CN2896305Y - 一种通道可扩展的全相参雷达接收机 - Google Patents

Abstract

一种通道可扩展的全相参雷达接收机，将单极子交叉环接收天线与高频雷达数字相干接收机组成一个接收机单元，采用USB总线和USB集线器将多个接收机单元并联连接起来，其中一个接收机单元为主控接收机单元，其他接收机单元为扩展接收机单元，主控接收机单元对扩展接收机单元进行时序控制，且所有接收机单元的工作时钟由主控接收机单元的时钟源提供，主控接收机单元为扩展接收机单元提供雷达的发射信号及本振信号，各个扩展接收机单元的本振信号由主控接收机单元的频率源统一提供。可以扩展为六通道，九通道，甚至更多，同时各个雷达接收机单元既可以组成多通道雷达接收系统，也可以独立工作，能够灵活地对雷达通道数目进行配置，具有简单易实现的特点。

Description

一种通道可扩展的全相参雷达接收机

技术领域

本实用新型涉及一种多通道高频雷达接收技术；具体地说，是在现有三通道高频雷达接收机的基础上完成的一种具有多个接收机通道的全相参雷达接收机。

背景技术

便携式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。该雷达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。

该雷达接收系统采用了单极子交叉环天线作为高频地波雷达的接收天线，单极子交叉环结构紧凑，是一种典型小型化天线。但单极子交叉环天线只有三个端口的输出，而且在该雷达接收机系统中，采用了单片数字信号处理芯片同时完成三通道的雷达数据的采集及处理，占去了芯片的极大部分的I/O和存储器资源，从而限制了接收机的通道数目，因此提出了一种扩展接收机通道的一种方法，同时各个雷达接收机即可以单独使用，也可以组成单极子交叉环天线阵，实现多通道的扩展，该扩展方法具有灵活，易实现的特点。

高频地波雷达用于海洋环境监测，分析和处理的是海洋回波的相位信息，采用了相干多普勒雷达的技术方案，发射信号和相干检波本振信号具有相同的基准相位，它们都出自于一个共同的频率标准信号源，因此高频地波雷达属于全相参系统。同步控制器用此信号源产生雷达系统的所有时序控制信号，雷达系统要求同步控制信号的产生具有很高的准确性，稳定性和可靠性，以避免引起系统的相位误差。

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)，该雷达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；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；但雷达的接收通道确定为三通道，通道数目不可扩展。

发明内容

本实用新型的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，提供一种通道可扩展的全相参雷达接收机，从而实现了对接收机的通道数目的灵活配置功能，即能独立工作，又可以组成多通道雷达接收系统。

一种通道可扩展的全相参雷达接收机，其特征在于：包括多个单极子交叉环接收天线与高频雷达数字相干接收机组成的接收机单元，采用USB集线器将多个接收机单元并联连接起来，其中一个接收机单元为主控接收机单元，其他接收机单元为扩展接收机单元，USB集线器与PC机相连；

主控接收机单元的时钟驱动电路的输出端与各扩展接收机单元的时钟输入端口连接，由主控接收机单元提供所有接收机单元的工作时钟；

所有接收机单元的同步控制电路均采用现场可编程逻辑器件FPGA，所有接收机单元(包括主控接收机单元)同步控制器的EN端口与主控接收机单元的USB控制器的SYN_EN相连接，使能信号EN由主控接收机单元的USB控制器产生。

本实用新型的原理是，将单极子交叉环接收天线与高频雷达数字相干接收机组成一个接收机单元，采用USB总线和USB集线器将多个接收机单元并联连接起来，其中一个接收机单元为主控接收机单元，其他接收机单元为扩展接收机单元，主控接收机单元对扩展接收机单元进行时序控制，且所有接收机单元的工作时钟由主控接收机单元的时钟源提供，主控接收机单元为扩展接收机单元提供雷达的发射信号及本振信号，各个扩展接收机单元的本振信号由主控接收机单元的频率源统一提供，在主控接收机单元的控制下完成雷达回波数据的采集及传输。

本实用新型在原有的高频雷达接收机的基础上，将主控接收机单元的时钟驱动电路的输出与各扩展接收机的时钟输入端连接，该时钟驱动芯片CDCVF25081采用了锁相环技术，最多可驱动8路时钟信号输出，且使得各路输出信号能够保证严格的相位一致性。

本实用新型的雷达接收机的同步控制器采用了现场可编程逻辑器件FPGA完成对所有模块的控制，当同步控制的参数下载到同步控制器中，通过使能信号EN使得同步控制器开始工作，该使能信号由主控接收机的USB控制器产生，通过这种方法，使得所有同步控制信号均由同一时钟产生，且由同一使能控制信号触发工作。雷达的发射信号由主控雷达接收机产生，在雷达回波信号解调过程所需要的本振信号，有主控雷达的本振信号源提供，经功率分配器输出后连接到各个接收机的本振信号输入端，即所有接收机单元的工作信号均由主控雷达提供，从而保持雷达的相干特性。

本实用新型具有下列优点和积极效果：

①利用全相参雷达接收机的工作原理，对原有的三通道雷达接收机的电路作一些相应的改进，即在各个接收机单元中，增加了时钟驱动电路和使能信号控制输入输出端口，则可以实现雷达接收机的通道扩展，且能够保证各个雷达接收机的通道一致性，解决了单极子交叉环的有限的接收通道的限制，增加了雷达接收天线的孔径，提高了雷达的工作性能。

②节省了开发成本，各台雷达系统即可以单独工作，也可以组成多通道雷达接收机系统。在各个接收机单元中的增加的时钟驱动电路，单台接收机单元独立工作时由接收机本身的时钟源提供工作时钟，当进行通道扩展时，所有接收机单元的工作时钟由主控接收机的时钟源提供。通过选通开关实现对时钟输入的选择，该设计具有较大的灵活性。

附图说明

图1是本实用新型实施例的高频雷达接收机的通道扩展的框图。其中，主控接收机单元(雷达主机)1，扩展接收机单元2、3，接收天线4、5、6，USB集线器8，PC主机9，接受机本振信号U1，接收机时序控制信号U2，接收机时钟源信号U3。

图2是图1中主控接收机单元(雷达主机)1中的时钟驱动电路框图。其中，时钟驱动电路7，接收机时钟源10，单刀双掷开关13、16、19。

图3是图1中主控接收机单元(雷达主机)1中的通道扩展的同步控制器连接电路图。其中，参数传送模块20，分频模块21，主程序工作模块22，从属各接受机单元的同步控制器23。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

本实用新型利用全相参雷达的工作原理，通过对雷达接收机的通道扩展实现单极子交叉环接收天线阵列，达到提高雷达工作性能的目的，同时该实用新型设计具有灵活性，具有低成本，易实现的特点。

1、本实用新型的工作原理

全相参雷达接收机的设计

由于高频地波雷达用于海洋环境监测，分析和处理的是海浪回波的相位信息，采用了相干脉冲多普勒雷达的技术方案，发射信号和相干检波本振信号具有相同的基准相位，他们都必须由同一频率信号源提供，而且同步控制器用此信号源产生出雷达系统所需要的所有时序控制信号，雷达系统要求同步控制器电路本身应具有很高的准确性，稳定性和可靠性。在高频雷达系统中采用了现场可编程逻辑阵列(FPGA)作为同步控制器的硬件平台，可较好的满足实时准确的同步控制要求，而且能够集成其余通道控制和数据传输等功能。

本雷达系统采用的是线形调频中断连续波(FMICW)体制，FMICW是现代雷达广泛使用的脉冲压缩体制，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，能够使得发射和接收之间达到有效的隔离，且实现收发共站，因此为了防止接收机因输入很强的发射信号而过载，必须对雷达接收机的工作时序进行严格的控制，在多通道扩展中，为了保证各个雷达接收机一致性，所有的时序必须保持严格的一致性，保持所有工作模块的相干性。

2、通道扩展的同步控制的实现

本实用新型中的多通道的扩展是利用现有的三通道雷达接收机的基础上作相应的改进完成的，每个三通道雷达接收机作为一个接收机单元，则扩展后的雷达通道数目为六通道，九通道甚至更多，雷达的接收天线线阵可以组成线性阵或者其他阵列形状。

本实用新型的高频雷达通道扩展的整体框架图如附图1所示；1为雷达主控接收机单元(雷达主机)，雷达主机为所有雷达接收机提供时钟源，完成发射和本振信号的产生以及接收机中同步控制电路的触发信号的产生，2，3分别为扩展接收机单元(通道扩展的雷达接收机)；4为雷达主机的接收天线，5和6分别为扩展的接收天线，4，5，6为三通道雷达系统的接收天线，采用的是单极子交叉环天线，该接收天线具有三个输出端口(单极子，交叉环A和交叉环B)，4，5，6可以组成线形阵列或者其他形状的阵列，在实际应用中，最多可以扩展到8个单极子交叉环单元组成的阵列，同时雷达接收机也扩展至8台接收机，即可以扩展至24通道雷达接收机，在图中用省略号表示。8为USB集线器，9为PC主机，该雷达系统采用了USB总线，对雷达接收机采集处理的数据通过USB总线传输到PC主机，在通道扩展中，采用了USB集线器完成多个接收机的数据传输。在图中，由主控接收机单元向其他所有扩展接收机单元提供时钟源信号和同步控制电路的触发信号，且各接收机单元的本振信号均由主控雷达接收机提供。

本实用新型的时钟驱动电路位于每个接收机单元的晶振输出与系统的时钟输入之间，时钟驱动电路如附图2所示；该时钟驱动电路最多可以驱动8路时钟输出，其输出端与扩展接收机单元的时钟源输入端口通过单刀双掷开关13，16，19相连相连接。当进行接收机的通道扩展时，各个接收机单元的时钟均由主控接收机的时钟源提供，在附图2中，由单刀双掷开关分别接通12，15，18。即均接通主控接收机的时钟驱动电路的输出端口。若是各个接收机单独工作，则各台接收机均可由本接收机单元的时钟源提供时钟信号，即单刀双掷开关分别接通11，14，17。在电路设计的过程中，每个接收机单元的结构是一致的，即每个接收机单元中都增加了时钟驱动电路，也就是说每台接收机都是完全一致的，因此节省了设计成本。

时钟驱动芯片采用了具有零延时的锁相环设计，且该驱动芯片的锁相环路内部集成了环路滤波器，无需外部的RC电路，提高了芯片的集成度和方便了用户设计；芯片的工作频率范围为8-200MHz，能够满足本系统的设计要求。

高频地波雷达的同步控制器的结构如附图3所示；该同步控制电路采用了现场可编程逻辑阵列(FPGA)实现主控接收机单元(雷达主机)的时序控制，该时序控制由双口RAM参数传送模块20，分频模块21，主程序工作模块22以及一些控制端口组成。双口RAM参数传送模块实现由主机端向FPGA传送雷达同步控制的波形参数的功能，分频模块为主程序模块提供各类工作时钟，主程序模块主要完成雷达工作所需要的时序控制信号的产生，控制端口负责雷达同步控制器工作的使能，复位等功能。当雷达系统初始化时，由PC主机完成向FPGA中的双口RAM送参数的功能，当参数传送完毕时，将使能控制信号EN置位，则同步控制主程序开始工作，在本实用新型中所有接收机单元中的同步控制器中的EN信号均由主控接收机单元中的USB控制器产生，并通过线缆将各个从属接收机单元的EN端口统一连接到主控雷达接收机的SYN_EN端口；使得所有接收机单元的同步控制器均由主控接收机触发，使得各个接收机开始工作时都具有一致的初始相位，保证了各个接收通道之间的一致性和系统的相干性。

本实用新型的核心是在基于全相参雷达接收机设计和多通道雷达接收技术，利用现有的三通道的雷达接收机，只需稍加改进即可完成多通道的扩展。通过严格的时序控制对各个接收机单元进行控制，即可实现六通道，九通道甚至更多通道的雷达接收技术，同时各个雷达接收机单元即可以组成多通道雷达接收系统又可以独立工作，每个接收机单元配以相应的单极子/交叉环接收天线，可以单独使用，该方案能够灵活地对接收机的通道数目进行了配置，同时又降低了成本。

Claims (1)

1.通道可扩展的全相参雷达接收机，其特征在于：包括多个单极子交叉环接收天线与高频雷达数字相干接收机组成的接收机单元，采用USB集线器将多个接收机单元并联连接起来，其中一个接收机单元为主控接收机单元，其他接收机单元为扩展接收机单元，USB集线器与PC机相连；

主控接收机单元的时钟驱动电路的输出端与各扩展接收机单元的时钟输入端口连接，由主控接收机单元提供所有接收机单元的工作时钟；

所有接收机单元的同步控制电路均采用现场可编程逻辑器件FPGA，所有接收机单元同步控制器的EN端口与主控接收机单元的USB控制器的SYN_EN相连接，使能信号EN由主控接收机单元的USB控制器产生。

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