CN114779179A - 一种基于气象雷达的抗饱和接收电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于气象雷达的抗饱和接收电路，属于气象雷达技术领域，它包括雷达接收机和数字中频处理器；雷达接收机用于接收回波信号，并通过数字中频处理器实现对第一级易饱和电路和衰减器的切换控制，输出中频信号到数字中频处理器；数字中频处理器对接收到的切换前后中频信号进行幅度和相位计算，并实时对切换后的中频信号幅度和相位进行补偿还原。本发明采用高速射频开关对信号通道进行切换，当输入信号为小功率信号时，切换信号至增益通道实现信号放大；当输入信号为大功率信号时，切换信号至衰减通道，保证后级电路不饱和，从而实现雷达接收系统的抗饱和接收，从小功率到大功率的信号都能进行线性处理，保留信号准确的幅度与相位信息。

Description

一种基于气象雷达的抗饱和接收电路
技术领域
本发明涉及气象雷达技术领域，尤其涉及一种基于气象雷达的抗饱和接收电路。
背景技术
为了获取雷达探测的弱信号目标信息，现有雷达接收机内部通常采用高增益放大器件对信号进行放大，以提升信号的信噪比，但是此类器件工作的功率范围有限，加上接收机中混频器的饱和功率点较低，限制了雷达接收机的接收功率线性动态范围；而根据目前的电子器件水平，数字中频处理器中目前使用的高性能ADC器件普遍为16位，其采用动态范围不超过96dB，这将导致雷达接收机线性动态范围只有95dB，制约了雷达所能表征的天气目标强度以及雷达可适用的天气过程。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于气象雷达的抗饱和接收电路，解决了现有雷达接收系统存在的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于气象雷达的抗饱和接收电路，它包括雷达接收机以及与其连接的数字中频处理器；所述雷达接收机用于接收回波信号，并通过数字中频处理器实现对第一级易饱和电路和衰减器的切换控制，输出中频信号到数字中频处理器；所述数字中频处理器对接收到的切换前后中频信号进行幅度和相位计算，并实时对切换后的中频信号幅度和相位进行补偿还原，以达到提升雷达接收系统动态范围的目的。
所述雷达接收机包括限幅器、第一开关、第二开关、第一级易饱和电路、衰减器和变频放大滤波电路；回波信号输入到限幅器，限幅器的输出端与第一开关的输入端连接，第一级易饱和电路和衰减器连接在第一开关和第二开关之间，第二开关的输出端与变频放大滤波电路的输入端连接，变频放大滤波电路的输出端输出中频信号到数字中频处理器；所述数字中频处理器与所述第一开关和第二开关的输入端连接，实现对第一级易饱和电路和衰减器的切换控制。
所述数字中频处理器包括AD采样电路、FPGA和接口电路；所述AD采样电路对雷达接收机输出的中频信号采样量化，并将采样量化后的数字信号输入到FPGA中进行变频、滤波和抽取处理以降低信号数据率，FPGA对抽取后的数据进行幅度和相位计算，根据幅度计算值通过接口电路输出控制信号到雷达接收机进行开关切换控制，并根据开关状态实时对开关切换后的信号幅度和相位进行补偿还原。
所述根据幅度计算值通过接口电路输出控制信号到雷达接收机进行开关切换控制具体包括：当信号功率低于门限阈值时，数字中频处理器控制第一开关和二开关同步切换到第一级易饱和电路，当信号功率达到门限阈值时，数字中频处理器控制第一开关和第二开关同步切换到衰减器。
所述根据开关状态实时对开关切换后的信号幅度和相位进行补偿还原包括：数字中频处理器计算开关前后的信号功率和相位，通过数字功率补偿和数字相位偏移处理对开关切换后的信号功率和相位进行修正。
本发明具有以下优点：一种基于气象雷达的抗饱和接收电路，采用高速射频开关对信号通道进行切换，当输入信号为小功率信号时，切换信号至增益通道实现信号放大；当输入信号为大功率信号时，切换信号至衰减通道，保证后级电路不饱和，从而实现雷达接收系统的抗饱和接收，从小功率到大功率的信号都能进行线性处理，保留信号准确的幅度与相位信息；通过抗饱和接收技术，大幅提升雷达接收系统的动态范围，动态范围可至120dB以上，并在少量增加雷达硬件设计与成本的情况下大幅提升雷达接收系统性能，变相提升了雷达的集成度，实现雷达从弱回波至强回波的全天气过程探测，提升雷达的适用性，将幅度与相位处理过程集成到原有的信号处理器算法中，以较小的成本代价大幅提高雷达整机性能，从而变相的降低了同性能雷达系统的设备开发、生产与调测费用，降低了雷达成本。
附图说明
图1 为本发明的原理结构示意图；
图2 为数字中频处理器的原理结构示意图。
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，一种基于气象雷达的抗饱和接收电路，它包括雷达接收机以及与其连接的数字中频处理器；所述雷达接收机用于接收回波信号，并通过数字中频处理器实现对第一级易饱和电路和衰减器的切换控制，输出中频信号到数字中频处理器；所述数字中频处理器对接收到的切换前后中频信号进行幅度和相位计算，并实时对切换后的中频信号幅度和相位进行补偿还原，以达到提升雷达接收系统动态范围的目的。
所述雷达接收机包括限幅器、第一开关、第二开关、第一级易饱和电路、衰减器和变频放大滤波电路；回波信号输入到限幅器，限幅器的输出端与第一开关的输入端连接，第一级易饱和电路和衰减器连接在第一开关和第二开关之间，第二开关的输出端与变频放大滤波电路的输入端连接，变频放大滤波电路的输出端输出中频信号到数字中频处理器；所述数字中频处理器与所述第一开关和第二开关的输入端连接，实现对第一级易饱和电路和衰减器的切换控制。
进一步地，第一开关和第二开关均采用GaAs PIN单刀双掷开关器件，输入输出阻抗50Ω匹配，具备频率范围宽、隔离度大、开关速度快等特点。雷达探测距离分辨率一般不小于15m，数据率不大于10MHz，即数据间隔大于或等于100ns，本发明所用开关速度为20ns，完全满足雷达通道切换速度需求。单个开关通道隔离度为45dB，第一开关和第二开关级联后隔离度大于80dB，满足雷达隔离度需求。
如图2所示，数字中频处理器包括AD采样电路、FPGA和接口电路；所述AD采样电路对雷达接收机输出的中频信号采样量化，并将采样量化后的数字信号输入到FPGA中进行变频、滤波和抽取处理以降低信号数据率，FPGA对抽取后的数据进行幅度和相位计算，根据幅度计算值通过接口电路输出控制信号到雷达接收机进行开关切换控制，并根据开关状态实时对开关切换后的信号幅度和相位进行补偿还原。
进一步地，雷达信号处理器采集到中频信号后通常采用数字正交解调生成基带IQ复信号，对基带IQ复信号进行幅相计算。复信号表征为：I+j*Q。
功率（幅度）计算中，当开关切换到第一级易饱和电路时，信号功率为：P增益（mW），复信号表征为I增益+j*Q增益；当开关切换到衰减器时，信号功率为：P衰减（mW），复信号表征为I衰减+j*Q衰减；P增益（mW）= I增益 2+ Q增益 2，P衰减（mW）= I衰减 2+ Q衰减 2，其中j表示虚数。
相位计算中，采用CORDIC旋转迭代法，通过有限次的相角迭代你和运算即可计算出被测信号的瞬时相角，具体内容如下：
将向量i的坐标（xi，yi）旋转θ角得到一个新向量k的坐标（xk，yk），则xk=xicosθ-yisinθ、yk=yicosθ + xisinθ；采用多次迭代，可推导出第n+1次旋转的向量为：Xn+1 = xncosθn - ynsinθn = cosθn(xn - yntanθn)，Yn+1 = yncosθn + xnsinθn = cosθn(yn + xntanθn)；在不考虑向量幅度变化的情况下，可以省去cosθn，因此：Xn+1 = xn - yntanθn，Yn+1 = yn +xntanθn；指定tanθn=1/2n，在迭代的过程中，向量不断的朝着xn=0的方向进行旋转，当详细那个旋转至接近xn=0处，旋转累积角度为该向量的相位值。
所述根据幅度计算值通过接口电路输出控制信号到雷达接收机进行开关切换控制具体包括：当信号功率低于门限阈值时，数字中频处理器控制第一开关和二开关同步切换到第一级易饱和电路，当信号功率达到门限阈值时，数字中频处理器控制第一开关和第二开关同步切换到衰减器。
所述根据开关状态实时对开关切换后的信号幅度和相位进行补偿还原包括：数字中频处理器计算开关前后的信号功率和相位，通过数字功率补偿和数字相位偏移处理对开关切换后的信号功率和相位进行修正。
功率修正：由于增益和衰减通道的功率增益差为固定值，在通道切换后可对I信号和Q信号做固定系数相乘以达到功率的修正。修正后，雷达在做接收系统功率线性动态范围测试时，可实现从功率低端到高端全部线性表征。
相位修正：相位修正同样采用CORDIC算法原理，如：切换后的信号为Ii+j*Qi，相位修正角度为β，相位修正后的信号为Ik+j*Qk；其中：Ik=Iicosβ - Qisinβ，Qk=Qicosβ + Iisinβ。
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 (5)

1.一种基于气象雷达的抗饱和接收电路，其特征在于：它包括雷达接收机以及与其连接的数字中频处理器；所述雷达接收机用于接收回波信号，并通过数字中频处理器实现对第一级易饱和电路和衰减器的切换控制，输出中频信号到数字中频处理器；所述数字中频处理器对接收到的切换前后中频信号进行幅度和相位计算，并实时对切换后的中频信号幅度和相位进行补偿还原，以达到提升雷达接收系统动态范围的目的。
2.根据权利要求1所述的一种基于气象雷达的抗饱和接收电路，其特征在于：所述雷达接收机包括限幅器、第一开关、第二开关、第一级易饱和电路、衰减器和变频放大滤波电路；回波信号输入到限幅器，限幅器的输出端与第一开关的输入端连接，第一级易饱和电路和衰减器连接在第一开关和第二开关之间，第二开关的输出端与变频放大滤波电路的输入端连接，变频放大滤波电路的输出端输出中频信号到数字中频处理器；所述数字中频处理器与所述第一开关和第二开关的输入端连接，实现对第一级易饱和电路和衰减器的切换控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于气象雷达的抗饱和接收电路，其特征在于：所述数字中频处理器包括AD采样电路、FPGA和接口电路；所述AD采样电路对雷达接收机输出的中频信号采样量化，并将采样量化后的数字信号输入到FPGA中进行变频、滤波和抽取处理以降低信号数据率，FPGA对抽取后的数据进行幅度和相位计算，根据幅度计算值通过接口电路输出控制信号到雷达接收机进行开关切换控制，并根据开关状态实时对开关切换后的信号幅度和相位进行补偿还原。
4.根据权利要求3所述的一种基于气象雷达的抗饱和接收电路，其特征在于：所述根据幅度计算值通过接口电路输出控制信号到雷达接收机进行开关切换控制具体包括：当信号功率低于门限阈值时，数字中频处理器控制第一开关和二开关同步切换到第一级易饱和电路，当信号功率达到门限阈值时，数字中频处理器控制第一开关和第二开关同步切换到衰减器。
5.根据权利要求3所述的一种基于气象雷达的抗饱和接收电路，其特征在于：所述根据开关状态实时对开关切换后的信号幅度和相位进行补偿还原包括：数字中频处理器计算开关前后的信号功率和相位，通过数字功率补偿和数字相位偏移处理对开关切换后的信号功率和相位进行修正。
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