CN117406165A - 基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统，包括：软件无线电、射频前端和FP谐振腔天线，所述软件无线电用于发射信号以及接收信号并对接收信号处理获得目标的距离和方向；所述射频前端用于对发射信号进行上变频以及增大，对接收信号进行降噪、增大以及下变频；所述FP谐振腔天线用于将上变频以及增大后的信号发射出去并接收信号。本发明可以实现在较大空域上对目标进行多波束测向，相比于传统的机械控制天线转动的系统，该系统采用电控开关，以一定频率给相邻的两个天线馈源供电，来实现天线的旋转扫描，拥有更高的测量速度与效率。
Description
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，具体为一种基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统。
背景技术
测向是通过计算电磁波信号参数而获得辐射源所在空间角度的过程。该技术在军事领域和民用领域都有着广泛的应用。当前常用的侧向方法有：振幅法测向、相位法测向、多普勒测向、到达时差测向。
振幅法测向根据测向天线系统接收信号的相对幅度大小来确定信号的到达角。它的优点是测向精度较高，缺点是系统较复杂。振幅法主要用于对辐射源的跟踪，其测向精度高，但测向范围较小，典型应用于反辐射导弹等。相位法测向根据测向天线系统接收同一信号的相对相位差来确定信号的到达角，由于相对相位差来源于相对波程差与波长的比值，而雷达信号的波长较短，相位变化对波程差很灵敏，因此，相位法测向的无模糊测角范围较小，天线系统较集中。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种基于扫频同时多波束的基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统设计。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统，包括：软件无线电、射频前端和FP谐振腔天线，所述软件无线电用于发射信号以及接收信号并对接收信号处理获得目标的距离和方向；所述射频前端用于对发射信号进行上变频以及增大，对接收信号进行降噪、增大以及下变频；所述FP谐振腔天线用于将上变频以及增大后的信号发射出去并接收信号。
优选地，所述软件无线电包括ZYNQ芯片、AD9361芯片以及上位机，所述ZYNQ芯片用于对AD936进行初始化配置，发射扫频信号，并对回波信号进行处理，所述AD9361用于实现发射信号的生成以及回波信号的采集，将模拟数据转化成数字数据传送给ZYNQ计算处理，ZYNQ芯片和AD9361芯片之间通过SPI协议进行通信；所述上位机用于显示模板的位置信息。
优选地，ZYNQ芯片采用比幅法获得方位角，经过查表获得俯仰角。
优选地，所述射频前端包括发射支路和接收支路，发射支路包括前端放大电路以及混频电路，所述接收支路包括依次连接的低噪声放大器，混频器以及中频放大器。
优选地，所述FP谐振腔天线包括包括上盖板PRS(1)、金属地板(4)、八个对跖费米缝隙天线(3)、馈源支架(5)和SMA接口(2)，上盖板PRS(1)和金属地板(4)组成FP腔，所述上盖板(1)靠近金属地板(4)的一面为覆铜层，覆铜层剖去部分铜层形成由圆构成的一圈圈非金属圆环；八个对跖费米缝隙天线(3)均匀设置在FP腔的外边缘的一周，所述对跖费米缝隙天线(3)与SMA接口(2)之间通过馈源支架(5)连接。
优选地，圆的半径为3.4mm。
优选地，所述对跖费米锥形缝隙天线为缝隙渐变天线。
优选地，所述对跖费米锥形缝隙天线的缝隙轮廓线采用费米—狄拉克方程：
其中zu，zb分别是费米-狄拉克方程中的xu，xb从缝隙开口变化到馈源微带线lF的z值，xu，xb为缝隙边缘的坐标；参数b，c，W，Wc是影响该曲线变化趋势的常量；
锯齿形的波纹外边缘采用的是幅值渐变的正弦曲线，曲线方程为：
其中Al和Ar分别是幅值渐变正弦曲线的左侧起始幅值和右侧结束幅值，k是波纹个数，Z0是曲线沿z轴平移的距离，lc是总的波纹长度，xcu为波纹外边缘坐标。
优选地，上盖板PRS(1)和金属地板(4)的半径相同，
优选地，对跖费米缝隙天线(3)距离金属地板的高度为4mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明基于FP谐振腔天线，通过频率扫描获得目标的俯仰角，可以实现大空域的探测；
(2)本发明采用AD9361发射和接收信号，具有低成本、高效率特点。
(3)本发明采用电扫描方式，提高了效率。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为雷达系统结构图。
图2为AD9361的配置流程。
图3为雷达系统信号处理端结构图。
图4为FP谐振腔天线结构示意图。
图5为FP谐振腔天线俯视图。
图6为对跖费米锥形缝隙天线俯视图。
图7为对跖费米锥形缝隙天线底部视图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，一种基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统，包括：软件无线电、射频前端和FP谐振腔天线，所述软件无线电用于发射信号以及接收信号并对接收信号处理获得目标的距离和方向；所述射频前端用于对发射信号进行上变频以及增大，对接收信号进行降噪、增大以及下变频；所述FP谐振腔天线用于将上变频以及增大后的信号发射出去并接收信号。
进一步的实施例中，所述软件无线电包括ZYNQ芯片、AD9361芯片以及上位机，所述ZYNQ芯片用于对AD936进行初始化配置，发射扫频信号，并对回波信号进行处理，所述AD9361用于实现发射信号的生成以及回波信号的采集，将模拟数据转化成数字数据传送给ZYNQ计算处理，ZYNQ芯片和AD9361芯片之间通过SPI协议进行通信；所述上位机用于显示模板的位置信息。
进一步的实施例中，所述射频前端包括发射支路和接收支路，发射支路包括前端放大电路以及混频电路，所述接收支路包括依次连接的低噪声放大器，混频器以及中频放大器。
进一步的实施例中，所述FP谐振腔天线包括包括上盖板PRS(1)、金属地板(4)、八个对跖费米缝隙天线(3)、馈源支架(5)和SMA接口(2)，上盖板PRS(1)和金属地板(4)组成FP腔，所述上盖板(1)靠近金属地板(4)的一面为覆铜层，覆铜层剖去部分铜层形成由圆构成的一圈圈非金属圆环；八个对跖费米缝隙天线(3)均匀设置在FP腔的外边缘的一周，所述对跖费米缝隙天线(3)与SMA接口(2)之间通过馈源支架(5)连接。该天线结构具有超宽带、简单易加工的平面结构等优点。
进一步的实施例中，圆的半径为3.4mm。
进一步的实施例中，所述对跖费米锥形缝隙天线为缝隙渐变天线。
进一步的实施例中，所述对跖费米锥形缝隙天线的缝隙轮廓线采用费米—狄拉克方程：
其中zu，zb分别是费米-狄拉克方程中的xu，xb从缝隙开口变化到馈源微带线lF的z值，xu，xb为缝隙边缘的坐标；参数b，c，W，Wc是影响该曲线变化趋势的常量；
锯齿形的波纹外边缘采用的是幅值渐变的正弦曲线，曲线方程为：
其中Al和Ar分别是幅值渐变正弦曲线的左侧起始幅值和右侧结束幅值，k是波纹个数，Z0是曲线沿z轴平移的距离，lc是总的波纹长度，xcu为波纹外边缘坐标。
进一步的实施例中，上盖板PRS(1)和金属地板(4)的半径相同，
进一步的实施例中，对跖费米缝隙天线(3)距离金属地板的高度为4mm。
对跖费米锥形缝隙天线是超宽带缝隙渐变天线，它是一种表面波天线。这种天线的相速vp比光速c小，属于慢波结构。渐变缝隙的主要作用是降低天线的末端反射，并且相速vp会随着缝隙的变大而增加，在末端的相速逼近光速形成端射效应。
八个对跖费米缝隙天线(3)(AFTSAs)被放置在FP腔周围的部分反射表面(PRS)和金属接地平面之间作为主馈源当一个AFTSA被激发，其余的AFTSA处于开路状态，FP天线产生一个水平极化倾斜笔形波束。利用单刀八掷(SP8T)改变激活的AFTSA，使倾斜光束在一段时间内扫描覆盖锥形区域，形成准锥形光束。
如图1所示，雷达测向系统位于地面，目标物位于测向系统的斜上方。雷达测向系统向空中发射电磁波，根据天线结构特点，本发明使用的天线为包括八个谐振腔的漏波天线，可覆盖360°的水平面范围，另外根据漏波天线的特点，根据实验测得该测向系统可覆盖5度～60度的俯仰角范围。
具体地，AD9361芯片经过初始化后发射出10.5GHz～19GHz的线性调频波，经过前端放大电路以及混频电路的处理后传输给天线。前端天线具有八个谐振腔，均可发射信号。根据本系统的信号处理方法(比幅法测向)，使用相邻两路接收信号，并且通过电开关按照一定周期切换通道，即可实现水平面的全向测角。接收到的信号经过低噪声放大器，混频器以及中频放大器的处理后，送入FPGA芯片进行信号处理，并将处理结果传输给上位机进行显示。
结合图2，雷达测向系统的后端处理系统的流程为：
通过vitis软件对AD9361进行GPIO初始化配置，设置线性调频波的各项参数，再初始化DAC，发射出线性调频波。然后，初始化SPI接口，ZYNQ芯片通过SPI协议与AD9361芯片进行通讯，传输数据。接着，进行C++语言建模，设置AD9361的TX和RX滤波器，通过HLS软件将C++语言模型描述转换为RTL级的描述HDL描述，即转换成Verilog描述，增加设计的效率。接收信号经过AD9361处后送入ZYNQ芯片，进行比幅法测向获得方位角，俯仰角则根据实验数据进行查表获得。
结合图3，AD9361与ZYNQ之间的连接方式为：
首先，ZYNQ芯片和AD9361芯片之间通过SPI协议进行通信，传输数据。然后针对AD9361的初始化，则根据ADI官方提供的源码进行修改。ADI官方提供的初始化方式为GPIO映射，通过GPIO库函数的方法经过ZYNQ芯片将初始化参数传输给AD9361进行初始化。
本发明的工作原理为：软件无线电产生线性调频信号，经过中频放大电路后与本振混频，形成射频信号，然后经过高频功率放大器经过天线辐射出去。反射回来的信号经过FP谐振腔天线接收后进入低噪声放大器，再与本振混频，获得调制信号，然后经过中频放大器，传输给AD9361芯片，经过AD9361芯片滤波以及采样处理后，将信号传输给ZYNQ芯片进行进一步的信号处理，经过比幅法处理获得方位角，经过查表获得俯仰角。最后将目标的位置信息传输给上位机进行显示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统，其特征在于，包括：软件无线电、射频前端和FP谐振腔天线，所述软件无线电用于发射信号以及接收信号并对接收信号处理获得目标的距离和方向；所述射频前端用于对发射信号进行上变频以及增大，对接收信号进行降噪、增大以及下变频；所述FP谐振腔天线用于将上变频以及增大后的信号发射出去并接收信号。
2.根据权利要求1所述的基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统，其特征在于，所述软件无线电包括ZYNQ芯片、AD9361芯片以及上位机，所述ZYNQ芯片用于对AD936进行初始化配置，发射扫频信号，并对回波信号进行处理，所述AD9361用于实现发射信号的生成以及回波信号的采集，将模拟数据转化成数字数据传送给ZYNQ计算处理，ZYNQ芯片和AD9361芯片之间通过SPI协议进行通信；所述上位机用于显示模板的位置信息。
3.根据权利要求2所述的基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统，其特征在于，ZYNQ芯片采用比幅法获得方位角，经过查表获得俯仰角。
4.根据权利要求1所述的基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统，其特征在于，所述射频前端包括发射支路和接收支路，发射支路包括前端放大电路以及混频电路，所述接收支路包括依次连接的低噪声放大器，混频器以及中频放大器。
5.根据权利要求1所述的基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统，其特征在于，所述FP谐振腔天线包括包括上盖板PRS(1)、金属地板(4)、八个对跖费米缝隙天线(3)、馈源支架(5)和SMA接口(2)，上盖板PRS(1)和金属地板(4)组成FP腔，所述上盖板(1)靠近金属地板(4)的一面为覆铜层，覆铜层剖去部分铜层形成由圆构成的一圈圈非金属圆环；八个对跖费米缝隙天线(3)均匀设置在FP腔的外边缘的一周，所述对跖费米缝隙天线(3)与SMA接口(2)之间通过馈源支架(5)连接。
6.根据权利要求5所述的基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统，其特征在于，圆的半径为3.4mm。
7.根据权利要求5所述的基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统，其特征在于，所述对跖费米锥形缝隙天线为缝隙渐变天线。
8.根据权利要求7所述的基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统，其特征在于，所述对跖费米锥形缝隙天线的缝隙轮廓线采用费米—狄拉克方程：
其中zu，zb分别是费米-狄拉克方程中的xu，xb从缝隙开口变化到馈源微带线lF的z值，xu，xb为缝隙边缘的坐标；参数b，c，W，Wc是影响该曲线变化趋势的常量；
锯齿形的波纹外边缘采用的是幅值渐变的正弦曲线，曲线方程为：
其中Al和Ar分别是幅值渐变正弦曲线的左侧起始幅值和右侧结束幅值，k是波纹个数，Z0是曲线沿z轴平移的距离，lc是总的波纹长度，xcu为波纹外边缘坐标。
9.根据权利要求1所述的基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统，其特征在于，上盖板PRS(1)和金属地板(4)的半径相同。
10.根据权利要求1所述的基于频扫同时多波束的低成本大空域测向系统，其特征在于，对跖费米缝隙天线(3)距离金属地板的高度为4mm。
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