CN114252845A - 一种高带宽雷达信号监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高带宽雷达信号监测装置，所述装置包括：频率选择及保护装置、宽带功分器、宽带接收装置、处理分析装置；其中，宽带接收装置包括数控时延芯片和ADC组件，所述ADC组件包括采样保持芯片和低速ADC。基于上述装置可以实现以国产低速芯片，实现40GHz采样速率以及10bit量化精度以上的超高速高精度采样。
Description
技术领域
本发明涉及雷达监测技术，尤其涉及一种高带宽雷达信号监测装置。
背景技术
无线电信号监测设备可用于接收各种雷达系统的雷达信号并进行分析，来判断雷达系统的工作状态。随着雷达技术的发展，雷达系统的种类和数量越来越多，雷达信号越来越复杂，例如，各种雷达系统使用的工作频段越来越宽、雷达信号的瞬时带宽越来越大。这对无线电信号监测设备支持监测的信号带宽提出了更高的要求。
目前，无线电信号监测设备中用于对接收到的雷达信号进行采样的低速ADC仅能支持较窄带宽，无法满足高带宽雷达信号的监测需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高带宽雷达信号监测装置，能够解决现有监测装置由于低速ADC仅能支持较窄带宽的的信号采样，而无法支持高带宽雷达信号监测的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高带宽雷达信号监测装置，该装置可以包括：频率选择及保护装置、宽带功分器、宽带接收装置、处理分析装置。
所述频率选择及保护装置用于接收初始雷达信号。
所述宽带功分器用于按照频率对所述初始雷达信号进行分割，得到N路雷达信号；其中，N为大于等于2的偶数。
所述宽带接收装置包括：数控时延芯片和ADC组件。
所述数控时延芯片用于接收所述N路雷达信号，向所述ADC组件输出满足等幅延时条件的N路雷达信号，所述等幅延时条件为：所述数控时延芯片输出的所述N路雷达信号的幅度相同且所述数控时延芯片输出N路雷达信号的任意相邻两路雷达信号的输出时间间隔相同。
所述ADC组件用于分别对接收到的所述N路雷达信号进行采样，得到N路等幅同步的实时信号，所述N路实时信号与所述N路雷达信号一一对应，所述等幅同步条件为：所述ADC组件输出的N路雷达信号的幅度相同，且所述ADC组件输出N路雷达信号的时间相同。
所述处理分析装置用于对所述ADC组件输出的所述N路实时信号进行分析。
在一种可能的实现中，N可以为4或8或16或20。
在一种可能的实现中，所述数控时延芯片用于根据误差表分别对所述N路雷达信号的输出时间及幅度进行调整。
所述处理分析装置，还用于：选取所述N路实时信号中的任一路实时信号作为参考通道标校信号；分别测量所述N路实时信号中的其他N-1路实时信号与所述参考通道标校信号间的失配参数，根据所述失配参数设置所述误差表，所述失配参数为其他N-1路信号与所述参考通道标校信号之间的时延；
在一种可能的实现中，所述ADC组件包括：采样保持芯片THA和低速ADC。
在一种可能的实现中，所述数控时延芯片、所述THA和所述低速ADC的数量均为N个；N个所述数控时延芯片、N个所述THA、N个所述低速ADC一一对应；相对应的数控时延芯片、THA和低速ADC位于同一路雷达信号对应的射频通道上。
在一种可能的实现中，所述数控时延芯片输入输出接口采用在砷化镓GaAs衬底上开设通孔，且通孔中填充有金属得到。
在一种可能的实现中，所述处理分析装置用于对所述ADC组件输出的所述N路实时信号整合为一路信号进行分析。
在一种可能的实现中，所述雷达信号的带宽为300MHz至18GHz。
在一种可能的实现中，所述数控时延芯片的延时量的调整步进为0.5ps。
相比现有技术，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种高带宽雷达信号监测装置，使用国产低速芯片和器件，利用大规模时间交替并行采样技术架构、精确的时钟同步、高精度通道延时控制、通道一致性校准和信号重构技术，实现40GHz采样速率以及10bit量化精度以上的超高速高精度采样。
附图说明
图1为本申请实施例提供的高带宽雷达信号监测装置的结构示意图；
图2为图1中所述处理分析装置的信号处理流程示意图；
图3为图2中所述分选雷达信号的处理流程示意图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本申请实施例提供一种高带宽雷达信号监测装置。
图1为本申请实施例提供的一种高带宽雷达信号监测装置的结构示意图。如图1所示，该装置可以包括：频率选择及保护装置、宽带功分器、宽带接收装置、处理分析装置。
所述频率选择及保护装置用于接收初始雷达信号。
所述宽带功分器用于按照频率对所述初始雷达信号进行分割，得到N路雷达信号；其中，N为大于等于2的偶数。
所述宽带接收装置包括：数控时延芯片和ADC组件。
所述数控时延芯片用于接收所述N路雷达信号，向所述ADC组件输出满足等幅延时条件的N路雷达信号，所述等幅延时条件为：所述数控时延芯片输出的N路雷达信号的幅度相同，且所述数控时延芯片输出N路雷达信号的任意两路相邻雷达信号的输出时间间隔相同；
所述ADC组件用于分别对接收到的所述N路雷达信号进行采样，得到N路等幅同步的实时信号，所述N路实时信号与所述N路雷达信号一一对应，所述等幅同步条件为：所述ADC组件输出的N路雷达信号的幅度相同，且所述ADC组件输出N路雷达信号的输出时间相同；
所述处理分析装置用于对所述ADC组件输出的所述N路实时信号进行分析。
在一种可选的实施方式中，所述初始雷达信号的带宽为300MHz至18GHz。
现有技术中时间交织并行采样技术，采用通过时钟波形相位调整的方法实现各通道的时延控制，通过分数阶延迟滤波器进行通道时延误差的校准。这种方法具有两个方面的限制：
第一，目前时钟芯片的相位控制通常只能做到四分之一整周的相位调整，无法实现时钟波形相位的任意调整，这就限制了并行采样通道的数量；
第二，实现高精度的时延误差校准需要高性能的分数阶延迟滤波器，而高精度的分数阶延迟滤波器会消耗海量的FPGA硬件资源。因此，在有限的硬件资源情况下无法实现大规模超高速并行采样。
本申请提出的高带宽雷达信号监测装置，通过数控时延芯片实现易于大规模并行处理，采用参考通道标校信号进行通道间时延误差的测量，根据测量结果控制射频通道上的数控时延芯片实现通道一致性的校准。该处理方法只需要较少的FPGA资源即可完成通道一致性的高精度校准，可达到千分之一时钟周期的时延校准精度。在ADC前面使用单独的THA来拓展模拟带宽，可在某一精确时刻对频率非常高的模拟/RF输入信号进行采样，在更宽带宽范围内降低了ADC的动态线性度要求，模拟输入带宽从根本上得以扩展，高频线性度显著改善。基于以上优势，本发明应用在基于超宽带射频直接采样技术体制的雷达信号监测设备，可实现40GHz采样率的高精度射频进行直接采样，不仅如此，该装置还具备对300MHz～18GHz任意雷达信号进行全带宽监测的能力。
在一种可选的实施方式中，所述ADC组件包括：采样保持芯片THA和低速ADC。
作为一种示例，所述数控时延芯片、所述THA和所述低速ADC的数量均为N个；N个所述数控时延芯片、N个所述THA、N个所述低速ADC一一对应；相对应的数控时延芯片、THA和低速ADC位于同一路雷达信号对应的射频通道上。
在一种可选的实施方式中，N可以为4或8或16或20。
在一种可选的实施方式中，所述数控时延芯片用于根据误差表分别对所述N路雷达信号的输出时间及幅度进行调整，采用上述芯片可使输出的雷达信号达到等幅延时的效果。
所述处理分析装置，还用于：选取所述N路实时信号中的任一路实时信号作为参考通道标校信号；分别测量所述N路实时信号中的其他N-1路实时信号与所述参考通道标校信号间的失配参数，根据所述失配参数测量值设置所述误差表。
作为一种示例，失配参数的测量过程可以应用总体最小二乘法和正弦拟合法对各射频通道输出的信号与参考通道标校信号的差异进行测量，得到失配参数。采用这种方式测量的失配参数的相对精度可大于等于。
下面以N为20，且每个ADC组件包括THA和低速ADC为例对监测装置中的信号处理过程进行详细说明。
首先，频率选择及保护装置可以将采集到的初始雷达信号传输至宽带功分器。
之后，宽带功分器将一路初始雷达信号按照频率分为20路雷达信号，并将20路雷达信号分别传输至20个数控时延芯片，其中，20路雷达信号与20个数控时延芯片一一对应。
之后，每一个数控时延芯片对一路雷达信号的延时量及信号幅度进行调整，然后，20个数控时延芯片将20路满足等幅延时条件的雷达信号传输到20个ADC组件，其中，20个数控时延芯片与20个ADC组件一一对应，所述等幅延时条件为：20个数控时延芯片输出的20路雷达信号的幅度相同，且20个数控时延芯片输出的20路雷达信号的任意两路相邻雷达信号的输出时间间隔相同。
之后，ADC组件可以对数控时延芯片输出的20路雷达信号进行模数转换，输出20路满足等幅同步条件的实时信号。其中，所述等幅同步条件为：所述ADC组件输出的N路雷达信号的幅度相同，且所述ADC组件输出的N路雷达信号的输出时间相同。需要说明的是，每个ADC组件采用THA和低速ADC组合这一方式能够降低ADC的动态线性要求，即THA能够使得超过低速ADC的频率采集范围的雷达信号能够被低速ADC所采集。
之后，处理分析装置在接收到20路实时信号后，一方面，可以先选取一路信号作为参考通道标校信号，测量其他19路信号与参考通道标校信号间的失配参数，其中，示例性的，失配参数可以是其他19路信号与参考通道标校信号之间的时延；然后，处理分析装置可以根据失配参数形成误差表，该误差表可用于对数控时延芯片进行反向控制，由数控时延芯片对20路雷达信号的输出时间及幅度进行调整。另一方面，处理分析装置可以对20路实时信号进行整合，形成一路完整的信号，最后再对该信号进行分析。需要说明的是，处理分析装置可以同时执行上述两个方面的处理。
在本申请实施例中，所述数控时延芯片的输入输出接口采用在砷化镓GaAs衬底上开设通孔，且通孔中填充有金属得到。采用此工艺可使通孔中形成一个低电感的连接，当芯片中的晶片放置在一个导电的衬底上时，就形成了一个简单的接地，接地电感可大大降低。
需要说明的是，为了减小寄生电容和电感对开关速度以及寄生电容和电感对延时量的影响，数控时延芯片的输入输出IO采用背通孔工艺，在所述GaAs底衬上直接开孔，使用时，运用微组装工艺将数控时延芯片与PCB的管脚相连，避免焊盘bond pad和焊线bondwire上产生电感电容。数控时延芯片的输入输出端口匹配50欧姆负载，便于与现有射频器件进行连接。
在一种可选的实施方式中在本申请实施例中，所述数控时延芯片的时延调整步进可以为0.5ps。
在本申请实施例中，所述数控时延芯片可以应用微电子机械系统MEMS开关技术和微带延迟线设计，以使频率选择及保护装置输出信号的延时量与信号频率尽量不相关，即相位控制与信号频率尽量不相关，并在延时网络中加入特定的幅度补偿网路，实现在不同延时下，20路雷达信号的输出幅度相等，进而，实现等幅延时的目标。
作为一种示例，A1至A20对应20路不同的雷达信号，B1至B20为20路不同的雷达信号对应的20个延时量，该延时量可以不同，C1至C20为20路不同的雷达信号对应的20个信号幅度调整值，该信号幅度调整值可以不同，20个延时量组成延时网路，20个信号幅度调整值组成幅度补偿网路，D1至D20为经过时延及幅度调整后的的20路雷达信号，其中，雷达信号D1...D20的幅度相同且任意相邻通道的输出时间间隔相等，即D1与D2之间的时间间隔、D2与D3之间的时间间隔、……、D19与D20之间的时间间隔均相等。需要说明的是，数字1-20为20路射频通道的编号。
在本申请实施例中，监测装置能够应用于雷达信号监测，进而，对雷达系统的工作状态进行评估；亦能够应用于战场电磁环境监测以感知和掌握战场电磁态势。多个设备组合使用时，配以相应的阵列天线，能够实现测向、空间谱估计功能，并且，所述装置具备空间射频直接采样能力，能够实现空间电磁态势感知。配套响应天线系统，并加强信号处理能力后，能够应用于雷达信号侦察工作。
作为一种示例，图2为所述处理分析装置进行信号分析的处理流程的一种示意。
如图2所示，利用短时FFT变换(STFT)分析ADC采样信号的频谱特征，得到频域区分信号频谱包络，采用门限比较对信号的载频与带宽进行粗测，完成带宽的自适应匹配接收，既能够保证宽带信号不损失带宽，又可以确保窄带信号灵敏度。
需要说明的是，对频域分离的单个信号的参数进行测量，需要先完成坐标旋转数字计算方法(Coordinate Rotation Digital Computer，cordic)运算，得到解析信号以及解析信号的幅度与瞬时相位信息，利用相位差分法得到瞬时频率，结合下变频本振值，可以反算得到信号的精确载频；运用检波完成信号包络参数的提取，包络分析得到的包络参数结合脉内分析得到的脉内参数得到单脉冲描述字(Pulse Descriptive Word，PDW)。
作为一种示例，包络参数可以包括：信号到达时间、脉冲宽度、信号幅度。
需要说明的是，图2中的分选步骤可以采用图3所示方式实施。分选的工作即将上述分析处理后的已知雷达信号与未知雷达信号分开处理，包括：信号预处理与信号主处理。信号预处理的主要任务是根据已知雷达辐射源的主要特征和未知雷达辐射源的先验知识，完成对上述分析处理后的雷达信号的预分选，信号主处理的主要任务是对雷达信号进行主分选、检测参数估计、识别与决策处理。
图3为本申请实施例提供的一种高带宽雷达信号监测装置的雷达信号分选流程图。
如图3所示，处理分析装置对前端输出的PDW进行筛选，分为已知雷达信号的PDW及未知雷达信号的PDW，对已知雷达信号进行主分选、检测参数估计、识别与决策等处理。剩余PDW即未知雷达，对未知雷达信号进行主分选、检测参数估计、识别与决策等处理，处理后的未知雷达信号由人工进行干预及控制、处理结果的记录上报显示等工作。将经过人工处理后的未知雷达信号录入数据库、知识库，对数据库及知识库进行补充与修订。修订后的数据库、知识库用于信号预处理，根据已知雷达数据库处理已知雷达信号，根据雷达信号知识库处理未知雷达信号。
最后，处理分析装置将雷达信号的分析结果进行上报处理。
本发明的有益效果：完成了对全频段雷达信号的直接接收、采集、处理、分析和监测，简化了射频前端设计，使监测设备提升了性能和效能，降低了成本、体积和功耗，对现有雷达信号的快速接收、采集、分析处理和性能监控，具有十分重要的意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
在实际应用中，本申请实施提供的高带宽雷达信号监测装置可使用如下战术技术指标：
·工作频率范围：300MHz～18GHz；
·测频精度：优于1MHz r.m.s；
·瞬时带宽：18GHz；
·瞬时动态：＞55dB；
·灵敏度：优于-60dBm；
·脉冲信号脉宽测量范围：50ns～CW；
·可适应信号类型：脉冲、线性调频、编码调制等；
·可存储射频采样后的数字化信号以供事后进行雷达信号脉内调制分析。
Claims (9)
1.一种高带宽雷达信号监测装置，其特征在于，该装置包括：频率选择及保护装置、宽带功分器、宽带接收装置、处理分析装置；
所述频率选择及保护装置用于接收初始雷达信号；
所述宽带功分器用于按照频率对所述初始雷达信号进行分割，得到N路雷达信号；其中，N为大于等于2的偶数；
所述宽带接收装置包括：数控时延芯片和ADC组件；
所述数控时延芯片用于接收所述N路雷达信号，向所述ADC组件输出满足等幅延时条件的N路雷达信号，所述等幅延时条件为：所述数控时延芯片输出的N路雷达信号的幅度相同且所述数控时延芯片输出N路雷达信号中的任意相邻的两路雷达信号的输出时间间隔相同；
所述ADC组件用于分别对接收到的所述满足等幅延时条件的N路雷达信号进行采样，得到N路满足等幅同步条件的实时信号，所述N路实时信号与所述N路雷达信号一一对应，所述等幅同步条件为：所述ADC组件输出的所述N路实时信号的幅度相同且所述ADC组件输出的所述N路实时信号的输出时间相同；
所述处理分析装置用于对所述ADC组件输出的所述N路实时信号进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种高带宽雷达信号监测装置，其特征在于，所述数控时延芯片用于根据误差表分别对所述N路雷达信号的输出时间及幅度进行调整；
所述处理分析装置，还用于：
选取所述N路实时信号中的任一路实时信号作为参考通道标校信号；
分别测量所述N路实时信号中的其他N-1路实时信号与所述参考通道标校信号间的失配参数，根据所述失配参数设置所述误差表，所述失配参数为所述其他N-1路信号与所述参考通道标校信号之间的时延。
3.根据权利要求1或2所述的一种高带宽雷达信号监测装置，其特征在于，所述ADC组件包括：采样保持芯片THA和低速ADC。
4.根据权利要求3所述的一种高带宽雷达信号监测装置，其特征在于，所述数控时延芯片、所述THA和所述低速ADC的数量均为N个；
N个所述数控时延芯片、N个所述THA、N个所述低速ADC一一对应；相对应的数控时延芯片、THA和低速ADC位于同一路雷达信号对应的射频通道上。
5.根据权利要求1所述的一种高带宽雷达信号监测装置，其特征在于，所述数控时延芯片的输入输出接口采用在砷化镓GaAs衬底上开设通孔，且在通孔中填充金属的方式得到。
6.根据权利要求1所述的一种高带宽雷达信号监测装置，其特征在于，N为4或8或16或20。
7.根据权利要求1所述的一种高带宽雷达信号监测装置，其特征在于，所述处理分析装置用于对所述ADC组件输出的所述N路实时信号整合为一路信号进行分析。
8.根据权利要求1所述的一种高带宽雷达信号监测装置，其特征在于，所述雷达信号的带宽为300MHz至18GHz。
9.根据权利要求1所述的一种高带宽雷达信号监测装置，其特征在于，所述数控时延芯片的延时量的调整步进为0.5ps。
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