一种月面巡视器测月雷达双通道非均匀采样接收机

摘要

本发明公开了一种月面巡视器测月雷达双通道非均匀采样接收机，设置了0-255的门限电平值，权电阻网络根据门限电平产生对应的模拟比较电压，将回波信号加载偏置电压后分别与门限电平进行比较，得到1或0的1比特数据流，然后将256个门限电平下的对应采样点数据累加，得到相当于8位ADC采样回波，从而完成了非均匀量化和采样的目的，改善信号量噪比；同时，根据接收机的增益模式，控制每一个门限电平与增益值的输出规律，可灵活控制、设定增益的目的，进而改善不同地质条件下信号增益需求，实现大动态测量范围。

说明书

技术领域

本发明涉及超宽带无载频脉冲探地雷达技术领域，尤其涉及一种月面巡视 器测月雷达双通道非均匀采样接收机。

背景技术

测月雷达是探月工程二期重要载荷之一,其目标是实现巡视器路线上月壤厚 度和次表层结构探测.为此，测月雷达配备了两个通道、分别为60MHz，500MHz 的两个中心频率的收发天线，用以实现该目标。测月雷达的工作原理与超宽带 探地雷达相同，其通过发射机经发射天线向月面发射毫微秒电磁脉冲信号，该 脉冲信号经月壤和月壳内部结构不同介质分层产生反射，形成反射波。反射波 经接收天线馈入接收机调理并数字化形成科学数据。借助巡视器的月面行驶就 可实施长距离、大范围结构探测。

作为时域的超宽带毫微秒脉冲信号的接收来说，一般探地雷达上均采用等效 采样体制的模拟接收机来实现。该接收机依靠取样门将超宽带毫微秒信号取样 后，形成低频信号再由低速ADC进行量化。而取样门电路一般取样效率不高， 动态范围有限，只能获得约40～60dB的动态范围。对于高动态范围应用则无法 满足。而采用实时采样方式来直接接收超宽带毫微秒脉冲信号，则要求ADC具 有高带宽高转换速率。那么势必造成功耗大，高等级的该类ADC无法获取的难 题。

上述两种方式如果需要提高探地雷达系统的动态范围，就必须采取所谓的时 变增益放大(TVG，Time Varying Gain)，而时变增益放大电路在信号频率比较 高如超过100MHz时实现起来就相当困难了。故时变增益放大电路只是在低频探 地雷达中有应用，无法适用于测月雷达。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种月面巡视器测月雷达双通道非均匀采样接收 机，该接收机采用了双通道非均匀数字采样技术，通过门限电平-增益控制方式 实现了大动态范围，高采样率结果，同时满足低功耗，轻量化需求。

本发明的一种月面巡视器测月雷达双通道非均匀采样接收机，该接收机 设有接收通道，该接收通道均包括数控增益模块、单端转差分模块、直流偏 置模块、权电阻网络模块、第一加载模块、第二加载模块、数字采样处理模 块、增益控制模块和主控逻辑模块；

其中，所述主控逻辑模块产生并存储有256个其值为0至255的门限电 平；主控逻辑模块按设定的重复频率将门限电平逐个发送给所述权电阻网络 模块和所述增益控制模块；

所述增益控制模块存储有256个增益值，增益控制模块对接收到的每个 门限电平索引其对应的增益值，并将索引得到的增益值按所述设定的重复频 率发给数控增益模块；

所述数控增益模块根据接收到的增益值对回波信号做相应倍数的增益调 整；

所述单端转差分模块将接收到的经过增益调整的回波信号转换成一对差 分信号，分别定义为第一差分信号和第二差分信号，将第一差分信号送至第 一加载模块，第二差分信号送至第二加载模块；

所述第一加载模块对第一差分信号加载所述直流偏置模块提供的偏置电 压后输出至数字采样处理模块；

所述权电阻网络根据接收的每个门限电平形成对应的模拟参考比较电 压；

所述第二加载模块对第二差分信号加载所述权电阻网络模块提供的模拟 参考比较电压后输出至所述数字采样处理模块；

所述数字采样处理模块将接收到的两路加载后的差分信号进行比较，当 加载后的第一差分信号高于加载后的第二差分信号时，输出1；否则输出0； 如此，得到当前门限电平对应的包括0和1的1比特数据流；数字采样处理 模块对1比特数据流进行并行交替采样，从而获得该门限电平下的1比特数 字采样点；当数字采样处理模块接收到256个门限电平对应的256个数据流 后，将256个数据流的相应采样时刻下的1比特采样点进行累积，得到等效 的8位ADC的采样值。

进一步的，每个所述门限电平对应一个增益值；第1个到第256个所述 增益值从两端向中间逐渐变大，且中部位置的多个增益值均为最大，256个增 益值的大小相对于门限电平的中位值呈对称关系。

进一步的，所述数控增益模块包括高增益控制模式和低增益控制模式：

当雷达测月系统所述非均匀采样接收机需要低增益模式时，其增益值由按 门限电平按从小到大顺序依次索引对应的增益值并输出，此时两次索引之间的 步长定义为N；

当所述非均匀采样接收机雷达测月系统需要高增益模式时，针对接收到的 小增益对应的门限电平，以mN作为索引的步长来索引对应的增益值；针对接收 到的大增益值对应的门限电平，以N/m作为索引的步长来索引对应的增益值；

其中，m为正整数；所述256个增益值中，高于预设的增益阈值的增益 值定义为大增益，低于或等于预设的增益阈值的增益值定义为小增益，其增 益阈值根据所述非均匀采样接收机的增益模式确定。

进一步的，所述接收机还包括一个接收通道，定义为第二接收通道；

第一接收通道实现频率为60MHz天线回波的接收，第二接收通道实现频 率为500MHz天线回波的接收；所述第二接收通道还包括两个子通道，两个子 通道同时对500MHz天线回波进行接收。

进一步的，所述数字采样处理模块利用多相位时钟对所述1比特数据流 进行交替并行采样。

较佳的，所述数字采样处理模块、增益处理模块和主控逻辑模块均在 FPGA中实现。

进一步的，所述接收机还包括限幅模块，设置在所述数控增益模块之前， 所述限幅模块接收天线回波信号后，将回波信号进行幅度限制，将回波信号 调整到量程范围之内。

进一步的，所述接收机还包括三级固定增益放大模块，设置在所述数控 增益模块之后，将数控增益模块输出的信号进行放大，并输出至单端转差分 模块。

本发明具有如下有益效果：

1)、本发明中设置了值为0-255的门限电平值，权电阻网络根据门限电平 产生对应的模拟比较电压，将回波信号加载偏置电压后分别与门限电平进行比 较，得到1或0的1比特数据流，然后将256个门限电平下的对应采样点数据 累加，得到相当于8位ADC采样回波，从而完成了非均匀量化和采样的目的， 改善信号量噪比；同时，根据接收机的增益模式，控制每一个门限电平与增益 值的输出规律，可灵活控制、设定增益的目的，进而改善不同地质条件下信号 增益需求，实现大动态测量范围。

2)、根据回波信号的特征，设置增益的分布规律，将小信号加载大增益， 将大信号加载小增益，如此避免将小信号丢失，增加量噪比，提高接收机的测 量精度。

3)、根据接收机的增益需求，数控增益模块设置了高、低两种变增益控制 模式：在低增益模式时，其增益值与门限值一一对应输出；在高增益模式时， 增益值与门限值不再一一对应输出，在小增益时，增大增益值的索引步长，在 大增益时，减小增益值的索引步长，如此，可使得小增益的门限电平数量减少， 而大增益数的门限电平数量增多，达到灵活变换增益模式的目的。

4)、利用门限电平增益控制，使得两通道接收机可分别获得90dB以上的动 态范围，运用数字采样方式，使得采样率分别获得400MHz，8bit和3.2GHz，8bit， 最终达到非均匀采样接收效果。

5)、通过对信号的非均匀量化，解决航天应用中，对重量和功耗有严格限 制，高等级元器件难获取的问题。

附图说明

图1为本发明中的接收通道的原理框图。

图2本发明的接收机的原理框图。

图3为本发明的非均匀量化原理示意图。

图4为本发明的通道2的控制时序图。

图5为本发明的增益值与门限电平对应关系图。

图6为本发明的测月雷达接收机的通道1对某地冰川的探测结果。

图7为本发明的测月雷达接收机的通道2A对某地冰川的探测结果。

图8为本发明的测月雷达接收机的通道2B对某地冰川的探测结果。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种月面巡视器测月雷达双通道非均匀采样接收机，设有接收通 道，如图1所示，该接收通道包括数控增益模块、单端转差分模块、直流偏置 模块、权电阻网络模块、数字采样处理模块、增益处理模块和主控逻辑模块； 数控增益模块与单端转差分模块相连，单端转差分模块又分别与直流偏置模块 和权电阻网络相连；直流偏置模块和权电阻网络与数字采样处理模块相连；增 益控制模块与数控增益模块相连，主控逻辑模块与增益控制模块相连，主控逻 辑模块与权电阻网络模块相连。

测月雷达双通道非均匀采样接收机整体框图见图2所示。接收机还包括一 个接收通道，定义为第二接收通道。即接收机采用了两通道三路并列形式.通道 1(CH1)完成频率60MHz天线回波接收。通道2(CH2)是一发二收形式，因此有两 路500MHz天线回波接收。即CH2A回波接收通路和CH2B回波接收通路。通道2 中的两个子通道(CH2A和CH2B)的配置与通道1相同，唯一不同的是，由于两 个子通道接收相同的信号，因此两者共用主控逻辑模块和增益控制模块。

限幅模块将天线回波做幅度限制，再将限幅后的信号通过数控增益模块做 增益调整，测月雷达的射频前端数控增益模块提供的是负增益，即产生衰减效 果。为获得良好的调理效果，满足测月雷达对深层目标的分辨和浅层目标的识 别，对数控衰减做粗细两级配合，并结合非线性的增益控制方式，得到不同的 增益输出。该增益输出再经三级固定增益放大后输入到采样控制器进行数字采 样处理。

非均匀采样接收机的核心是单片FPGA，其上划分了数字采样处理模块、主 控逻辑模块以及增益控制模块。为配合数字采样过程，FPGA的外围还设有单端 转差分模块，权电阻网络模块(8bit)和直流偏置模块。测月雷达双通道非均 匀采样接收机则是通过非线性增益控制，主控逻辑形成控制时序并结合数字采 样处理过程而获得。本发明的技术方案抛弃了以往模拟接收机设计理念，获得 了大动态范围，更提高了相应接收机的可靠性。

测月雷达非均匀采样数字接收机对回波信号采用门限电平-增益控制达到 将信号做非线性放大后，再通过每一个门限电平下的数字采样来完成。从而使 时域波形呈现幅度压缩特性，形成非均匀采样结果,从而得到大动态范围接收 机。

如图3所示，左边是增益设置，而右边是通过设置不同门限电平下的增益 使得信号可获得不同增益变化。这两个不同幅度的正弦波，通过不同门限电平 下设置的增益后，最终合成的时域波形显示，两个不同幅度的正弦波产生幅度 压缩波形，并且使得小信号可获得大增益效果。二者被门限电平非均匀量化了。 测月雷达通过实施1比特高速采样，将门限电平从小到大进行扫描输出，并将1 比特门限电平与信号增益按一定规律映射就可以实现非均匀量化过程，并经控 制器数字采样处理最终获得非均匀采样波形。

所述主控逻辑模块产生并存储有256个其值为0至255的门限电平；主控逻 辑模块按设定的重复频率将门限电平发送给所述权电阻网络模块和所述增益控 制模块；

所述增益控制模块存储有256个增益值，增益控制模块根据所述接收机需要 的增益模式对接收到的每个门限电平索引其对应的增益值，并将索引得到的增 益值按所述设定的重复频率发给数控增益模块；

所述数控增益模块根据接收到的增益值对回波信号做相应倍数的增益调整；

所述单端转差分模块将接收到的经过增益调整的回波信号转换成一对差分 信号，分别定义为第一差分信号v_i(t)和第二差分信号-v_i(t)，将第一差分信号v_i(t) 送至直流偏置模块，第二差分信号-v_i(t)送至权电阻网络模块；

所述直流偏置模块对第一差分信号v_i(t)加载偏置电压V_{p_DC}后输出至数字采样 处理模块；

所述权电阻网络根据接收的每个门限电平形成对应的模拟参考比较电压 V_{n_ref}，并将该模拟参考比较电压V_{n_ref}叠加到第二差分信号后输出至所述数字采 样处理模块；

所述数字采样处理模块将接收到的两路加载后的差分信号进行比较，当加载 后的第一差分信号高于加载后的第二差分信号时，输出1；否则输出0；如此， 得到该门限电平对应的包括0和1的1比特数据流；数字采样处理模块依靠FPGA 内部产生的200MHz的多相位时钟对1比特数据流进行并行交替采样，从而获得 该门限电平下的1比特数字采样点；当数字采样处理模块接收到256个门限电 平对应的256个数据流后，将256个数据流的相应采样时刻下的1比特采样点 进行累积，得到等效的8位ADC的采样值。

图4是通道2控制时序图，初始上电后，控制器输出初始门限电平，经权 电阻网络形成比较电压V_ref(1)，初始增益值GD(1)输出。当工作指令注入后，通道 2开始工作。完成1比特采样需要两个PRF输出，形成奇偶采样点。将两组采样 点组合后形成最终所需3.2GHZ高采样率。通道1是每个PRF输出完成一个时窗 样点数采集，其采样率400MHz。两个通道的PRF均有三档可选，由参数设定。 当一比特采样点采集完成后，主控逻辑模块将增加一个门限电平，重复上述过 程。当遍历全部256个比较电平后，将所有门限电平下的1比特采样点对应时 刻值累加起来就形成了等效8bit ADC采样值。从而完成非均匀接收机的非均匀 量化和采样过程。

双通道同时工作时，为避免通道间相互干扰，采用时间错开机制保证双通 道同时工作时不会相互干扰而影响接收机性能。为覆盖探测深度要求，测月雷 达设定双通道接收机时窗分别为通道1是20.48us，通道2是640ns。接收机逻 辑设计时，要求通道1触发信号输出至少落后于通道2触发信号输出1us时间 间隔。利用该项措施可以较好解决通道间干扰。同时在设计印制电路板时，两 通道分布于FPGA不同BANK上，进一步降低串扰。

大动态范围实施是依靠非线性增益输出获得，将大、小信号做了非均匀量 化，改善信号量噪比。通过控制每一个门限电平增益值与输出规律，可灵活控 制、设定增益的目的，进而改善不同地质条件下信号增益需求。将增益值存储 在FPGA内部块RAM中，在不同门限电平输出时，将相应增益索引输出。等效8 比特采样点值，共256级门限电平，相应有256个增益值。设定在门限电平两 端时，信号增益小。而在中间值及其附近时，信号具有最大的增益。即：依256 个门限电平从小到大递增的顺序，增益值先逐渐变大，在对应门限电平的中间 值及附近的位置保持最大，然后又逐渐减小，256个增益值的大小相对于门限电 平的中间值呈对称关系。

数控增益模块包括高增益控制模式和低增益控制模式：当雷达测月系统需要 低增益模式时，其增益值由门限电平按从小到大序进行索引并输出，此时索引 步长定义为N；当雷达测月系统需要高增益模式时，针对接收到的小增益对应的 门限电平，以步长mN作为索引步长来索引对应的增益值；针对接收到的大增益 值对应的门限电平，以步长N/m作为索引步长来索引对应的增益值；其中，m为 正整数；256个增益值中，高于增益阈值的增益值定义为大增益，低于或等于 增益阈值的增益值定义为小增益，其增益阈值根据所述接收机的增益模式确定。

高增益模式时，实质是调整门限电平与增益输出的映射关系：调整索引步 长，使得小增益的门限电平数量减少，而大增益数的门限电平数量增多。因此， 可通过调整索引步长来实现不同的增益模式：中变增益模式按4倍步长索引小 增益门限电平，而进入大增益门限电平后，按每4个门限电平对应一个增益值 输出。高变增益模式将步长变换关系调整为8。测月雷达在轨工作的参数调整阶 段，依据返回到地面科学数据做预处理后，根据处理结果设置增益模式。

数控增益模块包括第一数控增益模块和第二数控增益模块，第一数控增益模 块,记为数控增益模块1.其单位步长记为1dB,增益范围0～50dB.第二数控增益 模块，记为数控增益模块2，其单位步长为0.5dB，增益范围0～31dB。数控增 益模块1的增益值存储于增益控制模块的块ROM中，由门限电平按增益模式要 求索引输出。而数控增益2的增益值，只由增益值参数所确定，该参数由地面 注入。测月雷达增益模式设计了固定增益模式和变增益模式两种基本模式。设 为固定增益时，当增益值不大于31dB时，采用数控增益2模块对信号做调理， 数控增益1模块设置0dB。当增益值大于31dB时，数控增益2模块设置31dB， 超出31dB部分的增益值由数控增益模块1设置。设为变增益模式时，数控增益 2的增益值仍然由增益值参数确定，最大不超过31dB。而数控增益1模块的增 益值按权利要求3方式设置。

图5是门限电平-增益关系曲线。大增益区只是集中于门限电平的中间值及 附近，而其他低于该增益值均为小增益区。

测月雷达接收机获得高增益，大动态范围：8位ADC动态和数控增益动态所 组成。数控增益：0-81dB的动态范围，采用AT-106和AT-107粗细两级形成。 结合8位ADC动态范围则可形成超过90dB动态范围。采用三级可级联射频放大 器SMA66直接形成63dB增益。

图6测月雷达鉴定件在甘肃老虎沟冰川通道1探测结果，图7是通道2A探 测结果，图8是通道2B探测结果。纵轴表示深度，横轴表示采样道数。图6显 示在冰川150米左右能明显看到分层。而图7和图8是冰川另一个测线上看到， 50.8米处有分层。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。