CN113740841B - 一种基于usrp的软件化二次监视雷达信号处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于USRP的软件化二次监视雷达信号处理系统，包括：天馈系统、USRP‑2945R、USRP‑2950R和计算机，以及设置于计算机内的两张PCIe桥接卡；USRP‑2945R被配置为使用3个接收通道完成天馈系统的和通道、差通道以及控制通道的信号接收；USRP‑2945R的AUX I/O接口被配置为用于接收天线方位编码以及询问发射的触发信号；USRP‑2950R被配置为使用2个发射通道完成对天馈系统的和通道以及控制通道的信号发射；USRP‑2950R的AUX I/O接口被配置为用于接收天线的方位编码，同时输出询问的触发脉冲至USRP‑2945R；计算机经内置的两张PCIe桥接卡并通过PCIe延长线分别与两个USRP进行连接；基于USRP硬件平台，搭建软件化二次监视雷达信号处理系统，实现了软件化二次监视雷达设计开发阶段的功能和算法的快速原型设计与验证。

Description

一种基于USRP的软件化二次监视雷达信号处理系统
技术领域
本发明属于雷达信号技术领域，尤其涉及一种基于USRP的软件化二次监视雷达信号处理系统。
背景技术
软件定义的无线电技术：是一种无线电广播通信技术，它基于软件定义的无线通信协议而非通过硬连线实现。频带、空中接口协议和功能可通过软件下载和更新来升级，而不用完全更换硬件。USRP是NI公司基于软件无线电构架的通用开发平台，具有完善的开发环境。使用该平台，通过自定义软件可实现项目的快速开发和验证。
软件化二次监视雷达：传统二次监视雷达主要由天馈系统、射频收发机、中频模块、基带模块、译码模块、处理计算模块以及显示模块构成，且上述组成均为独立硬件。软件化二次监视雷达在其基础上进行改进，采用软件无线电构架，简化硬件组成，调制解调、译码、处理计算以及显示过程均由软件实现，射频接收前端将采集的信号变频后数字化，射频发射前端将数字化的信号上变频到射频信号，从而通过软件实现二次监视雷达的功能。
传统二次监视雷达由多个硬件模块组成，其的缺点如下：硬件模块多，成本高；维修维护难度大，故障定位困难，故障修复成本高；根据原始需求设计功能，功能扩展困难且代价昂贵；无法获取原始信号数据，丢失关键信息。
软件化二次监视雷达原型设计阶段如果定制开发硬件有可能造成如下缺点：技术细节无法得到充分论证；成本高；开发时间长。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种基于USRP的软件化二次监视雷达信号处理系统，本发明基于USRP硬件平台作为二次监视雷达的射频前端，搭建软件化二次监视雷达信号处理系统，以低成本、短周期的代价，实现了软件化二次监视雷达设计开发阶段的功能和算法的快速原型设计与验证。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种基于USRP的软件化二次监视雷达信号处理系统，所述软件化二次监视雷达信号处理系统包括：天馈系统、USRP-2945R、USRP-2950R和计算机，以及设置于计算机内的两张PCIe桥接卡；所述USRP-2945R被配置为使用3个接收通道完成天馈系统的和通道、差通道以及控制通道的信号接收；所述USRP-2945R的AUX I/O接口被配置为用于接收天线方位编码以及询问发射的触发信号；所述USRP-2950R被配置为使用2个发射通道完成对天馈系统的和通道以及控制通道的信号发射；USRP-2950R的AUX I/O接口被配置为用于接收天线的方位编码，同时输出询问的触发脉冲至USRP-2945R；所述计算机经内置的两张PCIe桥接卡并通过两根PCIe延长线分别与两个USRP进行连接；计算机基于设置的二次监视雷达询问参数生成询问数字基带信号，并将询问基带信号发送至USRP-2950R；所述USRP-2950R基于接收的询问基带信号生成询问模拟中频信号，并将询问模拟中频信号调制到1030MHz并放大输入至天馈系统进行发射；USRP-2945R基于接收天馈系统反馈的1090MHz目标应答信号生成数字基带信号，同时将数字基带信号与从天馈系统接收的天线方位编码发送至计算机，计算机对数字基带信号进行译码，完成方位计算。
根据一个优选的实施方式，所述计算机还被配置为将译码后的目标信号进过点航迹处理后显示在雷达图上。
根据一个优选的实施方式，所述二次监视雷达询问参数至少包括询问频率、模式和天线转速。
根据一个优选的实施方式，所述USRP-2950R将询问数字基带信号解析后，通过其内部FPGA进行数字上变频，生成询问数字中频信号；并通过ADC，生成询问模拟中频信号。
根据一个优选的实施方式，所述USRP-2950R的发射电路将询问模拟中频信号调制到1030MHz并放大输入至天馈系统。
根据一个优选的实施方式，所述USRP-2945R通过接收电路将天馈系统反馈的1090MHz目标应答信号下变频到中频模拟信号，并通过ADC采样为数字中频信号；数字中频平信号基于USRP-2945R内部的FPGA进行数字下变频，生成数字基带信号。
根据一个优选的实施方式，所述计算机将询问数字基带信号通过PCIe总线送入USRP-2950R。
根据一个优选的实施方式，所述询问的触发脉冲发送至USRP-2945R的AUX I/O接口用于二次雷达接收通道开始接收目标信号的触发。
根据一个优选的实施方式，所述PCIe桥接卡为PCIe-8381。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：软件化二次监视雷达是将传统雷达信号处理的工作由硬件变为软件处理，同时获取原始信号信息，以扩展更多的软件功能，由此可见软件化二次监视雷达的核心是软件信号处理的算法。在项目原型开发阶段，需要定制硬件，以支持前期二次监视雷达信号处理算法的设计及验证。定制硬件需要对硬件架构进行重新设计，定制成本高，周期长，且难以在首次设计中就满足使用要求。
本发明系统采用USRP硬件平台作为二次监视雷达的射频前端，USRP为低成本基于软件无线电构架的开发平台，具备完善的功能、开发环境和工具，使用其可实现二次监视雷达的快速原型搭建，大大缩短硬件设计时间，降低研发成本，加速原型系统开发，缩短产品上市的周期。
附图说明
图1是本发明软件化二次监视雷达信号处理系统的构架图；
图2是本发明软件化二次监视雷达信号处理系统的信号处理原理框图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面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。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
参考图1所示，本发明公开了一种基于USRP的软件化二次监视雷达信号处理系统。
本发明采用1台USRP-2945R、1台USRP-2950R、2张PCIe-8381、1台计算机构成二次监视雷达信号处理系统。天馈系统采用现役体制的天线，其硬件构架如图1所示。
优选地，USRP-2945R拥有4个接收通道，共用本振。本实施例使用其3个通道用于接收和通道、差通道以及控制通道的信号。由于4通道使用同一本振，则可保证各个通道的幅相一致性，以保证二次雷达和差通道角度测量的准确性。
进一步地，USRP-2945R的AUX I/O接口用于接收天线方位编码以及询问发射的触发信号，根据发射的触发信号开始采集目标的应答信号。
优选地，USRP-2950R拥有两个射频通道，可配置为接收通道或发射通道。本实施例案将其配置为两个发射通道，分别对应天馈系统的和(Σ)通道以及控制(Ω)通道，和通道用于发射询问脉冲，控制通道用于发射抑制脉冲。
优选地，USRP-2950R的AUX I/O接口为其内部FPGA的I/O接口，用于接收天线的方位编码，同时输出询问的触发脉冲，用于二次雷达接收通道开始接收目标信号的触发。
计算机采用两块PCIe桥接卡，通过两根PCIe延长线对2个USRP进行连接，实现控制和数据传输。二次雷达询问信号通过总线进行数据传输和控制发射，目标的应答采集信号以及天线的方位编码通过总线传输到计算机进行处理。
本发明信号流如图2所示，该图描述二次监视雷达询问和应答的整个信号处理流程。
二次监视雷达询问信号生成步骤如下：
1.设置二次监视雷达询问参数，包括询问频率、模式、天线转速等；
2.软件生成询问数字基带信号；
3.将询问数字基带信号通过PCIe总线送入USRP-2950R；
4.USRP-2950R将询问数字基带信号解析后，通过其内部FPGA进行数字上变频，生成询问数字中频信号；
5.USRP-2950R通过FPGA将询问数字中频信号输入ADC，生成询问模拟中频信号；
6.通过USRP-2950R的发射电路将中频信号调制到1030MHz以及放大后输入天馈系统进行发射。
二次监视雷达目标应答信号处理步骤如下：
1.USRP-2945R等待采样触发信号，该触发信号在询问信号发射后产生，触发后在下个询问信号发射之前等待目标的应答信号；
2.USRP-2945R将接收天馈系统发射的1090MHz目标应答信号下变频到中频模拟信号；
3.中频模拟信号通过ADC采样为数字中频信号；
4.数字中频平信号在USRP内部的FPGA中进行数字下变频，生成数字基带信号；
5.数字基带信号以及天线方位编码通过PCIe总线送入计算机；
6.计算机对数字基带信号进行译码，计算方位；
7.译码后的目标信号进过点航迹处理后，显示在雷达图上。
本发明系统采用USRP硬件平台作为二次监视雷达的射频前端，USRP为低成本基于软件无线电构架的开发平台，具备完善的功能、开发环境和工具，使用其可实现二次监视雷达的快速原型搭建，大大缩短硬件设计时间，降低研发成本，加速原型系统开发，缩短产品上市的周期。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于USRP的软件化二次监视雷达信号处理系统，其特征在于，所述软件化二次监视雷达信号处理系统包括：
天馈系统、USRP-2945R、USRP-2950R和计算机，以及设置于计算机内的两张PCIe桥接卡；
所述USRP-2945R被配置为使用3个接收通道完成天馈系统的和通道、差通道以及控制通道的信号接收；所述USRP-2945R的AUX I/O接口被配置为用于接收天线方位编码以及询问发射的触发信号；
所述USRP-2950R被配置为使用2个发射通道完成对天馈系统的和通道以及控制通道的信号发射；USRP-2950R的AUX I/O接口被配置为用于接收天线的方位编码，同时输出询问的触发脉冲至USRP-2945R；
所述计算机经内置的两张PCIe桥接卡并通过两根PCIe延长线分别与两个USRP进行连接；
计算机基于设置的二次监视雷达询问参数生成询问数字基带信号，并将询问基带信号发送至USRP-2950R；所述USRP-2950R基于接收的询问基带信号生成询问模拟中频信号，并将询问模拟中频信号调制到1030MHz并放大输入至天馈系统进行发射；
USRP-2945R基于接收天馈系统反馈的1090MHz目标应答信号生成数字基带信号，同时将数字基带信号与从天馈系统接收的天线方位编码发送至计算机，计算机对数字基带信号进行译码，完成方位计算。
2.如权利要求1所述的软件化二次监视雷达信号处理系统，其特征在于，所述计算机还被配置为将译码后的目标信号进过点航迹处理后显示在雷达图上。
3.如权利要求1所述的软件化二次监视雷达信号处理系统，其特征在于，所述二次监视雷达询问参数至少包括询问频率、模式和天线转速。
4.如权利要求1所述的软件化二次监视雷达信号处理系统，其特征在于，所述USRP-2950R将询问数字基带信号解析后，通过其内部FPGA进行数字上变频，生成询问数字中频信号；并通过ADC，生成询问模拟中频信号。
5.如权利要求1或4所述的软件化二次监视雷达信号处理系统，其特征在于，所述USRP-2950R的发射电路将询问模拟中频信号调制到1030MHz并放大输入至天馈系统。
6.如权利要求1所述的软件化二次监视雷达信号处理系统，其特征在于，所述USRP-2945R通过接收电路将天馈系统反馈的1090MHz目标应答信号下变频到中频模拟信号，并通过ADC采样为数字中频信号；数字中频平信号基于USRP-2945R内部的FPGA进行数字下变频，生成数字基带信号。
7.如权利要求1所述的软件化二次监视雷达信号处理系统，其特征在于，所述计算机将询问数字基带信号通过PCIe总线送入USRP-2950R。
8.如权利要求1所述的软件化二次监视雷达信号处理系统，其特征在于，所述询问的触发脉冲发送至USRP-2945R的AUX I/O接口用于二次雷达接收通道开始接收目标信号的触发。
9.如权利要求1所述的软件化二次监视雷达信号处理系统，其特征在于，所述PCIe桥接卡为PCIe-8381。
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