CN203396947U - 一种x波段测波雷达回波数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种X波段测波雷达回波数据采集系统，包括导航雷达接收机、A/D模数转换模块、滤波模块、同频异步干扰消除模块、数据组织模块、数据传输模块和数据线，所述的导航雷达接收机接收到的视频信号通过所述的数据线顺序传输到所述的A/D模数转换模块、滤波模块、同频异步干扰消除模块、数据组织模块和数据传输模块后，由所述的数据传输模块输出；所述的导航雷达接收机接收到的船首信号、天线旋转一周产生的信号、触发信号分别通过所述的数据线传输到所述的数据传输模块后，由所述的数据传输模块输出。本实用新型具有多适用性，结构简单，适用于海洋探测的X波段测波雷达回波数据采集系统。

Description

一种X波段测波雷达回波数据采集系统

技术领域

本实用新型属于雷达探测领域，尤其涉及一种X波段测波雷达回波数据采集系统。

背景技术

X波段测波雷达是一种在X波段导航雷达基础上发展起来的一种海洋环境监测雷达。X波段导航雷达是一种广泛应用于船舶导航设备，自从二战以来，海浪回波一直被作为雷达噪声来处理，但也同时被科研工作者关注和研究。挪威、德国已经各自独立开始研发利用波段导航雷达进行海浪和海流监测的设备并且已经走向了产业化道路。当X波段测波雷达电磁波入射到海面时，与那些与雷达波长相当的、由风引起的毛细波产生Bragg散射，后向散射回波被雷达接收器接收，形成“海杂波”，而波长较长的重力波通过对毛细波的流体动力调制、倾斜调制、阴影调制作用表现在海杂波图像上，因此，X波段导航雷达回波图像包含着丰富的海洋动力学参数信息。利用X波段导航雷达进行海洋监测具有便捷、可靠、经济、实时和分辨率高等特点，已经引起了海洋学家们的广泛重视，被认为是一种能实现对海洋进行有效监测的高科技手段。目前在国内较为多见的船用X波段导航雷达是两个日本厂家JRC和FURUNO。二者相较，FURUNO又以超过80％的市场占有率稳坐国内船用雷达市场的第一把交椅。不管什么厂家的导航雷达，作为在船用X波段导航雷达基础上形成的X波段测波雷达，其所需要采集的信号大体一致。经过对X波段导航雷达数据采集系统的改造，可以实现多功能、多适用性的数据采集系统来满足测波雷达所需信号的采集要求。随着X波段测波雷达的逐步发展以及日益增加的应用需求，X波段测波雷达回波数据采集系统的设计也越来越受到大家的重视。

但是，现有的X波段测波雷达回波数据采集系统存在以下不足：

（1）由于X波段雷达型号的多样性，现有的数据采集系统还不能满足所有的X波段测波雷达，缺少普遍适用性；

（2）现有的X波段测波雷达回波数据采集系统对采样率也有限制，过高的采样率提高了采集信号的精度，但同时也对采集系统的缓存、内存以及数据传输等方面要求大大增加；

（3）在同频干扰消除方面，传统X波段测波雷达通常将这一处理过程放在后续的算法处理模块，这样大大增加了后续反演工作的工作量以及数据处理时间。

目前，市场上迫切需要一种多适用性、结构简单、适用于海洋探测的X波段测波雷达回波数据采集系统。

实用新型内容

为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种多适用性、结构简单、适用于海洋探测的X波段测波雷达回波数据采集系统。

本实用新型所采用的技术方案是：一种X波段测波雷达回波数据采集系统，包括导航雷达接收机，其特征在于：所述的X波段测波雷达回波数据采集系统还包括A/D模数转换模块、滤波模块、同频异步干扰消除模块、数据组织模块、数据传输模块和数据线，所述的导航雷达接收机接收到的视频信号通过所述的数据线顺序传输到所述的A/D模数转换模块、滤波模块、同频异步干扰消除模块、数据组织模块和数据传输模块后，由所述的数据传输模块输出；所述的导航雷达接收机接收到的船首信号、天线旋转一周产生的信号、触发信号分别通过所述的数据线传输到所述的数据传输模块后，由所述的数据传输模块输出。

作为优选，所述的A/D模数转换模块的分辨率为14Bit。

作为优选，所述的数据传输模块为支持USB3.0的数据传输模块。

作为优选，所述的导航雷达接收机的模拟输入通道数为两通道，每通道最高采样率可同时达到125MSps，单通道模式最高采样率可达250MSps。

本实用新型的雷达视频信号的采集-存储方式为交替采存、可控区域、定时采集、灵活手自动转换。

先对于现有技术，本实用新型的X波段测波雷达回波数据采集系统，由于设定了交替采存、可控区域、定时采集的采样与存储方式，采集系统一方面减小了传输的数据量，减少了硬件设计人员的压力，增强了可靠性；一方面减少了机上的数据处理时间，方便了用户操作。

附图说明

图1：本实用新型的系统结构框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的阐述。

X波段测波雷达是船用X波段导航雷达改造得来，它保留了X波段导航雷达的发射与接收设备以及其它连接设备等，通过将X波段导航雷达接收机得到的海面回波视频信号进行重新提取与采集；X波段导航雷达天线旋转一周可采集一帧海面回波数据也即一幅雷达图像序列，按照后续算法要求，收集一定量的图像序列后进行后续的算法分析；分析雷达图像序列数量选取为N幅，并且N通常为32、64、128等；然后对采集的数据进行浪流反演即完成了X波段测波雷达的设计要求。

本实用新型根据X波段测波雷达研发需要，设计了一款能够完全满足视频采集要求的采集系统，请见图1，本实用新型所采用的技术方案是：一种X波段测波雷达回波数据采集系统，包括导航雷达接收机1、分辨率为14Bit的A/D模数转换模块2、滤波模块3、同频异步干扰消除模块4、数据组织模块5、支持USB3.0数据传输的数据传输模块6和数据线7，导航雷达接收机1的模拟输入通道数为两通道，每通道最高采样率可同时达到125MSps，单通道模式最高采样率可达250MSps；导航雷达接收机1接收到的视频信号通过数据线7顺序传输到A/D模数转换模块2、滤波模块3、同频异步干扰消除模块4、数据组织模块5和数据传输模块6后，由数据传输模块6输出；导航雷达接收机1接收到的船首信号、天线旋转一周产生的信号、触发信号分别通过数据线7传输到数据传输模块6后，由数据传输模块6输出。

本实用新型的导航雷达接收机1中的视频（Video）信号经过A/D模数转换模块2进行信号的采集后，通过滤波模块来3对Video信号进行低通滤波，滤除其信号带宽不满足要求的Video信号，滤波后的Video信号通过同频异步干扰消除模块4来消除由附近频率相近的其它导航雷达产生的同频异步干扰，经过同频异步干扰消除后的Video信号连同船首HD信号、天线旋转一周产生BP的信号、触发trig信号一起传入数据组织模块5，经由数据组织模块5对所有数据通过协议进行格式整理，最后通过支持USB3.0的数据传输模块6输出至PC机供后续测波雷达算法反演。

本实施例需要采集从导航雷达接收机1引出的四种所需要的信号，分别Video信号（视频信号）、HD信号（正北信号或者船首信号）、BP信号（天线旋转一周产生一个信号）、Trig信号（触发信号）；X波段测波雷达需要采集的信号以及信号的基本信息如下：

本实施例的采集系统的主要功能为对雷达视频信号进行采集，X波段测波雷达其磁控管震荡频率为9410MHz，发射脉冲为τ=70ns，海面回波经过混频变为60MHz中频信号，中频信号经过放大、滤波、频谱搬移、平方律视频检波后为视频信号，即为Video信号，Video信号的带宽1/τ≈14.3MHz，根据奈奎斯特采样定理，采样带宽应该大于等于2倍的信号带宽，因此采集卡模拟采样率必须大于或等于30MHz。本实施例的采集系统单通道模式采集可达250MSps，往下可分18档来进行程控设置，在设置的采样率大于30MHz的基础上，考虑到系统运行时间以及结果的精度，按照个人的要求采样率可任意更改，这样大大增加了采集系统的灵活性。

HD信号为雷达主机测量的正北信号或者设置为船首信号（即雷达探测的法线方向信号），HD信号作为天线旋转一周的起点信号，雷达工作时设定天线转速为42转/分，HD信号周期约为1.43s。

BP信号为天线每旋转一度产生的一个完整方波，即为BP信号，取其下降沿用来提取天线主瓣的指向，天线每旋转一周产生360个完整的BP信号周期约为3968us。

Trig信号为触发信号，Trig信号下降沿表示雷达磁控管开始振荡并且输出一个70ns的功率脉冲，作为采样起始的触发信号。天线发射时，每秒钟产生3000个Trig信号，Trig信号的周期为333us。

本实施例的采集系统包含两个模拟通道，并且多模块可并行扩展，其中一个模拟通道通过用A/D模数转换模块2来采集导航雷达接收机1传送过来的视频信号，其中另一个数字通道数，用来采集上述DH信号BP信号和trig信号。

考虑到采集系统的数据量问题，本实施例以最大采样率（这里设定为125MS/S）来计算数据量，当采集系统工作在125MS/S时，此时采集卡的采样距离分辨率为：

Δd=c/2f=3×10⁸/2×125×10⁶=1.2m

上式中，Δd为采集卡的采样距离分辨率；c为光速，大小为3×10⁸m/s；f为采集系统的工作频率，大小为125×10⁶Hz；

按探测距离为4.8km计算（X波段测波雷达最大探测距离），则采样点数为：

N=L/Δd=4.8×10³/1.2=4000

上式中，N为采样点个数；L为X波段测波雷达最大探测距离，大小为4800m；Δd为采集卡的采样距离分辨率，大小为1.2m；

由于采集系统位宽（A/D模数转换模块分辨率）为14位，一个采样点占用2byte，因此一次触发采集的数据量m_t为4000×2byte=8k。雷达工作时，设定160度扇角采集，雷达天线1分钟42转，一个HD信号周期为60s/42=1.43s。又由于天线发射时，每秒钟会产生3000个Trig信号，则此时160度扇角内共采集的数据量为：

M_t=θ×m_t×Trig1×t/θ_r=160×8×3000×1.43/360=15.36M

上式中，M_t为共采集的数据量；θ为设定的扇角，大小为160度；m_t为一次触发采集的数据量，大小为8k；Trig1为每秒钟产生的触发信号，大小为3000个；t为一个HD信号周期，大小为1.43s；θ_r为雷达旋转完整一圈的度数，大小为360度。

根据X波段侧波雷达算法要求，本实施例将需要连续采集的回波图像定为最大的128幅。如果直接收集到所有128幅回波图像后再进行数据存储与传输，此时128×15.36≈1966M，设计采集系统内存应该大于1966M，本实施例的采集卡采用2048M的内存，满足设计需要，存储数据类型为二进制文件。

为了缩减后续算法上的数据分割时间以及实现回波波形的实时显示，本实施例的X波段测波雷达回波数据采集系统在上述的存储方式上增加实时存盘功能，即把采集的数据经过一定的压缩比，实时存储在计算机硬盘上。采集系统能在雷达旋转一圈后把所有回波数据实时存盘，即每一个船首信号周期存储一个单独的文件。后续通过支持USB3.0的传输协议的传输芯片，其流盘率设计为20M/s，实现了数据的实时传输。

上述经过A/D后的Video信号通过滤波模块进行低通滤波，考虑到Video信号的带宽1/τ≈14.3MHz，并且为视频信号，设置的低通滤波器带宽为2/τ即可满足要求，本实施例设置滤波器带宽为30MHz。这样，可以很好的滤除带宽外不满足要求的噪声信号。

目前，大多数船用X波段导航雷达都工作在三厘米波段，当二部或几部同波段雷达在相邻位置工作时，一部雷达除了接收由本机发射而产生目标物反射的微波脉冲外，还可以接收到别的雷达发射的微波脉冲，从而造成干扰，严重时无法分清目标信号和干扰信号。因此，本实施例的系统经过滤波后的回波数据将传入消除同频异步干扰模块。由于雷达发射微波脉冲的周期是随雷达不同而不同的，即使二部同频段雷达都采用同一脉冲重复频率工作，但也不会精确地相等，总会有几赫兹甚至几十赫兹的差异。本实用新型的X波段测波雷达回波数据采集系统的同频异步干扰消除模块正是利用这个周期上的差异，通过求差处理来区分开本雷达信号与其它雷达信号，从而提炼出本雷达信号。经过消除同频异步干扰模块后的回波信号连同系统数字通道采集的DH信号BP信号和trig信号一起传入数据组织模块，经由数据组织模块对所有数据通过协议进行格式整理后由USB3.0接口传至PC机，对PC机上的数据进行解析后即可以进行后续的海浪反演工作。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围，因此，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种X波段测波雷达回波数据采集系统，包括导航雷达接收机（1），其特征在于：所述的X波段测波雷达回波数据采集系统还包括A/D模数转换模块（2）、滤波模块（3）、同频异步干扰消除模块（4）、数据组织模块（5）、数据传输模块（6）和数据线（7），所述的导航雷达接收机（1）接收到的视频信号通过所述的数据线（7）顺序传输到所述的A/D模数转换模块（2）、滤波模块（3）、同频异步干扰消除模块（4）、数据组织模块（5）和数据传输模块（6）后，由所述的数据传输模块（6）输出；所述的导航雷达接收机（1）接收到的船首信号、天线旋转一周产生的信号、触发信号分别通过所述的数据线（7）传输到所述的数据传输模块（6）后，由所述的数据传输模块（6）输出。

2.根据权利要求1所述的X波段测波雷达回波数据采集系统，其特征在于：所述的A/D模数转换模块（2）的分辨率为14Bit。

3.根据权利要求1所述的X波段测波雷达回波数据采集系统，其特征在于：所述的数据传输模块（6）为支持USB3.0的数据传输模块。

4.根据权利要求1所述的X波段测波雷达回波数据采集系统，其特征在于：所述的导航雷达接收机（1）的模拟输入通道数为两通道，每通道最高采样率可同时达到125MSps，单通道模式最高采样率可达250MSps。

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