将波形数据转换为模拟线性调频信号，送至后续雷达微波系统，产生对应射频电磁波形。
所述DAC型号为DAC5675A-SP；亦可采用其它型号DAC。
所述时钟管理模块、参数解析模块、波形产生模块均在现场可编程门阵列(FPGA)芯片中实现，该FPGA型号为XQR2V3000-4CG717V；亦可在多种型号多种处理器中进行实现。
所述交替将本次CPI周期内的高低频波形参数送至波形产生模块，所述交替并非限定为1:1，可以是高频参数与低频参数1:1、1:2、2:1、2:2等权重占比，或者X:Y，其中X、Y为可选权值，即高频与低频的权重占比为可调值，且高频与低频的先后顺序可调，可为先高频后低频，也可为先低频后高频。本实施例中，线性调频信号的频率范围包括低频10MHz～15MHz，15MHz～20MHz；高频30MHz～50MHz。高低频交替产生存在两种组合模式：1.低频10MHz～15MHz与高频30MHz～50MHz；2.低频15MHz～20MHz与高频30MHz～50MHz，实际工作中根据需求选择组合模式。
参见图2与图3，图2为时钟管理模块组成架构，包含时钟产生单元、CPI产生单元、FR产生单元。图3为产生的CLK信号、CPI信号、FR信号形成相应的时序关系。一个CPI信号周期内包含若干个FR信号，具体实施例可为500～1000个FR信号。参数解析模块只在每个CPI信号下降沿对波形参数进行更新，再以FR信号下降沿为周期，交替将本次CPI周期内的高低频波形参数送至波形产生模块。CPI信号与FR信号间隔数个或数十个时钟，本实施例可为1～100个时钟，以确保完成波形参数更新动作，并在FR信号到达时取用正确参数。
参见图4～图7，其中图4为参数解析模块组成架构，包含串行通讯单元、参数译码单元，参数译码单元下分工作参数译码单元和波形参数译码单元。串行通讯单元完成接收主控单机发送的控制参数也即收时钟信号、相参处理间隔信号、导前信号进行解析和参数校验，并将校验后的结果输出至参数译码单元。参数译码单元完成对控制参数进行译码，输出波形产生模块需要的工作参数，其中工作参数译码单元完成参数解析并得到M值、高频频率码、低频频率码、高频脉宽码、低频脉宽码。波形参数译码单元完成对码值译码并生成频率信息，即产生频率调谐字(FTW)、频率步进调谐字(DTW)、相位调谐字(PTW)和脉宽字(PW)，发送给波形产生模块以产生相应激励波形。其中，在波形参数译码单元前，先对高频或者低频码值选取，避免译码后再取用，可节省星载雷达上处理芯片的有限资源，提高执行效率，并降低电源功耗。
其中图5为高低频权重比1:1时的一种实施例流程图，在每个CPI信号的下降沿到来时，根据M值设置高低频指示标志位DDS_HL的初始值，当M值为00和01时，DDS_HL取值为0，当M值为10和11时，DDS_HL取值为1；在每个FR信号的下降沿到来时，对DDS_HL进行取反并判断，当标志位为0时，输出低频频率码和低频脉宽码，为1时，输出高频频率码和高频脉宽码，波形参数译码单元再最终输出相应FTW、DTW、PTW、PW至波形产生模块，通过控制输出的波形参数，来控制产生的激励波形。
其中图6、图7为高/低频权重比为任意值时的一种实施例流程图，包括了权重比为1:1时的实施例。图6为DDS_HL产生流程图，图7为根据DDS_HL产生高频参数或低频参数流程图。如图6，在每个CPI信号的下降沿到来时，根据M值设置DDS_HL初始值，当M值为00和01时，DDS_HL取值为0，当M值为10和11时，DDS_HL取值为1；在每个FR信号的下降沿到来时，对高低频切换计数值CNT_SW累加，然后将CNT_SW分别与K1和K2进行比较判断，其中K2大于K1，通过控制K2与K1的数值来控制高/低频权重比。当CNT_SW等于K1时，DDS_HL产生一次翻转；当CNT_SW大于等于K2时，DDS_HL产生再次翻转，并将CNT_SW复位清零；当CNT_SW在其余计数值时，DDS_HL保持不变。图7，在每个FR信号的下降沿到来时，对DDS_HL进行判断，当为0时输出低频频率码和低频脉宽码，当为1时输出高频频率码和高频脉宽码，波形参数译码单元再根据各自码值最终输出相应FTW、DTW、PTW、PW至波形产生模块，通过控制输出的波形参数，来控制产生的激励波形。
参见图8与图9，图8为波形产生模块组成架构，包含频率累加单元、相位累加单元、相位/幅度转换单元、DDS控制单元。图9为DDS波形产生原理框图。在处理时钟的驱动下，频率累加单元完成对模块输入的FTW和DTW进行累加，累加值作为相位累加单元的输入。相位累加单元完成对输入的频率累加值和PTW进行累加，累加结果输出到相位/幅度转换单元。相位/幅度转换单元根据频率累加值和PTW的累加结果产生对应波形码值送至DDS控制单元，DDS控制单元再结合PW产生DDS波形数据。DDS波形数据送至DAC芯片，最后完成模拟激励波形的产生。本实施中的FTW、DTW、PTW、PW字长可为16位、32位，范围为16位～64位。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法，应用于高低频激励波形交替产生装置，其特征在于，高低频激励波形交替产生装置包括时钟管理模块、参数解析模块、波形产生模块、数模转换芯片，所述方法包括：
步骤1：时钟管理模块产生时钟信号、相参处理间隔信号、导前信号；
步骤2：根据所述时钟信号、相参处理间隔信号、导前信号，参数解析模块对接收到的工作参数进行解析，译码成波形产生模块需要的波形参数，并在每个相参处理间隔信号下降沿对波形参数进行更新，然后以导前信号下降沿为周期，交替将本次相参处理间隔信号周期内的高低频波形参数送至波形产生模块；
步骤3：根据所述的高低频波形参数，波形产生模块产生线性调频信号的波形数据；
步骤4：根据所述线性调频信号的波形数据，数模转换芯片将波形数据转换为模拟线性调频信号，送至后续雷达微波系统，产生对应射频电磁波形。
2.根据权利要求1所述的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法，其特征在于，所述交替将本次相参处理间隔信号周期内的高低频波形参数送至波形产生模块，其中，高低频波形参数的比值为X:Y，X、Y均为预设常数值。
3.根据权利要求1所述的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法，其特征在于，所述交替将本次相参处理间隔信号周期内的高低频波形参数送至波形产生模块，其中，高低频波形参数送至波形产生模块的顺序为先高频波形参数后低频波形参数，或者先低频波形参数后高频波形参数。
4.根据权利要求1所述的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法，其特征在于，所述相参处理间隔信号与导前信号间隔数个或数十个时钟。
5.根据权利要求1所述的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法，其特征在于，所述参数解析模块包括串行通讯单元和参数译码单元，所述参数译码单元下分工作参数译码单元和波形参数译码单元，串行通讯单元接收时钟信号、相参处理间隔信号、导前信号进行解析和参数校验，并将校验后的结果输出至工作参数译码单元和波形参数译码单元，工作参数译码单元用于参数解析并得到M值、高频频率码、低频频率码、高频脉宽码、低频脉宽码；波形参数译码单元用于对码值译码并生成频率信息，即产生频率调谐字、频率步进调谐字、相位调谐字和脉宽字，发送给波形产生模块。
6.根据权利要求5所述的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法，其特征在于，在波形参数译码单元前，先对高频或者低频码值选取，然后对选取的码值译码并生成频率信息。
7.根据权利要求5所述的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法，其特征在于，在每个相参处理间隔信号的下降沿到来时，根据M值设置高低频指示标志位DDS_HL的初始值，当M值为00和01时，高低频指示标志位DDS_HL取值为0，当M值为10和11时，高低频指示标志位DDS_HL取值为1；
在每个导前信号的下降沿到来时，对高低频指示标志位DDS_HL进行取反并判断，当高低频指示标志位为0时，输出低频频率码和低频脉宽码，当高低频指示标志位为1时，输出高频频率码和高频脉宽码，波形参数译码单元最终输出相应频率调谐字、频率步进调谐字、相位调谐字和脉宽字至波形产生模块。
8.根据权利要求7所述的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法，其特征在于，设定高低频切换计数值CNT_SW、权重系数K2以及权重系数K1，在每个导前信号的下降沿到来时，对高低频切换计数值CNT_SW累加，然后将高低频切换计数值CNT_SW分别与权重系数K2以及权重系数K1进行比较判断，通过控制权重系数K2与权重系数K1的数值来控制高低频波形参数的权重比，当高低频切换计数值CNT_SW等于权重系数K1时，高低频指示标志位DDS_HL产生一次翻转；当高低频切换计数值CNT_SW大于等于权重系数K2时，高低频指示标志位DDS_HL产生再次翻转，并将高低频切换计数值CNT_SW复位清零；当高低频切换计数值CNT_SW在其余计数值时，高低频指示标志位DDS_HL保持不变。
9.根据权利要求5所述的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法，其特征在于，所述波形产生模块包括频率累加单元、相位累加单元、相位/幅度转换单元、DDS控制单元，在处理时钟的驱动下，频率累加单元用于对参数解析模块输入的频率调谐字和频率步进调谐字进行累加，频率累加值作为相位累加单元的输入；相位累加单元完成对输入的频率累加值和相位调谐字进行累加，累加结果输出到相位/幅度转换单元；相位/幅度转换单元根据频率累加值和相位调谐字的累加结果产生对应波形码值送至DDS控制单元，DDS控制单元再结合脉宽字产生DDS波形数据，DDS波形数据送至DAC芯片，最后完成模拟激励波形的产生。
10.根据权利要求9所述的适用火星次表层探测雷达的高低频激励波形交替产生方法，其特征在于，所述频率调谐字、频率步进调谐字、相位调谐字和脉宽字的字长范围为16位～64位。
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