專(zhuān)利名稱(chēng)：脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收方法及接收裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖超寬帶雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，解決脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)接 收問(wèn)題，特別涉及一種脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收方法及接收裝置。
背景技術(shù)：
脈沖超寬帶雷達(dá)發(fā)射的超寬帶脈沖信號(hào)瞬時(shí)相對(duì)帶寬大于25%，具有極 高的距離分辨率，同時(shí)超寬帶信號(hào)豐富的低頻分量保證其良好的穿透特性。 因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)中隱蔽目標(biāo)的高分辨率探測(cè)與識(shí)別，廣泛用于對(duì)障礙物后 面隱藏的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位、跟蹤和狀態(tài)分析，以及搜救被煙霧或廢墟遮 蓋的受害者。
針對(duì)于脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)可近似為周期信號(hào)或準(zhǔn)周 期信號(hào)的特點(diǎn)，脈沖超寬帶雷達(dá)接收裝置可采甩隨機(jī)等效采樣方法來(lái)重構(gòu)回 波信號(hào)的波形，以此來(lái)降低脈沖超寬帶雷達(dá)接收裝置的硬件成本及復(fù)雜度。 在隨機(jī)等效采樣方式下，模擬觸發(fā)電路檢測(cè)觸發(fā)電平并發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，每次 觸發(fā)采樣一輪。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC: Analog to Digital Converter)在最高 轉(zhuǎn)換速率下連續(xù)工作，等觸發(fā)信號(hào)的到來(lái)，亞納秒級(jí)時(shí)長(zhǎng)檢測(cè)電路分別測(cè)量 出觸發(fā)信號(hào)與ADC的第一個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間差tl、 t2、 t3、 t4…，這個(gè)時(shí)間差
表明了觸發(fā)后的初始數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻。以這個(gè)時(shí)間差作為起點(diǎn)，隨后而來(lái)的每 次采樣，對(duì)應(yīng)的時(shí)間位置構(gòu)成了一個(gè)遞增序列，這個(gè)序列的間隔由ADC的采 樣速率決定。完成了一輪采樣后可得到一組數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的位 置就由這次采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列決定。經(jīng)過(guò)多輪的隨機(jī)采樣，得到多組 采樣數(shù)據(jù)序列，以觸發(fā)點(diǎn)為基點(diǎn)，根據(jù)從觸發(fā)信號(hào)到觸發(fā)后ADC的第一個(gè)采 樣點(diǎn)的時(shí)間差tl、 t2、 t3、 t4…，把多組采樣數(shù)據(jù)序列組合，就可以重構(gòu)出 一個(gè)周期的信號(hào)波形。在重復(fù)輸入周期性波形的前提下，就可以用這多組采 樣數(shù)據(jù)序列重建出信號(hào)的波形。隨機(jī)等效采樣方法的原理示意圖如圖1所示。 由于本方案模擬觸發(fā)電路和精確的亞納秒級(jí)時(shí)長(zhǎng)檢測(cè)電路作為隨機(jī)等效采樣 中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，用于識(shí)別第一個(gè)采樣時(shí)刻同觸發(fā)點(diǎn)的時(shí)間差，模擬觸發(fā)的精 確度，亞納秒級(jí)時(shí)長(zhǎng)檢測(cè)電路的測(cè)時(shí)精度將直接影響該方法重構(gòu)波形的精度， 而這些電路均需要復(fù)雜的模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就導(dǎo)致電路調(diào)試難度增加；而 且模擬電路抗干擾能力差，定時(shí)和精度很難保證，也直接導(dǎo)致重構(gòu)波形的精 度下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收方法及 接收裝置，它能夠降低硬件電路的復(fù)雜度及調(diào)試難度。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收方法，包括 如下步驟
步驟1、接收脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的模擬信號(hào)并進(jìn)行模擬信號(hào)的放大。
步驟2、在脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的帶寬Bw和重復(fù)周期Tc已知的條 件下，選定信號(hào)的等效采樣時(shí)鐘周期TEs、采樣次數(shù)M及采樣時(shí)鐘周期Ts， 其中，等效采樣時(shí)鐘周期TEs滿(mǎn)足TEs《l/2Bw，采樣次數(shù)M滿(mǎn)足M^T/TEs， 采樣時(shí)鐘周期Ts滿(mǎn)足TS=N T。/M，此式中N為與采樣次數(shù)M互質(zhì)的任一 自 然數(shù)。
步驟3、將處理后的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并以采樣 時(shí)鐘周期Ts對(duì)脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行M次采樣，并獲得一組采樣值。
步驟4、根據(jù)m呵mod(nTs，To)]/TEs將步驟3所得M次采樣值進(jìn)行重新排 序，此式中n-O， 1， 2，……M-l為重組前的采樣點(diǎn)序號(hào)，m為重組后的采樣 點(diǎn)序號(hào)，mod為取余運(yùn)算。取余運(yùn)算mod，除法運(yùn)算/是常見(jiàn)的數(shù)學(xué)運(yùn)算， 在C語(yǔ)言、Matlab、 VHDL、 Verilog等語(yǔ)言中都有集成的函數(shù)可調(diào)用，上式 的運(yùn)算順序是先執(zhí)行mod(nTs,TQ)，再執(zhí)行除法運(yùn)算。m=[mod(nTs，To)]/TES即 表示要用nTs/To后所得的余數(shù)去除以TES，最后將結(jié)果賦予m。
步驟5、按重組后的采樣點(diǎn)序號(hào)m值遞增方式將該采樣值序號(hào)所對(duì)應(yīng)的 采樣值進(jìn)行重組，重構(gòu)出一個(gè)周期的信號(hào)波形，進(jìn)而重構(gòu)出所接收的脈沖超 寬帶雷達(dá)回波信號(hào)。
在上述方案中，采樣時(shí)鐘周期Ts有多種選取值，選取較小的Ts值，采樣 頻率較高。反之，選取較大的Ts值可以降低采樣頻率，但必須保證雷達(dá)回波 信號(hào)的周期性，否則重構(gòu)出的波形將失真。
根據(jù)上述方法所設(shè)計(jì)的脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收裝置，主要由天線(xiàn)、寬 帶低噪聲小信號(hào)放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器、 重組電路及主控電路構(gòu)成；接收的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)天線(xiàn)匹配接寬 帶低噪聲小信號(hào)放大電路輸入端；寬帶低噪聲小信號(hào)放大電路的輸出端接模 數(shù)轉(zhuǎn)換電路模擬輸入端；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)輸出端接雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器的一個(gè) 數(shù)據(jù)端，同時(shí)主控電路為該雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)端提供地址線(xiàn)；雙口隨機(jī) 存儲(chǔ)器的另一數(shù)據(jù)端和地址端接重組電路；主控電路輸出端接時(shí)鐘產(chǎn)生電路 的啟動(dòng)端，時(shí)鐘產(chǎn)生電路的輸出接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路時(shí)鐘輸入端；同時(shí)，主控制電路的輸出接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路啟動(dòng)端及重組電路的啟動(dòng)端； 其中
主控電路存儲(chǔ)有脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的帶寬Bw、脈沖超寬帶雷達(dá)回
波信號(hào)的重復(fù)周期To、等效采樣時(shí)鐘周期TEs、采樣次數(shù)M及采樣時(shí)鐘周期 Ts等參數(shù)，其中Tes《1/2Bw、 M=Tq/Tes;
時(shí)鐘產(chǎn)生電路為輸出周期為T(mén)s的采樣時(shí)鐘的時(shí)鐘產(chǎn)生電路，其中TS=N To/M，此式中N為與采樣次數(shù)M互質(zhì)的任一自然數(shù)；
重組電路為根據(jù)n^[mod(nTs,T())]/TEs將模數(shù)轉(zhuǎn)換電路所得M次采樣值進(jìn) 行重新排序、并按重組后的采樣點(diǎn)序號(hào)m值遞增方式將該采樣值序號(hào)所對(duì)應(yīng) 的采樣值進(jìn)行重組，重構(gòu)出一個(gè)周期的信號(hào)波形的重組電路，其中11=0， 1， 2，……M-l為重組前的采樣點(diǎn)序號(hào)，m為重組后的采樣點(diǎn)序號(hào)，mod為取余 運(yùn)算。取余運(yùn)算mod，除法運(yùn)算/是常見(jiàn)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，在C語(yǔ)言、Matlab、 VHDL、 Verilog等語(yǔ)言中都有集成的函數(shù)可調(diào)用，上式的運(yùn)算順序是先執(zhí)行 mod(nTs,To)，再執(zhí)行除法運(yùn)算。m=[mod(nTs,To)]/TES即表示要用nTs/T。后所 得的余數(shù)去除以Tes，最后將結(jié)果賦予m。
本發(fā)明與現(xiàn)有隨機(jī)等效采樣技術(shù)相比，不需要觸發(fā)電路和時(shí)長(zhǎng)測(cè)量電路， 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為現(xiàn)有隨機(jī)采樣方法原理示意圖2為本發(fā)明一種脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收裝置的結(jié)構(gòu)框圖； 圖3為本發(fā)明一種脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收裝置的實(shí)現(xiàn)電路； 圖4為本發(fā)明脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收方法的原理示意圖； 圖5為天線(xiàn)接收的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)寬帶低噪聲小信號(hào)放大器 后的波形；
圖6為本發(fā)明脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的重構(gòu)波形。
具體實(shí)施例方式
圖2為本發(fā)明一種脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收裝置的結(jié)構(gòu)框圖，圖中—表 示模擬信號(hào)，—表示數(shù)字信號(hào)，=^表示數(shù)據(jù)總線(xiàn)，。:〉表示地址總線(xiàn)。 該裝置主要由寬帶低噪聲小信號(hào)放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、 雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器(DPRAM: Dual-Port Random Access Memory )、重組電路及 主控電路構(gòu)成。天線(xiàn)接收的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配接寬帶低噪聲 小信號(hào)放大電路輸入端。寬帶低噪聲小信號(hào)放大電路的輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換電 路模擬輸入端。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)輸出端接雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器的一個(gè)數(shù)據(jù)端，同時(shí)主控電路為該數(shù)據(jù)端提供地址線(xiàn)。雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器的另一數(shù)據(jù)端和地址 端接重組電路。主控電路控制時(shí)鐘產(chǎn)生電路，時(shí)鐘產(chǎn)生電路的輸出接模數(shù)轉(zhuǎn) 換電路時(shí)鐘輸入端。同時(shí)，主控制電路控制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路啟動(dòng)及重組電路的 啟動(dòng)。模數(shù)轉(zhuǎn)換在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下將輸入的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳送到雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器中緩存起來(lái)，由重組電路將雙口隨 機(jī)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，重構(gòu)出所接收的超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)。
天線(xiàn)接收的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配接收，送入寬帶小信號(hào)放
大器進(jìn)行放大。由于超寬帶雷達(dá)的回波信號(hào)帶寬通常大于lGHz，且回波信號(hào) 通常較弱，寬帶低噪聲小信號(hào)放大器必須具備較寬的帶寬，滿(mǎn)足所采用的超 寬帶雷達(dá)脈沖帶寬，另外該放大電路應(yīng)具有相位線(xiàn)性好、可靠性高、噪聲低、 動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)。本發(fā)明的最佳實(shí)施例所述寬帶低噪聲小信號(hào)放大電路見(jiàn) 圖3，主要由耦合電容C1和C5、晶體管Q1和Q2、以及外圍的直流電壓源 DC、電感、電容和電阻構(gòu)成；天線(xiàn)接收的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合 電容Cl耦合，接入晶體管Ql基極；電阻R5、電容C3并聯(lián)一端接晶體管 Ql發(fā)射極，另一端接地；電阻R1、 R2串聯(lián)一端接晶體管Q1集電極，另一 端接直流電壓源DC，構(gòu)成直流偏置電路；晶體管Q1的集電極接晶體管Q2 的基極；電阻R6、電容C4并聯(lián)一端接晶體管Q2發(fā)射極，另一端接地；電 阻R3，電感Ll并聯(lián)一端接晶體管Q2集電極，另一端接電阻R1;電阻R4 接晶體管Q2的發(fā)射極和晶體管Ql的基極，耦合電容C5 —端接晶體管Q2 的集電極， 一端接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。晶體Q1、 Q2選取寬帶晶體管BFP420，由 電阻R4構(gòu)成負(fù)反饋，將低端的增益進(jìn)行有效抵制，實(shí)現(xiàn)平坦度很好的增益。 實(shí)現(xiàn)的寬帶低噪聲小信號(hào)放大器的工作頻率為100MHz 2. OGHz,增益約為 29dB,噪聲系數(shù)小于等于1. 5dB。
主控電路存儲(chǔ)有脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的帶寬Bw、脈沖超寬帶雷達(dá)回 波信號(hào)的重復(fù)周期To、等效采樣時(shí)鐘周期TEs、采樣次數(shù)M等參數(shù)，其中等 效采樣時(shí)鐘周期Tes在小于等于1/2Bw范圍內(nèi)選定，如脈沖超寬帶雷達(dá)的回 波信號(hào)帶寬BW>1GHZ，則可得TES<500ps，此時(shí)我們便可在該范圍內(nèi)選定 一個(gè)等效采樣時(shí)鐘周期TEs;采祥次數(shù)M-Tq/Tes。
本發(fā)明選擇輸出周期為T(mén)s滿(mǎn)足Ts二N TQ/M的采樣時(shí)鐘的時(shí)鐘產(chǎn)生電路， 其中N為與采樣次數(shù)M互質(zhì)的任一自然數(shù)。選取較小的N值，采樣時(shí)鐘周 期Ts較小，采樣頻率較高；反之，選取較大的N值可以降低采樣速率。對(duì)于 脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)，在較小的At時(shí)間段內(nèi)，可近似為一周期信號(hào)， 因此N值的選取必須滿(mǎn)足NTQ<At，即！SKAt/T。，否則雷達(dá)回波信號(hào)的周期 性難以保證，重構(gòu)出的波形將失真。主控電路接時(shí)鐘電路的啟動(dòng)端，輸出使 能信號(hào)控制時(shí)鐘產(chǎn)生電路啟動(dòng)，時(shí)鐘產(chǎn)生電路輸出周期時(shí)間Ts的采樣時(shí)鐘至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的時(shí)鐘輸入端。本發(fā)明最佳實(shí)施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘 由可控時(shí)鐘管理芯片產(chǎn)生。主控制電路通過(guò)接口將控制命令字寫(xiě)入芯片中，
產(chǎn)生周期為T(mén)s的差分時(shí)鐘信號(hào)，故在選擇采樣時(shí)鐘周期Ts時(shí)，必須考慮具體 的時(shí)鐘管理芯片的實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘的時(shí)間抖動(dòng)要小，采樣時(shí)鐘的時(shí)間抖動(dòng)將會(huì)降 低模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的信噪比及動(dòng)態(tài)范圍。本發(fā)明最佳實(shí)施例的選用AD9517-4作 為時(shí)鐘產(chǎn)生芯片，主控電路通過(guò)串行外圍設(shè)備接口 (SPI)將控制字寫(xiě)入該時(shí) 鐘芯片，通過(guò)一個(gè)鎖相環(huán)和一系列分頻器產(chǎn)生所需要的采樣時(shí)鐘，其時(shí)間抖 動(dòng)小于500飛秒，上升沿和下降沿小于180皮秒。
脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)放大后，經(jīng)過(guò)阻抗匹配，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 的輸入端。主控電路的輸出接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的啟動(dòng)端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的時(shí)鐘 由時(shí)鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路要將模擬的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信 號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的全功率帶寬需大于超寬帶雷達(dá)回波 信號(hào)的帶寬，即需要選擇全功率帶寬大于lGHz的寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。另外由 于準(zhǔn)等效采樣后還需要重組數(shù)據(jù)，而模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的孔徑抖動(dòng)直接影響采樣 點(diǎn)的時(shí)間準(zhǔn)確度，故模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的孔徑抖動(dòng)要足夠小，對(duì)于超寬帶信號(hào)， 要求模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的孔徑抖動(dòng)要在飛秒級(jí)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的時(shí)鐘由時(shí)鐘電路 產(chǎn)生，對(duì)于等效采樣而言，由于需要通過(guò)重組采樣點(diǎn)來(lái)重構(gòu)波形，因此對(duì)采 樣的時(shí)間的準(zhǔn)確性要求很高，所以時(shí)鐘產(chǎn)生電路所產(chǎn)生的時(shí)鐘，其頻率穩(wěn)定 性要高。本發(fā)明最佳實(shí)施例的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路見(jiàn)圖3，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和 外圍電路，寬帶低噪聲小信號(hào)放大電路的輸出端接電感L2;電感L2與電容 C6串聯(lián)接寬帶變壓器Tl的一次側(cè)左上端；寬帶變壓器Tl 一次側(cè)左下端接地， 二次側(cè)右端接電阻R7、電阻R8;電阻R7與電阻R8中間接地；二次側(cè)寬帶變 壓器Tl中間抽頭接C8到地；電阻R7接電容C7、電阻R9到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的正 級(jí)輸入端口，電阻R8接電容C9、電阻R10接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的負(fù)極輸入端口， 構(gòu)成差分模擬輸入。寬帶變壓器T1將脈沖超寬帶雷達(dá)回波單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差 分信號(hào)，變壓器的帶寬必須滿(mǎn)足信號(hào)的帶寬要求，同時(shí)與匹配電阻、濾波電 容實(shí)現(xiàn)對(duì)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器前端的信號(hào)調(diào)理。在較寬的輸入頻率范圍內(nèi)改善增 益的平坦度，同時(shí)保持高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高動(dòng)態(tài)范圍，又使增益突起和帶寬 降低效應(yīng)減至最小。
主控電路輸出接重組電路的啟動(dòng)端，控制重組電路的啟動(dòng)。在本發(fā)明最 佳實(shí)施例中，主控制電路、雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器及重組電路由一塊現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén) 陣列(FPGA)芯片實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖3。雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器由現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列芯片 內(nèi)的嵌入式陣列塊模塊EAB (Embedded Array Block)配置而成。重組電路 按m=[mod(nTs,To) ]/TES式進(jìn)行重組，上式中n=0， 1， 2， M-l為重組前
的采樣點(diǎn)序號(hào)，m為重組后的采樣點(diǎn)序號(hào)，mod為取余運(yùn)算。取余運(yùn)算mod，除法運(yùn)算/是常見(jiàn)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，在C語(yǔ)言、Matlab、 VHDL、 Verilog等語(yǔ)言 中都有集成的函數(shù)可調(diào)用，上式的運(yùn)算順序是先執(zhí)行mod(nTs，T())，再執(zhí)行除 法運(yùn)算。m-[mod(nTs,To)]/TEs即表示要用nTs/ To后所得的余數(shù)去除以TES， 最后將結(jié)果賦予m。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采樣的數(shù)據(jù)按采樣地址(即重組前的采樣 點(diǎn)序號(hào)n)遞增方式存入雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器，則主控電路根據(jù)上式可計(jì)算出重 組地址(即重組后的采樣點(diǎn)序號(hào)m)。注意到式中有除法運(yùn)算，而實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn) 個(gè)數(shù)M為有限個(gè)，本發(fā)明最佳實(shí)施例先將預(yù)先計(jì)算的重組后m采樣點(diǎn)存入一 個(gè)數(shù)組，采用査表的方法來(lái)執(zhí)行重組，以減少運(yùn)算的復(fù)雜度。最后，重組電 路根據(jù)重組后的采樣點(diǎn)序號(hào)m遞增方式進(jìn)行重組，重構(gòu)出一個(gè)周期的脈沖超 寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的波形，其效果等價(jià)于利用采樣間隔Tes対一個(gè)周期的回 波信號(hào)進(jìn)行采樣，即可利用較低的采樣率達(dá)到較高采樣率的效果。
本發(fā)明脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收方法的原理示意圖見(jiàn)圖4。圖5是脈沖 超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)接收天線(xiàn)、寬帶低噪聲小信號(hào)放大器后的波形，采用 agilent的寬帶示波器測(cè)量，圖6為采用本發(fā)明的基于準(zhǔn)隨機(jī)采樣的脈沖超寬 帶雷達(dá)信號(hào)接收裝置經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)重組以后的回波信號(hào)，可以看出，本發(fā)明的接 收裝置性能優(yōu)越，與寬帶示波器測(cè)量波形基本一致。
本發(fā)明脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收方法包括如下步驟
步驟1、接收脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的模擬信號(hào)并進(jìn)行模擬信號(hào)的放大。
步驟2、在脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的帶寬Bw和重復(fù)周期T。已知的條 件下，選定信號(hào)的等效采樣時(shí)鐘周期TEs、采樣次數(shù)M及采樣時(shí)鐘周期Ts。 采樣時(shí)鐘的周期Ts的確定是本方法的關(guān)鍵技術(shù)之一，其具體步驟如下
1) 脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的周期性。
盡管脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)不是嚴(yán)格的周期信號(hào)，其特性與反身寸目標(biāo) 有關(guān)，但在足夠小的At時(shí)間段內(nèi)，我們?nèi)钥梢詫⒚}沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)近 似為準(zhǔn)周期信號(hào)。如檢測(cè)人體心跳的回波信號(hào)，正常人的心跳約為每分鐘 60 100次，則可近似認(rèn)為在At《(60/100;K).6s內(nèi)人的心臟是不跳動(dòng)的，則在 △t時(shí)間段內(nèi)脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)為準(zhǔn)周期信號(hào)，再如檢測(cè)屋內(nèi)人體的運(yùn) 動(dòng)，若極限運(yùn)動(dòng)速度100m/10s，雷達(dá)分辨率為lcm，則當(dāng)AK〈 (10/ (100X 100) )K).001s，脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)為準(zhǔn)周期信號(hào)。
2) 確定等效采樣時(shí)鐘周期TES。
由于等效采樣頻率fES = l/TES， fES與接收的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的 帶寬Bw必須滿(mǎn)足Nyquist采樣定理，即有
fES》2Bw ① 由此我們可以根據(jù)脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的帶寬確定等效采樣時(shí)鐘周期TES。如脈沖超寬帶雷達(dá)的回波信號(hào)帶寬Bw〉lGH^則由①可得TEs〈500ps， 此時(shí)我們便可在該范圍內(nèi)選定一個(gè)等效采樣時(shí)鐘周期TES。而TEs與超寬帶雷 達(dá)脈沖重復(fù)周期To間必須滿(mǎn)足-
T0=MTES (M為自然數(shù)) ②
由此可見(jiàn)，在脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)重復(fù)周期T。已知的條件下，確定 了等效采樣時(shí)鐘周期TES，即相當(dāng)于確定了進(jìn)行一次重組所需的采樣次數(shù)M， 即M二T/Tes。
3)采樣時(shí)鐘周期Ts確定。
當(dāng)脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)重復(fù)周期TQ已知，采樣時(shí)鐘周期Ts可由下 式?jīng)Q定
TS=N T0/M ③ 式中N為M互質(zhì)的任一自然數(shù)。由③可見(jiàn)，采樣時(shí)鐘周期Ts有多種選
取值，選取較小的N值，采樣時(shí)鐘周期Ts較小，采樣頻率較高。反之，選取
較大的N值可以降低采樣速率，但必須滿(mǎn)足NT0<At， g口lsKAt/To，否則雷
達(dá)回波信號(hào)的周期性難以保證，重構(gòu)出的波形將失真。
步驟3、將處理后的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并以采樣
時(shí)鐘周期Ts對(duì)脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行M次采樣，并獲得一組采樣值。 步驟4、將步驟3所得采樣值進(jìn)行排序重組。
對(duì)于脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)，在At時(shí)間段內(nèi)，可近似為一周期信號(hào)，
表示為
s(t) = t (Ak cos(宇t) + BkSin(宇t)) ④
以采樣時(shí)鐘周期Ts采樣M次，回波信號(hào)的離散形式表式為
s(n) = |>k cos(宇nTs) + BkSin(^nTs》 ⑤
k=I l() 丄O
式中0=0， 1， 2，……M-l為離散采樣時(shí)刻，k為k次諧波分量。取第一個(gè)采 樣點(diǎn)為采樣起始點(diǎn)，即觸發(fā)點(diǎn)，在To、 Ts、 Tes已知條件下，后面每次采樣點(diǎn) 與第一個(gè)采樣點(diǎn)間的時(shí)間差可以計(jì)算出來(lái)，其重組方法如下
m= [mod(nTs，T0)]/TES ⑥ 式中n為重組前的采樣點(diǎn)序號(hào)，m為重組后的采樣點(diǎn)序號(hào)，mod為取余 運(yùn)算。取余運(yùn)算mod，除法運(yùn)算/是常見(jiàn)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，在C語(yǔ)言、Matlab、 VHDL、 Verilog等語(yǔ)言中都有集成的函數(shù)可調(diào)用，上式的運(yùn)算順序是先執(zhí)行 mod(nTs，To)，再執(zhí)行除法運(yùn)算。m=[mod(nTs,T。)]/TES即表示要用nTs/T。后所 得的余數(shù)去除以Tes，最后將結(jié)果賦予m。按m值的大小遞增方式對(duì)采樣值進(jìn)行排序，重構(gòu)出一個(gè)周期的雷達(dá)回波信號(hào)為
<formula>formula see original document page 11</formula>
其中111=0， 1， 2,……M-l，由 可知，對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)鐘周期Ts準(zhǔn)隨 機(jī)采樣，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)重組，重構(gòu)出的一個(gè)周期的雷達(dá)回波信號(hào)，其效果等價(jià)于 利用采樣時(shí)鐘周期TES對(duì)一個(gè)周期的回波信號(hào)進(jìn)行采樣，即可利用較低的采 樣率達(dá)到較高采樣率的效果。
本發(fā)明采用準(zhǔn)隨機(jī)采樣方式進(jìn)行信號(hào)的接收，其原理如圖4所示在脈 沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)重復(fù)周期T。已知的條件下，根據(jù)信號(hào)的帶寬選擇等效 采樣時(shí)鐘周期TES，根據(jù)③式選取特定的采樣時(shí)鐘周期Ts，啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換， 開(kāi)始采樣，當(dāng)采樣點(diǎn)達(dá)到②式中M點(diǎn)時(shí)完成一次采樣。相對(duì)于圖l所示常規(guī) 隨機(jī)等效采樣而言，取第一個(gè)采樣點(diǎn)為采樣起始點(diǎn)，即觸發(fā)點(diǎn)，在To、 Ts已 知的條件下，后面每個(gè)采樣點(diǎn)與觸發(fā)點(diǎn)間的時(shí)間差可以計(jì)算出來(lái)，也就是說(shuō) 常規(guī)隨機(jī)等效采樣所需的時(shí)間鑒別電路和觸發(fā)電路是不需要的，從而簡(jiǎn)化準(zhǔn) 隨機(jī)等效采樣電路，使其易于實(shí)現(xiàn)。最后按⑥式進(jìn)行采樣點(diǎn)重組，重構(gòu)出一 個(gè)周期的信號(hào)波形，進(jìn)而重構(gòu)出所接收的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)，從而實(shí) 現(xiàn)高采樣率的等效采樣。同時(shí)我們必須注意到，準(zhǔn)隨機(jī)等效采樣之所以不需 要觸發(fā)電路和時(shí)間鑒別電路，是建立在被測(cè)信號(hào)的周期To必須已知的條件下 的，這在雷達(dá)等一些特定的應(yīng)用場(chǎng)合是可以滿(mǎn)足的。
權(quán)利要求
1、脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收方法，包括如下步驟步驟1、接收脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的模擬信號(hào)并進(jìn)行模擬信號(hào)的放大；步驟2、在脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的帶寬BW和重復(fù)周期T0已知的條件下，選定信號(hào)的等效采樣時(shí)鐘周期TES、采樣次數(shù)M及采樣時(shí)鐘周期TS，其中TES≤1/2BW、M＝T0/TES、TS＝N T0/M，此式中N為與采樣次數(shù)M互質(zhì)的任一自然數(shù)；步驟3、將處理后的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并以采樣時(shí)鐘周期TS對(duì)脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行M次采樣，并獲得一組采樣值；步驟4、根據(jù)m＝[mod(nTS，T0)]/TES將步驟3所得M次采樣值進(jìn)行重新排序，此式中n＝0，1，2，……M-1為重組前的采樣點(diǎn)序號(hào)，m為重組后的采樣點(diǎn)序號(hào)，mod為取余運(yùn)算；步驟5、按重組后的采樣點(diǎn)序號(hào)m值遞增方式將該采樣值序號(hào)所對(duì)應(yīng)的采樣值進(jìn)行重組，重構(gòu)出一個(gè)周期的信號(hào)波形，進(jìn)而重構(gòu)出所接收的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收方法，其特征在 于步驟2中所述等效采樣時(shí)鐘周期TEs為50ps 500ps。
3、 脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收裝置，主要由天線(xiàn)、寬帶低噪聲小信號(hào) 放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器、重組電路及 主控電路構(gòu)成；接收的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的天線(xiàn)匹配接寬帶低噪聲 小信號(hào)放大電路輸入端；寬帶低噪聲小信號(hào)放大電路的輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換 電路模擬輸入端；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)輸出端接雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器的一個(gè)數(shù)據(jù) 端，同時(shí)主控電路為該雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)端提供地址線(xiàn)；雙口隨機(jī)存 儲(chǔ)器的另一數(shù)據(jù)端和地址端接重組電路；主控電路輸出端接時(shí)鐘產(chǎn)生電路 的啟動(dòng)端，時(shí)鐘產(chǎn)生電路的輸出接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路時(shí)鐘輸入端；同時(shí)，主控 制電路的輸出接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路啟動(dòng)端及重組電路的啟動(dòng)端；其中主控電路為存儲(chǔ)有脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)的帶寬Bw、脈沖超寬帶 雷達(dá)回波信號(hào)的重復(fù)周期To、等效采樣時(shí)鐘周期TEs、采樣次數(shù)M及采樣 時(shí)鐘周期Ts參數(shù)的主控電路，其中Tes《1/2Bw、 M=To/Tes;時(shí)鐘產(chǎn)生電路為輸出周期為T(mén)s的采樣時(shí)鐘的時(shí)鐘產(chǎn)生電路，其中Ts =NT。/M，此式中N為與采樣次數(shù)M互質(zhì)的任一自然數(shù)；重組電路為根據(jù)m呵mod(nTs,T。)]/TEs將模數(shù)轉(zhuǎn)換電路所得M次采樣 值進(jìn)行重新排序、并按重組后的采樣點(diǎn)序號(hào)m值遞增方式將該采樣值序號(hào) 所對(duì)應(yīng)的釆樣值進(jìn)行重組，重構(gòu)出一個(gè)周期的信號(hào)波形的重組電路，上式 中n=0， 1， 2，……M-l為重組前的采樣點(diǎn)序號(hào)，m為重組后的采樣點(diǎn)序號(hào)， mod為取余運(yùn)算。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收裝置，其特征在 于所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路輸出的等效采樣時(shí)鐘周期TEs為50ps 500ps。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收裝置，其特征在 于所述寬帶低噪聲小信號(hào)放大電路主要由耦合電容CI和C5、晶體管 Q1和Q2、以及外圍的直流電壓源DC、電感、電容和電阻構(gòu)成；天線(xiàn)接 收的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合電容CI耦合，接入晶體管Ql基 極；電阻R5、電容C3并聯(lián)一端接晶體管Q1發(fā)射極，另一端接地；電阻 Rl、 R2串聯(lián)一端接晶體管Q1集電極，另一端接直流電壓源DC，構(gòu)成直 流偏置電路；晶體管Q1的集電極接晶體管Q2的基極；電阻R6、電容C4 并聯(lián)一端接晶體管Q2發(fā)射極，另一端接地；電阻R3，電感L1并聯(lián)一端 接晶體管Q2集電極，另一端接電阻R1;電阻R4接晶體管Q2的發(fā)射極 和晶體管Ql的基極，耦合電容C5 —端接晶體管Q2的集電極， 一端接模 數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈.沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收裝置，其特征在 于所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和外圍電路，寬帶低噪聲小信號(hào)放 大電路的輸出端接電感L2;電感L2與電容C6串聯(lián)接寬帶變壓器Tl的一 次側(cè)左上端；寬帶變壓器T1一次側(cè)左下端接地，二次側(cè)右端接電阻R7、 電阻R8;電阻R7與電阻R8中間接地；二次側(cè)寬帶變壓器Tl中間抽頭接 C8到地；電阻R7接電容C7、電阻R9到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的正級(jí)輸入端口，電 阻R8接電容C9、電阻R10接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的負(fù)極輸入端口，構(gòu)成差分模擬 輸入。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收裝置，其特征在 于所述雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器、重組電路及主控電路集成在同一現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén) 陣列芯片中。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種脈沖超寬帶雷達(dá)信號(hào)接收方法及接收裝置，天線(xiàn)接收的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)寬帶低噪聲小信號(hào)放大電路輸出至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的模擬輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)輸出端接雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器的一個(gè)數(shù)據(jù)端，同時(shí)主控電路為該數(shù)據(jù)端提供地址線(xiàn)，雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器的另一數(shù)據(jù)端和地址端接重組電路。主控電路控制時(shí)鐘產(chǎn)生電路，時(shí)鐘產(chǎn)生電路的輸出接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的時(shí)鐘輸入端。主控制電路控制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的啟動(dòng)及重組電路的啟動(dòng)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下將輸入的脈沖超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳送到雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器中緩存起來(lái)，由重組電路將雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，重構(gòu)出所接收的超寬帶雷達(dá)回波信號(hào)。
文檔編號(hào)G01S7/292GK101581781SQ20091011409
公開(kāi)日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月23日
發(fā)明者盧會(huì)群, 歐陽(yáng)繕, 蔣留兵, 謝躍雷, 黃守麟 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)