CN115061110A - 数字全宽带直接转发式搜救雷达应答器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种数字全宽带直接转发式搜救雷达应答器系统，其提出了一种全新的搜救雷达应答器（SART）系统架构及与之对应的新的编码识读方案。本发明系统采用直接转发式体系架构，该架构结合了数字宽带DRFM实时转发技术及间断点编码响应架构。收发天线独立且同时工作，对工作频段内的所有雷达询问信号直接无差别编码转发，保留了完整波形信息的同时实现了对响应信息的编码。本发明系统可等效于一个具有特殊目标特性的目标，工作频段内的雷达信号照射到该目标后会产生具有固定编码调制特性的回波信号。

Description

数字全宽带直接转发式搜救雷达应答器系统

技术领域

本发明属于船舶导航无线电技术领域，尤其涉及一种数字全宽带直接转发式搜救雷达应答器系统。

背景技术

搜救雷达应答器（SART）主要应用在船舶上，是海上遇险现场进行搜救任务的辅助装置。当搜救雷达应答器（SART）开启后，只要有搜救雷达询问信号，搜救雷达应答器（SART）就会产生特定含义的编码应答信号，搜救雷达屏幕上就会显示一连串的亮点，从而定位到待救者，便于搜救船只及时到达遇险现场进行施救。

现有的搜救雷达应答器（SART）主要采用扫频方式实现，发射机在扫描器的锯齿脉冲和接收机方波控制下工作，发射频率范围在9200-9500MHz，使搜救雷达很容易的接收到应答信号。

扫频式搜救雷达应答器（SART）的工作原理是：当遭遇海难的船舶等待救援时，开启搜救雷达应答器（SART），接收9200MHz-9500MHz内的微波信号，每收到一个搜救雷达询问信号，就产生一个100us的方波，方波控制扫频器，扫频器再控制发射机，连续发射12次频率从9200MHz到9500MHz和从9500MHz到9200MHz的扫频脉冲信号，正向单次扫频时间为7.5±1us，反向单次扫频时间为0.4±0.1us，搜救雷达的显示屏幕上就会显示一连串亮点，两个亮点之间的显示间隔约为8us。

当前扫频式搜救雷达应答器（SART）系统存在以下不足：

1）对雷达发射波形及信号处理体制敏感，仅适用于窄带、简单调制雷达波形，无法适应新体制宽带、复杂调制波形；

2）天线采用收发分时复用体制，发射信号期间不能对雷达询问进行应答，从而可能丢失对部分搜救雷达信号的应答。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决当前搜救雷达应答器（SART）无法应答具有宽带、复杂调制波形的新体制雷达的问题，本发明的提供一种数字全宽带直接转发式搜救雷达应答器系统。

传统搜救雷达应答器（SART）体制采用扫频-生成式体系架构，该架构收发分时共用同一个天线。由于传统搜救雷达应答器（SART）的应答波形为简单的扫频信号，而新体制固态搜救雷达采用大带宽、复杂调制波形，应答的信号形式与新体制搜救雷达发射的信号形式不匹配，导致搜救雷达无法接收到应答信号。

为了实现对新体制雷达的应答，本发明提出一种全新的搜救雷达应答器（SART）系统架构及新编码识读方案。本发明系统以数字直接转发式为体系架构，采用数字宽带DRFM实时转发技术，收发天线独立且同时工作，能够对工作频段内的所有雷达询问信号直接无差别编码转发，保留了完整波形信息的同时实现了对应答信息的编码。本发明系统可等效于一个具有特殊特性的目标，工作频段内的雷达信号照射到目标上产生具有固定编码调制特性的回波信号。

本发明系统的核心是采用编码调制方法。标准搜救雷达应答器（SART）每收到一个搜救雷达触发信号，就产生一个100us的方波，方波信号控制扫频器，扫频器再控制发射机，连续发射12次频率从9200MHz到9500MHz和从9500MHz到9200MHz的扫频脉冲信号，正向单次扫频时间为7.5±1us，反向单次扫频时间为0.4±0.1us，搜救雷达的显示屏幕在径向上显示明显区别于其他物体的一连串亮点，其总长度约为8us*150m/us*12=14.4km。为了实现对新体制雷达的应答，本发明系统采用了一种以点编码响应架构代替当前编码效果，该编码架构的编码原则为：1）每个“点”代表编码中的基本符号单元，长度为8us左右；2）将12个“点”逐级延时后进行叠加，形成一串有12个亮点的回波信号，每一级的延时为8us；3）每个回波“点”在雷达上显示所占的距离取决于雷达分辨率。按以上原则进行编码，在搜救雷达显示屏幕上，依据回波点数量及回波点之间等间距特性，即可轻松识别接收到的编码。

本发明具体采用以下技术方案：

一种数字全宽带直接转发式搜救雷达应答器系统，其特征在于：采用数字宽带DRFM实时转发技术及间断点编码响应架构；收发天线独立且同时工作，对工作频段内的所有雷达询问信号直接无差别编码转发；

采用的编码原则为：1）每个“点”代表编码中的基本符号单元，长度为8us；2）将12个“点”逐级延时后进行叠加，形成一串有12个亮点的回波信号，每一级的延时为8us；3）每个回波“点”在雷达上显示所占的距离取决于雷达分辨率。

其中，延时为8us指的是理论值，在实际的工程实现当中允许有一定的偏差，只要保证在8us左右即可，也属本发明的保护范围之内。

进一步地，编码调制由抽头延迟器和叠加模块两部分实现；

所述抽头延迟器采用多级延迟抽头叠加架构，延迟模块间首尾相连形成延迟链，每级延迟模块的延迟值相同且固定，延迟固定值为8us，抽头数据从抽头延迟器输入及每级延迟模块输出引出至叠加模块；

所述叠加模块将输入的所有抽头数据叠加为1路编码调制波形输出。

进一步地，通过所述编码调制实现在搜救雷达屏幕上显示为“点-点-点-点-点-点-点-点-点-点-点-点”的一串亮点，这些亮点与编码设置值 “111111111111”一一对应，每个“点”代表8us延时，编码的时长为8us*12=96us。

进一步地，完整的系统包括：由接收天线及发射天线组成的天线系统、由射频接收链路及射频发射链路组成的射频收发模块，以及，包括ADC采集模块、FPGA处理模块及DAC播放模块的基带处理模块；

所述接收天线用于从空间接收工作频段范围内雷达发射信号，发射天线用于将系统应答信号辐射到空间；

射频收发模块由射频接收链路和射频发射链路组成，射频收发链路共用本振模块，覆盖整个搜救雷达应答器（SART）的300MHz工作带宽。所述射频接收链路用于将接收天线输出的射频信号转换为中频信号输出给基带处理模块的ADC采集模块；所述射频发射链路用于将基带处理模块的DAC播放模块输出的中频信号转换为射频信号输出给发射天线；射频接收链路及射频发射链路均包括有：滤波器、放大器和混频器等射频器件。

基带处理模块由ADC采集模块、FPGA处理模块及DAC播放模块组成。

所述ADC采集模块将射频接收机输出的中频模拟信号转换为数字信号并送入FPGA处理模块；所述DAC播放模块将FPGA处理模块输出的数字信号转换为模拟信号并送入射频发射机的中频模拟输入接口。

ADC采集模块及DAC播放模块的采样率设置需保证能够对整个搜救雷达应答器（SART）的300MHz带宽范围内的信号进行全频段采集。

所述FPGA处理模块用于实现ADC采集数据的正交下变频处理、包络检波、编码调制及正交上变频处理。

进一步地，还包括：天线罩，用于保护各组件模块，防止环境对各组件模块工作状态的影响和干扰。

进一步地，所述天线系统的工作频段范围为覆盖搜救雷达应答器的300MHz带宽工作范围，收发天线间的隔离度远大于系统总增益；所述射频收发链路的工作频段范围覆盖9.2GHz-9.5GHz的搜救雷达应答器的300MHz带宽工作范围，所述射频接收链路及射频发射链路均包括有：滤波器、放大器和混频器；所述ADC采集模块及DAC播放模块的采样率设置需保证能够对搜救雷达应答器的300MHz带宽范围内的信号进行全频段采集。

进一步地，其工作方法包括以下步骤：

步骤S1：开启设备，设备上电后并初始化，进入待机状态；

步骤S2：接收天线从空间接收工作频段范围内的雷达发射信号；

步骤S3：射频接收链路对接收天线输出的射频信号进行滤波、放大、混频、滤波、放大后输出中频信号；

步骤S4：基带处理模块的ADC采集模块对射频接收链路输出的中频模拟信号模数转换，转换为数字信号并输出；

步骤S5：基带处理模块的FPGA处理模块接收ADC采集模块输出的数字信号并对其进行DDC处理，将接收信号搬移到基带；

步骤S6：FPGA处理模块中的编码调制模块接收DDC处理模块输出的基带信号并对其进行编码调制处理；

步骤S7：FPGA处理模块中的DUC模块接收编码调制模块的输出并对其进行上变频处理，处理后输出中频数字信号；

步骤S8：基带处理模块的DAC播放模块对FPGA处理模块中DUC模块输出的中频数字信号进行数模转换，转换为模拟中频信号后输出；

步骤S9：射频发射链路对基带处理模块DAC播放模块输出的中频模拟信号进行滤波、放大、混频、滤波、放大后输出射频信号；

步骤S10：发射天线将射频发射链路输出的射频信号辐射到空间。

与现有技术相比，本发明收发天线独立且同时工作，可对所有搜救雷达询问信号实现无差别编码转发。本发明及其优选方案有益效果包括：

1）对雷达发射波形及信号处理体制不敏感，在兼容传统雷达信号前提下可应答具有复杂调制波形的新体制雷达信号，使新技术、新体制应用于船舶搜救雷达系统成为可能；

2）能够同时可靠得响应所有接收到的雷达询问信号，即使多部雷达询问信号在时域或频域上有叠加部分；

3）具有更小的系统延时，即具有较高的距离精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例提供的系统组成框图；

图2为本发明实施例编码调制模块实现框图；

图3为本发明实施例编码映射关系表。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本实施例提供的数字全宽带直接转发式搜救雷达应答器系统，包括以下部分：

（1）接收天线，（2）射频接收链路，（3）基带处理模块，（4）射频发射链路，（5）发射天线。

其中：

（1）接收天线，用于从空间接收工作频段范围内的雷达发射信号；

（2）射频接收链路，用于对接收天线输出的射频信号进行滤波、放大、混频、滤波、放大后输出中频信号；

（3）基带处理模块，用于对射频接收链路输出的中频模拟信号进行ADC采集、数字下变频、编码调制、数字上变频及DAC播放；

（4）射频发射链路，用于对基带处理模块DAC播放模块输出的中频模拟信号进行滤波、放大、混频、滤波、放大后输出射频信号；

（5）发射天线，用于将射频发射链路输出的射频信号辐射到空间。

在本实施例中，上述组成部件间的连接关系为：从（1）至（5），上一个模块的输出依次连接到下一个模块的输入，从而构成系统基本的组成。

以下分别对本实施例系统的各个组成部分进行说明。

天线系统：天线系统由接收天线及发射天线组成。天线的工作频段范围覆盖整个搜救雷达应答器（SART）的300MHz带宽工作范围（X波段：9.2G～9.5G）。接收天线用于从空间接收工作频段范围内雷达发射信号，发射天线用于将系统响应信号辐射到空间。由于收发天线需要同时工作，为避免系统自激，收发天线间的隔离度必须远大于系统总增益。系统增益与应答距离成正比，为增大响应距离，高隔离度收发天线设计对本系统至关重要。高隔离度天线设计的两个可行途径为：1）收发天线本身参数及布局优化设计2）增加对消装置，也可将以上两种途径结合。收发天线安装需要上下放置，均成基本垂直状态，并且相隔越远越好。为了紧凑，结构设计上可以在收发天线之间增加一块无线电信号隔离板。隔离板由对无线电信号有隔离或屏蔽效应的金属等材料制成。收发天线约在一条垂直线上或稍有错开。隔离板一般为圆形、方形等，隔离板中心约在两个天线的连线上，并靠近两个天线之间的中间位置，约成水平状态，与天线垂直，以避免系统自激，从而可以增加发射功率达到增大响应距离的效果。

射频收发模块：射频收发模块由射频接收链路及射频发射链路组成。射频收发链路的工作频段范围覆盖整个搜救雷达应答器（SART）的300MHz带宽工作范围（X波段：9.2G～9.5G）。射频接收链路及射频发射链路均由滤波器、放大器、混频器等核心器件组成，射频收发链路共用本振模块。射频接收链路用于将接收天线输出的射频信号转换为中频信号输出给基带处理模块的ADC采集模块，射频发射链路用于将基带处理模块的DAC播放模块输出的中频信号转换为射频信号输出给发射天线。

基带处理模块：基带处理模块主要由ADC采集模块、FPGA处理模块及DAC播放模块组成。ADC采集模块将射频接收机输出的中频模拟信号转换为数字信号并送入FPGA处理模块。DAC播放模块将FPGA处理模块输出的数字信号转换为模拟信号并送入射频发射机的中频模拟输入接口。ADC采集模块及DAC播放模块的采样率设置需保证能够对整个搜救雷达应答器（SART）的300MHz带宽范围内的信号进行全频段采集。FPGA处理模块是本发明系统的核心模块，主要实现ADC采集数据的正交下变频处理、包络检波、编码调制及正交上变频处理。

如图2到图3所示，其中，编码调制是本实施例系统的核心处理环节，由抽头延迟器和叠加模块两部分组成。抽头延迟器采用多级延迟抽头叠加架构实现，延迟模块间首尾相连形成延迟链，每级延迟模块的延迟值相同且可设置。抽头数据从抽头延迟器输入及每级延迟模块输出引出至叠加模块；叠加模块将输入的所有抽头数据叠加为1路编码调制波形输出。编码设置固定值为111111111111。编码设置值的每1bit称为一个基本符号单元，编码设置值与“点-点-点-点-点-点-点-点-点-点-点-点”的显示效果映射基本原则是：“点”用1表示，“点”所表示的延时为8us左右。编码总时长为8us*12=96us左右。

图3当中：A:基本符号长度（一个“点”对应的延时长度），与各级延时单元的延时值一致；B：雷达显示长度，与雷达分辨率一致；C：设备固有延时。其中，输入波形脉宽与A没有直接联系。

天线罩：天线罩用于保护本发明系统其它部位，防止环境对其它部位工作状态的影响和干扰。同时天线罩设计对本发明系统的收发天线隔离度有一定影响，天线罩设计与收发天线设计应该综合考虑。

基于以上系统及设计原则，本实施例提供该系统架构下更为具体的设计和工作方法：

1）系统上电并进行初始化；

2）给基带处理模块的编码调制模块下发编码配置值：12’b1111_1111_1111及抽头延迟器延时值：2000（对应基本符号单元长度：2000*4ns=8us）；

3）接收天线（X：9.2～9.5G，全向，水平极化，俯仰角度22°，增益6dBi，收发天线间隔离度85dB）从空间接收工作频段范围内的雷达发射信号；

4）射频接收链路（输入：9.2～9.5GHz，输出：600～900MHz，增益：30dB）对接收天线输出的射频信号进行滤波、放大、混频、滤波、放大后输出中频信号；

5）基带处理模块的ADC采集模块（采样率1Gbps）对射频接收链路输出的中频模拟信号模数转换，转换为数字信号（4路并行@250MHz）并输出；

6）基带处理模块的FPGA处理模块（FPGA型号：xc7v325t-ffg900）接收ADC采集模块输出的数字信号并对其进行DDC处理（本振频率750MHz,滤波器带宽300MHz,4抽），将接收信号搬移到基带（1路信号，采样率250Mbps）；

7）FPGA处理模块中的编码调制模块接收DDC处理模块输出的基带信号并对其进行编码调制处理；

8）FPGA处理模块中的DUC模块（本振频率750MHz,滤波器带宽300MHz,4插值）接收编码调制模块的输出并对其进行上变频处理，处理后输出中频数字信号（4路并行@250MHz）；

9）基带处理模块的DAC播放模块对FPGA处理模块中DUC模块输出的中频数字信号进行数模转换，转换为模拟中频信号后输出（1路，600～900MHz）；

10）射频发射链路（输入：600～900MHz，输出：9.2～9.5GHz，增益：50dB）对基带处理模块中DAC播放模块输出的中频模拟信号进行滤波、放大、混频、滤波、放大后输出射频信号；

11）发射天线（X：9.2～9.5G，全向，水平极化，俯仰角度22°，增益6dBi，收发天线间隔离度85dB）将射频发射链路输出的射频信号辐射到空间。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种数字全宽带直接转发式搜救雷达应答器系统，其特征在于：采用数字宽带DRFM实时转发技术及间断点编码响应架构；收发天线独立且同时工作，对工作频段内的所有雷达询问信号直接无差别编码转发；

采用的编码原则为：1）每个“点”代表编码中的基本符号单元，长度为8us；2）将12个“点”逐级延时后进行叠加，形成一串有12个亮点的回波信号，每一级的延时为8us；3）每个回波“点”在雷达上显示所占的距离取决于雷达分辨率。

2.根据权利要求1所述的数字全宽带直接转发式搜救雷达应答器系统，其特征在于：编码调制由抽头延迟器和叠加模块两部分实现；

所述抽头延迟器采用多级延迟抽头叠加架构，延迟模块间首尾相连形成延迟链，每级延迟模块的延迟值相同且固定，延迟固定值为8us，抽头数据从抽头延迟器输入及每级延迟模块输出引出至叠加模块；

所述叠加模块将输入的所有抽头数据叠加为1路编码调制波形输出。

3.根据权利要求2所述的数字全宽带直接转发式搜救雷达应答器系统，其特征在于：通过所述编码调制实现在搜救雷达屏幕上显示为“点-点-点-点-点-点-点-点-点-点-点-点”的一串亮点，这些亮点与编码设置值 “111111111111”一一对应，每个“点”代表8us延时，编码的时长为8us*12=96us。

4.根据权利要求1所述的数字全宽带直接转发式搜救雷达应答器系统，其特征在于：包括：由接收天线及发射天线组成的天线系统、由射频接收链路及射频发射链路组成的射频收发模块，以及，包括ADC采集模块、FPGA处理模块及DAC播放模块的基带处理模块；

所述接收天线用于从空间接收工作频段范围内雷达发射信号，发射天线用于将系统应答信号辐射到空间；

射频收发链路共用本振模块；所述射频接收链路用于将接收天线输出的射频信号转换为中频信号输出给基带处理模块的ADC采集模块；所述射频发射链路用于将基带处理模块的DAC播放模块输出的中频信号转换为射频信号输出给发射天线；

所述ADC采集模块将射频接收机输出的中频模拟信号转换为数字信号并送入FPGA处理模块；所述DAC播放模块将FPGA处理模块输出的数字信号转换为模拟信号并送入射频发射机的中频模拟输入接口；所述FPGA处理模块用于实现ADC采集数据的正交下变频处理、包络检波、编码调制及正交上变频处理。

5.根据权利要求4所述的数字全宽带直接转发式搜救雷达应答器系统，其特征在于：还包括：天线罩，用于保护各组件模块，防止环境对各组件模块工作状态的影响和干扰。

6.根据权利要求4所述的数字全宽带直接转发式搜救雷达应答器系统，其特征在于：所述天线系统的工作频段范围为覆盖搜救雷达应答器的300MHz带宽工作范围，收发天线间的隔离度远大于系统总增益；所述射频收发链路的工作频段范围覆盖9.2GHz-9.5GHz的搜救雷达应答器的300MHz带宽工作范围，所述射频接收链路及射频发射链路均包括有：滤波器、放大器和混频器；所述ADC采集模块及DAC播放模块的采样率设置需保证能够对搜救雷达应答器的300MHz带宽范围内的信号进行全频段采集。

7.根据权利要求4所述的数字全宽带直接转发式搜救雷达应答器系统，其特征在于：其工作方法包括以下步骤：

步骤S1：开启设备，设备上电后并初始化，进入待机状态；

步骤S2：接收天线从空间接收工作频段范围内的雷达发射信号；

步骤S3：射频接收链路对接收天线输出的射频信号进行滤波、放大、混频、滤波、放大后输出中频信号；

步骤S4：基带处理模块的ADC采集模块对射频接收链路输出的中频模拟信号模数转换，转换为数字信号并输出；

步骤S5：基带处理模块的FPGA处理模块接收ADC采集模块输出的数字信号并对其进行DDC处理，将接收信号搬移到基带；

步骤S6：FPGA处理模块中的编码调制模块接收DDC处理模块输出的基带信号并对其进行编码调制处理；

步骤S7：FPGA处理模块中的DUC模块接收编码调制模块的输出并对其进行上变频处理，处理后输出中频数字信号；

步骤S8：基带处理模块的DAC播放模块对FPGA处理模块中DUC模块输出的中频数字信号进行数模转换，转换为模拟中频信号后输出；

步骤S9：射频发射链路对基带处理模块DAC播放模块输出的中频模拟信号进行滤波、放大、混频、滤波、放大后输出射频信号；

步骤S10：发射天线将射频发射链路输出的射频信号辐射到空间。

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