一种基于FPGA的可重构昆虫雷达及其工作方法与流程

本发明涉及昆虫雷达领域，尤其是涉及一种基于fpga的可重构昆虫雷达及其工作方法。

背景技术：

1、昆虫虫群在空间分布较为广泛，不同区域类的数量等级也不同，且单只虫体体积较小，无法准确的捕获，同一距离空间内无法识别出单只或多只虫体，导致对虫群的虫群规模、虫群密度等，极难准确掌握。

2、传统昆虫雷达使用天线发射电磁信号实现虫群探测，均设计为固定工作带宽，雷达在距离上区分邻近目标的能力，以最小可分辨的距离间隔来恒量，雷达距离分辨力为c/(2b)，c为光速，b为雷达信号工作带宽，因此传统昆虫雷达目标距离分辨率唯一；故传统雷达实际侦测时难以完成不同尺寸昆虫搜索、跟踪、统计的任务。

3、因此，实有必要设计一种基于fpga的可重构昆虫雷达及其工作方法，以克服上述问题。

技术实现思路

1、为了避免上述问题，提供了一种基于fpga的可重构昆虫雷达及其工作方法，旨在解决在不修改昆虫雷达硬件架构前提下，通过fpga实现雷达工作带宽的可重构，以此为基础实现雷达工作模式的重构，完成不同尺寸昆虫搜索、跟踪、统计的任务。

2、本发明提供的一种基于fpga的可重构昆虫雷达，包括：天线单元、微波射频单元、信号处理单元、计算机控制单元和伺服系统单元；

3、信号处理单元包括数字信号处理模块、fpga、数模转换模块和模数转换模块，fpga包括多相dds结构和多相滤波处理结构，分别实现中频信号的产生和接收处理，数字信号处理模块用于接收计算机控制单元命令和信号处理任务，并与多相dds结构和多相滤波处理结构连接，数模转换模块与多相dds结构连接，对多相dds结构传出的中频信号进行数模转换，模数转换模块与多相滤波处理结构连接，实现中频信号的模数转换并传输给多相滤波处理结构；

4、微波射频单元包括发射通道、接收通道以及频率源，发射通道接收数模转换模块产生的中频信号，并通过频率源的变频本振信号将中频信号从中频上变频到射频信号，接收通道接收到的射频信号通过频率源的变频本振信号将其从射频下变频到中频，并传递给模数转换模块，频率源提供发射通道和接收通道的变频本振信号和时钟信号，还提供时钟信号给信号处理单元，实现全相参工作；

5、天线单元包括发射天线和接收天线，发射天线与发射通道连接，发射天线接收发射通道的射频信号并以电磁波的形式辐射出去，接收天线接收雷达回波信号，将电磁波转换成对应射频信号，并传递与之连接的接收通道；

6、计算机控制单元实现昆虫雷达目标显控、人机交互或者状态监控；

7、伺服系统单元用于驱动控制天线单元的旋转方向和角度。

8、优选地，伺服系统单元包括伺服电机、控制器和编码器，伺服电机驱动连接天线单元，使其旋转，伺服控制器用于接收控制指令并输出控制信号给伺服电机，实现天线单元位置和旋转速度的控制，编码器用于实时反馈当前天线单元的姿态信息，用于精准控制天线单元的位移。

9、优选地，发射通道包括可重构滤波器和功率放大器，发射通道接收的中频基带信号经过频率源的混频作用进行上变频处理，然后由fpga控制的可重构滤波器进行滤波以及功率放大器进行放大输出，得到发射射频信号并传递给发射天线。

10、优选地，接收通道包括可重构滤波器和放大器，接收通道接收接收天线传递的射频信号，然后由fpga控制的可重构滤波器进行滤波以及放大器进行低噪声放大，再经过频率源的混频作用进行下变频处理，得到中频信息并传递给模数转换模块。

11、优选地，数字信号处理模块对基带回波数据进行雷达脉冲压缩、动目标检测、恒虚警检测。

12、优选地，多相滤波处理结构包含k个滤波器和数字下变频模块，k个滤波器将得到的中频波形均匀划分为k个均匀子带，这k个均匀子带通过数字下变频模块变频抽取至基带，得到基带数据，实现接收基带带宽重构。

13、一种基于fpga的可重构昆虫雷达的工作方法，包括如下步骤：

14、步骤1，通过多相dds结构实现发射基带带宽的重构，得到基带iq波形数据，数模转换模块将基带iq波形数据生成为中频信号并传递给微波射频单元的发射通道，其中，最大工作带宽设置为b，基带带宽依次可重构为b/n、2b/n、…、b(n＝1，2，3……)，中频信号工作带宽为b/n、2b/n、…、b(n＝1，2，3……)；

15、步骤2，发射通道接收的中频信号在频率源的混频作用下上变频处理，得到射频信号，通过滤波处理和放大输出，得到发射射频信号并传递给发射天线，发射通道工作带宽为b/n、2b/n、…、b(n＝1，2，3……)；

16、步骤3，发射天线将发射射频信号以电磁波的形式辐射出去，实现系统发射；

17、步骤4，接收天线接收反射回来的雷达回波信号，将电磁波转换成返回射频信号并传递给微波射频单元的接收通道；

18、步骤5，接收通道接收的返回射频信号经过滤波处理和放大器进行低噪声放大，再在频率源的混频作用下下变频处理，得到返回的中频信号，接收通道的工作带宽为b/n、2b/n、…、b(n＝1，2，3……)；

19、步骤6，通过采样率fs≥2.5*b的模数转换模块采集接收通道返回的中频信号，完成模数转换，得到中频波形，并回传给多相滤波处理结构；

20、步骤7，多相滤波处理结构包含k个滤波器和数字下变频模块，k个滤波器将得到的中频波形均匀划分为k个均匀子带，这k个均匀子带通过数字下变频模块变频抽取至基带，得到基带数据，实现接收基带带宽重构；

21、步骤8，数字信号处理模块对基带数据进行雷达脉冲压缩、动目标检测、恒虚警检测，判别出目标出现的距离位置或三维分辨单元，得到不同带宽检测的虫群密度值、虫群速度；

22、上述工作方法用于前述任一所述的基于fpga的可重构昆虫雷达。

23、优选地，主决策搜索跟踪以及统计工作方法为：先将昆虫雷达工作带宽重构为小带宽，控制雷达水平360度旋转，俯仰角度选取不同的俯仰角，完成区域内三维空域的昆虫探测；计算机控制单元得到区域内虫群数量的分布，使用质心跟踪区域内虫群数量最大的区域，同时设置不同的工作带宽，对虫群数量进行统计，获取不同带宽下虫群数据，并进行记录。

24、优选地，固定带宽或者可变带宽搜索工作方法为：将昆虫雷达工作带宽设置为固定值或者可变区间，控制雷达水平360度旋转，俯仰角度选取不同的俯仰角，完成区域内三维空域的昆虫探测。

25、优选地，固定带宽或者可变带宽跟踪工作方法为：将昆虫雷达工作带宽设置为固定值或者可变区间，控制雷达水平和俯仰方向在固定角度内运转，完成区域内三维空域的昆虫探测。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该昆虫雷达旨在解决在昆虫雷达固定硬件架构下，通过fpga实现雷达工作带宽的可重构，以此为基础实现雷达工作模式的重构，完成不同尺寸昆虫搜索、跟踪、统计的任务。

技术特征：

1.一种基于fpga的可重构昆虫雷达，其特征在于，包括：天线单元、微波射频单元、信号处理单元、计算机控制单元和伺服系统单元；

2.如权利要求1中所述的基于fpga的可重构昆虫雷达，其特征在于：伺服系统单元包括伺服电机、控制器和编码器，伺服电机驱动连接天线单元，使其旋转，伺服控制器用于接收控制指令并输出控制信号给伺服电机，实现天线单元位置和旋转速度的控制，编码器用于实时反馈当前天线单元的姿态信息，用于精准控制天线单元的位移。

3.如权利要求1中所述的基于fpga的可重构昆虫雷达，其特征在于：发射通道包括可重构滤波器和功率放大器，发射通道接收的中频基带信号经过频率源的混频作用进行上变频处理，然后由fpga控制的可重构滤波器进行滤波以及功率放大器进行放大输出，得到发射射频信号并传递给发射天线。

4.如权利要求1中所述的基于fpga的可重构昆虫雷达，其特征在于：接收通道包括可重构滤波器和放大器，接收通道接收接收天线传递的射频信号，然后由fpga控制的可重构滤波器进行滤波以及放大器进行低噪声放大，再经过频率源的混频作用进行下变频处理，得到中频信息并传递给模数转换模块。

5.如权利要求1中所述的基于fpga的可重构昆虫雷达，其特征在于：数字信号处理模块对基带回波数据进行雷达脉冲压缩、动目标检测、恒虚警检测。

6.如权利要求1中所述的基于fpga的可重构昆虫雷达，其特征在于：多相滤波处理结构包含k个滤波器和数字下变频模块，k个滤波器将得到的中频波形均匀划分为k个均匀子带，这k个均匀子带通过数字下变频模块变频抽取至基带，得到基带数据，实现接收基带带宽重构。

7.一种基于fpga的可重构昆虫雷达的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.如权利要求7中所述的基于fpga的可重构昆虫雷达的工作方法，其特征在于：主决策搜索跟踪以及统计工作方法为：先将昆虫雷达工作带宽重构为小带宽，控制雷达水平360度旋转，俯仰角度选取不同的俯仰角，完成区域内三维空域的昆虫探测；计算机控制单元得到区域内虫群数量的分布，使用质心跟踪区域内虫群数量最大的区域，同时设置不同的工作带宽，对虫群数量进行统计，获取不同带宽下虫群数据，并进行记录。

9.如权利要求7中所述的基于fpga的可重构昆虫雷达的工作方法，其特征在于：固定带宽或者可变带宽搜索工作方法为：将昆虫雷达工作带宽设置为固定值或者可变区间，控制雷达水平360度旋转，俯仰角度选取不同的俯仰角，完成区域内三维空域的昆虫探测。

10.如权利要求7中所述的基于fpga的可重构昆虫雷达的工作方法，其特征在于：固定带宽或者可变带宽跟踪工作方法为：将昆虫雷达工作带宽设置为固定值或者可变区间，控制雷达水平和俯仰方向在固定角度内运转，完成区域内三维空域的昆虫探测。

技术总结
一种基于FPGA的可重构昆虫雷达，其包括：天线单元、微波射频单元、信号处理单元、计算机控制单元和伺服系统单元；信号处理单元包括数字信号处理模块、FPGA、数模转换模块和模数转换模块，FPGA包括多相DDS结构和多相滤波处理结构；微波射频单元包括发射通道、接收通道以及频率源；天线单元包括发射天线和接收天线；计算机控制单元实现昆虫雷达目标显控、人机交互或者状态监控；伺服系统单元用于驱动控制天线单元的旋转方向和角度。该昆虫雷达旨在解决在昆虫雷达固定硬件架构下，通过FPGA实现雷达工作带宽的可重构，以此为基础实现雷达工作模式的重构，完成不同尺寸昆虫搜索、跟踪、统计的任务。

技术研发人员：周柱,宋永强,杜孝夫
受保护的技术使用者：中船凌久电子(武汉)有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17