CN201489112U - 脉冲超宽带雷达信号接收装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种脉冲超宽带雷达信号接收装置，天线接收的脉冲超宽带雷达回波信号经宽带低噪声小信号放大电路输出至模数转换电路的模拟输入端，模数转换电路的数据输出端接双口随机存储器的一个数据端，同时主控电路为该数据端提供地址线，双口随机存储器的另一数据端和地址端接重组电路。主控电路控制时钟产生电路，时钟产生电路的输出接模数转换电路的时钟输入端。主控制电路控制模数转换电路的启动及重组电路的启动。模数转换电路在时钟的驱动下将输入的脉冲超宽带雷达回波信号转换成数字信号，并将数据传送到双口随机存储器中缓存起来，由重组电路将双口随机存储器中的数据进行重组，重构出所接收的超宽带雷达回波信号。

Description

脉冲超宽带雷达信号接收装置

技术领域

本实用新型涉及脉冲超宽带雷达技术领域，解决脉冲超宽带雷达回波信号接收问题，特别涉及一种脉冲超宽带雷达信号接收装置。

背景技术

脉冲超宽带雷达发射的超宽带脉冲信号瞬时相对带宽大于25％，具有极高的距离分辨率，同时超宽带信号丰富的低频分量保证其良好的穿透特性。因此可实现对介质中隐蔽目标的高分辨率探测与识别，广泛用于对障碍物后面隐藏的目标进行探测、定位、跟踪和状态分析，以及搜救被烟雾或废墟遮盖的受害者。

针对于脉冲超宽带雷达回波信号在一段时间内可近似为周期信号或准周期信号的特点，脉冲超宽带雷达接收装置可采用随机等效采样方法来重构回波信号的波形，以此来降低脉冲超宽带雷达接收装置的硬件成本及复杂度。在随机等效采样方式下，模拟触发电路检测触发电平并发出触发信号，每次触发采样一轮。模数转换器(ADC：Analog to Digital Converter)在最高转换速率下连续工作，等触发信号的到来，亚纳秒级时长检测电路分别测量出触发信号与ADC的第一个采样点的时间差t1、t2、t3、t4…，这个时间差表明了触发后的初始数据采样时刻。以这个时间差作为起点，随后而来的每次采样，对应的时间位置构成了一个递增序列，这个序列的间隔由ADC的采样速率决定。完成了一轮采样后可得到一组数据，这组数据在存储器中的位置就由这次采样数据对应的时间序列决定。经过多轮的随机采样，得到多组采样数据序列，以触发点为基点，根据从触发信号到触发后ADC的第一个采样点的时间差t1、t2、t3、t4…，把多组采样数据序列组合，就可以重构出一个周期的信号波形。在重复输入周期性波形的前提下，就可以用这多组采样数据序列重建出信号的波形。随机等效采样方法的原理示意图如图1所示。由于本方案模拟触发电路和精确的亚纳秒级时长检测电路作为随机等效采样中的关键环节，用于识别第一个采样时刻同触发点的时间差，模拟触发的精确度，亚纳秒级时长检测电路的测时精度将直接影响该方法重构波形的精度，而这些电路均需要复杂的模拟电路来实现，这就导致电路调试难度增加；而且模拟电路抗干扰能力差，定时和精度很难保证，也直接导致重构波形的精度下降。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种脉冲超宽带雷达信号接收装置，它能够降低硬件电路的复杂度及调试难度。

为解决上述问题，本实用新型所设计的脉冲超宽带雷达信号接收装置，主要由天线、宽带低噪声小信号放大电路、模数转换电路、时钟产生电路、双口随机存储器、重组电路及主控电路构成；接收的脉冲超宽带雷达回波信号经天线匹配接宽带低噪声小信号放大电路输入端；宽带低噪声小信号放大电路的输出端接模数转换电路模拟输入端；模数转换电路数据输出端接双口随机存储器的一个数据端，同时主控电路为该双口随机存储器的数据端提供地址线；双口随机存储器的另一数据端和地址端接重组电路；主控电路输出端接时钟产生电路的启动端，时钟产生电路的输出接模数转换电路时钟输入端；同时，主控制电路的输出接模数转换电路启动端及重组电路的启动端；

其中：

主控电路存储有脉冲超宽带雷达回波信号的带宽B_W、脉冲超宽带雷达回波信号的重复周期T₀、等效采样时钟周期T_ES、采样次数M及采样时钟周期T_S等参数，其中T_ES≤1/2B_W、M＝T₀/T_ES；

时钟产生电路为输出周期为T_S的采样时钟的时钟产生电路，其中T_S＝NT₀/M，此式中N为与采样次数M互质的任一自然数；

重组电路为根据m＝[mod(nT_S，T₀)]/T_ES将模数转换电路所得M次采样值进行重新排序、并按重组后的采样点序号m值递增方式将该采样值序号所对应的采样值进行重组，重构出一个周期的信号波形的重组电路，其中n＝0，1，2，……M-1为重组前的采样点序号，m为重组后的采样点序号，mod为取余运算。取余运算mod，除法运算/是常见的数学运算，在C语言、Matlab、VHDL、Verilog等语言中都有集成的函数可调用，上式的运算顺序是先执行mod(nT_S，T₀)，再执行除法运算。m＝[mod(nT_S，T₀)]/T_ES即表示要用nT_S/T₀后所得的余数去除以T_ES，最后将结果赋予m。

本实用新型与现有随机等效采样技术相比，不需要触发电路和时长测量电路，具有结构简单、可靠性高等优点。

附图说明

图1为现有随机采样方法原理示意图；

图2为本实用新型一种脉冲超宽带雷达信号接收装置的结构框图；

图3为本实用新型一种脉冲超宽带雷达信号接收装置的实现电路；

图4为本实用新型脉冲超宽带雷达信号接收方法的原理示意图。

具体实施方式

图2为本实用新型一种脉冲超宽带雷达信号接收装置的结构框图，图中→表示模拟信号，

表示数字信号，

表示数据总线，

表示地址总线。该装置主要由宽带低噪声小信号放大电路、模数转换电路、时钟产生电路、双口随机存储器(DPRAM：Dual-Port Random Access Memory)、重组电路及主控电路构成。天线接收的脉冲超宽带雷达回波信号经过匹配接宽带低噪声小信号放大电路输入端。宽带低噪声小信号放大电路的输出端接模数转换电路模拟输入端。模数转换电路数据输出端接双口随机存储器的一个数据端，同时主控电路为该数据端提供地址线。双口随机存储器的另一数据端和地址端接重组电路。主控电路控制时钟产生电路，时钟产生电路的输出接模数转换电路时钟输入端。同时，主控制电路控制模数转换电路启动及重组电路的启动。模数转换在时钟的驱动下将输入的脉冲超宽带雷达回波信号转换成数字信号，并将数据传送到双口随机存储器中缓存起来，由重组电路将双口随机存储器中的数据进行重组，重构出所接收的超宽带雷达回波信号。

天线接收的脉冲超宽带雷达回波信号经过匹配接收，送入宽带小信号放大器进行放大。由于超宽带雷达的回波信号带宽通常大于1GHz，且回波信号通常较弱，宽带低噪声小信号放大器必须具备较宽的带宽，满足所采用的超宽带雷达脉冲带宽，另外该放大电路应具有相位线性好、可靠性高、噪声低、动态范围大的特点。本实用新型的最佳实施例所述宽带低噪声小信号放大电路见图3，主要由耦合电容C1和C5、晶体管Q1和Q2、以及外围的直流电压源DC、电感、电容和电阻构成；天线接收的脉冲超宽带雷达回波信号经过耦合电容C1耦合，接入晶体管Q1基极；电阻R5、电容C3并联一端接晶体管Q1发射极，另一端接地；电阻R1、R2串联一端接晶体管Q1集电极，另一端接直流电压源DC，构成直流偏置电路；晶体管Q1的集电极接晶体管Q2的基极；电阻R6、电容C4并联一端接晶体管Q2发射极，另一端接地；电阻R3，电感L1并联一端接晶体管Q2集电极，另一端接电阻R1；电阻R4接晶体管Q2的发射极和晶体管Q1的基极，耦合电容C5一端接晶体管Q2的集电极，一端接模数转换电路。晶体Q1、Q2选取宽带晶体管BFP420，由电阻R4构成负反馈，将低端的增益进行有效抵制，实现平坦度很好的增益。实现的宽带低噪声小信号放大器的工作频率为100MHz～2.0GHz，增益约为29dB，噪声系数小于等于1.5dB。

主控电路存储有脉冲超宽带雷达回波信号的带宽B_W、脉冲超宽带雷达回波信号的重复周期T₀、等效采样时钟周期T_ES、采样次数M等参数，其中等效采样时钟周期T_ES在小于等于1/2B_W范围内选定，如脉冲超宽带雷达的回波信号带宽B_W＞1GH_z，则可得T_ES＜500ps，此时我们便可在该范围内选定一个等效采样时钟周期T_ES；采样次数M＝T₀/T_ES。

本实用新型选择输出周期为T_S满足T_S＝N T₀/M的采样时钟的时钟产生电路，其中N为与采样次数M互质的任一自然数。选取较小的N值，采样时钟周期T_S较小，采样频率较高；反之，选取较大的N值可以降低采样速率。对于脉冲超宽带雷达回波信号，在较小的Δt时间段内，可近似为一周期信号，因此N值的选取必须满足NT₀＜Δt，即N＜Δt/T₀，否则雷达回波信号的周期性难以保证，重构出的波形将失真。主控电路接时钟电路的启动端，输出使能信号控制时钟产生电路启动，时钟产生电路输出周期时间T_S的采样时钟至模数转换电路的时钟输入端。本实用新型最佳实施例的模数转换电路的驱动时钟由可控时钟管理芯片产生。主控制电路通过接口将控制命令字写入芯片中，产生周期为T_S的差分时钟信号，故在选择采样时钟周期T_S时，必须考虑具体的时钟管理芯片的实现。时钟的时间抖动要小，采样时钟的时间抖动将会降低模数转换电路的信噪比及动态范围。本实用新型最佳实施例的选用AD9517-4作为时钟产生芯片，主控电路通过串行外围设备接口(SPI)将控制字写入该时钟芯片，通过一个锁相环和一系列分频器产生所需要的采样时钟，其时间抖动小于500飞秒，上升沿和下降沿小于180皮秒。

脉冲超宽带雷达回波信号经放大后，经过阻抗匹配，送入模数转换电路的输入端。主控电路的输出接模数转换电路的启动端，模数转换电路的时钟由时钟产生电路产生。由于模数转换电路要将模拟的脉冲超宽带雷达回波信号转换为数字信号，因此模数转换电路的全功率带宽需大于超宽带雷达回波信号的带宽，即需要选择全功率带宽大于1GHz的宽带模数转换电路。另外由于准等效采样后还需要重组数据，而模数转换电路的孔径抖动直接影响采样点的时间准确度，故模数转换电路的孔径抖动要足够小，对于超宽带信号，要求模数转换电路的孔径抖动要在飞秒级。模数转换电路的时钟由时钟电路产生，对于等效采样而言，由于需要通过重组采样点来重构波形，因此对采样的时间的准确性要求很高，所以时钟产生电路所产生的时钟，其频率稳定性要高。本实用新型最佳实施例的模数转换电路见图3，包括模数转换器ADC和外围电路，宽带低噪声小信号放大电路的输出端接电感L2；电感L2与电容C6串联接宽带变压器T1的一次侧左上端；宽带变压器T1一次侧左下端接地，二次侧右端接电阻R7、电阻R8；电阻R7与电阻R8中间接地；二次侧宽带变压器T1中间抽头接C8到地；电阻R7接电容C7、电阻R9到模数转换器的正级输入端口，电阻R8接电容C9、电阻R10接模数转换器的负极输入端口，构成差分模拟输入。宽带变压器T1将脉冲超宽带雷达回波单端信号转换成差分信号，变压器的带宽必须满足信号的带宽要求，同时与匹配电阻、滤波电容实现对高速模数转换器前端的信号调理。在较宽的输入频率范围内改善增益的平坦度，同时保持高速模数转换器的高动态范围，又使增益突起和带宽降低效应减至最小。

主控电路输出接重组电路的启动端，控制重组电路的启动。在本实用新型最佳实施例中，主控制电路、双口随机存储器及重组电路由一块现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现，见图3。双口随机存储器由现场可编程门阵列芯片内的嵌入式阵列块模块EAB(Embedded Array Block)配置而成。重组电路按m＝[mod(nT_S，T₀)]/T_ES式进行重组，上式中n＝0，1，2，……M-1为重组前的采样点序号，m为重组后的采样点序号，mod为取余运算。取余运算mod，除法运算/是常见的数学运算，在C语言、Matlab、VHDL、Verilog等语言中都有集成的函数可调用，上式的运算顺序是先执行mod(nT_S，T₀)，再执行除法运算。m＝[mod(nT_S，T₀)]/T_ES即表示要用nT_S/T₀后所得的余数去除以T_ES，最后将结果赋予m。模数转换电路采样的数据按采样地址(即重组前的采样点序号n)递增方式存入双口随机存储器，则主控电路根据上式可计算出重组地址(即重组后的采样点序号m)。注意到式中有除法运算，而实现采样点个数M为有限个，本实用新型最佳实施例先将预先计算的重组后m采样点存入一个数组，采用查表的方法来执行重组，以减少运算的复杂度。最后，重组电路根据重组后的采样点序号m递增方式进行重组，重构出一个周期的脉冲超宽带雷达回波信号的波形，其效果等价于利用采样间隔T_ES对一个周期的回波信号进行采样，即可利用较低的采样率达到较高采样率的效果。本实用新型脉冲超宽带雷达信号接收方法的原理示意图见图4。

上述脉冲超宽带雷达信号接收装置工作的步骤如下：

步骤1、接收脉冲超宽带雷达回波信号的模拟信号并进行模拟信号的放大。

步骤2、在脉冲超宽带雷达回波信号的带宽B_W和重复周期T₀已知的条件下，选定信号的等效采样时钟周期T_ES、采样次数M及采样时钟周期T_S。

采样时钟的周期T_s的确定是本方法的关键技术之一，其具体步骤如下：

1)脉冲超宽带雷达回波信号的周期性。

尽管脉冲超宽带雷达回波信号不是严格的周期信号，其特性与反射目标有关，但在足够小的Δt时间段内，我们仍可以将脉冲超宽带雷达回波信号近似为准周期信号。如检测人体心跳的回波信号，正常人的心跳约为每分钟60～100次，则可近似认为在Δt＜＜(60/100)＝0.6s内人的心脏是不跳动的，则在Δt时间段内脉冲超宽带雷达回波信号为准周期信号，再如检测屋内人体的运动，若极限运动速度100m/10s，雷达分辨率为1cm，则当Δt＜＜(10/(100×100))＝0.001s，脉冲超宽带雷达回波信号为准周期信号。

2)确定等效采样时钟周期T_ES。

由于等效采样频率f_ES＝1/T_ES，f_ES与接收的脉冲超宽带雷达回波信号的带宽B_W必须满足Nyquist采样定理，即有：

f_ES≥2B_W                                    ①

由此我们可以根据脉冲超宽带雷达回波信号的带宽确定等效采样时钟周期T_ES。如脉冲超宽带雷达的回波信号带宽B_W＞1GH_z，则由①可得T_ES＜500ps，此时我们便可在该范围内选定一个等效采样时钟周期T_ES。而T_ES与超宽带雷达脉冲重复周期T₀间必须满足：

T₀＝MT_ES(M为自然数)                            ②

由此可见，在脉冲超宽带雷达回波信号重复周期T₀已知的条件下，确定了等效采样时钟周期T_ES，即相当于确定了进行一次重组所需的采样次数M，即M＝T₀/T_ES。

3)采样时钟周期T_S确定。

当脉冲超宽带雷达回波信号重复周期T₀已知，采样时钟周期T_S可由下式决定：

T_S＝N T₀/M                            ③

式中N为M互质的任一自然数。由③可见，采样时钟周期T_S有多种选取值，选取较小的N值，采样时钟周期T_S较小，采样频率较高。反之，选取较大的N值可以降低采样速率，但必须满足NT₀＜Δt，即N＜Δt/T₀，否则雷达回波信号的周期性难以保证，重构出的波形将失真。

步骤3、将处理后的脉冲超宽带雷达回波信号进行模数转换，并以采样时钟周期T_S对脉冲超宽带雷达回波信号进行M次采样，并获得一组采样值。

步骤4、将步骤3所得采样值进行排序重组。

对于脉冲超宽带雷达回波信号，在Δt时间段内，可近似为一周期信号，

表示为：

$s\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(A_k\cos \left(\frac{2\mathrm{k\π}}{T_0}t\right)+B_k\sin \left(\frac{2\mathrm{k\π}}{T_0}t\right))$ ④

以采样时钟周期T_S采样M次，回波信号的离散形式表式为：

$s\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(A_k\cos \left(\frac{2\mathrm{k\π}}{T_0}{\mathrm{nT}}_s\right)+B_k\sin \left(\frac{2\mathrm{k\π}}{T_0}{\mathrm{nT}}_S\right))$ ⑤

式中n＝0，1，2，……M-1为离散采样时刻，k为k次谐波分量。取第一个采样点为采样起始点，即触发点，在T₀、T_S、T_ES已知条件下，后面每次采样点与第一个采样点间的时间差可以计算出来，其重组方法如下：

m＝[mod(nT_S，T₀)]/T_ES                                    ⑥

式中n为重组前的采样点序号，m为重组后的采样点序号，mod为取余运算。取余运算mod，除法运算/是常见的数学运算，在C语言、Matlab、VHDL、Verilog等语言中都有集成的函数可调用，上式的运算顺序是先执行mod(nT_S，T₀)，再执行除法运算。m＝[mod(nT_S，T₀)]/T_ES即表示要用nT_S/T₀后所得的余数去除以T_ES，最后将结果赋予m。按m值的大小递增方式对采样值进行排序，重构出一个周期的雷达回波信号为：

$s\left(m\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(A_k\cos \left(\frac{2\mathrm{k\π}}{T_0}{\mathrm{mT}}_{\mathrm{ES}}\right)+B_k\sin \left(\frac{2\mathrm{k\π}}{T_0}{\mathrm{mT}}_{\mathrm{ES}}\right))$ ⑦

其中m＝0，1，2，……M-1，由⑦可知，对周期信号进行采样时钟周期T_S准随机采样，经过数据重组，重构出的一个周期的雷达回波信号，其效果等价于利用采样时钟周期T_ES对一个周期的回波信号进行采样，即可利用较低的采样率达到较高采样率的效果。

本实用新型采用准随机采样方式进行信号的接收，其原理如图4所示：在脉冲超宽带雷达回波信号重复周期T₀已知的条件下，根据信号的带宽选择等效采样时钟周期T_ES，根据③式选取特定的采样时钟周期T_S，启动模数转换，开始采样，当采样点达到②式中M点时完成一次采样。相对于图1所示常规随机等效采样而言，取第一个采样点为采样起始点，即触发点，在T₀、T_S已知的条件下，后面每个采样点与触发点间的时间差可以计算出来，也就是说常规随机等效采样所需的时间鉴别电路和触发电路是不需要的，从而简化准随机等效采样电路，使其易于实现。最后按⑥式进行采样点重组，重构出一个周期的信号波形，进而重构出所接收的脉冲超宽带雷达回波信号，从而实现高采样率的等效采样。同时我们必须注意到，准随机等效采样之所以不需要触发电路和时间鉴别电路，是建立在被测信号的周期T₀必须已知的条件下的，这在雷达等一些特定的应用场合是可以满足的。

Claims (5)

1.脉冲超宽带雷达信号接收装置，主要由天线、宽带低噪声小信号放大电路、模数转换电路、时钟产生电路、双口随机存储器、重组电路及主控电路构成；接收的脉冲超宽带雷达回波信号的天线匹配接宽带低噪声小信号放大电路输入端；宽带低噪声小信号放大电路的输出端接模数转换电路模拟输入端；模数转换电路数据输出端接双口随机存储器的一个数据端，同时主控电路为该双口随机存储器的数据端提供地址线；双口随机存储器的另一数据端和地址端接重组电路；主控电路输出端接时钟产生电路的启动端，时钟产生电路的输出接模数转换电路时钟输入端；同时，主控制电路的输出接模数转换电路启动端及重组电路的启动端；

其中：

主控电路为存储有脉冲超宽带雷达回波信号的带宽B_W、脉冲超宽带雷达回波信号的重复周期T₀、等效采样时钟周期T_ES、采样次数M及采样时钟周期T_S参数的主控电路，其中T_ES≤1/2B_W、M＝T₀/T_ES；

时钟产生电路为输出周期为T_s的采样时钟的时钟产生电路，其中T_S＝N T₀/M，此式中N为与采样次数M互质的任一自然数；

重组电路为根据m＝[mod(nT_S，T₀)]/T_ES将模数转换电路所得M次采样值进行重新排序、并按重组后的采样点序号m值递增方式将该采样值序号所对应的采样值进行重组，重构出一个周期的信号波形的重组电路，上式中n＝0，1，2，……M-1为重组前的采样点序号，m为重组后的采样点序号，mod为取余运算。

2.根据权利要求1所述的脉冲超宽带雷达信号接收装置，其特征在于：所述时钟产生电路输出的等效采样时钟周期T_ES为50ps～500ps。

3.根据权利要求1所述的脉冲超宽带雷达信号接收装置，其特征在于：所述宽带低噪声小信号放大电路主要由耦合电容C1和C5、晶体管Q1和Q2、以及外围的直流电压源DC、电感、电容和电阻构成；天线接收的脉冲超宽带雷达回波信号经过耦合电容C1耦合，接入晶体管Q1基极；电阻R5、电容C3并联一端接晶体管Q1发射极，另一端接地；电阻R1、R2串联一端接晶体管Q1集电极，另一端接直流电压源DC，构成直流偏置电路；晶体管Q1的集电极接晶体管Q2的基极；电阻R6、电容C4并联一端接晶体管Q2发射极，另一端接地；电阻R3，电感L1并联一端接晶体管Q2集电极，另一端接电阻R1；电阻R4接晶体管Q2的发射极和晶体管Q1的基极，耦合电容C5一端接晶体管Q2的集电极，一端接模数转换电路。

4.根据权利要求1所述的脉冲超宽带雷达信号接收装置，其特征在于：所述模数转换电路包括模数转换器和外围电路，宽带低噪声小信号放大电路的输出端接电感L2；电感L2与电容C6串联接宽带变压器T1的一次侧左上端；宽带变压器T1一次侧左下端接地，二次侧右端接电阻R7、电阻R8；电阻R7与电阻R8中间接地；二次侧宽带变压器T1中间抽头接C8到地；电阻R7接电容C7、电阻R9到模数转换器的正级输入端口，电阻R8接电容C9、电阻R10接模数转换器的负极输入端口，构成差分模拟输入。

5.根据权利要求1所述的脉冲超宽带雷达信号接收装置，其特征在于：所述双口随机存储器、重组电路及主控电路集成在同一现场可编程门阵列芯片中。

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