专利名称：一种超宽带多模式雷达信号产生方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于雷达技术领域，特别是涉及一种应用于现代成像雷达的超宽带多模式雷达信号产生方法及装置。
背景技术：
现代雷达已经不单是完成对目标位置、速度等信息的提取，而是要求对目标进行成像分析和识别。近十几年来，国际上对高分辨率成像雷达的研究获得了突破性的进展。 德国的高频物理与雷达研究院的超宽带机载合成孔径雷达PAiOR SAR系统的带宽高达 1820MHz，其分辨率已达到亚厘米量级。美国圣地亚哥国家实验室的超宽带超高分辨率小型机载成像雷达系统的带宽达到3000MHz，其分辨率已达到0. 05米，重量降到了只有25磅 (11. 4kg)。可以想象这种全天候的超高分辨率成像雷达系统对于未来战场上的战斗车辆的识别和实时监测将会发挥巨大的作用。进入二十一世纪后，成像雷达发展的一个明显新趋势就是向着超高分辨率和低成本小型化的方向发展。很显然，为了获得高成像分辨力或激励出目标其他的特征，就要求雷达发射信号具有大带宽。通常情况下，从雷达角度定义带宽与中心频率之比超过25%的信号称为超宽带信号，比值10% 25%的信号称为宽带信号，比值小于10%的信号称为窄带信号。这是一种相对意义下的带宽，常称为分数带宽(FBW)。采用此种定义的超宽带雷达与普通雷达相比并无突出战略意义。另外一种是根据绝对带宽的大小来定义超宽带信号。尽管雷达界通常采用相对带宽意义下的超宽带定义，但站在电子对抗的角度，采用绝对带宽来定义超宽带比较合适。主要原因有两个一个是对抗对象的主要用途与绝对带宽有关，二是对抗技术和装备也与绝对带宽有关。现代及未来战争要求雷达具有高分辨率、强抗干扰、反隐身、 抗摧毁能力，因此雷达信号必须具有很大的绝对带宽。目前，随着数字技术的日臻成熟和超大规模集成电路技术的高速发展，用数字方法产生雷达信号的技术应用越来越普及，如图4 所示为目前常用的传统数字技术产生雷达信号的原理框图，数字信号源可以采用波形存储直读法或直接数字合成法产生具有一定带宽且相位正交的两路I/Q信号，经过模拟正交调制到某一中频，然后经过上变频将信号频谱搬移到系统指定位置。由于受到数字信号源电路中D/A转换器采样率和位数的限制，这种方法产生的基带信号的最高频率受到限制，从而正交调制后产生雷达带宽不会太宽，同时，由于模拟正交调制器的非理想特性也会影响产生雷达信号质量。另外，当系统要求多种工作带宽时，此种方法需要引入额外信号通道， 增加硬件设备，使得系统缺少灵活性又增加了硬件成本。为了获得更宽的雷达信号，在上述方法的基础上引入倍频技术在实际系统中已有所应用，原理框图如图5所示。该方法是在传统正交调制后再利用倍频技术扩展信号带宽， 这种方法因为引入模拟正交调制器，会带来许多非理想特性，通过建立数学模型，下面对该方案进行误差分析。对于实际模拟正交调制器，会存在I、Q两路的幅度误差、相位误差和一定的直流偏差。设I、Q两路相对幅度为G，相差为Φ，直流偏差为D，并设两路不平衡由I路造成，则I、Q两路输入信号为i(t) =G cos (π Kt2+Φ)+Dq(t) = sin (π Kt2)正交调制后输出信号为som (t) = [G cos (π Kt2+Φ )+D] cos (2 π f0t)-sin (π Kt2) sin (2 π f0t)= 0. 5[G cos (2 π f0t+ ji Kt2+ φ) +cos (2 π f0t+ ji Kt2) ] +D cos (2 π f0t)+0. 5[G cos (2 π f0t- π Kt2-Φ)-cos (2 π f0t- π Kt2)]上式中第二项和第三项分别为由两路直流偏差造成的载漏和由正交两路幅相不平衡造成的镜像分量。这种载漏和镜像分量通过匹配滤波时将导致匹配滤波输出中出现成对回波，在宽带雷达系统中，此虚假信号会严重影响雷达成像质量。下面再对存在载漏和镜像的中频LFM信号的倍频过程进行数学分析。存在载漏和镜像分量的正交调制器输出信号为Som = sin (w0t+ μ t2) + α sin (w0t- μ t2) + β sin (w0t)式中α和β分别为镜像和载漏相对于主信号的幅度；Wtl = 2 π &为中频载波；μ =η Β/Τ，其中B为信号带宽，T为信号脉宽。可将上式经过整理为式中J = ^l+ Ct2 +/ 2+2α cos2(^ + 2/ (l + a)cos^
没—尔α η φ + β sin ￠7 ) 1 + α sin + / sin φ
φ 二 μΡ当α和β很小时，A 1，0 3丨112屮+ >^^1炉，在|10很小时，M次倍频后的输出
信号为
sM (0 = sin M{w0t + ￠7-6') = sin M(w0t + φ) + 0.5aM{s\n[Mwot + (M + 2)φ]
-sin[Mw0t + (M- 2)φ]} + 0.5/ M{sin[M>y + (Μ + \)φ] - η[Μ\ν0
+{Μ-\)φ}}正交调制器的镜像和载漏分量因倍频带来相应的杂散分量分别为 MHV + (M±2)i^nMMV + (M±l^，这些位于工作带宽内的杂散分量并不能通过滤波器滤
除，会严重影响信号的谱质。由上述分析可知，利用传统方法结合倍频的设计方案产生信号质量会随倍频次数的增加进一步的恶化，那么利用该方法的倍频次数会大大受到限制，所以该方法也不适合超宽带雷达信号的产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够产生超宽带多模式雷达信号的方法，该方法在低采样时钟下能够获得超宽带雷达信号；在不改变系统硬件的条件下完成多种工作模式即多种不同带宽及脉宽的雷达信号，从而提高雷达成像分辨力，增强雷达系统灵活性。本发明的另一目的在于提供一种能够实现上述方法的装置。为了达到上述目的，本发明提供的超宽带多模式雷达信号产生方法，主要步骤如下1)数字信号源在采样时钟的作用下，产生多模式单路窄带数字中频信号；2)对步骤1产生的信号，滤除其带外各种镜像频率、谐杂波和时钟泄漏分量等干扰信号，得到单路窄带雷达信号；3)对步骤2获得的单路窄带雷达信号进行频谱扩展及上变频处理，根据实际雷达系统需要得到宽带雷达信号；4)利用通用测试仪器对步骤3得到的宽带雷达信号进行分析，得到信号的时域、 频域及调制域信息；5)根据步骤4得到的信息评价信号质量是否满足系统指标要求，如果满足要求， 即完成宽带信号产生。如果不能满足要求，则对数字信号源进行预失真处理，回到步骤1，再次经过步骤2至步骤4后对所得信号重新分析评价，经过步骤1到步骤4的循环致使信号满足系统要求为止，最后产生系统所需的超宽带雷达信号。上述方案中，所述步骤1中的数字信号源可以采用波形存储直读法，即在采样时钟作用下通过对存储的波形采样值进行数模变换直接生成窄带雷达信号，也可以采用直接数字合成法(DDQ，即在采样时钟作用下通过相位累加、幅度查表以及数模变换来生成窄带雷达信号。上述方案中，所述步骤3中包括如下子步骤31)对步骤2产生的带宽为B的信号进行功率放大，以满足后端倍频器要求的输入激励功率；32)用步骤31产生的信号激励倍频器，对输入信号进行频谱扩展；其中频谱扩展的倍频处理可以是对信号的N次倍频，其中N为大于2的整数；33)对倍频器输出的信号进行滤波处理，滤除无用的谐波分量；34)根据雷达系统的带宽要求，对步骤33获得的信号进行多次倍频处理，即重复步骤31至步骤33，使得最终得到的信号带宽满足系统要求；35)将步骤34得到的宽带雷达信号的频谱搬移到系统指定位置，使输出信号功率满足系统要求；可以利用混频处理将信号频谱搬移到指定位置，也可通过前述步骤31至步骤33的倍频处理直接将信号频谱倍频至指定位置。上述方案中，所述步骤4中可以利用通用测试设备对产生的宽带信号直接采样分析，也可以将宽带信号下变频至测试设备工作频率范围内再进行采样分析。本发明的通用测试仪器包括高速示波器、频谱分析仪及矢量信号分析仪等，另外，可配合商用矢量信号分析软件如Agilent公司的89600矢量信号分析软件或泰克公司的SignalVu分析软件对产生的宽带雷达信号进行分析。上述方案中，所述步骤5中对于信号的预失真处理包括预先改变信号的幅度、相位、脉宽、边沿陡峭度。本发明还提供了实现上述方法的一种超宽带多模式雷达信号产生装置。具体包括数字信号源，频率扩展组件，上变频组件；其中所述数字信号源的输出端与频率扩展组件的输入端连接，频率扩展组件的输出端与上变频组件的输入端连接，数字信号源的采样时钟和上变频组件的本振信号由宽带频综提供。上述装置中，所述数字信号源的采样时钟要与系统时钟同步。上述装置中，所述数字信号源具有多模式控制功能，即可控制输出信号的带宽及脉宽。上述装置中，所述频率扩展组件包括滤波、倍频和放大环节。上述装置中，所述上变频组件既可以通过混频器完成上变频功能也可以通过倍频器完成上变频功能。本发明的有益效果是本发明解决了已有宽带信号产生方法的缺点和不足，利用数字信号源直接产生单路数字中频信号，进而避免了模拟正交调制器引入带来的诸多非理想特性，保证了信号质量。另外，频率扩展功能主要由频率扩展组件来完成，这就降低了对数字信号源的采样时钟的要求，降低了采样时钟频率，同时由于是单路信号输出，较传统方法相比少了一路信号输出支路，能够简化硬件，降低成本，提高系统可靠性。另外，本发明在不增加额外硬件设备前提下，能够工作在多种工作模式即多种不同信号带宽和脉宽下，模式切换主要由数字信号源来完成，与其后的扩频变频通道无关，这也能增加系统灵活性，降低系统成本，符合�？榛杓扑悸�。
图1是本发明超宽带多模式雷达信号产生方法流程图；图2是本发明超宽带多模式雷达信号产生装置原理框图；图3是本发明超宽带多模式雷达信号产生装置中频率扩展组件原理框图；图4是传统雷达信号产生方案原理框图；图5是传统雷达信号产生方法结合倍频技术相的原理框图；图6是利用本发明实施例的数字信号源原理框图；图7是本发明频谱扩展示意图；图8是利用本发明实施例的宽带雷达信号源原理框图；图9a、b是利用本发明实施例的宽带雷达信号源产生的宽带雷达信号频谱图。
具体实施例方式本发明针对现代雷达，特别是成像雷达系统，提出了一种超宽带多模式雷达信号发生方法，其实质是通过数字中频与扩频技术相结合来产生超宽带雷达信号，具体方法步骤如图1所示。另外，本发明提出了一种超宽带多模式雷达信号发生装备，其原理框图如图 2所示，其中的频率扩展组件内部框图如图3所示。下面具体说明利用本发明提出的方法及装备设计了一款针对超高分辨力合成孔径雷达(SAR)系统的宽带信号源。本实施例的主要任务是完成频谱的扩展和变频。主要包括数字信号源、频率扩展组件和上变频组件。下面分别介绍具体实施方案。(一 )数字信号源数字信号源采用直接数字合成技术产生数字中频信号，主要由波形产生电路、波形控制电路、复位电路、配置电路、时钟管理电路、电源电路六个部分组成，如图6所示。其中，波形产生电路的主要功能是基于直接数字合成技术，在波形控制电路的控制下产生单路数字中频信号。波形控制电路采用可编程逻辑器件(CPLD/FPGA)进行设计， 根据波形产生电路的设计要求，完成波形产生电路的数据配置与波形控制。复位电路完成系统的手动复位。配置电路主要完成程序的串行下载以及数据配置。时钟管理电路为整个系统中各个部分提供同步时钟信号。电源电路为系统中各个部分的芯片供电。( 二)频率扩展组件及上变频频率扩展组件主要包括放大、N次倍频及滤波器单元。放大单元对输入信号功率进行放大，使得信号激励电平达到N次倍频器输入功率要求。N次倍频器对输入带宽为B的信号进行N倍频率扩展。当信号通过N次倍频器时， 由于倍频器的非线性特性，会在其输出端产生输入信号的多次谐波，其中距离N次倍频信号最近的谐波分量为(N-I)次和(N+1)次谐波分量，在频率扩展组件中需要将这两部分的谐波分量滤除掉，以得到所需的N次倍频信号，示意图如图7所示。对于具有一定带宽的信号通过倍频器有可能产生频率的混叠，即N次谐波与N+1次谐波的混叠，这必然会影响输出信号的质量。混叠的程度与信号带宽以及倍频的次数有关，选择合适的倍频次数，需要综合考虑基带信号源的信号输出能力、信号杂散抑制度、滤波器可实现性以及信号相位噪声等。滤波器单元采用LC电路实现，对N次倍频器输出信号的无用谐波分量进行滤除。本实施例要产生中心频率14800MHz，带宽3200MHz的宽带雷达信号，综合考虑，在实际系统设计中采用二倍频器多次级联完成频谱扩展以及上变频的处理。具体实施方案原理框图如图8所示，具体描述如下。首先数字信号源产生单路的数字中频信号，信号中心频率为115. 625MHz，带宽 25MHz，然后通过频率扩展及变频组件，其中采用了七次二倍频对数字信号源产生的信号进行扩频处理，总共完成1 次倍频实现了最终输出带宽3200MHz的宽带雷达信号。最终实际产生的宽带雷达信号频谱如图9所示，由图可见产生的14800士 1600MHz宽带雷达信号带外抑制为45dBc，带内平坦度达到士 ldB，而且，带内并没有载漏产生和固定的杂散信号， 经过信号采样分析满足系统设计要求。另外，由于在实施例设计中利用了本发明提出的预失真处理对整个信号发生通道幅相做了进一步的均衡优化，利用该宽带信号发生系统能够产生任意带宽小于3200MHz的雷达信号，具体带宽和脉宽切换由模式控制数字信号源来完成，而并不需要改变整个系统硬件设备，从而在不增加系统硬件前提下了增加系统可扩展功能，增强了系统灵活性。
权利要求
1.一种超宽带多模式雷达信号产生方法，主要步骤如下1)数字信号源在采样时钟的作用下，产生单路窄带数字中频信号；2)滤除单路窄带数字中频信号带外各种干扰信号，得到单路窄带雷达信号；3)对单路窄带雷达信号进行频谱扩展及上变频处理，根据系统要求得到超宽带雷达信号；4)对宽带雷达信号进行分析，得到信号的时域、频域及调制域信息；5)对时域、频域及调制域信息评价信号质量是否满足系统指标要求，如果满足要求，即完成超宽带信号产生；如果不能满足要求，则对数字信号源进行预失真处理，回到步骤1， 再次经过步骤2至步骤4后对所得的时域、频域及调制域信息重新分析评价，重复步骤1至步骤4的循环直到信号满足系统要求为止，最后产生系统所需的超宽带雷达信号。
2.按权利要求1所述的超宽带多模式雷达信号产生方法，所述步骤1中的数字信号源可以采用波形存储直读法，即在采样时钟作用下通过对存储的波形采样值进行数模变换直接生成窄带雷达信号，也可以采用直接数字合成法，即在采样时钟作用下通过相位累加、幅度查表以及数模变换来生成窄带雷达信号。
3.按权利要求1所述的超宽带多模式雷达信号产生方法，所述步骤3包括如下子步骤31)对步骤2产生的带宽为B的单路窄带雷达信号进行功率放大，以满足后端倍频器要求的输入激励功率；32)经步骤31功率放大的单路窄带雷达信号激励倍频器，对输入信号进行频谱扩展； 其中频谱扩展的倍频处理可以是对信号的N次倍频，其中N为大于2的整数；33)对倍频器输出的信号进行滤波处理，滤除无用的谐波分量；34)根据雷达系统的带宽要求，对步骤33获得的信号重复步骤31至步骤33，进行多次倍频处理，使得最终得到的信号带宽满足系统要求；35)将步骤34处理得到的信号频谱搬移到系统指定位置，使输出信号功率满足系统要求；可以利用混频处理将信号频谱搬移到指定位置或通过步骤31至步骤33的倍频处理直接将信号频谱倍频至指定位置。
4.按权利要求1所述的超宽带多模式雷达信号产生方法，所述步骤4是利用通用测试设备对产生的宽带信号直接采样分析，或将宽带信号下变频至测试设备工作频率范围内再进行采样分析。
5.按权利要求1所述的超宽带多模式雷达信号产生方法，所述步骤5对于信号的预失真处理包括预先改变信号的幅度、相位、脉宽、边沿陡峭度。
6.一种用于实现权利要求1所述超宽带多模式雷达信号产生方法的装置，主要包括数字信号源，频率扩展组件，上变频组件；其中所述数字信号源的输出端与频率扩展组件的输入端连接，频率扩展组件的输出端与上变频组件的输入端连接，数字信号源的采样时钟和上变频组件的本振信号由宽带频综提 {共。
7.按权利要求6所述的装置，其中，所述数字信号源的采样时钟与系统时钟同步。
8.按权利要求6所述的装置，其中，所述数字信号源具有多模式控制功能，以产生多种不同带宽及脉宽的雷达信号。
9.按权利要求6所述的装置，其中，所述频率扩展组件包括滤波、倍频和放大环节。
10.按权利要求6所述的装置，其中，所述上变频组件为混频器或倍频器。
全文摘要
一种应用于现代成像雷达的超宽带多模式雷达信号产生方法，其主要步骤为1)数字信号源产生单路窄带数字中频信号；2)对步骤1产生的信号，滤除带外干扰信号；3)对步骤2获得的信号进行频谱扩展及上变频；4)利用通用仪器采集分析步骤3得到的信号；5)根据步骤4评价信号是否满足要求，如不满足就对数字信号源预失真处理，返回步骤1，循环步骤1至4直到信号满足要求，完成超宽带信号的产生。本发明还提供用于实现上述方法的装置。本发明通过频谱扩展能够在低采样时钟下获得超宽带雷达信号；在不改变系统硬件的条件下完成多种工作模式即多种不同带宽及脉宽的雷达信号。这对于提高雷达成像分辨力，增强雷达系统灵活性具有重要意义。
文档编号G01S7/28GK102236090SQ201010162139
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月28日 优先权日2010年4月28日
发明者王岩飞, 贾颖新 申请人:中国科学院电子学研究所
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