CN1819496A - 利用高频雷达接收机实现频率监测功能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用高频雷达接收机实现频率监测功能的方法，涉及一种高频雷达接收技术，具体地说，是在现有的高频雷达接收机的基础上完成的一种具有实时频谱监测功能的方法。本发明利用高频雷达接收机正常工作的间隙Tr，对外部的干扰噪声频谱环境进行监测，并完成对外部噪声环境的实时统计，根据统计结果对雷达的工作频率进行更新。本发明同时完成雷达回波的接收工作和外部空间的频谱环境的监测，具有一机多用的功能，因此有着广阔的应用前景。

Description

利用高频雷达接收机实现频率监测功能的方法

技术领域

本发明涉及一种高频雷达接收技术；具体地说，是在现有高频雷达接收机的基础上完成的一种具有实时频谱监测功能的方法。

背景技术

高频地波雷达海洋环境监测系统是武汉大学研制的探测海洋表面风、浪、流场和低速移动目标等海洋环境要素的先进雷达系统。该系统使用线性调频脉冲压缩及软件无线电技术，且该接收机采用多通道接收技术及阵列信号处理技术，从而获得丰富的海洋状态信息。

由于环境噪声和外部干扰的存在，直接影响雷达探测的性能。为选择优质的雷达工作频率，对噪声和干扰频谱进行监测和分析是一项十分重要的工作。为使雷达工作在优质频率上，研究者们往往采用频谱分析设备对外部的噪声环境进行监测。现有的频谱监测方案是采用了基于噪声频谱分析的设备和雷达设备工作在分时的原理上，频谱监测是作为一个独立的模块来设计的，并不占用雷达主机的资源，但是增加了研发成本和系统复杂度。

武汉大学的一项实用新型专利《高频地波雷达数字相干接收机》(ZL：200420057632.3)，如图1，由天线1、收发开关2、第1带通滤波器3、混频器4、放大器5、第2带通滤波器6、可调增益放大器7、模数转换器8、同步控制器9、本振频率源10、数字信号处理器11、USB总线12、PC机13组成；采用收发共站、线性调频中断连续波、一次混频带通采样和数字信号处理器完成多通道的数据处理；具有性能稳定、结构简单、系统线性度和动态稳定度好的优点；但无频谱监测功能。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，提供一种利用高频雷达接收机实现频率监测功能的方法。

本发明的目的是这样实现的：

如图1，在原有的高频雷达接收机的基础上，无需改动任何硬件，只需修改接收机的同步控制器9和数字信号处理器11的程序来实现频谱监测功能；具体地说，该接收机采用线性调频中断连续波的工作体制，利用每个扫频周期的间隙对外部的噪声环境进行监测，并对频谱监测的结果进行统计分析，从而更新雷达的工作频率参数，提高雷达的抗干扰能力和降低系统的成本。

在线频谱监测包括下列步骤：

①在频谱监测周期Tr，发射机不工作，接收机的本振仍然工作，采集外部噪声信息，其中Ts为雷达工作周期，T为雷达扫描周期，Tr＝Ts-T。

为了提高系统的可靠性，往往在每个雷达工作周期Ts之间预留一段时间作为系统初始化及冗余开销。本发明采用每个雷达工作周期Ts的间歇时间作为频谱监测周期Tr的方案。如图2，在Tr这段时间里，发射机不工作，接收机的本振仍然工作，外界的干扰信号进入接收机与本振信号混频后，经过中频带通滤波器，中频滤波器的带宽即雷达接收机的分析带宽，每个频谱监测周期Tr内的频谱监测只能够完成接收机接收带宽范围内的频谱信号。

②累加外部噪声信息。

要完成较宽频率范围的频谱监测，则需要在很多扫描周期内将采集的频谱监测数据进行叠加处理，通过修改每个频谱监测周期内的本振输出频率，从而得到一系列的外部干扰频谱段，通过累加可以完整得到较宽范围内的外部噪声信息。

③统计出最优工作频率，对频率源的参数进行更新。

在完成了整个频率范围内的噪声统计后，统计出最优工作频率，在下一场扫频开始时，对频率源的参数进行更新。

本发明具有下列优点和积极效果：

①利用基于软件无线电思想设计的雷达接收机正常工作的冗余时间实现了实时频谱监测功能，频谱监测方案集合了外差式扫频频谱分析和快速傅立叶变换分析的优点；

②节省了开发成本，降低了系统复杂度，为雷达的抗干扰性能提供了保障，提高了雷达整机性能。

③由于该接收机同时完成雷达回波的接收工作和外部空间的频谱环境的监测，具有一机多用的功能，因此有着广阔的应用前景。

附图说明

图1是高频地波雷达数字相干接收机方框图；

图2是本发明的线性调频中断连续波及门控脉冲的波形图；

图3是本发明的时序控制图；

图4是本发明的频谱监测实现框图；

图5是本发明的频谱监测的本振信号及其对应的频谱监测时频图。

其中：

1-天线；            2-收发开关；       3-第1带通滤波器；

4-混频器；          5-放大器；         6-第2带通滤波器；

7-可调增益放大器；  8-模数转换器；     9-同步控制器；

10-本振频率源；     11-数字信号处理器；12-USB总线；

13-PC机；

Ts-雷达工作周期；   T-雷达扫描周期；   Tr-频谱监测周期。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

本发明利用雷达正常工作间歇期，对外部的噪声环境进行监测，经过N个周期后得到一个相对较宽频率范围的外界噪声的统计，并选出最优工作频率对雷达频率源的工作参数进行更新，从而实现实时抗干扰的性能，同时又无需增加额外的频谱监测模块。

1、本发明的工作原理

(1)线性调频中断连续波(FMICW)波形分析

FMICW是现代雷达广泛采用的一种脉冲压缩体制，能够获得满意的速度分辨率和距离分辨率，而且采用脉冲门控调制，能够使发射和接收之间达到有效的隔离，防止接收机因输入很强的发射信号而过载。另外，由于近处和远处的雷达回波电平相差很大，从天线附近至远处海面的范围内，回波的动态范围超过了120dB，超过了任何现有的接收设备的动态范围，采用压地波可以抑制近海回波，降低对接收机动态范围的要求。

线性调频中断连续波可以表示为：

$u\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Aexp}\left[j2\mathrm{\π}(f_{0}t+\mathrm{\α}{t}^2/2)\right],& \left|t\right|\≤\frac{T}{2}\\ 0,& \left|t\right|>\frac{T}{2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中f₀为初始频率，α为线性调频信号带宽，T为调频信号周期，A为信号的幅度，线性调频信号被门控脉冲g(t)调制，其中门控信号可以表示为：

$g\left(t\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{rect}\left[\frac{t-n{T}_q-\frac{T_p}{2}}{T_p}\right],---\left(2\right)$

其中T_q为门控脉冲周期， 表示宽度为T_p中心在原点的矩形脉冲。

线性调频中断连续波及门控脉冲信号均由图2所示。

在FMICW的情况下，需要在接收机输入端加上一个与发射脉冲保持严格相位同步的压地波脉冲，以防止在收发共站的体制下，雷达发射期间的强大的地波信号阻塞以致损坏发射机，压地波脉冲可表示为

b(t)＝1-g(t)，                          (3)

被门控脉冲调制的发射波形如图2所示，图中Ts为雷达工作周期，T为雷达扫频周期，Tr为频谱监测周期。在Tr期间，雷达处于间歇期，发射机不工作，利用这段时间来完成频谱监测，即进行环境噪声和干扰信号的采集。由于不占用雷达有效工作时间，同时避开了回波对噪声和干扰信号采集的影响，实现了雷达回波和噪声信号的在线采集分析处理。

(2)基于外差式频谱分析和快速傅立叶分析的频谱监测分析方法

如图1所示，当雷达接收机处于频谱监测的工作时段时，外界的噪声信号经过一频带较宽的第1带通滤波器3进入接收机与本振信号进行混频，本振信号每个频谱监测周期输出一单频信号，与外界噪声信号混频之后得到中频信号，中频信号经过频带较窄的第2带通晶体滤波器6，滤除镜像频率及其组合频率，滤波后信号经过可调增益放大器7，并在模数转换器8中完成对中频信号的带通采样，在数字信号处理器11中完成信号的正交分解及快速傅立叶变换(FFT)得到噪声的频谱信息，并通过USB总线12将FFT数据传输到PC机13上进行进一步的分析。在一个周期内只完成了带宽为接收机带宽(最后一级中频滤波器带宽)的频谱分析，这是远远不够的。因此在下一个工作周期的间歇期，本振信号以接收机的带宽为步进频率完成一次频率跳变，完成上述同样的步骤，得到的频谱分析数据与上一个工作周期的频谱分析数据相衔接，数据传输到PC机13上后，完成频谱数据的整理组合，得到一个较宽范围的频谱信息，并对其进行统计分析及对雷达信号的工作频率进行更新。

2、时序控制

为了保证雷达接收机和频谱监测的正常工作且互不干扰，则必须通过严格的时序控制来实现。

如图1、图3，在本系统的同步控制器9中采用了现场可编程逻辑器件(FPGA)完成对所有模块的同步控制，包括对雷达发射频率源的触发信号RFupdate，雷达本振频率源的触发信号LOupdate，雷达发射门控脉冲TP，雷达压地波脉冲BGW，雷达模数转换时钟信号SampleCLK，雷达正常工作时帧触发信号Frame1，雷达频谱监测时帧触发信号Frame2等的同步控制。

一个完整的雷达工作周期Ts分为雷达扫描周期T和频谱监测周期Tr两部分。

在雷达正常工作期间，雷达发射门控脉冲TP和雷达压地波脉冲BGW为一系列的脉冲周期信号，当雷达接收完海洋回波数据后，进入了频谱监测时间段，雷达发射门控脉冲TP置零，关闭雷达的发射信号，雷达压地波脉冲BGW置位，使得外界的噪声信号能够进入接收机。与此同时，雷达的本振信号的频率参数更改为频谱监测的本振频率参数，因此通过产生本振频率源的触发信号LOupdate，此时雷达发射频率源的触发信号RFupdate并不产生，使得雷达频率源只产生频谱监测的本振信号。为了能够在数字信号处理器11中能够区分雷达正常工作的回波数据和频谱监测数据，在同步控制器9中产生了雷达正常工作时帧触发信号Frame1和雷达频谱监测时帧触发信号。当数字信号处理器11接收到雷达采样数据时，通过不同的帧触发信号对回波数据和频谱监测数据做相应的处理，并把数据传输到PC机13做进一步的处理。

当雷达初始化时，由PC机13通过USB总线12向同步控制器9和本振频率源10送入控制参数后，由同步控制器9产生的各种时序脉冲来协调各个模块的工作。

接收机采用“一次混频直接中频采样”结构。

雷达回波进入接收机的信号处理流程如图1，天线1接收到的雷达回波经第1带通滤波器3选频后送入混频器4中与本振信号进行相干解调去除信号的调制成份，这个过程常称为去“斜坡”处理。混频输出的信号就是目标区域各探测距离元的回波信息及目标运动引起的多普勒信息，该信号是窄带信号，经放大滤波之后，采用模数转换器8对其进行带通采样，采样值送入数字信号处理器(DSP)11，在DSP11中完成数字下变频和正交分解，处理后的基带数据经过一次快速傅立叶变换(FFT)得到目标的距离信息，并通过USB总线12将FFT处理的结果传输到PC机13上完成后续处理得到目标运动速度及海面风浪等信息。

当接收机实现频谱监测功能时，处理流程与回波处理流程相似，只是雷达不发射信号，将压地波信号置位，使外界噪声信号进入接收机。

如图4，设定外界进入接收机的信号频率为f_R，本振信号频率为f_LO，则混频之后得到的中频频率为f_O＝f_LO-f_R，其中镜像频率f_O′＝f_LO+f_R被中频带通滤波器滤除，中频带通滤波器的带宽为2Bw。中频信号经模数转换之后，在数字信号处理器11中完成快速傅立叶变换，得到频带宽度为Bw的频谱信息(此时只取中频信号f_O右半边的频率成份)，其频谱的起始频率为可以由本振信号f_LO和中频信号f_O能够推算得，其关系式为：f_R＝f_LO-f_O，由于雷达的中频信号f_O为一恒定值，则通过改变f_LO的值，则可以得到f_R的频谱信息。

在频谱监测的过程中，本振信号频率f_LO的值为一关键指标。本振信号在雷达接收机正常工作期间，本振频率源10输出为线性调频信号，如图5所示。本振在0-T期间，输出为一线性扫频信号。

在第一个频谱监测期间，本振输出为一单频信号f_LO1，由本振频率f_LO1和中频信号f_O及雷达接收机带宽，确定此时刻外部噪声信号的频谱，频率范围为f₁～f₁+Bw。

在下一个频谱监测周期到来时，本振源的输出为f_LO+Bw，此时得到的外部噪声的频率监测范围为f₁+Bw～f₁+2Bw，以此类推，得到N个带宽为Bw的频谱信息。

根据雷达接收机天线输入端的第1带通滤波器1的带宽决定了频谱监测的频率范围。设第1带通滤波器1的带宽为B，则由B＝N*Bw确定N的值，如图5所示。雷达接收机将每个工作周期的频谱监测数据传输到PC机12上，在PC机12上完成频谱监测数据的组合和统计分析，并开始下一场数据的采集分析，从而实现了“在线”实时频谱监测，且频谱监测与雷达接收机为同一设备，避免了雷达接收机和频谱监测设备的不一致性导致的数据处理差异，使得频谱监测分析的数据更具有参考性，同时又设计节省了开支。

本发明的核心是在基于软件无线电思想的高频雷达接收机的基础上，利用雷达接收机的现有的资源，在雷达工作的间歇时间段完成频谱监测功能，并通过严格的同步时序控制对各个工作模块进行控制，分段对外部的噪声频谱特性进行采集，处理并将分段处理的频谱信息传输到PC机13上完成数据的组合和统计分析，对根据结果对雷达工作频率源的参数进行更新。

Claims (2)

1、一种利用高频雷达接收机实现频率监测功能的方法，包括高频地波雷达数字相干接收机，采用收发共站、线性调频中断连续波、一次混频带通采样和数字信号处理器完成多通道的数据处理；其特征在于：

利用高频雷达接收机正常工作的间隙，对外部的干扰噪声频谱环境进行监测，并完成对外部噪声环境的实时统计，根据统计结果对雷达的工作频率进行更新；

在线频谱监测包括下列步骤：

①在频谱监测周期(Tr)，发射机不工作，接收机的本振仍然工作，采集外部噪声信息，其中Ts为雷达工作周期，T为雷达扫描周期，Tr＝Ts-T；

②累加外部噪声信息；

③统计出最优工作频率，对频率源的参数进行更新。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：

雷达频谱监测和雷达的正常工作实现分时工作的方式，在同步控制器(9)中采用了现场可编程逻辑器件完成对所有模块的同步控制，包括对雷达发射频率源的触发信号RFupdate，雷达本振频率源的触发信号LOupdate，雷达发射门控脉冲TP，雷达压地波脉冲BGW，雷达模数转换时钟信号SampleCLK，雷达正常工作时帧触发信号Frame1，雷达频谱监测时的帧触发信号Frame2的控制。

Images