一种海洋地波雷达电磁信号现场计量装置的制作方法

本发明涉及海洋监测技术领域，特别是涉及一种海洋地波雷达电磁信号现场计量装置。

背景技术：

高频地波雷达作为一种新兴的海洋监测技术，具有超视距、大范围、全天候以及低成本等优点，被认为是一种能实现对各国专属经济区监测进行有效监测的高科技手段。地波雷达是利用高频电磁波沿海水表面绕射传播衰减小的特性，根据雷达后向布拉格散射信号测量海表面流场、波浪场和风场等要素的新型海洋观测技术。地波雷达能够为近海防灾减灾、海上溢油、海上搜救、航路保障等提供精细化的海表面流场，是现阶段近海海洋环境保障最有利的观测手段之一。

作为一种现场电磁信号“遥测”手段，现场电磁环境作用于电磁信号会导致场强的变化、天线方向图失真等，直接影响地波雷达的测流范围和观测精度，同时观测频率、功率、带宽等关键无线电参数的漂移会影响其流场观测空间分辨率，并对周围无线电设备产生干扰，造成不良的社会影响。因此，为保证高频地波雷达测流准确性，支撑地波雷达无线电管理工作，需要定期对地波雷达设备的关键无线电参数进行计量检验和校准。

目前，地波雷达电磁信号的现场测量一般采用分立的通用仪器，系统集成度不高；地波雷达工作的电磁环境在不同时间、不同季节差异较大，需要长时间的连续观测，由于地波雷达通常安装在海边，采用现有仪器无法满足地波雷达现场长时间观测的需求；地波雷达天线方向图是影响海态要素测量的重要因素之一，受其周围环境(如：建筑物、金属设施等)影响较大、现有分立设备无法完成该参数的测量或测量时难度较大。地波雷达工作的现场电磁环境十分复杂，不仅存在着雷达本身工作频率的信号，也存在许多其他频段的电磁信号，为电磁信号场强参数的测量带来了一定难度。目前对场强的测量采用场强仪来完成，但场强仪是对所测频率范围内所有频段电磁信号进行测量后再给出复合场强，而不是某一特定频段或频点的场强，该方式无法满足雷达工作频段内有用信号、干扰信号、环境噪声等重要指标的场强测量，无法在雷达工作环境下满足使用要求。已有设备的测量数据处理和分析不具有实时性，无法采用时频分析的方法进行信号处理，缺少数据自动记录与处理等功能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种海洋地波雷达电磁信号现场计量装置，具有集成度高特点，且能够支持长时间连续测量以及信号的实时处理。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种海洋地波雷达电磁信号现场计量装置，包括：标准信号发射单元、标准增益天线、壳体以及安装于壳体内部的综合数据处理系统、宽带接收单元、天线偏置单元以及可充电内置电池；

所述标准信号发射单元，包括定位模块、用于产生标准固定频率信号的专用dds芯片以及与所述dds芯片信号输出端连接的发射天线；地波雷达天线接收所述标准信号发射单元的发射天线发出的信号；

所述标准增益天线用于接收地波雷达发射的无线电磁信号，且所述标准增益天线的形状结构以及极化方式与地波雷达发射天线的形状结构以及极化方式保持一致；

所述宽带接收单元包括射频与信号处理电路，所述射频与信号处理电路用于提取输入信号的频谱特征；

所述综合数据处理系统，与所述射频与信号处理电路的输出端连接；

当测量信号的频率、带宽、待测频段及频点处的场强时，将所述射频与信号处理电路的输入端通过所述天线偏置单元与所述标准增益天线的输出端连接，所述综合数据处理系统根据所述射频与信号处理电路输出的频谱特征信号，确定输入信号的频率、带宽、待测频段及频点处的场强；当测量地波雷达的天线方向图时，将所述射频与信号处理电路的输入端通过所述天线偏置单元与地波雷达接收天线的输出端连接，所述综合数据处理系统根据所述射频与信号处理电路输出的频谱特征信号以及所述定位模块提供的位置信息，确定地波雷达的天线方向图；

所述可充电内置电池用于为所述宽带接收单元、所述综合数据处理系统以及天线偏置单元供电。

可选的，所述计量装置还包括：双向耦合器和衰减器，在测量地波雷达发射机的发射功率时，所述双向耦合器安装于地波雷达发射机与地波雷达发射天线之间，所述衰减器的输入端与所述双向耦合器的耦合输出端相连接，所述衰减器的输出端与所述射频与信号处理电路的输入端连接。

可选的，所述双向耦合器的隔离度不低于30db。

可选的，所述射频与信号处理电路包括：射频信号处理子单元、基于fpga的数字信号处理子单元以及微处理器，所述微处理器用于控制fpga的处理过程；所述射频与信号处理电路的输入信号依次经过所述射频信号处理子单元和所述数字信号处理子单元后输出。

可选的，所述射频信号处理子单元包括：本地振荡器、射频输入衰减器、低通滤波器、放大器、混频器、带通滤波器和模数转换器，输入信号依次经过所述射频输入衰减器、所述低通滤波器、所述放大器进入所述混频器，所述本地振荡器发出的本振信号经所述放大器进入所述混频器，混频输出的信号经过所述带通滤波器后，得到差频信号，所述差频信号经所述模数转换器后输出。

可选的，所述基于fpga的数字信号处理子单元包括：数字下变频模块、低通滤波模块、降速抽取模块以及频谱计算模块，所述数字下变频模块由一个乘法器和一个直接数字合成器组成，所述模数转换器输出的信号依次经过所述数字下变频模块、低通滤波模块、降速抽取模块以及频谱计算模块后输出。

可选的，所述标准信号发射单元还包括：处理器、电源模块、数传电台及天线；所述处理器通过uart接口接收外部输入参数，经分析处理形成dds芯片的控制参数，并通过spi口将所述控制参数写入dds芯片；所述处理器还用于提取所述定位模块接收到的位置信息，并将所述位置信息通过所述数传电台及天线传输至所述综合数据处理系统；所述电源模块为所述标准信号发射单元供电。

可选的，所述综合数据处理系统包括数传模块、数据处理分析模块以及显示与控制模块，所述数传模块用于完成数据的传输，所述数据处理分析模块用于完成频谱特征信号的分析与存储，所述显示与控制模块用于显示测量数据、显示人机交互界面以及提供设备参数、设备测量参数和指令的输入。

可选的，所述壳体上设置有拉手以及行走轮。

可选的，所述壳体顶面上设置有综合数据处理系统供电接口、可充电内置电池充电接口、宽带接收单元的数据传输接口。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的海洋地波雷达电磁信号现场计量装置将标准信号发射单元、标准增益天线、综合数据处理系统、宽带接收单元集成在一起，标准信号发射单元能够发射设置频率的连续信号及所处位置处的经纬度信息，通过与宽带接收单元、综合数据处理系统配合使用，能够完成地波雷达天线方向图的现场计量。标准增益天线用于接收无线电磁信号，射频与信号处理电路提取地波雷达电磁信号的频谱特征，配合综合数据处理系统的分析处理，能够实时获取雷达无线电磁信号的频率和带宽特性。标准增益天线、天线偏置单元、射频与信号处理电路以及综合数据处理系统的配合使用能够完成待测频段及频点处的场强测量。射频与信号处理电路、双向耦合器、衰减器以及综合数据处理系统的配合使用能够完成地波雷达发射功率的测量。可见，本发明实现了对海洋地波雷达电磁信号的关键电参数的实时测量。而且，本发明提供的计量装置设置有大容量可充电内置电池，能够支持长时间连续测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例海洋地波雷达电磁信号现场计量装置基本结构示意图；

图2为本发明实施例中雷达发射功率测量原理图；

图3为本发明实施例中壳体内部结构主视图；

图4为本发明实施例中壳体内部结构侧视图；

图5为本发明实施例中射频与信号处理电路结构示意图；

图6为本发明实施例中下变频模块的原理框图；

图7为本发明实施例中标准信号发射单元结构框图；

图8为本发明实施例中综合数据处理系统的软件结构图。

1、底层固定铝板；2、散热风扇固定支架；3、中层固定铝板；4、上层固定铝板；5、天线偏置单元；6、综合数据处理系统安装槽位；7、标准增益天线；8、天线射频连接器；9、壳体；10、大容量可充电内置电池；11、散热风扇；12、综合数据处理系统供电接口；13、内置电池充电接口；14、内置电池充电状态显示屏；15、按键开关；16、北斗/gps定位天线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种海洋地波雷达电磁信号现场计量装置，该计量装置包括：标准信号发射单元、标准增益天线、壳体以及安装于壳体内部的综合数据处理系统、宽带接收单元、天线偏置单元以及可充电内置电池；

所述标准信号发射单元，包括定位模块、用于产生标准固定频率信号的专用dds芯片以及与所述dds芯片信号输出端连接的发射天线，该发射天线发出的电磁信号由地波雷达天线接收；

所述标准增益天线用于接收地波雷达发射的无线电磁信号，且所述标准增益天线的形状结构以及极化方式与地波雷达发射天线的形状结构以及极化方式保持一致；其中，所述标准增益天线可以采用与地波雷达发射天线的形状结构以及极化方式一致的鞭状天线，该天线具有较宽的频带范围、较低的驻波比，并且其天线方向图、增益等重要指标经过校准，确保装置对无线电磁信号计量的准确性；

所述宽带接收单元包括射频与信号处理电路，所述射频与信号处理电路用于提取输入信号的频谱特征；

如图1所示，所述综合数据处理系统，与所述宽带接收单元的输出端连接。

当测量信号的频率、带宽、待测频段及频点处的场强时，所述射频与信号处理电路的输入端通过所述天线偏置单元与所述标准增益天线的输出端连接，这时，所述综合数据处理系统根据所述射频与信号处理电路输出的频谱特征信号，确定输入信号的频率、带宽、待测频段及频点处的场强。本实施例中，射频与信号处理电路通过对无线电磁信号频谱特征的提取，可在待测频段内获取每个频点的功率值，因标准增益天线在地波雷达工作频段内具有恒定且已知的天线因子，因此，根据天线因子的定义式可计算出待测频点出的场强值。

当测量地波雷达的天线方向图时，所述射频与信号处理电路的输入端与地波雷达天线的输出端连接，所述综合数据处理系统根据所述射频与信号处理电路输出的频谱特征信号以及所述标准信号发射单元定位模块提供的位置信息，确定地波雷达的天线方向图。

所述可充电内置电池用于为所述宽带接收单元、所述综合数据处理系统以及天线偏置单元供电。

在上述实施例的基础上，本实施例中的计量装置还包括：双向耦合器和衰减器，在测量地波雷达发射机的发射功率时，如图2所示，所述双向耦合器安装于地波雷达发射机与地波雷达发射天线之间，所述衰减器的输入端与双向耦合器的耦合输出端相连接，所述衰减器的输出端与所述射频与信号处理电路的输入端连接。

其中，作为一种可选的实施方式，所述双向耦合器可以选取隔离度不低于30db的双向耦合器。

本发明提供的计量装置主要由宽带接收单元、标准增益天线、综合数据处理系统和标准信号发射单元组成，前三个单元构成了计量装置的主体部分，标准信号发射单元通过与计量装置的主体部分配合使用，能够完成天线方向图的现场计量。宽带接收单元基于频谱分析的方法对地波雷达电磁信号进行测量，实时获取雷达无线电磁信号的频率和带宽特性。通过使用耦合器、衰减器，宽带接收单元可以现场完成雷达发射机发射功率的现场测量；通过使用标准增益天线，宽带接收单元能够完成待测频段及频点处的场强测量；标准信号发射单元能够发射设置频率的连续信号及所处位置处的经纬度信息，通过与计量装置的主体部分结合使用，计量装置可在现场完成雷达天线方向图的测量。以上测量结果均由综合数据处理系统实时处理、显示、分析和保存。计量装置主体部分内装有大容量可充电电池，适合在野外进行长时间的自动观测。通过使用本发明计量装置的现场测量数据进行海洋地波雷达的校准，可以提高雷达的测量精度，实现对海洋地波雷达工作状态进行有效、实时的管理。

需要强调的是，上述实施例中综合数据处理系统在根据射频与信号处理电路输出的频谱特征信号确定信号的频率、带宽、场强、方向图以及雷达发射机发射功率功率时，采用的具体方法或具体的软件模块为本领域的本领域的常规方法或模块，本发明不再具体阐述，其不属于本发明要求保护的内容。

在上述实施例中，如图3和图4所示，在壳体9内可以设计为3层的分层结构，最下层可以安装大容量可充电内置电池10，中间层可以安装射频与信号处理电路板，并为天线偏置单元5预留安装位置，方便该单元的装卸；最上层可以设置综合数据处理系统安装槽位6，比如安装了配套数据处理软件的笔记本电脑的安装槽位。在最下层还可以安装2组散热风扇11。可以设置5个开关按键15，分别为系统启动、宽带接收单元供电、天线偏置单元供电、综合数据处理系统供电和散热风扇开关，开关形式采用自带led等指示的自锁式开关。顶层面板上可以设置综合数据处理系统供电接口12、内置电池充电接口13、电路板数据传输接口，便于系统与外部设备的数据交联和供电。壳体体采用坚固耐用、轻便的塑料材质，可以配置有行走轮和拉手，便于在野外环境下的运输。

在上述实施例中的宽带接收单元利用频谱分析的基本思想，采用超外差式结构，实现对电磁信号的频谱特征的提取。射频与信号处理电路可以包括：射频信号处理子单元、基于fpga的数字信号处理子单元以及微处理器，所述微处理器用于控制fpga的处理过程；所述射频与信号处理电路的输入信号依次经过所述射频信号处理子单元、所述数字信号处理子单元后输出。高频地波雷达电磁信号经过地波雷达天线或标准增益天线进入宽带接收单元，使用低通滤波器将信号路径中的频率上限限制为100mhz。使用放大器对本振信号及低通滤波输出信号进行放大，使其符合混频器的信号输入范围，混频输出后的结果经带通滤波后滤去和频信号，保留差频信号。对其进行模数转换，采样后的数字信号处理全部由fpga和arm来完成，将处理后的结果传输至综合数据处理系统。

如图5所示，所述射频信号处理子单元可以包括：本地振荡器、射频输入衰减器、低通滤波器、放大器、混频器、带通滤波器和模数转换器，输入信号依次经过所述射频输入衰减器、所述低通滤波器、所述放大器进入所述混频器，所述本地振荡器发出的本振信号经所述放大器进入所述混频器，混频输出的信号经过所述带通滤波器后，得到差频信号，所述差频信号经所述模数转换器后输出。所述基于fpga的数字信号处理子单元可以包括：数字下变频模块、低通滤波模块、降速抽取模块以及频谱计算模块，所述数字下变频模块由一个乘法器和一个直接数字合成器组成，所述模数转换器输出的信号依次经过所述数字下变频模块、低通滤波模块、降速抽取模块以及频谱计算模块后输出。

其中，所述射频信号处理子单元中各器件的设计选取可具体如下：

为了保证混频器的输入信号幅度满足输入要求，混频器前端放大电路可采用adi公司生产的芯片ad8009，该芯片是一款超高速电流反馈型放大器，适合用于放大本振信号以满足乘法器的混频电压。同时，也能对基带信号进行电压偏置，便于后级adc采样要求。设计电路时对输入级进行阻抗匹配。

本地振荡器可以采用adi公司生产的dds专用芯片ad9958，该芯片是analogdevices公司生产的一款高性能、动态特性优异、可双路输出的dds器件，每路可单独控制频率、相位、幅度。芯片可产生最高频率为250mhz的双路信号。其内部有许多用于控制输出信号参数的控制寄存器。系统在3-50mhz频段完成测量时，需要控制ad9958产生的本振信号。本振信号的频率、相位、幅度与ad9958的对应控制字有关。根据超外差基本原理，设计时采用线性扫描模式。采用arm芯片作为系统主控芯片，通过该芯片进行编程可把串行缓存的数据内容送至ad9958内部寄存器，输出本振信号从而实现扫频。

采用ad835芯片作为混频器，该芯片是250mhz四象限电压输出的模拟乘法器，乘积噪声只有50nv/hz，能完成输出w＝x*y+z信号的功能。由于工作频率较低的滤波器更容易实现，因此提取混频输出的差频信号。设计时在输入输出级进行阻抗匹配以避免电压反射。本振信号和输入信号分别接混频器的x1和y1的通道，输入阻抗和输出阻抗均为50ω，输入电压范围为-1至+1v，带宽为40mhz。

ad采样选用ad9244芯片，它是一款具有14比特采样位数，在功耗为300mw时每秒采样点数能达到40msps的模数转换器。本设计中ad9244使用40mhz的采样率对模拟输入信号进行采样,该芯片技术指标满足设计要求。

基于fpga的数字信号处理子单元中各模块的设计选取如下：

如图6所示，数字下变频模块，由一个乘法器和一个直接数字合成器组成。经过射频前端处理后的中频信号载波频率为10mhz，经过40mhz采样后对该信号进行下变频，在fpga内部调用ip核中的直接数字合成器(dds)产生一个频率为9.8mhz正弦信号作为本振信号，两个信号经过混频后得到载频为200khz和19.8mhz的信号。

低通滤波模块，根据后续算法的要求，使用低通滤波器滤除下变频后中心频率为19.8mhz的信号而保留200khz的信号。滤波器采用fir的形式，在设计时在保证滤波器阶数较小的前提下结合实测数据确定通带截止频率、阻带起始频率。

降速抽取模块，由于要对低通滤波输出的信号进行一系列数字信号处理，而过高的采样率会影响后续信号处理的性能，且需要占用过多的资源，因此需要对滤波后的信号进行降速处理。这里采用400khz的采样率对信号重新进行采样。

设原采样序列为x(n)，每隔d-1个数据抽取一个数据(倍抽取)以形成一个新的序列x1(m)，即:

x1(m)＝x(dm)(m,d均为整数)

对低通滤波后的信号进行抽取滤波，将数据速率从40msps下降到合适的程度。因为地波雷达电磁信号的带宽小于150khz，为了提高实时性和降低后续信号处理的运算量，基于nyquist采样定理，使用400khz的采样率进行降速抽取，即上式中的d＝400，将数据速率降至400ksps。

频谱计算模块，利用fpga中的ip核完成数字信号的快速傅里叶变换(fft)，选用的fpga一次能够完成65536个点的fft变换，由于信号采样率经过降速抽取后已降为400khz，能够满足fft的处理要求。fft变换后的信号经包络检波处理，通过lan传输线传送至综合数据处理系统。将其频率作为水平分量，纵轴显示信号振幅，在系统的屏幕上绘出输入信号的频谱图。

宽带接收单元内部采用射频电路、数字电路和微处理器架构，具有存储和运算功能；配置标准接口，作为计量装置的重要组成部分完成对无线电磁信号的测量。

在实际的应用中，所述标准信号发射单元还可以包括：处理器、电源模块、数传电台及天线。标准信号发射单元能够发射固定频率连续信号和当前位置信息，工作频率为3-50mhz，具备gnss定位功能，具有嵌入式系统。其中，如图7所示，定位模块可接收gps和北斗信号，水平定位精度优于10米，经纬度信息通过arm处理器提取处理后经数传电台的天线发射。所述处理器通过uart接口接收外部输入参数，经分析处理形成dds芯片的控制参数，并通过spi口将所述控制参数写入dds芯片，dds芯片根据控制参数产生标准固定频率信号，其输出经带通滤波器滤除带外杂散信号，再经功率放大后通过发射天线发射出去。发射天线采用地波雷达频段内的高增益全向天线，保证信号的可靠传输。所述电源模块为所述标准信号发射单元供电。

如图8所示，所述综合数据处理系统可以包括数传模块、数据处理分析模块以及显示与控制模块。数传模块负责控制软件各测量单元与计算机之间的数据通信，测量系统与其他设备之间的通信；包含测量数据与控制指令协议的打包和解包，雷达和信号发射单元的数据输入等。为了保证数传模块的高可靠性，保证测量数据不丢失，采取独立进程方式，后台运行。数据处理分析模块根据设备参数和测量数据完成场强值等测量要素的计算，自动分析信号特征，存储测量结果。根据测量数据、定位数据和雷达数据等，完成天线方向图的计算。显示与控制模块提供测量系统的人机交互界面，提供设备参数、设备测量参数和指令的输入；实时显示频率、功率、带宽、场强等测量数据；能够显示频谱，能够显示频谱瀑布图。

本发明提供的地波雷达电磁信号现场计量装置具有以下优势：

1、内置大容量可充电电池，可支持装置连续24小时不间断测量，满足长时间的连续观测需求，适用于在不同时间、不同季节对地波雷达及其周围电磁环境进行长期无人值守观测；

2、系统集成度高，测量指标多样化，测量时可根据现场环境对系统进行远程设置，操作简便；

3、能够对地波雷达天线方向图进行现场测量，经校准后的地波雷达可提升海态要素测量的精度；

4、能够对地波雷达工作频段的复合场强或某一特定频点的场强进行测量，使环境噪声测量、雷达信号、干扰信号的场强测量得到了保证。

5、能够在现场完成对地波雷达电磁信号的实时计量与数据分析。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。