CN113504512A - 一种ism频段的主动式无人监督小型化安防雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达，涉及雷达领域，它包括基带信号处理模块、多通道发射链路、多通道接收链路；基带信号处理模块用于完成发射调制信号数据生成以及接收数据的采集；多通道发射链路用于将调频信号功分呈多路放大输出，最后通过外置驱动放大器将信号进一步放大后通过发射阵列天线将信号辐射出去；多通道接收链路用于将接收的回波信号进行放大以及差分信号转换得到差分信号后进行混频，输出多路低频IQ信号再经过SFC电路对信号进行动态范围调整后输入到所述基带信号处理模块。本发明采用多级运放组成，增加了近端低频信号抑制，保证了低频段具有高陡降系数，有效扩展了接收机动态范围。

Description

一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达。

背景技术

随着集成电路和软件无线电的发展，雷达在安防系统中的运用越来越广泛，其应用包括桥梁防撞、景区以及公共场所安全监控、道路车辆监控等。传统视频安防技术以及红外安防技术存在特殊环境条件下（包括雨、雪、雾、雾霾以及黑夜和沙尘暴）的有效性和可靠性大打折扣，效率低下无法正常工作等缺陷；因此，如何实现安防雷达的全天候、全天时、低功耗、无盲区、抗干扰能力强和作用距离远的主动式小型化，是现阶段需要考虑的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达，解决了现有安防雷达存在的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达，它包括基带信号处理模块、多通道发射链路、多通道接收链路、发射阵列天线和接收阵列天线；所述基带信号处理模块与所述多通道发射链路和多通道接收链路连接，用于完成发射调制信号数据生成以及接收数据的采集，同时完成对内部集成器件的配置和控制，生成接收需要的多路本振信号；所述多通道发射链路与所述发射阵列天线连接，用于通过所述基带信号处理模块控制内部器件产生一个线性调频信号，将调频信号功分呈多路放大输出，最后通过外置驱动放大器将信号进一步放大后通过发射阵列天线将信号辐射出去；所述多通道接收链路与所述接收阵列天线连接，用于将接收的回波信号进行放大以及差分信号转换得到差分信号后进行混频，输出多路低频IQ信号再经过SFC电路对信号进行动态范围调整后输入到所述基带信号处理模块，其中，SFC电路是灵敏度频率控制电路。

所述多通道发射链路包括R分频器、鉴相器、N分频器、斜坡数据发生器、电荷泵、二分频器、VCO和VCO校准器；所述基带信号处理模块输出参考信号到所述R分频器，输出发射调制信号到所述斜坡数据发生器；所述R分频器、鉴相器、电荷泵依次连接，所述斜坡数据发生器、N分频器和鉴相器依次连接；所述VCO校准器与VCO连接，VCO的输出端与二分频器连接，二分频器的输出端与N分频器连接；所述VCO连接多路发射通道，每路发射通道连接所述发射阵列天线。

所述多通道发射链路还包括环路滤波器LPF，所述电荷泵的输出端与所述环路滤波器LPF连接，环路滤波器LPF的输出端与所述VCO连接；每路发射通道包括依次串联放大器和驱动放大器，驱动放大器与所述发射阵列天线连接。

所述多通道接收链路包括多路接收通道，每路接收通道包括依次连接的低噪声放大器、双平衡巴伦、差分放大器、混频器、SFC电路和IQ输出电路；所述接收阵列天线的输出端与所述低噪声放大器连接，所述IQ输出端与所述基带信号处理模块连接；接收阵列天线接收到回波信号后，首先经过外置低噪声放大器放大，保证低噪声系数，然后放大信号经过双平衡巴伦完成单端到差分信号转换，输出信号为两路幅度一致，相位相差180°的差分信号，差分信号经过差分放大器后进入混频器，通过与差分本振信号混频后，经过SFC电路和IQ电路对信号动态范围调整后输出两路低频IQ信号，进入基带信号处理模块进行采样处理。

所述多通道接收链路还包括一差分放大器，所述VCO通过第一放大器和第一双平衡巴伦将本振信号输入到所述差分放大器，所述差分放大器的输出端分别与多路接收通道中的混频器连接，保证接收和发射的同源与相参。

所述SFC电路包括第一转换巴伦、多级巴特沃斯低通滤波器和高通滤波器，所述混频器与所述第一转换巴伦，第一转换巴伦与所述巴特沃斯低通滤波器连接，巴特沃斯低通滤波器的输出端与所述高通滤波器的输入端连接，巴特沃斯低通滤波器完成对近端拍频信号的抑制，保证近端大信号输入电路时，整个电路始终工作在线性区；高通滤波器的输出端与所述IQ电路的输入端连接，高通滤波器完成对高频信号的抑制和对需要信号的放大。

所述多级巴特沃斯低通滤波器包括串联的第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器和第二运算放大器的负输入端通过一电阻接地，输出通过一电阻与负输入端连接；所述高通滤波器包括串联的第三运算放大器和第四运算放大器；所述第三运算放大器和第四运算放大器的负输入端分别通过一电阻与正输入端和输出端连接。

所述IQ电路包括第二转换巴伦、第二差分放大器和差分滤波器；所述高通滤波器的输出端与所述第二转换巴伦连接，所述第二转换巴伦的输出端与所述第二差分放大器连接，所述第二差分放大器的输出端与所述差分滤波器连接，实现对杂散信号的抑制保证信号频谱纯度；所述差分滤波器与所述基带信号处理模块连接。

本发明具有以下优点：一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达，极大的扩展了产品使用范围，具有较强的实用性。具体工作频率为24~24.25GHz，具有毫米波的特性，包括精度高、抗干扰能力强、带宽宽等优势。通过采用高集成度多通道MMIC多功能收发芯片ADF5902和ADF5904，使设备体积做到小型化、低功耗和高可靠性。采用多级运放组成，增加了近端低频信号抑制，保证了低频段具有高陡降系数，有效扩展了接收机动态范围。另外采用宽带运放，增加了系统带宽。采用巴特沃斯滤波器原型保证了通带内信号的平坦度。

附图说明

图1 为本发明的原理示意图；

图2 为本发明SFC电路的示意图；

图3 为本发明IQ电路的示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达，它包括基带信号处理模块、多通道发射链路、多通道接收链路、发射阵列天线和接收阵列天线；所述基带信号处理模块与所述多通道发射链路和多通道接收链路连接，用于完成发射调制信号数据生成以及接收数据的采集，同时完成对内部集成器件的配置和控制，生成接收需要的多路本振信号；所述多通道发射链路与所述发射阵列天线连接，用于通过所述基带信号处理模块控制内部器件产生一个线性调频信号，将调频信号功分呈多路放大输出，最后通过外置驱动放大器将信号进一步放大后通过发射阵列天线将信号辐射出去；所述多通道接收链路与所述接收阵列天线连接，用于将接收的回波信号进行放大以及差分信号转换得到差分信号后进行混频，输出多路低频IQ信号再经过SFC电路对信号进行动态范围调整后输入到所述基带信号处理模块，其中，SFC电路是灵敏度频率控制电路。

进一步地，基带信号处理部分包括FPGA、DSP、晶振、DC供电电源、FLASH存储、DDR3、配置ROM以及通信接口等组成。其中FPGA完成发射调制信号数据生成以及接收四路IQ数据采集等工作，同时完成对多功能芯片ADF5902以及ADF5904芯片SPI配置和通信，对链路温度传感器数据进行采集，实时监控通道工作温度情况。FPAG负责对集成的锁相环（PLL）进行参数配置和控制，生成接收需要的四路本振信号。DSP完成整机设备的MIMO算法实现以及与FPGA的高速数据交互。配置ROM完成系统MCU的程序配置和存储，DDR3和FLASH完成MIMO算法的大数据存储，晶振负责给整个系统提供相参时钟信号。

ADF5902以及ADF5904芯片为MMIC芯片，作用是完成多通道收发功能，ADF5902芯片即为多通道发射链路，其中环路滤波器LPF和驱动放大器为芯片外置器件电路，ADF5904即为多通道接收链路，其中低噪声放大器、IQ电路、转换巴伦、SFC电路、差分放大器和差分滤波器为芯片外置器件电路。其中，锁相环集成在了MMIC芯片里面，由图1中片内的R分频器、鉴相器、N分频器、电荷泵、VCO以及2分频器等以及片外的环路滤波器LPF组成。

进一步地，多通道发射链路包括R分频器、鉴相器、N分频器、斜坡数据发生器、电荷泵、二分频器、VCO（压控振荡器）和VCO校准器；所述基带信号处理模块输出参考信号到所述R分频器，输出发射调制信号到所述斜坡数据发生器；所述R分频器、鉴相器、电荷泵依次连接，所述斜坡数据发生器、N分频器和鉴相器依次连接；所述VCO校准器与VCO连接，VCO的输出端与二分频器连接，二分频器的输出端与N分频器连接；所述VCO连接多路发射通道，每路发射通道连接所述发射阵列天线。

还包括环路滤波器LPF，所述电荷泵的输出端与所述环路滤波器LPF连接，环路滤波器LPF的输出端与所述VCO连接；每路发射通道包括依次串联放大器和驱动放大器，驱动放大器与所述发射阵列天线连接。

进一步地，多通道接收链路包括多路接收通道，每路接收通道包括依次连接的低噪声放大器、双平衡巴伦、差分放大器、混频器、SFC电路和IQ输出电路；所述接收阵列天线的输出端与所述低噪声放大器连接，所述IQ输出端与所述基带信号处理模块连接；接收阵列天线接收到回波信号后，首先经过外置低噪声放大器放大，保证低噪声系数，然后放大信号经过双平衡巴伦完成单端到差分信号转换，输出信号为两路幅度一致，相位相差180°的差分信号，差分信号经过差分放大器后进入混频器，通过与差分本振信号混频后，经过SFC电路和IQ电路对信号动态范围调整后输出两路低频IQ信号，进入基带信号处理模块进行采样处理。

所述多通道接收链路还包括一差分放大器，所述VCO通过第一放大器和第一双平衡巴伦将本振信号输入到所述差分放大器，所述差分放大器的输出端分别与多路接收通道中的混频器连接，保证接收和发射的同源与相参（即为整个系统参考时钟来自同一个基准源，保证信号相位具有相干性）。同时有效节省了电路成本和缩小了体积，最大限度优化了链路设计。同时在发射系统引入VCO校准器，有效解决了由于温漂引起的频率变化，提高了系统的频率精度和测量精度。

调频连续波雷达面临压缩动态范围的问题，当雷达回波信号强度随目标距离的增加而衰减，近距离目标的拍频信号强度比远距离目标的信号大的多。近距离的强反射可能使接收机饱和或近距离目标的谱旁瓣将远距离目标的谱主瓣淹没。拍频信号的动态范围很大，超过信号处理能处理的动态范围。调频连续波雷达的近距离强回波除了干扰目标的观察和检测，还会使中频电路过载，中频过载引起的交调会产生多个虚假目标，增加雷达的虚警率。因而，在连续波雷达中对近距离强回波进行压制对保证探测性能显得尤为重要。

调频连续波雷达的近距离回波处于拍频中频的低端，远距离回波位于拍频信号中频的高端，所以要压缩信号的动态，必须压低拍频信号中频低频段的增益，同时保证在高频段有足够的增益放大小信号，即实现所谓的灵敏度频率控制（SFC）。其处理的频率特性须按特性设计，在近距离的目标对应的低频上提供大的衰减，而在远距离目标对应的高频上提供较小的衰减。通过动态压缩，滤除一些近端的大信号，将动态范围压缩，以满足信号处理的处理能力。为了取得较好的效果，本发明将SFC电路应放在紧接混频器之后的位置，非常近距离的超大目标回波信号的抑制通过交流耦合电路实现。SFC电路的频率响应曲线应随频率增加而上升，其上升斜率在每倍频程+6dB～+12dB之间，本发明按照40dB每10倍频程进行设计。

如图2所示，SFC电路包括第一转换巴伦、多级巴特沃斯低通滤波器和高通滤波器，所述混频器与所述第一转换巴伦，第一转换巴伦与所述巴特沃斯低通滤波器连接，巴特沃斯低通滤波器的输出端与所述高通滤波器的输入端连接，巴特沃斯低通滤波器完成对近端拍频信号的抑制，保证近端大信号输入电路时，整个电路始终工作在线性区；高通滤波器的输出端与所述IQ电路的输入端连接，高通滤波器完成对高频信号的抑制和对需要信号的放大。

所述多级巴特沃斯低通滤波器包括串联的第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器和第二运算放大器的负输入端通过一电阻接地，输出通过一电阻与负输入端连接；所述高通滤波器包括串联的第三运算放大器和第四运算放大器；所述第三运算放大器和第四运算放大器的负输入端分别通过一电阻与正输入端和输出端连接。

进一步地，中频信号从电阻1输入，然后经过第一运算放大器和第二运算放大器组成的多级巴特沃斯低通滤波器，完成对近端拍频信号抑制，保证近端大信号输入电路时，整个链路始终工作在线性区，而不饱和，然后输出信号经过第三运算放大器和第四运算反对感情组成的高通滤波器，完成对高频信号抑制和对有用信号的放大处理，高频信号的抑制主要包括主信号谐波以及抗混叠滤波等。

本发明的SFC电路，采用多级滤波器，有效保证了近端低频信号的抑制，保证整个链路始终工作在线性区，选用宽带运算放大器，带宽大于20MHz，扩展了系统电路带宽特性。另外，由于ADC进行数字采样时，需要考虑采样频率抗混叠滤波，保证在奈奎斯特采样区间，信号不重叠，特地在SFC电路中的滤波器高频端引入高抑制的高通滤波器对其进行有效处理。

如图3所示，所述IQ电路包括第二转换巴伦、第二差分放大器和差分滤波器；所述高通滤波器的输出端与所述第二转换巴伦连接，所述第二转换巴伦的输出端与所述第二差分放大器连接，所述第二差分放大器的输出端与所述差分滤波器连接，实现对杂散信号的抑制保证信号频谱纯度；所述差分滤波器与所述基带信号处理模块连接。

SFC电路调整动态后的信号输出到差分放大器，对信号进行差分放大后，输出给差分滤波器，完成对信号杂散抑制，保证信号频谱纯度。以便ADC进行采样。

本发明的工作原理是：首先由FPGA根据系统要求控制MMIC多功能芯片内部的PLL输出信号频率，具体控制参数分别包括R分频器以及N分频器寄存器参数，VCO输出频率，频率范围24~24.25GHz，以及斜坡数据发生器的调频信号斜率、步进参数。VCO输出信号分成两路，分别进去两路放大器对信号进行放大输出，然后再经过外置驱动放大器，对信号进一步放大后，将放大后信号通过阵列天线辐射出去。辐射出去信号在检测到目标后，产生回波信号，通过接收阵列天线对回波信号进行接收，回波信号经过阵列天线后，传输至外置低噪声放大器，保证系统噪声系数足够低，以此满足接收机接收灵敏度要求，然后放大信号经过双平衡巴伦完成单端到差分信号转换，输出信号为两路幅度一致，相位相差180°的差分信号，差分信号经过差分放大器后进入混频器，通过与差分本振信号混频后，输出两路低频IQ信号，IQ信号通过SFC电路对信号动态范围调整后，再经过差分放大器对差分信号进行放大后，接着进入差分滤波器，对不需要信号进行滤波和杂散抑制处理，保证进入ADC采用信号的频谱纯度，最后滤波后的信号进入ADC进行采样处理。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达，其特征在于：它包括基带信号处理模块、多通道发射链路、多通道接收链路、发射阵列天线和接收阵列天线；所述基带信号处理模块与所述多通道发射链路和多通道接收链路连接，用于完成发射调制信号数据生成以及接收数据的采集，同时完成对内部集成器件的配置和控制，生成接收需要的多路本振信号；所述多通道发射链路与所述发射阵列天线连接，用于通过所述基带信号处理模块控制内部器件产生一个线性调频信号，将调频信号功分呈多路放大输出，最后通过外置驱动放大器将信号进一步放大后通过发射阵列天线将信号辐射出去；所述多通道接收链路与所述接收阵列天线连接，用于将接收的回波信号进行放大以及差分信号转换得到差分信号后进行混频，输出多路低频IQ信号再经过SFC电路对信号进行动态范围调整后输入到所述基带信号处理模块，其中，SFC电路是灵敏度频率控制电路。

2.根据权利要求1所述的一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达，其特征在于：所述多通道发射链路包括R分频器、鉴相器、N分频器、斜坡数据发生器、电荷泵、二分频器、VCO和VCO校准器；所述基带信号处理模块输出参考信号到所述R分频器，输出发射调制信号到所述斜坡数据发生器；所述R分频器、鉴相器、电荷泵依次连接，所述斜坡数据发生器、N分频器和鉴相器依次连接；所述VCO校准器与VCO连接，VCO的输出端与二分频器连接，二分频器的输出端与N分频器连接；所述VCO连接多路发射通道，每路发射通道连接所述发射阵列天线。

3.根据权利要求2所述的一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达，其特征在于：所述多通道发射链路还包括环路滤波器LPF，所述电荷泵的输出端与所述环路滤波器LPF连接，环路滤波器LPF的输出端与所述VCO连接；每路发射通道包括依次串联放大器和驱动放大器，驱动放大器与所述发射阵列天线连接。

4.根据权利要求2所述的一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达，其特征在于：所述多通道接收链路包括多路接收通道，每路接收通道包括依次连接的低噪声放大器、双平衡巴伦、差分放大器、混频器、SFC电路和IQ输出电路；所述接收阵列天线的输出端与所述低噪声放大器连接，所述IQ输出端与所述基带信号处理模块连接；接收阵列天线接收到回波信号后，首先经过外置低噪声放大器放大，保证低噪声系数，然后放大信号经过双平衡巴伦完成单端到差分信号转换，输出信号为两路幅度一致，相位相差180°的差分信号，差分信号经过差分放大器后进入混频器，通过与差分本振信号混频后，经过SFC电路和IQ电路对信号动态范围调整后输出两路低频IQ信号，进入基带信号处理模块进行采样处理。

5.根据权利要求4所述的一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达，其特征在于：所述多通道接收链路还包括一差分放大器，所述VCO通过第一放大器和第一双平衡巴伦将本振信号输入到所述差分放大器，所述差分放大器的输出端分别与多路接收通道中的混频器连接，保证接收和发射的同源与相参。

6.根据权利要求4所述的一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达，其特征在于：所述SFC电路包括第一转换巴伦、多级巴特沃斯低通滤波器和高通滤波器，所述混频器与所述第一转换巴伦，第一转换巴伦与所述巴特沃斯低通滤波器连接，巴特沃斯低通滤波器的输出端与所述高通滤波器的输入端连接，巴特沃斯低通滤波器完成对近端拍频信号的抑制，保证近端大信号输入电路时，整个电路始终工作在线性区；高通滤波器的输出端与所述IQ电路的输入端连接，高通滤波器完成对高频信号的抑制和对需要信号的放大。

7.根据权利要求6所述的一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达，其特征在于：所述多级巴特沃斯低通滤波器包括串联的第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器和第二运算放大器的负输入端通过一电阻接地，输出通过一电阻与负输入端连接；所述高通滤波器包括串联的第三运算放大器和第四运算放大器；所述第三运算放大器和第四运算放大器的负输入端分别通过一电阻与正输入端和输出端连接。

8.根据权利要求6所述的一种ISM频段的主动式无人监督小型化安防雷达，其特征在于：所述IQ电路包括第二转换巴伦、第二差分放大器和差分滤波器；所述高通滤波器的输出端与所述第二转换巴伦连接，所述第二转换巴伦的输出端与所述第二差分放大器连接，所述第二差分放大器的输出端与所述差分滤波器连接，实现对杂散信号的抑制保证信号频谱纯度；所述差分滤波器与所述基带信号处理模块连接。

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