分布式网络高频地波雷达系统及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种分布式网络高频地波雷达系统及其控制方法。系统包括多个雷达站点；所述雷达站点分为仅包含发射子系统的雷达站点、仅包含接收子系统的雷达站点、同时包含发射子系统和接收子系统的雷达站点。雷达系统采用线性调频连续波或线性调频中断连续波工作体制，通过对发射信号的扫频中心频率或者起始扫频时刻进行调制，使得不同发射子系统产生的回波信号可以在接收子系统的基带级实现无混叠区分。本系统可以包含两个及以上工作在同一频带、具有重叠覆盖区的高频地波发射-接收对，一方面使得雷达系统获得较大的信息量，有利于提高探测精度、覆盖范围以及探测稳定度等性能指标，另一方面使得分配给高频地波雷达的有限频率资源得到高效利用。
【专利说明】分布式网络高频地波雷达系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种分布式网络结构的高频地波雷达系统及其控制方法，具体地说， 是由分置于不同地理位置的多个高频地波雷达发射子系统和接收子系统组成的分布式网 络高频地波雷达系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 高频雷达是指射频信号处于高频段的雷达，从电波传播方式上划分，包含高频天 波雷达和高频地波雷达。高频地波雷达是一种可用于大范围测量海面风、浪、流等动力学参 数及探测船只、低空飞行器的设备。经过近50年的发展，如今在测量海洋表面流上已经成 熟。相比其它海流测量仪器，如漂流浮标、海流计、声学多普勒流速剖面仪等，高频地波雷达 具有覆盖面积大、可全天候工作、实时测量、操作和维护成本低等优势，因此在许多沿海发 达国家得到了广泛应用。
[0003] 传统的高频地波雷达为发射子系统和接收子系统位于一地的单基地雷达，利用后 向散射回波得到径向流速分量。为得到二维矢量流速，通常在相距较远的两地安装两部具 有重叠覆盖区域的雷达，将两部雷达独立工作得到的径向流速合成为矢量流速。为了使更 多方向的流速分量参与矢量合成以减小测量误差、提高测量稳定度，人们在沿海岸地区布 设的高频地波雷达越来越多，雷达之间的相互干扰成为必须解决的问题。
[0004] 目前最为常用的解决雷达相互干扰的方法是使雷达工作在不同的频段上，即频分 复用的方法。这种方法简单易行，但是却极不利于高频地波雷达的发展。高频段的频率资 源极其有限，已被分配给了许多不同类型的用户。2012年，世界无线电通信大会在其发布的 WRC-12决议中明确了高频地波雷达的频率划分，如表1所示。
【权利要求】
1. 一种分布式网络高频地波雷达系统，其特征在于：包括多个雷达站点；所述雷达站 点包括三种类型，分别为仅包含高频地波发射子系统的雷达站点、仅包含高频地波接收子 系统的雷达站点、同时包含高频地波发射子系统和高频地波接收子系统的雷达站点；一个 发射子系统产生的回波信号被多个接收子系统利用，一个接收子系统利用多个发射子系统 产生的回波信号。
2. 如权利要求1所述的分布式网络高频地波雷达系统，其特征在于：所述高频地波发 射子系统包括卫星导航系统信号接收天线、同步控制器、波形发生器、发射机、高频地波发 射天线； 所述同步控制器包括驯服时钟、频率合成器、FPGA，驯服时钟、频率合成器、FPGA依次连 接，驯服时钟与FPGA连接，卫星导航系统信号接收天线与驯服时钟连接，频率合成器与波 形发生器连接，FPGA分别与波形发生器、发射机连接，发射机与发射天线连接。
3. 如权利要求2所述的分布式网络高频地波雷达系统，其特征在于：所述高频地波接 收子系统包括高频地波接收天线、波形发生器、卫星导航系统信号接收天线、同步控制器、 模拟前端、模数转换器、数字信号处理器、微处理器、数据传输总线、计算机；所述同步控制 器包括驯服时钟、频率合成器、FPGA ; 驯服时钟、频率合成器、FPGA依次连接，驯服时钟与FPGA连接，高频地波接收天线、模 拟前端、模数转换器ADC、数字信号处理器DSP、微处理器、数据传输总线、计算机依次连接， 卫星导航系统信号接收天线与驯服时钟连接，频率合成器、波形发生器、模拟前端依次连 接，FPGA分别与波形发生器、模数转换器ADC、数字信号处理器DSP、微处理器连接。
4. 如权利要求1所述的分布式网络高频地波雷达系统，其特征在于：所述的包含高频 地波发射子系统和高频地波接收子系统的雷达站点中，发射子系统和接收子系统共用卫星 导航系统信号接收天线和同步控制器。
5. 如权利要求1所述的分布式网络高频地波雷达系统，其特征在于：所述数据传输总 线采用通用串行总线USB。
6. -种基于权利要求3所述系统的分布式网络高频地波雷达系统的控制方法，其特征 在于：所述雷达站点之间利用卫星导航系统发布的授时信号实现时间和相位同步；采用线 性调频连续波或线性调频中断连续波工作体制，通过对发射信号的扫频中心频率或者起始 扫频时刻进行调整，使得不同发射子系统所发射的信号之间存在瞬时频率差，且此瞬时频 率差大于雷达信息带宽，从而使不同发射子系统产生的回波信号在接收子系统的基带级实 现无混叠区分。
7. 根据权利要求6所述的分布式网络高频地波雷达系统的控制方法，其特征在于： 所述的仅包含发射子系统的雷达站点，其控制过程包括以下步骤： 步骤1. 1，系统上电后，卫星信号接收天线接收卫星导航系统发射的信号，传送给同步 控制器中的卫星信号驯服时钟，驯服时钟输出的信号经频率合成器倍频后分别传送给FPGA 芯片和波形发生器，用作其工作时钟；同时，驯服时钟输出的秒脉冲一 1PPS信号和时间信 息包一TIP也传递给FPGA芯片； 步骤1. 2,若发射子系统发射线性调频中断连续波信号，则FPGA芯片产生中断脉冲序 列并传递给发射机；若发射子系统发射线性调频连续波信号，则此操作略去；FPGA芯片将 射频信号的波形参数发送给波形发生器；同时，FPGA芯片将TIP指示的时间信息与预设时 间相比较，如果到达预设时间，则以最近的1PPS信号为参考，产生触发脉冲给波形发生器； 步骤1. 3,波形发生器经触发脉冲触发后，按照FPGA设置的波形参数输出线性调频连 续波信号给发射机； 步骤1. 4,若发射子系统发射线性调频连续波信号，则发射机对步骤1. 3产生的线性调 频连续波信号进行功率放大，然后传输给高频地波发射天线，由其辐射到空间中去；若发射 子系统发射线性调频中断连续波信号，则发射机对步骤1. 3产生的线性调频连续波信号和 步骤1.2产生的中断脉冲合成，产生线性调频中断连续波信号，然后经高频地波发射天线 福射出去； 所述的仅包含接收子系统的站点，其控制过程包括以下步骤： 步骤2.1，系统上电后，卫星信号接收天线接收卫星导航系统发射的信号，传送给同步 控制器中的卫星信号驯服时钟，驯服时钟输出的信号经频率合成器倍频后分别传送给FPGA 芯片和波形发生器，用作FPGA芯片和波形发生器的时钟；同时，驯服时钟输出的秒脉冲一 1PPS信号和时间信息包一TIP也传递给FPGA芯片； 步骤2. 2, FPGA对步骤2. 1产生的输入时钟信号进行分频，分别产生DSP芯片和微处理 器的工作时钟，以及传递给模数转换器的采样脉冲信号；FPGA芯片将本振信号的波形参数 发送给波形发生器；同时，FPGA芯片将TIP指示的时间信息与预设时间相比较，如果到达预 设时间，则以最近的1PPS信号为参考，产生触发脉冲给波形发生器； 步骤2. 3,波形发生器经触发脉冲触发后，按照FPGA设置的波形参数输出线性调频连 续波信号给模拟前端； 步骤2. 4,雷达回波信号经高频地波接收天线进入模拟前端，与本振信号混频后得到中 频信号； 步骤2. 5,模数转换器对中频信号采样，采样结果传送给DSP芯片； 步骤2, 6, DSP芯片对采样结果进行数字下变频和正交解调，然后生成雷达回波距离 谱，传递给微处理器； 步骤2. 7,微处理器将距离谱数据经数据传输总线传递给计算机以进行进一步处理和 结果显示； 所述的既包含发射子系统又包含接收子系统的站点，其控制过程包括以下步骤： 步骤3.1，系统上电后，卫星信号接收天线接收卫星导航系统发射的信号，传送给同步 控制器中的卫星信号驯服时钟，驯服时钟输出的信号经频率合成器倍频后分别传送给FPGA 芯片和波形发生器，用作其工作时钟；同时，驯服时钟输出的秒脉冲一 1PPS信号和时间信 息包一TIP也传递给FPGA芯片； 步骤3. 2,若发射信号为线性调频中断连续波信号，则FPGA芯片产生中断脉冲序列并 传递给发射机；若发射线性调频连续波信号，则此操作略去；FPGA芯片将射频信号和本振 信号的波形参数分别发送给射频信号波形发生器和本振信号波形发生器；同时，FPGA芯片 将TIP指示的时间信息与预设时间相比较，如果到达预设时间，则以最近的1PPS信号为参 考，产生触发脉冲给波形发生器； 步骤3. 3,射频信号波形发生器经触发脉冲触发后，按照FPGA设置的波形参数输出线 性调频连续波信号给发射机；本振信号波形发生器经触发脉冲触发后，按照FPGA设置的波 形参数输出线性调频连续波信号给模拟前端； 步骤3. 4,若发射信号为线性调频连续波信号，则发射机对步骤3. 3产生的射频线性调 频连续波信号进行功率放大，然后传输给高频地波发射天线，由其辐射到空间中去；若发射 信号为线性调频中断连续波信号，则发射机将步骤3. 3产生的射频线性调频连续波信号和 步骤3. 2产生的中断脉冲合成为线性调频中断连续波信号，然后经高频地波发射天线辐射 出去； 步骤3. 5,雷达回波信号经高频地波接收天线进入模拟前端，与本振信号混频后得到中 频信号； 步骤3. 6,模数转换器对中频信号采样，采样结果传送给DSP芯片； 步骤3. 7, DSP芯片对采样结果进行数字下变频和正交解调，然后生成雷达回波距离 谱，传递给微处理器； 步骤3. 8,微处理器将距离谱数据经数据传输总线传递给计算机以进行进一步处理和 结果显不。
【文档编号】G01S7/42GK104062648SQ201410331289
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】杨静, 文必洋, 王若琨, 石阳升, 吴世才, 王才军 申请人:武汉大学