CN114755630B - 一种基于soc的调频连续波雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SOC的调频连续波雷达，所述信号采集处理装置由UltraScale+Mpsoc、DDRRAM、AD采集时钟、ADC与以太网接口组成；所述信号采集处理装置用于完成对所述射频系统的控制、中频信号的采集和处理；其中，所述信号采集处理装置由PS端和PL端部分协同完成，所述射频系统的信号由PL端采集，PL端通过AXI总线和中断与PS端进行通信。本发明有相比已有的方案而言，大大提高了集成度，实现了数据的相参采集，并且该架构适用于所有FMCW雷达，提高了通用性、拓展性，大大缩短FMCW雷达的研发周期。如需要工作在不同的频段，只需要更换对应频段的PLL，VCO，收发天线和混频器，然后在PS端的软件修改相应的参数即可。PS端有4个处理器核，实现雷达整体的控制采集只用了其中一个核，处理算法在剩余的三个核运行，方便算法进行移植拓展。

Description

一种基于SOC的调频连续波雷达
技术领域
本发明涉及FMCW雷达信号采集技术领域，其中涉及一种基于SOC的调频连续波雷达。
背景技术
按照信号体制，可以将雷达分为脉冲式雷达和调频连续波(Frequency ModulatedContinuous Wave，简称FMCW)雷达。脉冲式雷达设备复杂，功率要求高，且瞬时带宽受限于A/D的采样率，雷达的距离分辨率难以做高。而调频连续波雷达可以较低成本实现较大的瞬时带宽，进而满足高分辨率探测要求。
FMCW雷达具有重量轻、集成度高、成本低的优点，可实现较大的相对带宽，能够对目标进行高精度测量及高分辨率成像，这使得FMCW雷达在形变监测、遥感成像、液位测量等众多领域得到了广泛应用。具有以下几个特点和优势：(1)重量轻、集成性高、结构简单、成本低；(2)脉冲发射时间长、平均发射功率低、具有较好的低截获性能；(3)可以测量很近的距离，一般可测到数米，有较高的测量精度。
传统的雷达信号采集处理系统是定制化产品，根据特定的任务需求选择合适的硬件架构，设计出专用的软硬件。由于应用场景不同，雷达系统的波段、应用算法、实时性要求、系统规模等差异较大且不能相互兼容，影响了系统的通用性和其扩展能力，也导致特定雷达的设计验证周期较长。随着军事、航空、航天等技术的飞速发展，对雷达系统设计提出了模块化、数字化、多功能以及微型化要求，以满足复杂多样的应用场景和缩减系统研制周期的要求。
目前已有的雷达信号处理采集装置，主要是使用FPGA和DSP结合，FPGA完成调频、波形控制、信号采集及相应的信号前级预处理工作，并进行雷达工作时序控制；DSP用于实现高性能计算，采用由多处理器构成的并行系统实现高处理能力。FPGA和DSP之间通过高速总线连接进行数据传输，如中国专利公开号：CN110118955A和中国专利公开号：CN107167773A。
上述公开的专利文献有以下缺陷：
1、使用片外总线连接多块芯片，装置体积较大，集成度不够高；2、雷达的修改、拓展较为复杂，通用性和拓展性有所欠缺。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明旨在于提供一种基于SOC的调频连续波雷达，所有的信号采集处理均在一片SOC上完成，大大提高了集成度；其次，根据FMCW的特性，使用混频器进行解线调(Dechirp)，降低中频信号带宽，降低了对信号采集和处理的要求；严格保证射频相参和数字采集相参，使得可以通过相参积累放大微弱信号，提高信噪比，也可以多次采集进行相位干涉，得到高精度的形变信息。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于SOC的调频连续波雷达，具有射频系统，所述射频系统由精密晶振、锁相环、滤波器、功率放大器、混频器、低噪放与收发天线组成，用于完成FMCW信号的产生、接收和解线调，所述信号采集处理装置由UltraScale+Mpsoc、DDR RAM、AD采集时钟、ADC与以太网接口组成；所述信号采集处理装置用于完成对所述射频系统的控制、中频信号的采集和处理；其中，所述信号采集处理装置由PS端和PL端部分协同完成，所述射频系统的信号由PL端采集，PL端通过AXI总线和中断与PS端进行通信。
需要说明的是，还包括上位机，所述信号采集处理装置与上位机通过以太网进行连接，上位机与PS端握手连接后，根据接收到上位机的指令执行相应操作。
需要说明的是，当接收到上位机的采集指令，AD采集时钟上升沿到达时，读取ADC的数据，写入PL端的BRAM，然后在下一拍完成写BRAM后，触发PS端的中断，通过AXI总线把BRAM数据读取到PS端的DDR RAM中；其中，由于DDR RAM容量远大于BRAM，可以储存一个脉冲的点数，再一次性进行通过TCP发送至上位机，循环此过程直至采集完成。
需要说明的是，若收到修改参数的指令，则重新写芯片的寄存器；若收到开始采集的指令，则开始采集；完成后回到等待接收指令状态。
需要说明的是，每次采集，采集时钟和采集信号之间的相位关系固定，即，每次的触发信号上升沿、采集时钟上升沿的时间差为恒定。
本发明有相比已有的方案而言，大大提高了集成度，并且该架构适用于所有FMCW雷达，提高了通用性、拓展性，大大缩短FMCW雷达的研发周期。如需要工作在不同的频段，只需要更换对应频段的PLL，VCO，收发天线和混频器，然后在PS端的软件修改相应的参数即可。PS端有4个处理器核，实现雷达整体的控制采集只用了其中一个核，处理算法在剩余的三个核运行，方便算法进行移植拓展。
附图说明
图1为本发明的信号采集处理装置模块示意图；
图2为本发明中PS端流程示意图；
图3为本发明中相参采集时序图；
图4为本发明中相参电路框图；
图5为本发明中的数据采集流程图。
具体实施方式
下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
本发明为一种基于SOC的调频连续波雷达，具有射频系统，所述射频系统由精密晶振、锁相环、滤波器、功率放大器、混频器、低噪放与收发天线组成，用于完成FMCW信号的产生、接收和解线调，所述信号采集处理装置由UltraScale+Mpsoc、DDR RAM、AD采集时钟、ADC与以太网接口组成；所述信号采集处理装置用于完成对所述射频系统的控制、中频信号的采集和处理；其中，所述信号采集处理装置由PS端和PL端部分协同完成，所述射频系统的信号由PL端采集，PL端通过AXI总线和中断与PS端进行通信。
进一步的，本发明还包括上位机，所述信号采集处理装置与上位机通过以太网进行连接，上位机与PS端握手连接后，根据接收到上位机的指令执行相应操作。
进一步的，在本发明中，当接收到上位机的采集指令，AD采集时钟上升沿到达时，读取ADC的数据，写入PL端的BRAM，然后在下一拍完成写BRAM后，触发PS端的中断，通过AXI总线把BRAM数据读取到PS端的DDRRAM中；其中，由于DDR RAM容量远大于BRAM，可以储存一个脉冲的点数，再一次性进行通过TCP发送至上位机，循环此过程直至采集完成。
进一步的，本发明的装置若收到修改参数的指令，则重新写芯片的寄存器；若收到开始采集的指令，则开始采集；完成后回到等待接收指令状态。
进一步的，本发明的装置在每次采集时，采集时钟和采集信号之间的相位关系固定，即，每次的触发信号上升沿、采集时钟上升沿的时间差为恒定。
实施例
本发明的信号采集处理装置板是基于UltraScale+Mpsoc，PS端(ProcessingSystem处理系统)完成整体的控制，PL端(Progarmmable Logic可编程逻辑)完成数据的相参采集。
其中，如图2所示，为本发明中的PS端的流程，由于控制的射频芯片有上电时序要求，为保证外围芯片上电时序正确，外围芯片延迟上电，等待SOC上电的暂态稳定下来。然后PS端控制SPI和IIC总线写AD9508、HMC703的寄存器，完成初始化。
信号采集处理装置与上位机通过以太网TCP协议进行连接，上位机与PS端握手连接后，根据接收到上位机的指令执行相应操作。若收到修改参数的指令，则重新写芯片的寄存器；若收到开始采集的指令，则开始采集；完成后回到等待接收指令状态。
此外，本发明中的相参性是指每次采集时钟和采集信号之间的相位关系固定。其中，设为触发信号上升沿出现后，HMC703开始扫频的延迟时间，为AD采集时钟上升沿出现后，ADC采集信号的延迟时间，保证相参性即保证每次采集恒定。
PS端顺序执行指令，不同指令的耗时不同，所以不是定值，无法保证采集时钟上升沿到来后经过固定时间采集。
为保证采集的相参性，使用PL端进行采集。时钟晶振功分为两路，一路作为进入HMC703发射参考时钟，一路进入AD9508时钟管理芯片。如图3所示，trigger信号是触发HMC703开始锁相扫频的信号，由AD采样时钟经过PL部分整数倍分频得到，AD采样时钟由发射参考时钟经过AD9508时钟芯片整数倍分频得到。即所有时钟均由一个时钟晶振分频产生，保证了时钟同源，使trigger信号的上升沿和AD采样时钟的上升沿同时到达，可保证恒定。
最后，当接收到上位机的采集指令，AD采集时钟上升沿到达时，读取ADC的数据，写入PL端的BRAM(Block RAM PL端的块ram)，然后在下一拍完成写BRAM后，触发PS端的中断，通过AXI总线把BRAM数据读取到PS端的DDR RAM中。由于DDR RAM容量远大于BRAM，可以储存一个脉冲的点数，再一次性进行通过TCP发送至上位机，循环此过程直至采集完成。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变，而所有的这些改变，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于SOC的调频连续波雷达，具有射频系统，所述射频系统由精密晶振、锁相环、滤波器、功率放大器、混频器、低噪放与收发天线组成，用于完成FMCW信号的产生、接收和解线调，其特征在于，信号采集处理装置由UltraScale+Mpsoc、DDR RAM、AD采集时钟、ADC与以太网接口组成；所述信号采集处理装置用于完成对所述射频系统的控制、中频信号的采集和处理；其中，所述信号采集处理装置由PS端和PL端部分协同完成，所述射频系统的信号由PL端采集，PL端通过AXI总线和中断与PS端进行通信；
还包括上位机，所述信号采集处理装置与上位机通过以太网进行连接，上位机与PS端握手连接后，根据接收到上位机的指令执行相应操作；
当接收到上位机的采集指令，AD采集时钟上升沿到达时，读取ADC的数据，写入PL端的BRAM，然后在下一拍完成写BRAM后，触发PS端的中断，通过AXI总线把BRAM数据读取到PS端的DDR RAM中；其中，由于DDR RAM容量远大于BRAM，可以储存一个脉冲的点数，再一次性进行通过TCP发送至上位机，循环此过程直至采集完成；
每次采集，采集时钟和采集信号之间的相位关系固定，即，每次的触发信号上升沿、采集时钟上升沿的时间差为恒定；
根据所需的工作频段，更换对应频段的锁相环PLL、压控振荡器VCO、收发天线和混频器，然后在PS端的软件修改相应的参数。
2.根据权利要求1所述的基于SOC的调频连续波雷达，其特征在于，若收到修改参数的指令，则重新写芯片的寄存器；若收到开始采集的指令，则开始采集；完成后回到等待接收指令状态。
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