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专利名称：一种全数字高频雷达装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于海洋遥感的高频雷达装置，特别涉及一种全数字高频雷达装置。
背景技术：
近年来，全数字接收机结构逐渐兴起，国外有关全数字接收机研究的报道:M.Menelle1G, Auffray, and F.Jangal, “Full Digital High Frequency SurfaceWaveRadar:French Trials in the Biscay Bay,，，in Proc.1EEE 2008InternationalConferenceon Radar, 2008, pp.224-229., D.Emery, G.Dickel, “The operation andperformanceof a multifrequency HF surfacewave radar,，，in Radar Conference, May26-30.2008:1EEE, May.2008.，这些系统都没有采用模拟混频器，天线接收到的射频信号经过滤波放大后直接采样，在数字域完成下变频和解调处理；波形参数配置也十分方便；但是这些系统大都应用于大型阵列天线工作模式，每个天线配置单独的发射机和接收机，不同通道之间通过以太网互联，因而结构庞大、成本昂贵。在武汉大学申请的名为:高频地波雷达数字相干接收机、专利号为:200420057632.3的专利中，该装置采用一次模拟混频带通采样，由于模拟混频器的引入，不仅需要多配置一个信号发生器专门提供本振信号，同时也增大了模拟前端电路设计的复杂性和占用空间；此外，发射信号和本振信号之间相位同步的难度也限制了相干处理的性能，而且中频接收机的结构也降低了系统波形参数设计和信号处理的灵活性。

实用新型内容针对背景技术存在的问题，本实用新型提供一种全数字高频雷达装置。为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案:一种全数字高频雷达装置，包括发射电路、接收电路，所述发射电路包括依次连接的发射天线、功率放大器、发射开关、数字频率合成器、时钟源；所述接收电路包括依次相连的接收天线、天线放大器、接收开关、射频滤波器、射频放大器、数模转换器、数字处理器、USB控制器；数模转换器、数字处理器分别与时钟源相连；数字频率合成器与数字同步控制器相连。所述数字处理器和数字同步控制器由数字处理芯片FPGA实现。所述发射天线为四分之一波长的单鞭天线；所述接收天线为单极子或交叉环天线。使用本实用新型时，将USB控制器通过USB线缆与计算机相连，其工作原理为:在每个工作周期中，数字同步控制器向数字频率合成器写入波形参数，并复位初始扫频相位；数字频率合成器产生的信号在发射开关闭合的条件下，经过功率放大器后由发射天线发射出去；来自接收天线的回波先通过天线放大器在接收开关闭合的条件下，经过射频滤波器、射频放大器后直接被采样，在数字处理器中完成下变频和脉冲压缩，得到的距离信息通过USB控制器上传至计算机。本实用新型中，数字同步控制器和数字处理器均在数字处理芯片FPGA中实现，FPGA内部的时钟管理模块首先进入锁定状态，然后完成数字频率合成器参数的配置，接着进入扫频工作状态，在扫频工作状态下，FPGA实时接收来自USB控制器的指令;USB控制器等待计算机的命令，包括配置参数、启动数据传输、结束数据传输等，并且将接收到的指令传递给FPGA完成相应操作。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果:本实用新型具有以下优点和积极效果:1、本实用新型结构简单、体积小、成本低；由于没有使用模拟混频器，接收机模拟前端的设计得到了大大的简化，同时省去了产生本振信号的电路模块，而且不再需要考虑本振频率干扰的抑制问题，从而使得整个接收机的电路结构更加简单，更容易实现；简单的电路结构和小型化天线的使用，使本使用新型的体积非常小巧，适合于便携式场合使用需要；同时制作成本相对较低。2、本实用新型中数字处理器以及时钟源的同步设计，使其具有更高的动态范围、灵敏度、通道隔离度及相位稳定性；其采用的数字频率合成器不仅可以根据需要更改发射波形的类型、频率、相位、幅度等参数，而且可以任意设计同步控制时序，具有非常灵活的特性；数字同步控制器的设计使整个雷达装置具有很好的灵活性和稳定性。

图1为本实用新型的结构简图。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例对本实用新型作进一步说明。如图1所示，本实用新型包括发射电路、接收电路，发射电路包括依次连接的发射天线、功率放大器、发射开关、数字频率合成器、时钟源；接收电路包括依次相连的接收天线、天线放大器、接收开关、射频滤波器、射频放大器、数模转换器、数字处理器、USB控制器；数模转换器、数字处理器分别与时钟源相连；数字频率合成器与数字同步控制器相连；数字处理器和数字同步控制器由数字处理芯片FPGA实现；发射天线为四分之一波长的单鞭天线；接收天线为单极子或交叉环天线。本实施例中的时钟源为锁相环频率合成器，其提供给数字频率合成器的时钟频率为245.76MHz，提供给模数转换器和FPGA的时钟频率均为40.96MHz ;当雷达在计算机的控制下进入扫频工作状态后，在每个扫频工作周期中，数字同步控制器触发数字频率合成器的初始相位复位，并使能其输出，数字频率合成器输出的FMICW信号幅度为OdBm，经过功率放大器后输出100W至发射天线辐射出去。天线放大器集成在接收天线中，其接收到的回波信号首先经过接收开关，接收开关的作用是防止大功率发射信号直接进入接收机而使接收机堵塞。射频滤波器的作用主要是滤除带外噪声，防止引起采样混叠，其通带范围为fc± IMHz，带外衰减超过60dB。射频放大器的增益为40dB，用来放大微弱回波信号。[0022]本实施例中雷达的工作频率为5 25MHz，带宽为30 120kHz，采样率为40.96MHz。回波信号经过接收电路模拟前端、采样、量化后得到的数字信号仍然含有载频和扫频成分，具有很高的数据率，为了提取出距离信息，首先要去载频和扫频，两个操作通过CORDIC算法可以一次完成，即设置CORDIC算法的输入相位为发射信号相位的相反数。假设量化后的回波信号为sr (n) = Acos (2 π fc (η Δ T-τ 0) - Ji α (η Δ T- τ 0)2)(I)其中A为回波信号的幅度，f。为载频，α为扫频斜率，η为采样序号，AT为采样周期，τ ^为目标延时，则CORDIC的输入相位为θ (η) = -η Δ T (2 ~ η α η Δ Τ)(2)CORDIC输出的同相分量(I)和正交分量(Q)构成了一个复数信号s0 (n) = sr (n) (cos θ (η) +jsin θ (η))(3)忽略S。(η)中的高频成分_2f。，(3)式可以简化为s'n (η) = exp(j{- πfLτ{) - πατ\ + 2παγ0ΔΓ, ))(4)上式中的2πα τ ^ Λ Tn对应目标延时，即位置信息，通过第一次FFT运算可以解出其中的τ。，FFT结果中尖峰出现的位置为k= α τ。Λ ΤΝ，代表了目标的位置，其中N为一个扫频周期内的采样点数，等价于k= a Tj = Btci，其中T为扫频周期，B为带宽。第一次FFT运算的结果即为基带谱，通过对多个扫频周期的基带谱做相干积累，即第二次FFT运算，可以从-2 31 f。τ ^项从提取出速度信息,这一操作在计算机内完成。 第一次FFT之前，抽取系数为40，抽取之后的数据率为1.024MHz，远远大于基带谱最大频率分量，因此不会造 成混叠。加窗的作用是降低距离旁瓣，使目标更易被检测。在数据率为1.024MHz的情况下，直接做FFT算法需要耗用非常大的存储资源，而实际需要的只是FFT结果中很少的部分点，因此，利用多个乘法器、累加器实现的DFT模块被用来替代直接的FFT算法；得到的距离信息通过USB控制器传至计算机，通过多普勒相干积累得到多普勒谱。
权利要求1.种全数字高频雷达装置，包括发射电路、接收电路，其特征在于:所述发射电路包括依次连接的发射天线、功率放大器、发射开关、数字频率合成器、时钟源；所述接收电路包括依次相连的接收天线、天线放大器、接收开关、射频滤波器、射频放大器、数模转换器、数字处理器、USB控制器；数模转换器、数字处理器分别与时钟源相连；数字频率合成器与数字同步控制器相连。
2.据权利要求1所述的一种全数字高频雷达装置，其特征在于:所述数字处理器和数字同步控制器由数字处理芯片FPGA实现。
3.据权利要求1或2所述的一种全数字高频雷达装置，其特征在于:所述发射天线为四分之一波长的单鞭天线；所述接收天线为单极子或交叉环天线。
专利摘要本实用新型提供一种全数字高频雷达装置，包括发射电路、接收电路，发射电路包括依次连接的发射天线、功率放大器、发射开关、数字频率合成器、时钟源；接收电路包括依次相连的接收天线、天线放大器、接收开关、射频滤波器、射频放大器、数模转换器、数字处理器、USB控制器；数模转换器、数字处理器分别与时钟源相连；数字频率合成器与数字同步控制器相连。本实用新型硬件电路简单，动态范围高，体积小，成本低，并且能灵活地配置波形参数。
文档编号G01S13/02GK202929206SQ20122063245
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者文必洋, 田应伟, 王才军, 谭剑, 李柯 申请人:武汉大学