CN109655797B - 一种高性能通用化的多通道雷达*** - Google Patents

一种高性能通用化的多通道雷达*** Download PDF

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Abstract

一种高性能通用化的多通道雷达***，包含：毫米波近程成像的高频前端组件、中频处理组件、数据采集组件、综合信号处理组件和微波源组件；高频前端组件包含射频与本振信号产生模块、信号分配与校准网络模块、天线与射频通道阵列模块，实现射频与一级本振信号的产生，回波信号的接收、放大、滤波与一级下变频；中频处理组件实现回波信号的放大、滤波与二级下变频；数据采集组件实现回波信号的采集与信号预处理；综合信号处理组件实现回波数据的实时成像；微波源组件实现时钟基准信号、同步信号和二级本振信号的产生。本发明较好的避免了在同等需求或相近需求的条件下，重复设计研制引起的资源浪费，有效提高设计效率，增强通用性和灵活度。

Description

一种高性能通用化的多通道雷达***
技术领域
本发明涉及一种雷达***，具体是指具有高性能通用化特点的多通道雷达***，属于多通道雷达***的总体方案设计与信号处理的技术领域。
背景技术
在复杂的电磁环境下，现代雷达的应用场景也日益复杂，致使单通道雷达已经难以满足日益增长的应用需求，在诸如杂波抑制、隐身目标探测与定位、动目标检测等应用场景中遇到了难以克服的困难。与传统单通道雷达相比，多通道雷达得益于多通道数字波束形成技术的引入，不仅能够在传统应用场景下替代单通道雷达实现目标探测，而且能够在单通道雷达无法使用的场景下获得良好的探测性能。
传统的多通道雷达***，需要避免在同等或相似需求下的重复设计、重复研制所带来的资源浪费，因此提高设计效率，提高多通道雷达***的通用性，提高应用的灵活度等问题成为多通道雷达设计与研制的难题。在传统的多通道雷达***的设计中，根据具体项目需求的不同，多通道雷达***通常存在工作频率、信号波形、天线样式与布阵形式的区别，而对于中频处理、数字采集与处理等过程则基本相同。传统的多通道雷达***的框架下，同一个组件内通常同时存在共性和矛盾成分，这种不合理使得不同的应用需求对应不同的多通道雷达硬件，难以解决设计与研制效率低下、通用性不强和灵活度不够的问题。
现有的独立研制的多通道雷达的信号采集装置虽然能够有效提高研制效率，提高多通道雷达***的通用性和灵活度，但是依然存在信号采集带宽高、采集同步要求高、***架构划分不到位，导致设计与研制资源浪费的问题。
现有技术中，在申请号为201611009563.2的发明专利《一种基于数字信道化的多通道雷达信号采集装置》中，以及在申请号为201110383300.9的发明专利《多通道宽带电子信号同步采集***的设计与实现方法》中，均采用前端阵列+多通道信号采集装置的方案，虽然能够在一定程度上提高整个多通道雷达***的通用性，但是依然无法克服独立研制多通道雷达信号采集装置方案的固有缺点。
在申请号为201610864367.7的发明专利《一种模块化、积木式数字阵列雷达***》中，提出了一种新的多通道雷达***的架构，试图解决不同需求下雷达通用化的问题，然而该架构只考虑了天线布阵形式的差异，仍然大大限制了该通用化多通道雷达***应用的范围。
在申请号为201510357316.0的发明专利《脉冲全相参通用化实验雷达》中，采用了一种天线+前端+微波源+信号处理机的架构，能够实现单通道雷达***的通用化，但是该构架并不能够满足多通道雷达的需求。
基于上述，本发明提出一种高性能通用化的多通道雷达***，针对多通道雷达***研制中存在设计与研制效率低下、通用性不强和灵活度不够的问题，从源头设计出发，总结共性部分，突出矛盾部分，结合关键技术手段，以解决现有技术中存在的缺点和限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能通用化的多通道雷达***，较好的避免了同等需求或者需求相近的条件下，重复设计、重复研制引起的资源浪费，能够有效提高设计效率，增强***通用性和灵活度。
为实现上述目的，本发明提供一种高性能通用化的多通道雷达***，包含：依次连接的高频前端组件、中频处理组件、数据采集组件、综合信号处理组件，以及分别与上述组件连接的微波源组件；其中，所述的高频前端组件采用毫米波近程成像高频前端组件，包含：依次连接的射频与本振信号产生模块、信号分配与校准网络模块以及天线与射频通道阵列模块，实现射频信号与一级本振信号的产生，以及回波信号的接收、放大、滤波与一级下变频；所述的中频处理组件实现回波信号的放大、滤波与二级下变频；所述的数据采集组件实现回波信号的采集与信号预处理；所述的综合信号处理组件实现回波数据的数据汇集和实时成像；所述的微波源组件实现时钟基准信号、同步信号和二级本振信号的产生。
所述的射频与本振信号产生模块包含：通过电路连接的DDS和倍频、分频、混频器，以外部参考时钟和同步信号为基准，通过DDS产生信号，并经过倍频、分频、混频器产生射频信号及一级本振信号。
所述的信号分配与校准网络模块将产生的射频信号及一级本振信号均匀分配到天线与射频通道阵列模块中。
所述的天线与射频通道阵列模块包含：依次连接的M个发射通道、M个发射天线、N个接收天线和N个接收通道；其中，所述的发射通道通过信号分配与校准网络模块接收射频信号，并经由发射天线发射，再通过接收天线和接收通道接收该射频信号的回波信号，并经由接收通道中的低噪声放大器与滤波器处理；所述的接收通道中的混频器通过信号分配与校准网络模块接收一级本振信号，与回波信号混合产生差频，生成固定频段的、可被中频处理组件处理的中频回波信号。
所述的信号分配与校准网络模块通过弱耦合进行信号校准，并将校准后的信号耦合至天线与射频通道阵列模块的发射通道和接收通道，实现通道的幅度相位校准。
所述的中频处理组件采用通用化设计，处理固定频段内的中频回波信号并输出基频回波信号，包含L块中频处理板；每块中频处理板包括：K个中频通道，实现K路中频回波信号的低噪声放大、混频和滤波，得到基频回波信号，且L×K≥N；二级本振功分网络，由微波源组件产生的二级本振信号通过该二级本振功分网络，利用功分方式均匀分配至K个中频通道中。
所述的数据采集组件采用通用化设计，包含O块数据预处理板；每块数据预处理板实现P个基频通道的基频回波信号的数字化和预处理操作，且L×K＝O×P；该数据预处理板包括：R个AD转换器，每个AD转换器实现Q个基频通道的基频回波信号的数据采集，且R×Q＝P；若干第一FPGA处理器组成，对采集到的基频回波信号进行数字下变频、幅度相位校正、距离脉冲压缩和有效数据抽取，输出回波数据；第一RAM，通过数据的乒乓存储，实现对待处理数据、中间数据和结果数据的缓存。
所述的综合信号处理组件采用通用化设计，包含：第二FPGA处理器，以及分别与该第二FPGA处理器通过电路连接的第三FPGA处理器，DSP处理器和第二RAM；由第二FPGA处理器将回波数据汇聚转存到第二RAM，并由第二FPGA处理器调用DSP处理器和第三FPGA处理器，实现对第二RAM中回波数据的实时成像。
本发明所述的高性能通用化的多通道雷达***，还包含显控组件，与综合信号处理组件连接，采用通用化设计，由综合信号处理组件实时成像后的图像由第二FPGA处理器传输至显控组件，该显控组件进行数据存储、人机交互、并控制指令生成成像结果显示。
本发明所述的高性能通用化的多通道雷达***，还包含电源组件，采用通用化设计，分别与高频前端组件、中频处理组件、数据采集组件、综合信号处理组件，微波源组件和显控组件连接，提供工作电源。
综上所述，本发明所提供的高性能通用化的多通道雷达***，最大限度的固定了通用化的成熟组件，能够有效提高设计效率，减少质量问题，提高不同应用场景下多通道雷达的通用性；同时通过采用两级模拟下变频+一级数字下变频的三级下变频架构能够有效的降低数字采集***的采集带宽和同步精度要求。本发明与现有专利相比，通用化程度更高，对采集带宽和同步精度的要求更低。具有较好的经济效益。
附图说明
图1为本发明中的高性能通用化的多通道雷达***的结构框图；
图2为本发明中的毫米波近程成像高频前端组件的结构示意图；
图3为本发明中的中频处理组件中的中频处理板的结构示意图；
图4为本发明中的数据采集组件的结构示意图；
图5为本发明中的综合信号处理组件的结构示意图。
具体实施方式
以下结合图1～图5，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
如图1所示，为本发明提供的高性能通用化的多通道雷达***，包含：依次连接的高频前端组件1、中频处理组件2、数据采集组件3、综合信号处理组件4，以及分别与上述组件连接的微波源组件5；其中，所述的高频前端组件1采用专门的毫米波近程成像高频前端组件。
在不同的应用情况下，所述的高频前端组件1需要专门设计。如图1和2所示，本发明中采用的毫米波近程成像高频前端组件包含：依次连接的射频与本振信号产生模块9、信号分配与校准网络模块10以及天线与射频通道阵列模块8，实现射频信号的产生、放大、辐射与空间采样，以及回波信号的接收、放大、滤波与一级下变频。
其中，所述的射频与本振信号产生模块9包含：通过电路连接的DDS(直接数字式频率合成器，Direct Digital Synthesizer)和倍频、分频、混频器，以外部参考时钟(例如微波源参考时钟)和同步信号为基准，通过DDS产生信号，并经过倍频、分频、混频器产生特定频率和信号形式的射频信号及一级本振信号，能够保证高频前端组件1的输出信号落在能被中频处理组件2处理的固定频段内。在本发明的优选实施例中，产生34GHz的射频信号和32.46GHz的一级本振信号。
所述的信号分配与校准网络模块10将产生的射频信号及一级本振信号均匀分配到天线与射频通道阵列模块8中。
所述的天线与射频通道阵列模块8包含：依次连接的M个发射通道12、M个发射天线11、N个接收天线13和N个接收通道14；其中，所述的发射通道12通过信号分配与校准网络模块10接收射频信号，并经由发射天线11发射，再通过接收天线13和接收通道14接收到该射频信号的回波信号，并经由接收通道14中的LNA(低噪声放大器)与滤波器处理；所述的接收通道14中的混频器还通过信号分配与校准网络模块10接收一级本振信号，与回波信号混合产生差频，生成固定频段的、可被中频处理组件2处理的中频回波信号。在本发明的优选实施例中，所述的天线与射频通道阵列模块8由1个发射天线11、1个发射通道12，384个接收天线13和384个接收通道14组成，并且根据接收到的34GHz的射频信号和32.46GHz的一级本振信号，最终生成并输出1.54GHz的中频回波信号。
进一步，所述的信号分配与校准网络模块10通过弱耦合进行信号校准，并将校准后的信号耦合至天线与射频通道阵列模块8的发射通道12和接收通道14，实现通道的幅度相位校准。
如图1和图3所示，本发明中的中频处理组件2采用通用化设计，处理固定频段内的中频回波信号并输出基频回波信号，包含L块中频处理板15，每块中频处理板15包括：K个中频通道16，实现K路中频回波信号的低噪声放大、混频和滤波，得到基频回波信号，且L×K≥N；二级本振功分网络17，由微波源组件5产生的二级本振信号通过该二级本振功分网络17，采用功分的方式均匀分配至K个中频通道16中。
在本发明的优选实施例中，所述的中频处理组件2包含32块中频处理板15，每块中频处理板15内包含12个中频通道16，共实现384路中频回波信号的放大、滤波和二次混频。另外，需要微波源组件5提供32路的1.465GHz的二次本振信号，该微波源组件5的固定输入为1.54GHz、其内部集成的中频滤波器带宽为10MHz。最终通过该中频处理组件2输出基频回波信号的频率为75MHz、带宽为10MHz。该采用通用化设计的中频处理组件2能够满足大部分多通道近程探测雷达的需求。
如图1和图4所示，本发明中的数据采集组件3采用通用化设计，其采样频率固定，且包含O块数据预处理板18，每块数据预处理板18实现P个基频通道的基频回波信号的数字化和预处理操作，且L×K＝O×P；该数据预处理板18包括：板内采集模块19，由R个AD(模/数)转换器组成，实现基频回波信号的采集；其中每个AD转换器实现Q个基频通道的基频回波信号的数据采集，且R×Q＝P；处理模块，由若干第一FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程门阵列)处理器组成，对采集到的基频回波信号进行数字下变频、幅度相位校正、距离脉冲压缩和有效数据抽取，输出回波数据，有效降低基频回波数据的数据量；第一RAM(随机存取存储器，Random Access Memory)，通过数据的乒乓存储，实现对待处理数据、中间数据和结果数据的缓存。
在本发明的优选实施例中，所述的板内采集模块19由3个AD转换器(型号为AD9257)组成，每个AD转换器实现8个基频通道的基频回波信号的数据采集，因此每块数据预处理板18可实现24个基频通道的基频回波信号的数字化和预处理操作。所述的第一FPGA处理器采用Xilinx公司的Kintex7325T，能够实现对24个基频通道的基频回波信号的数字下变频、幅度相位校正、距离脉冲压缩和有效数据抽取。所述的数据采集组件3共由16块数据预处理板18组成，采用20MHz的固定采样率，从而实现384个基频通道的同步采集。
如图1和图5所示，本发明中的综合信号处理组件4采用通用化设计，包含：作为主FPGA处理器的第二FPGA处理器，以及分别与该第二FPGA处理器通过电路连接的作为从FPGA处理器的第三FPGA处理器，DSP(数字信号处理，Digital Signal Processing)处理器，第二RAM；该主FPGA处理器协调从FPGA处理器以及DSP处理器共同完成对回波数据的数据汇集、接口通信、DBF(Digital Beam Forming，数字波束合成)和实时成像等整机信号处理，该RAM通过数据的乒乓存储，实现待处理数据、中间数据和结果数据的缓存；具体的，由主FPGA处理器将数据采集组件3输出的回波数据汇聚转存到第二RAM，并由主FPGA处理器调用DSP处理器和从FPGA处理器实现对第二RAM中回波数据的实时成像。
在本发明的优选实施例中，所述的第二FPGA处理器和第三FPGA处理器均采用Xilinx公司的FPGA Kintex7 410T实现，DSP处理器采用TI公司TMS320C6455实现。
如图1所示，本发明中的微波源组件5采用通用化设计，包含：基准时钟产生模块、同步信号产生模块和二级本振产生模块；其中，基准时钟产生模块产生包括主振、一级本振、二级本振、AD采样等的基准时钟；同步信号产生模块产生包括AD采集，本振、主振开断等的多种同步触发信号；二级本振产生模块产生L个固定的二级本振信号至中频处理组件2。
如图1所示，本发明所述的高性能通用化的多通道雷达***，还包含显控组件7，与综合信号处理组件4连接，采用通用化设计，由综合信号处理组件4实时成像后的图像由主FPGA处理器传输至显控组件7，该显控组件7进行数据存储、人机交互、并控制指令生成成像结果显示。
如图1所示，本发明所述的高性能通用化的多通道雷达***，还包含电源组件6，采用通用化设计，分别与其他各个组件连接，包括高频前端组件1、中频处理组件2、数据采集组件3、综合信号处理组件4，微波源组件5和显控组件7，提供工作电源。
本发明所述的高性能通用化的多通道雷达***，根据不同的应用需求，采用不同的专用高频前端组件，利用不同的高频前端组件产生的不同频率和信号形式的射频信号，实现不同应用场景下的射频信号产生，再经高频前端组件中的LNA(低噪声放大器)、滤波器与混频器处理，最终生成固定频段的、可被通用中频处理组件处理的中频信号；经中频处理组件中的低噪声放大器、滤波器和混频器进一步调理，将中频回波信号调理成能够被通用数据采集组件采集的基频回波信号；最终根据***对基频回波信号的采样要求，利用数据采集组件实现基频回波信号的数字化，由数字采集组件中的处理模块完成数字下变频、幅度相位校正、距离脉冲压缩和有效数据抽取等预处理操作；然后通过高速传输接口将预处理后的回波数据传输和汇聚到综合信号处理组件中，根据***对回波信号的处理要求，利用综合信号处理组件完成整机信号处理；并将处理结果传输至显示控制组件进行实时图像显示。
其中，本发明采用三级下变频架构，一级下变频为模拟下变频，由高频前端组件独立完成本振产生和混频器混频；二级下变频为模拟下变频，由中频处理组件完成混频器混频，由微波源组件完成本振产生；三级下变频为数字下变频，由数据采集组件独立完成。
综上所述，本发明所提供的高性能通用化的多通道雷达***，最大限度的固定了通用化的成熟组件，能够有效提高设计效率，减少质量问题，提高不同应用场景下多通道雷达的通用性；同时通过采用两级模拟下变频+一级数字下变频的三级下变频架构能够有效的降低数字采集***的采集带宽和同步精度要求。本发明与现有专利相比，通用化程度更高，对采集带宽和同步精度的要求更低。具有较好的经济效益。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种高性能通用化的多通道雷达***，其特征在于，包含：依次连接的高频前端组件、中频处理组件、数据采集组件、综合信号处理组件，以及分别与上述组件连接的微波源组件；
所述的高频前端组件采用毫米波近程成像高频前端组件，包含：依次连接的射频与本振信号产生模块、信号分配与校准网络模块以及天线与射频通道阵列模块，实现射频信号与一级本振信号的产生，以及回波信号的接收、放大、滤波与一级下变频，生成可被中频处理组件处理的中频回波信号；
其中，所述的射频与本振信号产生模块包含：通过电路连接的DDS和倍频、分频、混频器，以外部参考时钟和同步信号为基准，通过DDS产生信号，并经过倍频、分频、混频器产生射频信号及一级本振信号；
所述的信号分配与校准网络模块将产生的射频信号及一级本振信号均匀分配到天线与射频通道阵列模块中；
所述的中频处理组件实现回波信号的放大、滤波与二级下变频；所述的中频处理组件采用通用化设计，处理固定频段内的中频回波信号并输出基频回波信号，包含L块中频处理板；每块中频处理板包括：
K个中频通道，实现K路中频回波信号的低噪声放大、混频和滤波，得到基频回波信号，且L×K≥N，N为天线与射频通道阵列模块中包含的接收天线的数量；
二级本振功分网络，由微波源组件产生的二级本振信号通过该二级本振功分网络，利用功分方式均匀分配至K个中频通道中；
所述的数据采集组件实现回波信号的采集与信号预处理；所述的数据采集组件采用通用化设计，包含O块数据预处理板；每块数据预处理板实现P个基频通道的基频回波信号的数字化和预处理操作，且L×K=O×P；该数据预处理板包括：
R个AD转换器，每个AD转换器实现Q个基频通道的基频回波信号的数据采集，且R×Q=P；
若干第一FPGA处理器，对采集到的基频回波信号进行数字下变频、幅度相位校正、距离脉冲压缩和有效数据抽取，输出回波数据；
第一RAM，通过数据的乒乓存储，实现对待处理数据、中间数据和结果数据的缓存；
所述的综合信号处理组件实现回波数据的数据汇集和实时成像；
所述的微波源组件实现时钟基准信号、同步信号和二级本振信号的产生。
2.如权利要求1所述的高性能通用化的多通道雷达***，其特征在于，所述的天线与射频通道阵列模块包含：依次连接的M个发射通道、M个发射天线、N个接收天线和N个接收通道；
所述的发射通道通过信号分配与校准网络模块接收射频信号，并经由发射天线发射，再通过接收天线和接收通道接收该射频信号的回波信号，并经由接收通道中的低噪声放大器与滤波器处理；
所述的接收通道中的混频器通过信号分配与校准网络模块接收一级本振信号，与回波信号混合产生差频，生成固定频段的、可被中频处理组件处理的中频回波信号。
3.如权利要求2所述的高性能通用化的多通道雷达***，其特征在于，所述的信号分配与校准网络模块通过弱耦合进行信号校准，并将校准后的信号耦合至天线与射频通道阵列模块的发射通道和接收通道，实现通道的幅度相位校准。
4.如权利要求3所述的高性能通用化的多通道雷达***，其特征在于，所述的综合信号处理组件采用通用化设计，包含：第二FPGA处理器，以及分别与该第二FPGA处理器通过电路连接的第三FPGA处理器，DSP处理器和第二RAM；
由第二FPGA处理器将回波数据汇聚转存到第二RAM，并由第二FPGA处理器调用DSP处理器和第三FPGA处理器，实现对第二RAM中回波数据的实时成像。
5.如权利要求4所述的高性能通用化的多通道雷达***，其特征在于，还包含显控组件，与综合信号处理组件连接，采用通用化设计，由综合信号处理组件实时成像后的图像由第二FPGA处理器传输至显控组件，该显控组件进行数据存储、人机交互、并控制指令生成成像结果显示。
6.如权利要求5所述的高性能通用化的多通道雷达***，其特征在于，还包含电源组件，采用通用化设计，分别与高频前端组件、中频处理组件、数据采集组件、综合信号处理组件，微波源组件和显控组件连接，提供工作电源。
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