基于fpga的船舶导航雷达收发系统实现方法

基于fpga的船舶导航雷达收发系统实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种船舶导航雷达收发系统实现方法，包括发射和接收两方面。发射方面，提出一种基于FPGA的船舶导航雷达发射机控制方法，通过FPGA产生触发脉冲，经过缓冲级电路和驱动电路后由脉冲变压器将触发脉冲提升为脉冲高压供给磁控管，磁控管再以相应的频率发射雷达电磁波。接收方面，实现一种能与FPGA直接衔接的船舶导航雷达中频数字化模块，通过合理的电路布局和屏蔽结构将对数放大器、缓冲级、模数转换等电路整合为一个模块，该模块能将雷达射频接收机的模拟中频信号转化为数字信号输出给FPGA，具有动态范围大、灵敏度高、电路紧凑、调试简单等优点。收发系统的实现方法能够使船舶导航雷达系统设计更加紧凑，实现更加容易，提高了雷达的性价比。
【专利说明】基于FPGA的船舶导航雷达收发系统实现方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达系统领域，特别是涉及船舶导航雷达发射和接收分系统领域，具 体是一种新颖而简便的雷达脉冲信号发射和回波信号数字化接收的实现方法。

【背景技术】
[0002] 雷达被广泛应用于国防军事、民航管制、地形测量、气象、航海等众多领域。在航 海方面，安装于船舶上用于航行避让、船舶定位、狭窄水道引航的雷达，即船舶导航雷达，又 称航海雷达，当能见度低时，此类雷达能提供必需的观察手段。船舶导航雷达一般工作于X 波段（8?12GHz)或S波段（2?4GHz)，少数工作于C波段（4?8GHz)或Ku波段（12? 18GHz)，脉冲发射功率一般在几千瓦至几十千瓦之间。
[0003] 目前船舶导航雷达在我国应用广泛，但出于市场和技术等方面的原因，国内普遍 使用的船舶导航雷达还是国外八九十年代的产品，整个市场与国际水平严重脱节。国内也 有许多单位在从事船舶导航雷达的研发工作，但由于系统设计、器件加工工艺以及算法实 现等方面还存在问题，最终推出的产品都不能完全代替国外产品，导致市场占有率很低。
[0004] 船舶导航雷达是一个复杂的系统，涉及诸多关键技术，其中技术难点主要集中在 天馈系统、发射分系统、接收分系统、信号处理等方面。
[0005] 在发射分系统方面，船舶导航雷达往往采用单脉冲体制，在近距离档用窄脉冲，以 提高距离分辨力；在远距离档用宽脉冲，以增大作用距离。雷达发射机往往采用磁控管发射 机，在磁控管发射机之前接调制板和相关控制电路，与磁控管一同构成发射分系统。目前民 用市场上广泛使用的国外进口雷达均采用上述体制，多方面的调研也表明其他雷达生产厂 商在发射分系统的设计方面也与上述体制类似。
[0006] 目前国内外船舶导航雷达发射分系统中的调制板由诸多子电路构成，主要包括脉 冲宽度转换电路、驱动电路及刚性开关调制电路、充放电电路、频带宽度控制电路等。从相 关使用说明和技术维护手册中的调制板原理图可以发现，脉冲宽度转换电路设计比较复 杂，主要由厚膜集成电路和相关外围电路构成，雷达发射脉冲宽度主要由厚膜电路内的电 容以及厚膜电路外的电阻决定，发射脉冲重复频率和脉冲宽度的切换通过调制板上外接的 两个端口取不同的逻辑值（0或1)来决定。上述的电路结构会由于器件制造工艺以及使用 环境的变化而造成雷达发射脉冲宽度、脉冲重复频率的不准确，降低了系统的可靠性，而且 完全硬件的构成方式也导致该电路的可移植性和易调节性变差。基于上述不足，在船舶导 航雷达发射分系统中，采用新的方法代替传统船舶导航雷达发射机调制板上的脉冲宽度转 换电路，提高整个发射分系统的简洁性、可靠性、可移植和易调节性，显得极具研究前景和 意义。
[0007] 在接收分系统方面，目前市场上有多种高性能的船舶导航雷达射频接收前端，可 以将雷达天线接收到的混有噪声和杂波的高频雷达雷达回波，转换为更便于处理的中频信 号，但该中频信号是具有很大动态范围的功率信号，需将其转换为电压信号，才能供AZD采 样和之后的数字信号处理，实现中频信号转换的部分称为中频放大电路，射频接收前端和 中频放大电路共同构成雷达接收分系统。目前民用市场上广泛使用的国外进口雷达多采用 自动增益控制电路来实现中频放大的功能，国内也有相关专利涉及中频放大和数字化接收 技术，如发明专利[1] [2]以及实用新型专利[3]，各自描述了自动增益控制电路，能够扩大 功率信号调节的动态范围，实现大动态范围自动增益调节，可应用于激光探测、信息通信领 域等；实用新型专利[4]公开了一种船舶导航雷达信号处理系统，结合模拟信号处理、模数 变换和数字信号处理进行杂波抑制后，系统可控性和抗干扰性能好，提高了雷达杂波干扰 抑制的可靠性。
[0008] 对于非相参体制的船舶导航雷达，在射频接收前端之后采用自动增益控制电路虽 然能够实现大动态范围工作，但是往往电路由多个模块构成，易受电磁干扰，并且电路复 杂，稳定性较差。另外从相关雷达的使用说明和技术维护手册中可以发现，目前中频信号处 理电路中通常将模数转换电路和大动态范围中频放大电路分开制板，电路之间通过电缆线 连接，但这种电路形式一方面会导致电路板占用的更大空间，不便于系统集成化，小型化； 另一方面，也会因外部干扰而影响整机灵敏度。基于以上不足，在船舶导航雷达接收分系统 中，采用更为简洁而紧凑的结构实现中频放大和中频数字化接收，提高系统稳定性与集成 性，同样显得极具研究前景和实用意义。
[0009] [1] 一种高速大动态范围数字化自动增益控制电路，申请号：200810226747. 3,发 明人：李虎明，张奇荣
[0010] [2] -种大动态范围自动增益调节电路，申请号：201110004195. 3,发明人：高怀， 武文娟，郭瑜等
[0011] [3] -种大动态范围自动增益调节电路，申请号：201120006119. 1，发明人：高怀， 武文娟，郭瑜等
[0012] [4]船舶导航雷达信号处理系统，申请号：201120500183. 5,发明人：陈杰波，窦兴 川


【发明内容】

[0013] 本发明提出了一种基于FPGA的船舶导航雷达收发系统实现方法，该方法一方面 能够提高雷达发射分系统的简洁性、可靠性、可移植性和易调节性，另一方面可以使雷达接 收分系统构成更加简单，结构更加紧凑，更好地与后续信号处理分系统衔接。
[0014] 本发明采用的技术方案如下：
[0015] 发射分系统方面：提出一种基于FPGA的船舶导航雷达发射机控制方法，由FPGA控 制板、高压产生电路和磁控管构成，三个部分级联构成雷达发射机。所述高压产生电路和磁 控管部分与传统船舶导航雷达发射机相差不大，所述FPGA控制板以及用FPGA控制雷达发 射机的方法是本发明的核心部分。FPGA控制板取代了传统雷达发射机调制板上的脉冲宽度 转换电路，由该部分提供触发脉冲信号，根据不同的雷达探测量程调制成相应的脉冲宽度 和脉冲重复频率，其中触发脉冲的调制方式可以由软件自由更改，各个量程对应的脉冲宽 度和脉冲重复频率可以通过与FPGA相连的按键快速切换。FPGA产生的触发脉冲经过脉冲 变压器提升为脉冲高压供给磁控管，磁控管再以相应的雷达工作频率混频后发射雷达电磁 波。
[0016] 接收分系统方面：实现一种能够与FPGA直接衔接的船舶导航雷达大动态范围中 频数字化模块，主要包括：将射频接收前端输出的大动态范围的中频信号进行放大和包络 检波的对数放大器电路，将所述对数放大器电路输出的回波脉冲信号进行缓冲放大和电压 调整的缓冲级电路，将所述缓冲级电路输出的模拟信号转换为数字信号的模数转换电路， 将+5V电压信号转换成+3. 3V电压信号的电压转换电路，用以降低电磁干扰的金属屏蔽盒， 以及输入输出接口电路。
[0017] 上述的对数放大器电路由匹配网络、对数放大器（带包络检波功能）和电压调整 电阻组成。
[0018] 上述的缓冲级电路为同相比例运算电路，包括轨对轨输入/输出单核高速运算放 大器和比例调整电阻。
[0019] 上述的模数转换电路主要由单片模数转换器及外围电路组成。
[0020] 上述的电压转换电路由稳压系列集成芯片及滤波电容组成。
[0021] 上述的金属屏蔽盒可由铜、铝等常见金属材料制成，内部黏附吸波材料。
[0022] 上述的接口电路主要包括：中频输入SMA接口以及标准34针I/O接口电路
[0023] 本发明的有益效果是：
[0024] 在雷达发射分系统方面，本发明采用FPGA代替传统磁控管雷达发射机调制板中 的脉冲宽度转换电路，通过数字电路的方式控制雷达发射脉冲的脉冲宽度和脉冲重复频 率，使雷达发射分系统的设计大大简化，发射机工作性能大幅度提高，（由FPGA提供的触 发脉冲，脉冲上升沿和下降沿宽度小于l〇ns，脉冲宽度误差小于20ns，不同脉冲宽度和脉 冲重复频率调节响应速度优于15ms)，工作可靠性提高（在对控制电路加适当保护措施情 况下，发射机工作状态不易受使用环境影响），控制部分可移植性和易调节性增强（控制参 数主要由Verilog HDL软件程序实现，便于在不改变硬件电路的条件下调整发射机工作参 数）。
[0025] 在雷达接收分系统方面，本发明提出了中频数字化模块的概念，模块针对船舶导 航雷达信号的特点，用对数放大器替代自动增益控制（AGC)电路，通过使用集成芯片，提高 电路的稳定性。对模块进行合理的电路布局，并在对数放大器电路以及缓冲级电路外围空 间安装接地金属屏蔽盒以减少外围干扰。该模块能够将处理后的包络信号直接进行采样并 通过接口将数据以二进制数的格式存储在FPGA的RAM中，便于FPGA在雷达信号后期的累 积、背景对消以及杂波抑制等处理时进行调用。
[0026] 模块上的标准34针I/O接口与雷达主控制器外围接口兼容，通过I/O 口串行通信 总线和时钟控制信号直接和主控制器连接，可作为插件直接与后级的FPGA主控芯片相连， 便于程序测试修改以及实验调整。该模块还具有扩展性，为进一步减少接收前端谐波的影 响，可放置一枚高性能声表面滤波器和固定增益放大器，提高系统接收灵敏度。
[0027] 综合收发两个发面，本发明能够使整个船舶导航雷达系统的设计更加紧凑，实现 更加容易，因为FPGA可以整个雷达系统的主控芯片，既可以用于发射机的控制，也可以用 于接收机信号的数字化和存储，又可以用于整机时序的控制，还可以用于伺服系统的控制， 更能够作为信号处理和显示部分的核心。

【专利附图】

【附图说明】
[0028] 图1是船舶导航雷达发射机原理图
[0029] 图2是FPGA产生触发脉冲的程序原理图
[0030] 图3是具体电路实现的电路原理图
[0031] 图4是FPGA控制板产生的触发脉冲图
[0032] 图5是船舶导航雷达大动态范围中频数字化模块电路结构框图
[0033] 图6是船舶导航雷达大动态范围中频数字化模块PCB版图
[0034] 图7是船舶导航雷达大动态范围中频数字化模块电路原理图
[0035] 图8是金属屏蔽盒与接口安装位置示意图
[0036] 图9是船舶导航雷达大动态范围中频数字化模块测试结果示意图

【具体实施方式】
[0037] 参照图1，其中①所指的FPGA控制板和②所指的缓冲级电路两部分是本发明提出 的基于FPGA的雷达发射机控制方法的核心。图1所示的雷达发射机采用FET (场效应管） 为开关控制的刚性开关脉冲调制器，配以1 : 16脉冲变压器，使整个调制器工作在低压状 态。当磁控管不工作时，高压通过电阻R加到电容C上，当触发脉冲作用于M0S-FET时，激 励磁控管振荡。以上部分与传统雷达发射机使用的方法类似，本发明与现有技术的不同之 处在于采用了 FPGA作为触发脉冲的产生装置，触发脉冲经过一个缓冲级后再通过驱动电 路加到开关管上，控制开关管的通断。
[0038] 参照图2,该图描述了下载并固化到FPGA中的程序的基本构成，各个模块可以通 过硬件描述语言来实现。FPGA产生触发脉冲的程序主要由图中的几个功能模块组成，图中 各个模块均可以由Veri log HDL或者VHDL硬件描述语言编写并实例化形成，本发明实施时 使用Verilog HDL编写程序。图中按键检测模块和按键消抖模块能够准确检测按键对应的 I/O 口电平的变化，并输出到按键控制模块，按键控制模块协调三个按键的信号，使每个按 键驱动一种脉冲调制模块，并保证三种脉冲调制模块的工作状态能够通过按键自由切换， 三种脉冲调制模块的输出均接到输出控制模块，该模块能够判断当前情况下哪个脉冲调制 模块正在工作并将正在工作的脉冲调制模块产生的触发脉冲通过FPGA的I/O 口输出。
[0039] 图2中的三个按键连接与FPGA的I/O 口相连，主要用于雷达在不同探测量程之 间切换，也可以根据实际的距离档位数量增加或减少按键个数。除了用于切换挡位的按键 之外，还可以在FPGA上加一个复位按键，当复位按键按下，三个脉冲调制模块都停止工作， 整个电路无触发脉冲输出。由FPGA芯片输出的触发脉冲先经过一个缓冲级，缓冲级主要起 到保护FPGA的作用，该缓冲级可以由非门构成（可选用74LS04)，值得注意的是，在选用非 门做缓冲级情况下，FPGA需产生负脉冲作为驱动，这样通过非门之后变为正脉冲加到高压 产生电路中。当然也可选用光耦隔离电路等其他的电路形式，若用其他形式的缓冲电路， FPGA需直接产生正脉冲。正负脉冲的产生主要取决于程序的输出端口是否添加反相器， 实际中可以通过修改程序轻松实现。缓冲级之后再经过一个由两个三极管（SA1244-Y和 SC3074-Y)组成的互补放大电路后加到开关管，详细电路如图3所示，图3中①即对应于图 1中①所指的FPGA控制板，②即对应于图1中②所指的缓冲级电路。
[0040] 参照图4,该图展示了 FPGA控制板产生的实际触发脉冲图。其中（a)是触发 脉冲整体效果图；(b)是近量程条件下的触发脉冲，此时的脉冲宽度为80ns，脉冲重复频 率为2000Hz ;(c)是中量程条件下的触发脉冲，此时的脉冲宽度为400ns，脉冲重复频率 为1000Hz，（d)是远量程条件下的触发脉冲，此时的脉冲宽度为800ns，脉冲重复频率为 500Hz。由图可见，FPGA产生的触发脉冲性能优越。
[0041] 参照图5,船舶导航雷达大动态范围数字化中频模块主要由对数放大器电路①、缓 冲级电路②、模数转换电路③以及SMA接头⑤构成的回路实现，电压转换电路④为电路③ 提供所需的工作电压。为了方便FPGA等处理器对信号进行后续处理，标准34针I/O接口 作为串行通信总线和时钟控制信号的接口电路直接将数据存储在RAM中。此外，接口⑥实 现"板上取电"功能，为本模块中电路①②提供所需的工作电压。
[0042] 参照图6,该图为船舶导航雷达大动态范围数字化中频模块的电路原理图。图中对 数放大器电路与图5中的①相对应，由输入LC匹配网络（L1、C1、C2)、带包络检波功能的对 数放大器U1以及输入电压调整电阻R2组成（可选用AD8307作为对数放大器）。缓冲级电 路与图5中的②相对应，该部分为同相比例运算电路，由轨对轨输入/输出单核高速运算放 大器U2和比例调整电阻R3和R4组成（可选用AD8031作为运算放大器）。模数转换电路 与图5中的③相对应，该部分电路由模数转换器U3及滤波、去耦电容（C8?C13)组成（可 选用AD9280作为模数转换器）。电压转换电路与图5中的④相对应，由稳压系列集成芯片 U4及滤波电容EC1组成（可选用AMS1117系列芯片作稳压芯片）。标准34针I/O接口与 图5中的⑥所示I/O相对应，该模块中数字地DGND与模拟地GND通过0 Ω电阻R5连接。
[0043] 参照图7,该图为船舶导航雷达大动态范围中频数字化模块的PCB版图。上述电路 可安装于FR-4等基板上，基板厚度0· 6mm-l. 6mm。印刷电路板的整体尺寸为75mm*50mm，中 频输入SMA接口安装于版图左侧⑤所示位置，便于与射频接收前端连接，对数放大器电路、 缓冲级电路、模数转换电路、电压转换电路分别安依次装于版图中①②③④所示的位置，图 中⑥为标准34针I/O接口的安装位置，⑦为金属屏蔽盒的安装位置，⑧为固定用的螺丝孔。 版图其余区域大面积敷铜，并通过若干过孔与地板连接，保证版图边缘敷铜区域良好接地， 可减少电磁干扰对本模块的影响。
[0044] 参照图8,该图展示了船舶导航雷达大动态范围中频数字化模块的金属屏蔽盒与 接口安装后的实物效果图。图中①即为金属屏蔽盒，该屏蔽盒由铜、铝等常见金属材料制 成，内部黏附吸波材料，金属外壳与电路板上层预留焊盘焊接或固定以实现良好接地。金属 屏蔽盒覆盖尺寸为40mm*35mm*3mm，覆盖图5所述的对数放大器电路和缓冲级电路。屏蔽盒 可以减少空间电磁干扰以及模数转换电路中时钟控制信号对对数放大器电路的串扰，降低 中频信号的基底噪声，提高整机灵敏度。图中②为SMA接头的安装效果。
[0045] 参照图9,该图为船舶导航雷达大动态范围中频数字化模块的测试结果示意图，图 中第1行显示为经中频放大和采样之后雷达回波的包络，第2?9行显示为包络中每个点 对应的采样数据。图（a)为输入平均功率较大时，FPGA采样效果。图（b)为输入平均功率 中等时，FPGA采样效果。图（c)为输入平均功率微弱时，FPGA采样效果。测试结果表明， 本模块测试效果与预期一致，实现了大动态范围稳定工作。（注：测试时，为了模拟雷达回 波信号，输入信号为60MHz正弦波调制的脉冲信号，脉冲信号重复频率为2kHz，占空比为 0. 16%〇)
[0046] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【权利要求】
1. 基于FPGA的船舶导航雷达收发系统实现方法，包括发射分系统中的基于FPGA的船 舶导航雷达发射机控制方法和接收分系统中的一种船舶导航雷达大动态范围中频数字化 模块。
2. 基于FPGA的船舶导航雷达发射机控制方法，包括FPGA控制电路，缓冲级电路，驱动 电路，脉冲高压产生电路，其特征在于：通过FPGA控制电路产生触发脉冲，并通过与FPGA相 连的按键控制不同参数的脉冲输出，再通过缓冲级电路、驱动电路以及脉冲高压产生电路 将触发脉冲转换为脉冲高压，从而驱动磁控管发射雷达电磁波。
3. 根据权利要求2所述的基于FPGA的船用雷达发射机控制方法，其特征在于：所属的 控制方法是利用FPGA作为触发脉冲的产生和控制装置，通过Verilog HDL或者VHDL硬件 描述语言编写脉冲产生程序和控制程序，产生的触发脉冲由FPGA的输入/输出接口输出， 外部控制信号由FPGA的输入/输出接口输入。
4. 根据权利要求2所述的基于FPGA的船用雷达发射机控制方法，其特征在于：所述的 缓冲级电路位于FPGA和驱动电路之间，由非门或者光耦隔离电路构成。
5. 根据权利要求2所述的基于FPGA的船用雷达发射机控制方法，其特征在于：所述的 驱动电路是由两个三极管组成的互补放大电路，用于将FPGA产生的触发脉冲放大，以驱动 后级的开关管。
6. 船舶导航雷达大动态范围中频数字化模块，其特征在于：包括将射频接收前端输出 的大动态中频电压信号进行放大和包络检波的对数放大器电路，将所述对数放大器电路输 出的回波脉冲信号进行缓冲放大和电压调整的缓冲级电路，将所述缓冲级电路输出的模拟 信号转换为数字信号的模数转换电路，将+5V电压信号转换成+3. 3V电压信号的电压转换 电路，输入输出接口电路，以及用以降低电磁干扰的金属屏蔽盒。
7. 根据权利要求5所述的船舶导航雷达大动态范围中频数字化模块，其特征在于：所 述的对数放大器电路由匹配网络、对数放大器（带包络检波功能）和电压调整电阻组成。所 述的缓冲级电路为同相比例运算电路，包括轨对轨输入/输出单核高速运算放大器和比例 调整电阻。所述的模数转换电路主要由单片模数转换器及外围电路组成。所述的电压转换 电路由稳压系列集成芯片及滤波电容组成。所述的金属屏蔽盒可由铜、铝等常见金属材料 制成，内部黏附吸波材料。所述的接口电路主要包括：中频输入SMA接口以及标准34针1/ 〇接口电路。
8. 根据权利要求5所述的船舶雷达大动态范围射频接收前端模块，其特征在于：各电 路集成于同一印刷电路板，金属屏蔽盒安装于所述印刷电路板，且各部件均可独立更换。
【文档编号】G01S7/34GK104215940SQ201310211006
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年5月31日 优先权日:2013年5月31日
【发明者】葛俊祥, 鲁建彬, 潘安, 马志强, 李家强 申请人:南京信大电子科技有限公司