分布式網絡高頻地波雷達系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種分布式網絡高頻地波雷達系統(tǒng)及其控制方法。系統(tǒng)包括多個雷達站點；所述雷達站點分為僅包含發(fā)射子系統(tǒng)的雷達站點、僅包含接收子系統(tǒng)的雷達站點、同時包含發(fā)射子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)的雷達站點。雷達系統(tǒng)采用線性調頻連續(xù)波或線性調頻中斷連續(xù)波工作體制，通過對發(fā)射信號的掃頻中心頻率或者起始掃頻時刻進行調制，使得不同發(fā)射子系統(tǒng)產生的回波信號可以在接收子系統(tǒng)的基帶級實現(xiàn)無混疊區(qū)分。本系統(tǒng)可以包含兩個及以上工作在同一頻帶、具有重疊覆蓋區(qū)的高頻地波發(fā)射-接收對，一方面使得雷達系統(tǒng)獲得較大的信息量，有利于提高探測精度、覆蓋范圍以及探測穩(wěn)定度等性能指標，另一方面使得分配給高頻地波雷達的有限頻率資源得到高效利用。
【專利說明】分布式網絡高頻地波雷達系統(tǒng)及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種分布式網絡結構的高頻地波雷達系統(tǒng)及其控制方法，具體地說， 是由分置于不同地理位置的多個高頻地波雷達發(fā)射子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)組成的分布式網 絡高頻地波雷達系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 高頻雷達是指射頻信號處于高頻段的雷達，從電波傳播方式上劃分，包含高頻天 波雷達和高頻地波雷達。高頻地波雷達是一種可用于大范圍測量海面風、浪、流等動力學參 數(shù)及探測船只、低空飛行器的設備。經過近50年的發(fā)展，如今在測量海洋表面流上已經成 熟。相比其它海流測量儀器，如漂流浮標、海流計、聲學多普勒流速剖面儀等，高頻地波雷達 具有覆蓋面積大、可全天候工作、實時測量、操作和維護成本低等優(yōu)勢，因此在許多沿海發(fā) 達國家得到了廣泛應用。
[0003] 傳統(tǒng)的高頻地波雷達為發(fā)射子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)位于一地的單基地雷達，利用后 向散射回波得到徑向流速分量。為得到二維矢量流速，通常在相距較遠的兩地安裝兩部具 有重疊覆蓋區(qū)域的雷達，將兩部雷達獨立工作得到的徑向流速合成為矢量流速。為了使更 多方向的流速分量參與矢量合成以減小測量誤差、提高測量穩(wěn)定度，人們在沿海岸地區(qū)布 設的高頻地波雷達越來越多，雷達之間的相互干擾成為必須解決的問題。
[0004] 目前最為常用的解決雷達相互干擾的方法是使雷達工作在不同的頻段上，即頻分 復用的方法。這種方法簡單易行，但是卻極不利于高頻地波雷達的發(fā)展。高頻段的頻率資 源極其有限，已被分配給了許多不同類型的用戶。2012年，世界無線電通信大會在其發(fā)布的 WRC-12決議中明確了高頻地波雷達的頻率劃分，如表1所示。
【權利要求】
1. 一種分布式網絡高頻地波雷達系統(tǒng)，其特征在于：包括多個雷達站點；所述雷達站 點包括三種類型，分別為僅包含高頻地波發(fā)射子系統(tǒng)的雷達站點、僅包含高頻地波接收子 系統(tǒng)的雷達站點、同時包含高頻地波發(fā)射子系統(tǒng)和高頻地波接收子系統(tǒng)的雷達站點；一個 發(fā)射子系統(tǒng)產生的回波信號被多個接收子系統(tǒng)利用，一個接收子系統(tǒng)利用多個發(fā)射子系統(tǒng) 產生的回波信號。
2. 如權利要求1所述的分布式網絡高頻地波雷達系統(tǒng)，其特征在于：所述高頻地波發(fā) 射子系統(tǒng)包括衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號接收天線、同步控制器、波形發(fā)生器、發(fā)射機、高頻地波發(fā) 射天線； 所述同步控制器包括馴服時鐘、頻率合成器、FPGA，馴服時鐘、頻率合成器、FPGA依次連 接，馴服時鐘與FPGA連接，衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號接收天線與馴服時鐘連接，頻率合成器與波 形發(fā)生器連接，F(xiàn)PGA分別與波形發(fā)生器、發(fā)射機連接，發(fā)射機與發(fā)射天線連接。
3. 如權利要求2所述的分布式網絡高頻地波雷達系統(tǒng)，其特征在于：所述高頻地波接 收子系統(tǒng)包括高頻地波接收天線、波形發(fā)生器、衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號接收天線、同步控制器、 模擬前端、模數(shù)轉換器、數(shù)字信號處理器、微處理器、數(shù)據(jù)傳輸總線、計算機；所述同步控制 器包括馴服時鐘、頻率合成器、FPGA ; 馴服時鐘、頻率合成器、FPGA依次連接，馴服時鐘與FPGA連接，高頻地波接收天線、模 擬前端、模數(shù)轉換器ADC、數(shù)字信號處理器DSP、微處理器、數(shù)據(jù)傳輸總線、計算機依次連接， 衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號接收天線與馴服時鐘連接，頻率合成器、波形發(fā)生器、模擬前端依次連 接，F(xiàn)PGA分別與波形發(fā)生器、模數(shù)轉換器ADC、數(shù)字信號處理器DSP、微處理器連接。
4. 如權利要求1所述的分布式網絡高頻地波雷達系統(tǒng)，其特征在于：所述的包含高頻 地波發(fā)射子系統(tǒng)和高頻地波接收子系統(tǒng)的雷達站點中，發(fā)射子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)共用衛(wèi)星 導航系統(tǒng)信號接收天線和同步控制器。
5. 如權利要求1所述的分布式網絡高頻地波雷達系統(tǒng)，其特征在于：所述數(shù)據(jù)傳輸總 線采用通用串行總線USB。
6. -種基于權利要求3所述系統(tǒng)的分布式網絡高頻地波雷達系統(tǒng)的控制方法，其特征 在于：所述雷達站點之間利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)布的授時信號實現(xiàn)時間和相位同步；采用線 性調頻連續(xù)波或線性調頻中斷連續(xù)波工作體制，通過對發(fā)射信號的掃頻中心頻率或者起始 掃頻時刻進行調整，使得不同發(fā)射子系統(tǒng)所發(fā)射的信號之間存在瞬時頻率差，且此瞬時頻 率差大于雷達信息帶寬，從而使不同發(fā)射子系統(tǒng)產生的回波信號在接收子系統(tǒng)的基帶級實 現(xiàn)無混疊區(qū)分。
7. 根據(jù)權利要求6所述的分布式網絡高頻地波雷達系統(tǒng)的控制方法，其特征在于： 所述的僅包含發(fā)射子系統(tǒng)的雷達站點，其控制過程包括以下步驟： 步驟1. 1，系統(tǒng)上電后，衛(wèi)星信號接收天線接收衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)射的信號，傳送給同步 控制器中的衛(wèi)星信號馴服時鐘，馴服時鐘輸出的信號經頻率合成器倍頻后分別傳送給FPGA 芯片和波形發(fā)生器，用作其工作時鐘；同時，馴服時鐘輸出的秒脈沖一 1PPS信號和時間信 息包一TIP也傳遞給FPGA芯片； 步驟1. 2,若發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射線性調頻中斷連續(xù)波信號，則FPGA芯片產生中斷脈沖序 列并傳遞給發(fā)射機；若發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射線性調頻連續(xù)波信號，則此操作略去；FPGA芯片將 射頻信號的波形參數(shù)發(fā)送給波形發(fā)生器；同時，F(xiàn)PGA芯片將TIP指示的時間信息與預設時 間相比較，如果到達預設時間，則以最近的1PPS信號為參考，產生觸發(fā)脈沖給波形發(fā)生器； 步驟1. 3,波形發(fā)生器經觸發(fā)脈沖觸發(fā)后，按照FPGA設置的波形參數(shù)輸出線性調頻連 續(xù)波信號給發(fā)射機； 步驟1. 4,若發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射線性調頻連續(xù)波信號，則發(fā)射機對步驟1. 3產生的線性調 頻連續(xù)波信號進行功率放大，然后傳輸給高頻地波發(fā)射天線，由其輻射到空間中去；若發(fā)射 子系統(tǒng)發(fā)射線性調頻中斷連續(xù)波信號，則發(fā)射機對步驟1. 3產生的線性調頻連續(xù)波信號和 步驟1.2產生的中斷脈沖合成，產生線性調頻中斷連續(xù)波信號，然后經高頻地波發(fā)射天線 福射出去； 所述的僅包含接收子系統(tǒng)的站點，其控制過程包括以下步驟： 步驟2.1，系統(tǒng)上電后，衛(wèi)星信號接收天線接收衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)射的信號，傳送給同步 控制器中的衛(wèi)星信號馴服時鐘，馴服時鐘輸出的信號經頻率合成器倍頻后分別傳送給FPGA 芯片和波形發(fā)生器，用作FPGA芯片和波形發(fā)生器的時鐘；同時，馴服時鐘輸出的秒脈沖一 1PPS信號和時間信息包一TIP也傳遞給FPGA芯片； 步驟2. 2, FPGA對步驟2. 1產生的輸入時鐘信號進行分頻，分別產生DSP芯片和微處理 器的工作時鐘，以及傳遞給模數(shù)轉換器的采樣脈沖信號；FPGA芯片將本振信號的波形參數(shù) 發(fā)送給波形發(fā)生器；同時，F(xiàn)PGA芯片將TIP指示的時間信息與預設時間相比較，如果到達預 設時間，則以最近的1PPS信號為參考，產生觸發(fā)脈沖給波形發(fā)生器； 步驟2. 3,波形發(fā)生器經觸發(fā)脈沖觸發(fā)后，按照FPGA設置的波形參數(shù)輸出線性調頻連 續(xù)波信號給模擬前端； 步驟2. 4,雷達回波信號經高頻地波接收天線進入模擬前端，與本振信號混頻后得到中 頻信號； 步驟2. 5,模數(shù)轉換器對中頻信號采樣，采樣結果傳送給DSP芯片； 步驟2, 6, DSP芯片對采樣結果進行數(shù)字下變頻和正交解調，然后生成雷達回波距離 譜，傳遞給微處理器； 步驟2. 7,微處理器將距離譜數(shù)據(jù)經數(shù)據(jù)傳輸總線傳遞給計算機以進行進一步處理和 結果顯示； 所述的既包含發(fā)射子系統(tǒng)又包含接收子系統(tǒng)的站點，其控制過程包括以下步驟： 步驟3.1，系統(tǒng)上電后，衛(wèi)星信號接收天線接收衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)射的信號，傳送給同步 控制器中的衛(wèi)星信號馴服時鐘，馴服時鐘輸出的信號經頻率合成器倍頻后分別傳送給FPGA 芯片和波形發(fā)生器，用作其工作時鐘；同時，馴服時鐘輸出的秒脈沖一 1PPS信號和時間信 息包一TIP也傳遞給FPGA芯片； 步驟3. 2,若發(fā)射信號為線性調頻中斷連續(xù)波信號，則FPGA芯片產生中斷脈沖序列并 傳遞給發(fā)射機；若發(fā)射線性調頻連續(xù)波信號，則此操作略去；FPGA芯片將射頻信號和本振 信號的波形參數(shù)分別發(fā)送給射頻信號波形發(fā)生器和本振信號波形發(fā)生器；同時，F(xiàn)PGA芯片 將TIP指示的時間信息與預設時間相比較，如果到達預設時間，則以最近的1PPS信號為參 考，產生觸發(fā)脈沖給波形發(fā)生器； 步驟3. 3,射頻信號波形發(fā)生器經觸發(fā)脈沖觸發(fā)后，按照FPGA設置的波形參數(shù)輸出線 性調頻連續(xù)波信號給發(fā)射機；本振信號波形發(fā)生器經觸發(fā)脈沖觸發(fā)后，按照FPGA設置的波 形參數(shù)輸出線性調頻連續(xù)波信號給模擬前端； 步驟3. 4,若發(fā)射信號為線性調頻連續(xù)波信號，則發(fā)射機對步驟3. 3產生的射頻線性調 頻連續(xù)波信號進行功率放大，然后傳輸給高頻地波發(fā)射天線，由其輻射到空間中去；若發(fā)射 信號為線性調頻中斷連續(xù)波信號，則發(fā)射機將步驟3. 3產生的射頻線性調頻連續(xù)波信號和 步驟3. 2產生的中斷脈沖合成為線性調頻中斷連續(xù)波信號，然后經高頻地波發(fā)射天線輻射 出去； 步驟3. 5,雷達回波信號經高頻地波接收天線進入模擬前端，與本振信號混頻后得到中 頻信號； 步驟3. 6,模數(shù)轉換器對中頻信號采樣，采樣結果傳送給DSP芯片； 步驟3. 7, DSP芯片對采樣結果進行數(shù)字下變頻和正交解調，然后生成雷達回波距離 譜，傳遞給微處理器； 步驟3. 8,微處理器將距離譜數(shù)據(jù)經數(shù)據(jù)傳輸總線傳遞給計算機以進行進一步處理和 結果顯不。
【文檔編號】G01S7/42GK104062648SQ201410331289
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權日:2014年7月11日
【發(fā)明者】楊靜, 文必洋, 王若琨, 石陽升, 吳世才, 王才軍 申請人:武漢大學