CN211669363U - 面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统，其特征在于，包括发射链路、射频开关模块、天线模块、接收链路、混频电路、中频处理电路、模数转换模块、FPGA芯片和上位机，所述发射链路、射频开关模块、接收链路、混频电路、中频处理电路、模数转换模块、FPGA芯片和上位机依次连接，所述混频电路与发射链路连接，所述天线模块与射频开关模块连接。与现有技术相比，本实用新型具有收发隔离度高、系统灵敏度高等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及通信、测控和雷达技术领域，尤其是涉及一种面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统。
背景技术
风廓线雷达是通过向高空发射电磁波束，接收并处理电磁波束因大气垂直结构不均匀而返回的信息进行高空风场探测的一种遥感设备。风廓线雷达已经成为连续、实时遥感大气风场的有效工具，特别适合需要无球测风的场合，如机场、伞兵训练等，能满足诸如机场测风设备布网和重要设施气象保障方面的需求。风廓线雷达能够探测其上空风向、风速等气象要素随高度的变化情况，具有探测时空分辨率高、自动化程度高等优点。大气中折射率的不均匀能够引起对电磁波的散射，其中大气中的湍流活动导致折射率涨落而引起的散射(即湍流散射)，散射层的运动和湍流块的运动都可造成返回电磁波信号特征的变化，测量这种变化就可以分析风的运动参量，在一定的假定条件下可估测出回波信号所在高度上的风向、风速和垂直运动，从而获取大气风廓线资料。
目前的风廓线雷达多是对边界层、平流层的大气状况进行探测，系统成本高、体积大且应用场景受限。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种收发隔离度高、系统灵敏度高且脉宽窄的面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统，包括发射链路、射频开关模块、天线模块、接收链路、混频电路、中频处理电路、模数转换模块、FPGA芯片和上位机，所述发射链路、射频开关模块、接收链路、混频电路、中频处理电路、模数转换模块、FPGA芯片和上位机依次连接，所述混频电路与发射链路连接，所述天线模块与射频开关模块连接。
进一步地，所述发射链路包括相连接的晶振源和功分器，所述功分器一端依次通过介质振荡电路和带通滤波器与射频开关模块连接，另一端通过另一介质振荡电路与混频电路连接。
进一步地，所述介质振荡电路为带锁相环的介质振荡电路。
进一步地，所述射频开关模块包括共用控制端口的三个开关芯片，所述三个开关芯片级联，实现单刀双掷功能，一端连接天线模块，另外两端分别连接发射链路和接收链路，所述控制端口与FPGA芯片连接。
进一步地，所述射频开关模块内部设有吸波棉，外部设有金属屏蔽层。
进一步地，所述天线模块包括线性馈源、辐射层和金属外框。
进一步地，所述接收链路包括两个低噪声放大器和一个带通滤波器，所述带通滤波器的两端分别通过一低噪声放大器连接射频开关模块和混频电路。
进一步地，所述混频电路为双平衡二极管混频电路。
进一步地，所述中频处理电路包括依次连接的前级低噪声放大芯片、单端转差分芯片和仪表放大器芯片。
进一步地，所述模数转换模块包括驱动放大芯片、ADC芯片、时钟稳定器和电源，所述ADC芯片分别连接驱动放大芯片和时钟稳定器，所述电源分别连接驱动放大芯片和ADC芯片。
与现有技术相比，本实用新型可用于实现对低空微弱大气湍流的探测，具有如下有益效果：
(1)本实用新型考虑地表层大气湍流的特性以及需要在有限的发射功率内尽可能探测较远的距离，通过发射链路、射频开关模块、天线模块、接收链路、混频电路、中频处理电路、模数转换模块、FPGA芯片和上位机这些结构的组成，设计获得收发隔离度高、系统灵敏度高且脉宽窄的收发一体化高性能脉冲雷达系统架构。
(2)本实用新型的接收灵敏度高于-155dBm，收发隔离度大于85dB。
(3)本实用新型的射频开关模块由三块芯片级联而成，三芯片共用控制接口，并进行全金属屏蔽处理，内部加装吸波棉，实现在22-26GHz内，每个端口的回波损耗S11<-12dB，在23.5-24.5GHz内，每个端口回波损耗S11<-15dB，在22-26GHz内，三端口之间的隔离度均大于90dB，端口间插入损耗小于6dB，从而实现整体脉冲雷达系统的高灵敏度和高隔离度。
附图说明
图1为本实用新型的射频开关模块的原理框图；
图2为本实用新型的中频处理电路的原理框图；
图3为本实用新型的模数转换器的原理框图；
图4为本实用新型的主框架图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供一种面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统，该系统考虑到地表层大气湍流的特性以及在有限的发射功率内尽可能探测较远的距离，设计收发隔离度高、系统灵敏度高且脉宽窄的收发一体化高性能脉冲雷达系统架构，可以在晴朗天气下，以电磁波入射大气湍流得到的散射回波为探测的基础，采用多普勒雷达的收发技术体制。如图4所示，该系统包括发射链路1、射频开关模块2、天线模块3、接收链路4、混频电路5、中频处理电路6、模数转换模块7、FPGA芯片8和上位机9，发射链路1、射频开关模块2、接收链路4、混频电路5、中频处理电路6、模数转换模块7、FPGA芯片8和上位机9依次连接，混频电路5与发射链路1连接，天线模块3与射频开关模块2连接。
发射链路1用于产生高精度低相位噪声的K波段射频信号，包括相连接的晶振源(TCXO)101和功分器102，功分器102一端依次通过介质振荡电路(PDRO)103和带通滤波器(BPF)104与射频开关模块2连接，另一端通过另一介质振荡电路105与混频电路5连接，为混频模块提供同频同相的本振信号。发射链路1能够提供稳定、精确且超低相位噪声的信号，射频信号功率为+20dBm。本实施例中，介质振荡电路采用带锁相环的介质振荡电路。
射频开关模块2用于对射频连续波信号进行脉冲调制，同时提升收发电路的隔离度，降低发射链路高功率信号对接受链路的干扰实现各端口高隔离度，且具有高的切换速度。如图1所示，射频开关模块(SWITCH)2包括共用控制端口的三个开关芯片201，三个开关芯片201级联，实现单刀双掷功能，一端连接天线模块3，另外两端分别连接发射链路1和接收链路4，控制端口与FPGA芯片8连接，通过选通收发链路，实现脉冲调制的功能。射频开关模块2在FPGA芯片8的控制下实现发射状态或接收状态，发射状态时3→1接通，接收状态时2→1接通。该射频开关模块2实现在22-26GHz内，每个端口的回波损耗S11<-12dB；在23.5-24.5GHz内，每个端口回波损耗S11<-15dB，在22-26GHz内，三端口之间的隔离度均大于90dB，端口间插入损耗小于6dB。
本实施例中，射频开关模块2内部充分退耦，在内部加装吸波棉，外部全金属屏蔽处理。
天线模块3用于分时向大气发射多个天线波束，对不同方向的大气湍流进行探测。本实施例的天线模块3采用高增益多波束天线，包括线性馈源、辐射层和金属外框，具有多波束、高增益以及低旁瓣的优点，且可以实现快速切换±10°四波束。
接收链路4接收射频开关模块2的回波信号，用于对天线下端所接收的信号进行前级滤波以及低噪声放大，包括两个低噪声放大器(LNA)401和一个带通滤波器402，带通滤波器402的两端分别通过一低噪声放大器401连接射频开关模块2和混频电路5。该接收链路由两个低噪声放大器达到所需射频前端增益要求。本实施例中，射频增益分别为50dB与20dB，对23.5GHz-24.5GHz的信号进行滤波选择。
混频电路5用于对接收的射频信号进行下变频至零中频，最终输出I、Q两路信号。本实施例采用双平衡二极管混频电路，具有I、Q两路平衡性高的特点。
中频处理电路6用于对下混频信号进行滤波，并将中频信号放大至适当的范围，以供后端模数转换模块7采样。如图2所示，中频处理电路6包括依次连接的前级低噪声放大芯片601、单端转差分芯片602和仪表放大器芯片603，具有静态噪声低、动态范围大的特点。另外，单端转差分芯片602和仪表放大器芯片603之间还可设置低通滤波器LPF。该中频处理电路6接收I、Q两路信号进行前级低噪声放大，增益增加6dB，之后进行单端转差分处理，将单路信号转成两路信号，实现低噪声，经过低通滤波器处理后接入仪表放大电路，增益增加60dB。该模块具有4.8K的宽带宽，对信号实现66dB增益放大。
模数转换模块7对中频处理电路6的输出信号进行I、Q双通道同步采样。如图3所示，模数转换模块7包括驱动放大芯片701、ADC芯片702、时钟稳定器703和电源，ADC芯片702分别连接驱动放大芯片701和时钟稳定器703，电源分别连接驱动放大芯片701和ADC芯片702。驱动放大芯片701和ADC芯片702串联，进行集成双通道同步采样，由时钟稳定器703向ADC芯片702提供稳定时钟信号。通过上述电路结构可以进行高精度与高速率采样，同时，还具有噪声低，时钟稳定的功能。本实施例中，电源通过低压差线性稳压器LDO向驱动放大芯片701提供3.3V电压，向ADC芯片702提供1.8V电压。
FPGA芯片8实现低噪声与高速数据传输，用于对信号进行预处理及相关算法处理，并将处理后的数据以太网方式发送至上位机9，所述处理后的数据包括不同距离层的风的风速、风向以及风的回波强度情况等。上位机9用于显示目标信息。
风廓线雷达天线采用相控阵技术，既能够实现天线的高增益、低副瓣，也能够实现波束快速扫描以及波束指向高精度，能够满足风廓线雷达对时间分辨率的要求。
本系统利用毫米波可以实现高增益以及小体积天线的优势，选用24GHz信号作为载波，经由发射链路发送后的电磁波信号在大气传播过程中，因为大气湍流活动导致折射率涨落而引起散射，散射层的运动和湍流层的运动都可造成电磁波信号的多普勒频移。根据多普勒效应确定雷达波束方向的速度分量。发射源与接收体之间存在相对运动假设无线电波从源S出发，在X点和Y点分别被移动台接收时所走的路径差为：
Δl＝dcosθ＝vΔtcosθ
由于路径差造成的接收信号相位变化值为：
由此可得出频率变化值，即多普勒频移为：
接收到的回波信号经过低噪声放大与带通滤波处理，增益增大，回波信号与本振信号进行混频，提取多普勒频移信息，经中频处理电路与模数转换模块处理后，进行FPGA芯片的预处理和相关算法处理，获得不同距离层的风的风速、风向以及风的回波强度情况，最后进行上位机的显示。
经中频处理电路IF放大滤波与模数转换模块处理后可以得到接收端的噪声系数如下公式所示：
式中，NF表示噪声系数，G表示增益，L表示线缆损耗。
本实施例中，接收端噪声系数为7.4dB。
接收端的灵敏度如下公式所示：
Psen＝PRs+NFtot+10lgB+SNR
＝kT+NFtot+10lgB+SNR
式中，PRS表示大气底噪的绝对功率，即为kT，k表示玻尔兹曼常数，T表示系统温度，B表示频谱分辨率带宽，SNR表示信噪比。
本实施例中，接收端的灵敏度为-153.6dBm。
本实施例的脉冲雷达系统应用于低空微弱大气湍流矢量信号探测中，具有低噪声、高灵敏度和高隔离度等优点。
以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统，其特征在于，包括发射链路、射频开关模块、天线模块、接收链路、混频电路、中频处理电路、模数转换模块、FPGA芯片和上位机，所述发射链路、射频开关模块、接收链路、混频电路、中频处理电路、模数转换模块、FPGA芯片和上位机依次连接，所述混频电路与发射链路连接，所述天线模块与射频开关模块连接。
2.根据权利要求1所述的面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统，其特征在于，所述发射链路包括相连接的晶振源和功分器，所述功分器一端依次通过介质振荡电路和带通滤波器与射频开关模块连接，另一端通过另一介质振荡电路与混频电路连接。
3.根据权利要求2所述的面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统，其特征在于，所述介质振荡电路为带锁相环的介质振荡电路。
4.根据权利要求1所述的面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统，其特征在于，所述射频开关模块包括共用控制端口的三个开关芯片，所述三个开关芯片级联，实现单刀双掷功能，一端连接天线模块，另外两端分别连接发射链路和接收链路，所述控制端口与FPGA芯片连接。
5.根据权利要求1所述的面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统，其特征在于，所述射频开关模块内部设有吸波棉，外部设有金属屏蔽层。
6.根据权利要求1所述的面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统，其特征在于，所述天线模块包括线性馈源、辐射层和金属外框。
7.根据权利要求1所述的面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统，其特征在于，所述接收链路包括两个低噪声放大器和一个带通滤波器，所述带通滤波器的两端分别通过一低噪声放大器连接射频开关模块和混频电路。
8.根据权利要求1所述的面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统，其特征在于，所述混频电路为双平衡二极管混频电路。
9.根据权利要求1所述的面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统，其特征在于，所述中频处理电路包括依次连接的前级低噪声放大芯片、单端转差分芯片和仪表放大器芯片。
10.根据权利要求1所述的面向低空微弱大气湍流矢量信号探测的脉冲雷达系统，其特征在于，所述模数转换模块包括驱动放大芯片、ADC芯片、时钟稳定器和电源，所述ADC芯片分别连接驱动放大芯片和时钟稳定器，所述电源分别连接驱动放大芯片和ADC芯片。
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|---|---|---|---|---|
| CN113364510A (zh) * | 2021-05-10 | 2021-09-07 | 上海航天电子有限公司 | 应用于提高星载vdes载荷收发隔离的结构及方法 |
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Granted publication date: 20201013 Pledgee: Suzhou Rongfeng Technology Microfinance Co.,Ltd. Pledgor: Suzhou Dufeng Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2021320010568 |