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專(zhuān)利名稱(chēng)：一種通道可擴(kuò)展的全相參雷達(dá)接收機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種多通道高頻雷達(dá)接收技術(shù)；具體地說(shuō)，是在現(xiàn)有三通道高頻雷達(dá)接收機(jī)的基礎(chǔ)上完成的一種具有多個(gè)接收機(jī)通道的全相參雷達(dá)接收機(jī)。
背景技術(shù)：
便攜式高頻地波雷達(dá)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是武漢大學(xué)研制的探測(cè)海洋表面風(fēng)、浪、流場(chǎng)和低速移動(dòng)目標(biāo)等海洋環(huán)境要素的先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)。該雷達(dá)接收機(jī)采用多通道接收技術(shù)及陣列信號(hào)處理技術(shù)，從而獲得豐富的海洋狀態(tài)信息。
該雷達(dá)接收系統(tǒng)采用了單極子交叉環(huán)天線作為高頻地波雷達(dá)的接收天線，單極子交叉環(huán)結(jié)構(gòu)緊湊，是一種典型小型化天線。但單極子交叉環(huán)天線只有三個(gè)端口的輸出，而且在該雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)中，采用了單片數(shù)字信號(hào)處理芯片同時(shí)完成三通道的雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集及處理，占去了芯片的極大部分的I/O和存儲(chǔ)器資源，從而限制了接收機(jī)的通道數(shù)目，因此提出了一種擴(kuò)展接收機(jī)通道的一種方法，同時(shí)各個(gè)雷達(dá)接收機(jī)即可以單獨(dú)使用，也可以組成單極子交叉環(huán)天線陣，實(shí)現(xiàn)多通道的擴(kuò)展，該擴(kuò)展方法具有靈活，易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。
高頻地波雷達(dá)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)，分析和處理的是海洋回波的相位信息，采用了相干多普勒雷達(dá)的技術(shù)方案，發(fā)射信號(hào)和相干檢波本振信號(hào)具有相同的基準(zhǔn)相位，它們都出自于一個(gè)共同的頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，因此高頻地波雷達(dá)屬于全相參系統(tǒng)。同步控制器用此信號(hào)源產(chǎn)生雷達(dá)系統(tǒng)的所有時(shí)序控制信號(hào)，雷達(dá)系統(tǒng)要求同步控制信號(hào)的產(chǎn)生具有很高的準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性和可靠性，以避免引起系統(tǒng)的相位誤差。
武漢大學(xué)的一項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利《高頻地波雷達(dá)數(shù)字相干接收機(jī)》(ZL200420057632.3)，該雷達(dá)接收機(jī)采用收發(fā)共站、線性調(diào)頻中斷連續(xù)波、一次混頻帶通采樣和數(shù)字信號(hào)處理器完成多通道的數(shù)據(jù)處理；具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)線性度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度好的優(yōu)點(diǎn)；但雷達(dá)的接收通道確定為三通道，通道數(shù)目不可擴(kuò)展。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)和不足，提供一種通道可擴(kuò)展的全相參雷達(dá)接收機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)接收機(jī)的通道數(shù)目的靈活配置功能，即能獨(dú)立工作，又可以組成多通道雷達(dá)接收系統(tǒng)。
一種通道可擴(kuò)展的全相參雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于包括多個(gè)單極子交叉環(huán)接收天線與高頻雷達(dá)數(shù)字相干接收機(jī)組成的接收機(jī)單元，采用USB集線器將多個(gè)接收機(jī)單元并聯(lián)連接起來(lái)，其中一個(gè)接收機(jī)單元為主控接收機(jī)單元，其他接收機(jī)單元為擴(kuò)展接收機(jī)單元，USB集線器與PC機(jī)相連；主控接收機(jī)單元的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與各擴(kuò)展接收機(jī)單元的時(shí)鐘輸入端口連接，由主控接收機(jī)單元提供所有接收機(jī)單元的工作時(shí)鐘；所有接收機(jī)單元的同步控制電路均采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA，所有接收機(jī)單元(包括主控接收機(jī)單元)同步控制器的EN端口與主控接收機(jī)單元的USB控制器的SYN_EN相連接，使能信號(hào)EN由主控接收機(jī)單元的USB控制器產(chǎn)生。
本實(shí)用新型的原理是，將單極子交叉環(huán)接收天線與高頻雷達(dá)數(shù)字相干接收機(jī)組成一個(gè)接收機(jī)單元，采用USB總線和USB集線器將多個(gè)接收機(jī)單元并聯(lián)連接起來(lái)，其中一個(gè)接收機(jī)單元為主控接收機(jī)單元，其他接收機(jī)單元為擴(kuò)展接收機(jī)單元，主控接收機(jī)單元對(duì)擴(kuò)展接收機(jī)單元進(jìn)行時(shí)序控制，且所有接收機(jī)單元的工作時(shí)鐘由主控接收機(jī)單元的時(shí)鐘源提供，主控接收機(jī)單元為擴(kuò)展接收機(jī)單元提供雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)及本振信號(hào)，各個(gè)擴(kuò)展接收機(jī)單元的本振信號(hào)由主控接收機(jī)單元的頻率源統(tǒng)一提供，在主控接收機(jī)單元的控制下完成雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的采集及傳輸。
本實(shí)用新型在原有的高頻雷達(dá)接收機(jī)的基礎(chǔ)上，將主控接收機(jī)單元的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路的輸出與各擴(kuò)展接收機(jī)的時(shí)鐘輸入端連接，該時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片CDCVF25081采用了鎖相環(huán)技術(shù)，最多可驅(qū)動(dòng)8路時(shí)鐘信號(hào)輸出，且使得各路輸出信號(hào)能夠保證嚴(yán)格的相位一致性。
本實(shí)用新型的雷達(dá)接收機(jī)的同步控制器采用了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA完成對(duì)所有模塊的控制，當(dāng)同步控制的參數(shù)下載到同步控制器中，通過(guò)使能信號(hào)EN使得同步控制器開(kāi)始工作，該使能信號(hào)由主控接收機(jī)的USB控制器產(chǎn)生，通過(guò)這種方法，使得所有同步控制信號(hào)均由同一時(shí)鐘產(chǎn)生，且由同一使能控制信號(hào)觸發(fā)工作。雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)由主控雷達(dá)接收機(jī)產(chǎn)生，在雷達(dá)回波信號(hào)解調(diào)過(guò)程所需要的本振信號(hào)，有主控雷達(dá)的本振信號(hào)源提供，經(jīng)功率分配器輸出后連接到各個(gè)接收機(jī)的本振信號(hào)輸入端，即所有接收機(jī)單元的工作信號(hào)均由主控雷達(dá)提供，從而保持雷達(dá)的相干特性。
本實(shí)用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果①利用全相參雷達(dá)接收機(jī)的工作原理，對(duì)原有的三通道雷達(dá)接收機(jī)的電路作一些相應(yīng)的改進(jìn)，即在各個(gè)接收機(jī)單元中，增加了時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路和使能信號(hào)控制輸入輸出端口，則可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)接收機(jī)的通道擴(kuò)展，且能夠保證各個(gè)雷達(dá)接收機(jī)的通道一致性，解決了單極子交叉環(huán)的有限的接收通道的限制，增加了雷達(dá)接收天線的孔徑，提高了雷達(dá)的工作性能。
②節(jié)省了開(kāi)發(fā)成本，各臺(tái)雷達(dá)系統(tǒng)即可以單獨(dú)工作，也可以組成多通道雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)。在各個(gè)接收機(jī)單元中的增加的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路，單臺(tái)接收機(jī)單元獨(dú)立工作時(shí)由接收機(jī)本身的時(shí)鐘源提供工作時(shí)鐘，當(dāng)進(jìn)行通道擴(kuò)展時(shí)，所有接收機(jī)單元的工作時(shí)鐘由主控接收機(jī)的時(shí)鐘源提供。通過(guò)選通開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘輸入的選擇，該設(shè)計(jì)具有較大的靈活性。


圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的高頻雷達(dá)接收機(jī)的通道擴(kuò)展的框圖。其中，主控接收機(jī)單元(雷達(dá)主機(jī))1，擴(kuò)展接收機(jī)單元2、3，接收天線4、5、6，USB集線器8，PC主機(jī)9，接受機(jī)本振信號(hào)U1，接收機(jī)時(shí)序控制信號(hào)U2，接收機(jī)時(shí)鐘源信號(hào)U3。
圖2是圖1中主控接收機(jī)單元(雷達(dá)主機(jī))1中的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路框圖。其中，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路7，接收機(jī)時(shí)鐘源10，單刀雙擲開(kāi)關(guān)13、16、19。
圖3是圖1中主控接收機(jī)單元(雷達(dá)主機(jī))1中的通道擴(kuò)展的同步控制器連接電路圖。其中，參數(shù)傳送模塊20，分頻模塊21，主程序工作模塊22，從屬各接受機(jī)單元的同步控制器23。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
本實(shí)用新型利用全相參雷達(dá)的工作原理，通過(guò)對(duì)雷達(dá)接收機(jī)的通道擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)單極子交叉環(huán)接收天線陣列，達(dá)到提高雷達(dá)工作性能的目的，同時(shí)該實(shí)用新型設(shè)計(jì)具有靈活性，具有低成本，易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。
1、本實(shí)用新型的工作原理全相參雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計(jì)由于高頻地波雷達(dá)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)，分析和處理的是海浪回波的相位信息，采用了相干脈沖多普勒雷達(dá)的技術(shù)方案，發(fā)射信號(hào)和相干檢波本振信號(hào)具有相同的基準(zhǔn)相位，他們都必須由同一頻率信號(hào)源提供，而且同步控制器用此信號(hào)源產(chǎn)生出雷達(dá)系統(tǒng)所需要的所有時(shí)序控制信號(hào)，雷達(dá)系統(tǒng)要求同步控制器電路本身應(yīng)具有很高的準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性和可靠性。在高頻雷達(dá)系統(tǒng)中采用了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列(FPGA)作為同步控制器的硬件平臺(tái)，可較好的滿足實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的同步控制要求，而且能夠集成其余通道控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?br> 本雷達(dá)系統(tǒng)采用的是線形調(diào)頻中斷連續(xù)波(FMICW)體制，F(xiàn)MICW是現(xiàn)代雷達(dá)廣泛使用的脈沖壓縮體制，能夠獲得滿意的速度分辨率和距離分辨率，而且采用脈沖門(mén)控調(diào)制，能夠使得發(fā)射和接收之間達(dá)到有效的隔離，且實(shí)現(xiàn)收發(fā)共站，因此為了防止接收機(jī)因輸入很強(qiáng)的發(fā)射信號(hào)而過(guò)載，必須對(duì)雷達(dá)接收機(jī)的工作時(shí)序進(jìn)行嚴(yán)格的控制，在多通道擴(kuò)展中，為了保證各個(gè)雷達(dá)接收機(jī)一致性，所有的時(shí)序必須保持嚴(yán)格的一致性，保持所有工作模塊的相干性。
2、通道擴(kuò)展的同步控制的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型中的多通道的擴(kuò)展是利用現(xiàn)有的三通道雷達(dá)接收機(jī)的基礎(chǔ)上作相應(yīng)的改進(jìn)完成的，每個(gè)三通道雷達(dá)接收機(jī)作為一個(gè)接收機(jī)單元，則擴(kuò)展后的雷達(dá)通道數(shù)目為六通道，九通道甚至更多，雷達(dá)的接收天線線陣可以組成線性陣或者其他陣列形狀。
本實(shí)用新型的高頻雷達(dá)通道擴(kuò)展的整體框架圖如附圖1所示；1為雷達(dá)主控接收機(jī)單元(雷達(dá)主機(jī))，雷達(dá)主機(jī)為所有雷達(dá)接收機(jī)提供時(shí)鐘源，完成發(fā)射和本振信號(hào)的產(chǎn)生以及接收機(jī)中同步控制電路的觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生，2，3分別為擴(kuò)展接收機(jī)單元(通道擴(kuò)展的雷達(dá)接收機(jī))；4為雷達(dá)主機(jī)的接收天線，5和6分別為擴(kuò)展的接收天線，4，5，6為三通道雷達(dá)系統(tǒng)的接收天線，采用的是單極子交叉環(huán)天線，該接收天線具有三個(gè)輸出端口(單極子，交叉環(huán)A和交叉環(huán)B)，4，5，6可以組成線形陣列或者其他形狀的陣列，在實(shí)際應(yīng)用中，最多可以擴(kuò)展到8個(gè)單極子交叉環(huán)單元組成的陣列，同時(shí)雷達(dá)接收機(jī)也擴(kuò)展至8臺(tái)接收機(jī)，即可以擴(kuò)展至24通道雷達(dá)接收機(jī)，在圖中用省略號(hào)表示。8為USB集線器，9為PC主機(jī)，該雷達(dá)系統(tǒng)采用了USB總線，對(duì)雷達(dá)接收機(jī)采集處理的數(shù)據(jù)通過(guò)USB總線傳輸?shù)絇C主機(jī)，在通道擴(kuò)展中，采用了USB集線器完成多個(gè)接收機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。在圖中，由主控接收機(jī)單元向其他所有擴(kuò)展接收機(jī)單元提供時(shí)鐘源信號(hào)和同步控制電路的觸發(fā)信號(hào)，且各接收機(jī)單元的本振信號(hào)均由主控雷達(dá)接收機(jī)提供。
本實(shí)用新型的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路位于每個(gè)接收機(jī)單元的晶振輸出與系統(tǒng)的時(shí)鐘輸入之間，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路如附圖2所示；該時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路最多可以驅(qū)動(dòng)8路時(shí)鐘輸出，其輸出端與擴(kuò)展接收機(jī)單元的時(shí)鐘源輸入端口通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)13，16，19相連相連接。當(dāng)進(jìn)行接收機(jī)的通道擴(kuò)展時(shí)，各個(gè)接收機(jī)單元的時(shí)鐘均由主控接收機(jī)的時(shí)鐘源提供，在附圖2中，由單刀雙擲開(kāi)關(guān)分別接通12，15，18。即均接通主控接收機(jī)的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路的輸出端口。若是各個(gè)接收機(jī)單獨(dú)工作，則各臺(tái)接收機(jī)均可由本接收機(jī)單元的時(shí)鐘源提供時(shí)鐘信號(hào)，即單刀雙擲開(kāi)關(guān)分別接通11，14，17。在電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，每個(gè)接收機(jī)單元的結(jié)構(gòu)是一致的，即每個(gè)接收機(jī)單元中都增加了時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路，也就是說(shuō)每臺(tái)接收機(jī)都是完全一致的，因此節(jié)省了設(shè)計(jì)成本。
時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片采用了具有零延時(shí)的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)，且該驅(qū)動(dòng)芯片的鎖相環(huán)路內(nèi)部集成了環(huán)路濾波器，無(wú)需外部的RC電路，提高了芯片的集成度和方便了用戶設(shè)計(jì)；芯片的工作頻率范圍為8-200MHz，能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
高頻地波雷達(dá)的同步控制器的結(jié)構(gòu)如附圖3所示；該同步控制電路采用了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn)主控接收機(jī)單元(雷達(dá)主機(jī))的時(shí)序控制，該時(shí)序控制由雙口RAM參數(shù)傳送模塊20，分頻模塊21，主程序工作模塊22以及一些控制端口組成。雙口RAM參數(shù)傳送模塊實(shí)現(xiàn)由主機(jī)端向FPGA傳送雷達(dá)同步控制的波形參數(shù)的功能，分頻模塊為主程序模塊提供各類(lèi)工作時(shí)鐘，主程序模塊主要完成雷達(dá)工作所需要的時(shí)序控制信號(hào)的產(chǎn)生，控制端口負(fù)責(zé)雷達(dá)同步控制器工作的使能，復(fù)位等功能。當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)初始化時(shí)，由PC主機(jī)完成向FPGA中的雙口RAM送參數(shù)的功能，當(dāng)參數(shù)傳送完畢時(shí)，將使能控制信號(hào)EN置位，則同步控制主程序開(kāi)始工作，在本實(shí)用新型中所有接收機(jī)單元中的同步控制器中的EN信號(hào)均由主控接收機(jī)單元中的USB控制器產(chǎn)生，并通過(guò)線纜將各個(gè)從屬接收機(jī)單元的EN端口統(tǒng)一連接到主控雷達(dá)接收機(jī)的SYN_EN端口；使得所有接收機(jī)單元的同步控制器均由主控接收機(jī)觸發(fā)，使得各個(gè)接收機(jī)開(kāi)始工作時(shí)都具有一致的初始相位，保證了各個(gè)接收通道之間的一致性和系統(tǒng)的相干性。
本實(shí)用新型的核心是在基于全相參雷達(dá)接收機(jī)設(shè)計(jì)和多通道雷達(dá)接收技術(shù)，利用現(xiàn)有的三通道的雷達(dá)接收機(jī)，只需稍加改進(jìn)即可完成多通道的擴(kuò)展。通過(guò)嚴(yán)格的時(shí)序控制對(duì)各個(gè)接收機(jī)單元進(jìn)行控制，即可實(shí)現(xiàn)六通道，九通道甚至更多通道的雷達(dá)接收技術(shù)，同時(shí)各個(gè)雷達(dá)接收機(jī)單元即可以組成多通道雷達(dá)接收系統(tǒng)又可以獨(dú)立工作，每個(gè)接收機(jī)單元配以相應(yīng)的單極子/交叉環(huán)接收天線，可以單獨(dú)使用，該方案能夠靈活地對(duì)接收機(jī)的通道數(shù)目進(jìn)行了配置，同時(shí)又降低了成本。
權(quán)利要求1.通道可擴(kuò)展的全相參雷達(dá)接收機(jī)，其特征在于包括多個(gè)單極子交叉環(huán)接收天線與高頻雷達(dá)數(shù)字相干接收機(jī)組成的接收機(jī)單元，采用USB集線器將多個(gè)接收機(jī)單元并聯(lián)連接起來(lái)，其中一個(gè)接收機(jī)單元為主控接收機(jī)單元，其他接收機(jī)單元為擴(kuò)展接收機(jī)單元，USB集線器與PC機(jī)相連；主控接收機(jī)單元的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與各擴(kuò)展接收機(jī)單元的時(shí)鐘輸入端口連接，由主控接收機(jī)單元提供所有接收機(jī)單元的工作時(shí)鐘；所有接收機(jī)單元的同步控制電路均采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA，所有接收機(jī)單元同步控制器的EN端口與主控接收機(jī)單元的USB控制器的SYN_EN相連接，使能信號(hào)EN由主控接收機(jī)單元的USB控制器產(chǎn)生。
專(zhuān)利摘要一種通道可擴(kuò)展的全相參雷達(dá)接收機(jī)，將單極子交叉環(huán)接收天線與高頻雷達(dá)數(shù)字相干接收機(jī)組成一個(gè)接收機(jī)單元，采用USB總線和USB集線器將多個(gè)接收機(jī)單元并聯(lián)連接起來(lái)，其中一個(gè)接收機(jī)單元為主控接收機(jī)單元，其他接收機(jī)單元為擴(kuò)展接收機(jī)單元，主控接收機(jī)單元對(duì)擴(kuò)展接收機(jī)單元進(jìn)行時(shí)序控制，且所有接收機(jī)單元的工作時(shí)鐘由主控接收機(jī)單元的時(shí)鐘源提供，主控接收機(jī)單元為擴(kuò)展接收機(jī)單元提供雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)及本振信號(hào)，各個(gè)擴(kuò)展接收機(jī)單元的本振信號(hào)由主控接收機(jī)單元的頻率源統(tǒng)一提供。可以擴(kuò)展為六通道，九通道，甚至更多，同時(shí)各個(gè)雷達(dá)接收機(jī)單元既可以組成多通道雷達(dá)接收系統(tǒng)，也可以獨(dú)立工作，能夠靈活地對(duì)雷達(dá)通道數(shù)目進(jìn)行配置，具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S13/00GK2896305SQ20062009668
公開(kāi)日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2006年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月17日
發(fā)明者文必洋, 沈偉, 楊靜, 吳世才, 周浩 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)