CN203224623U

CN203224623U - 一种多频紧凑阵全数字雷达装置

Info

Publication number: CN203224623U
Application number: CN 201320260206
Authority: CN
Inventors: 文必洋; 田应伟; 谭剑; 李柯; 杨星; 吴世才
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2023-05-14

Abstract

本实用新型公开了一种多频紧凑阵全数字雷达装置，包括单极子多频发射天线、发射机、直接数字频率合成芯片DDS、锁相环PLL时钟合成器、温补晶振、单极子/交叉环阵列接收天线、接收开关、接收滤波器、接收放大器、模/数转换器、现场可编程门阵列芯片FPGA、USB控制器、主机；其采用单极子多频发射天线，能同时发射一个或多个频率信号；采用紧凑型单极子/交叉环阵列接收天线，能同时接收一个或多个频率信号；本实用新型能实时监测外部噪声的分布，并选择合适的工作频率。其结构简洁，体积小，成本低，性能良好，控制灵活，十分适用于海洋表面动力学参数观测及海面低速目标探测，并且易于扩展使用。

Description

一种多频紧凑阵全数字雷达装置

技术领域

本实用新型属于雷达技术领域，特别涉及一种可同时工作在多个频率的紧凑型阵列式全数字雷达装置。

背景技术

武汉大学研制的全数字高频地波雷达系统主要用于探测海洋表面风、浪、流场和低速移动目标，专利《一种全数字高频雷达装置》（ZL：201220632452.8）。该系统采用线性调频中断连续波（FMICW）体制，射频直接采样，在数字域实现混频、脉冲压缩，解出目标的距离和速度信息；然后通过后续的阵列信号处理算法得到海洋表面状态信息。

该系统具有非常简洁的接收机结构，体积小，成本低，控制灵活，并且能实现海洋表面动力学参数的超视距探测；但是它只能工作在一个频率下，因此探测多尺度海洋表面风、浪参数的能力受到了限制，探测精度也相应下降；此外，该系统所采用的紧凑型接收天线具有非常宽的波束，也会严重影响探测的精度。

发明内容

本实用新型的目的就在于克服以上技术的不足，研制一套能同时工作在多个频率，并且波束宽度更窄，探测精度更高的多频紧凑阵全数字雷达装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种多频紧凑阵全数字雷达装置，包括依次连接的单极子多频发射天线、发射机、直接数字频率合成芯片DDS、锁相环PLL时钟合成器、温补晶振和依次连接的单极子/交叉环阵列接收天线、接收开关、接收滤波器、接收放大器、模/数转换器、现场可编程门阵列芯片FPGA、USB控制器、主机；现场可编程门阵列芯片FPGA分别控制单极子多频发射天线、发射机、直接数字频率合成芯片DDS、单极子/交叉环阵列接收天线、接收开关；锁相环PLL时钟合成器分别与模/数转换器、现场可编程门阵列芯片FPGA连接。

本实用新型中，采用单极子多频发射天线同时发射一个或多个频率信号，采用紧凑型单极子/交叉环阵列接收天线同时接收一个或多个频率信号；接收滤波器具有很大的带宽，可以覆盖多个工作频率，不需要通过切换滤波器来实现多频工作。

本实用新型的工作原理是，雷达的每个工作周期包含多个频率对应的子周期。在每个子周期：FPGA向DDS写入对应频率的波形参数，并复位初始扫频相位；DDS产生的信号经过发射机后由单极子多频发射天线发射出去；来自单极子/交叉环阵列接收天线的回波在接收开关闭合的条件下，经过接收滤波器、接收放大器后直接被采样，在FPGA中完成下变频和脉冲压缩，得到的距离信息通过USB控制器上传至主机，做进一步的多普勒相干处理提取海洋表面动力学参数。

本实用新型中的发射天线能同时工作在多个频率，接收天线能分时工作在多个频率；对工作频率、收发开关的时序控制都由FPGA完成。在FPGA内部除了完成同步时序控制外，还要完成数字下变频和脉冲压缩处理，这些工作在不同工作频率下的差异仅体现在部分参数不一致上，因此所有模块都可以分时复用，从而最大程度节省了硬件资源。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

1、结构简单。相比传统的多频雷达而言，本实用新型涉及的系统没有采用针对多个频率的分组滤波器，而且采用小型化收发天线，具有结构简单的特点。

2、探测精度高。多个频率工作提高了探测多尺度海洋表面风、浪参数的能力和精度，也提高了海面低速目标探测的能力；紧凑阵的引入，使接收天线的波束变得更窄，从而使能量更集中，也会带来探测精度的提高。

3、功能灵活。该系统不仅能工作在单一频率下，也能工作在多个频率下；另外，灵活的接收机结构，使得系统能胜任不同的波形参数体制。

附图说明

图1是本实用新型结构框图；

图2是本实用新型中单极子多频发射天线的原理图；

图3是本实用新型中单极子/交叉环阵列接收天线的原理图；

图4是本实用新型同步控制框图；

图5是本实用新型发射波形示意图。

其中，1—单极子多频发射天线；2—发射机；3—直接数字频率合成芯片；4—锁相环时钟合成器；5—温补晶振；6—单极子/交叉环阵列接收天线；7—接收开关；8—接收滤波器；9—接收放大器；10—模/数转换器；11—现场可编程门阵列芯片；12—USB控制器；13—主机；

T—单个频率的扫频时间；T _s—单个频率的子周期；N—工作频率个数；

f ₁，f ₂，…，f _N—不同工作频率对应的扫频起始频率；

L ₁，…，L _n—发射天线陷波器电感；C ₁，…，C _n—发射天线陷波器电容；

L—接收天线等效电感；C ₁ ^’，…，C _n ^’—接收天线谐振电容。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，本实用新型包括依次连接的单极子多频发射天线1、发射机2、直接数字频率合成芯片DDS3、锁相环PLL时钟合成器4、温补晶振5和依次连接的单极子/交叉环阵列接收天线6、接收开关7、接收滤波器8、接收放大器9、模/数转换器10、现场可编程门阵列芯片FPGA11、USB控制器12、主机13；现场可编程门阵列芯片FPGA分别控制单极子多频发射天线、发射机、直接数字频率合成芯片DDS、单极子/交叉环阵列接收天线、接收开关；锁相环PLL时钟合成器分别与模/数转换器、现场可编程门阵列芯片FPGA连接。

如图5所示，雷达分时发射多个频率的线性调频（LFM）信号，每个频率的扫频持续时间都为T，工作子周期为T _s，对应的扫频起始频率分别为f ₁，f ₂，……，f _N。N个频率的子周期构成了一个工作周期NT _s，每个频率对应的波形参数各不相同。

如图4所示，系统同步控制和数字域处理都在FPGA中实现，同步控制器能产生任意需要的时序信号，控制工作频率、收发开关、采样起止、数字混频、脉冲压缩、数据传输等。不同频率对应的波形参数，通过频率选择开关后，存入指定寄存器中；该寄存器中的参数提供给数字混频和脉冲压缩处理，从而一套模块在不同频率下的分时复用。同步控制器通过USB控制器12，受到主机13的控制；脉冲压缩输出的基带信息通过USB控制器12，传输至主机13。

如图2所示，本实用新型中的多频发射天线为1/4波长全向单极子天线，通过引入由LC并联谐振回路构成的陷波器，来改变天线在不同频率下的有效长度，从而使其能谐振与多个不同的任意频率。

如图3所示，本实用新型中的接收天线为紧凑型单极子/交叉环天线，其工作频率由内部LC串联谐振回路决定，通过改变电容C的值，可以实现分时多频的功能。多个这样的天线组阵后可以得到比同样占地面积下的线阵更窄的波束。

Claims

1.一种多频紧凑阵全数字雷达装置，其特征在于：包括依次连接的单极子多频发射天线、发射机、直接数字频率合成芯片DDS、锁相环PLL时钟合成器、温补晶振和依次连接的单极子/交叉环阵列接收天线、接收开关、接收滤波器、接收放大器、模/数转换器、现场可编程门阵列芯片FPGA、USB控制器、主机；现场可编程门阵列芯片FPGA分别控制单极子多频发射天线、发射机、直接数字频率合成芯片DDS、单极子/交叉环阵列接收天线、接收开关；锁相环PLL时钟合成器分别与模/数转换器、现场可编程门阵列芯片FPGA连接。