一种高频超视距雷达选站辅助系统与方法

摘要

本发明公开了一种高频超视距雷达选站辅助系统与方法，辅助系统包括天线、收发开关、发射模块、接收模块、信号处理及传输模块、显控模块，本方法利用所述的高频超视距雷达选站辅助系统模拟雷达的工作方式，来全面的测试雷达站选址的环境状况，通过检测回波来分析环境因素对雷达工作的影响，最终根据该测量结果选择合适的站址位置；本发明提供了一种轻巧、便携、低功耗的高频雷达选站辅助系统，通过模拟实际的雷达工作方式并结合现场电磁环境来进行评估,使选站选址更加科学有效，提高选站的成功率。

说明书

技术领域

本发明属于高频超视距雷达领域，尤其涉及一种高频超视距雷达选站辅助系统及方法。

背景技术

高频超视距雷达通常工作在3～30MH高频频段，借助于天波或地波传播方式，实现对大范围海面风、浪、流等动力学参数的遥感及船只、低空飞行器等目标的有效探测。在海面目标探测方面，高频超视距雷达的造价大大低于星载雷达系统；在海洋动力学参数探测方面，较之传统的波浪仪、浮标等海洋测量工具和海洋遥感卫星，具有成本低、覆盖范围大、全天候、实时性好等优势，因此在许多沿海国家得到了广泛应用。

高频超视距雷达站一般都是沿岸建设，需要在海边搭建机房、架设天线、铺设电缆等，根据功能需求以及高频超视距雷达站选址和建站的相关规定，建站前需要考虑到架设天线的难度、不同位置对天线性能的影响以及周围工作环境的影响等，因此，架设雷达站之前，要做好测量和评估，评估现场的电磁环境、现场的地形特点等是否适合建设雷达站以及雷达在此是否能够达到预期的探测效果等等，为建站后雷达的正常工作提供保障。此外，高频超视距雷达工作频段的信号非常拥挤，建站之前必须要对周围的电磁环境进行监测。然而，目前国内外关于对高频超视距雷达的电磁环境测试系统进行监测的技术和研究很多，关于超视距雷达选站技术方面的研究尚为空白，电磁环境测试系统仅能对拟选站周围的电磁环境进行评估，但无法对雷达回波质量和干扰的谱特征等进行监测。当前，大多数选站选址靠得是相关专业技术人员的去实地勘察和现场观测，利用经验评估来选址建站，这样既要耗费大量的人力物力，更为严重的是没有辅助设备进行监测和评估，容易出现估算偏差，造成雷达站建成后无法正常探测，在建设高频超视距雷达网的过程中曾出现过多次选站失败的例子，造成人力、物力和财力的大量浪费与损失。因此，选站的合理性对于地波雷达探测性能的影响很大，而设计出轻巧、实用的选站辅助系统并给出基于该系统进行地波雷达选站的方法，将为高频超视距雷达选站提供很大的帮助与支持。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高频超视距雷达选站辅助系统及方法。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种高频超视距雷达选站辅助系统，其特征在于：包括天线、收发开关、发射模块、接收模块、信号处理及传输模块、显控模块，所述的天线与收发开关相连，收发开关的另外两端分别和发射模块的输出端及接收模块的输入端相连，发射模块的输入端与信号处理及传输模块相连，接收模块的输出端与信号处理及传输模块相连，显控模块与信号处理及传输模块相连；所述的天线为收发共用天线，通过所述的收发开关来控制其处于发射还是接收状态；所述的接收模块用于对经由所述的天线接收到的信号进行预处理及数字化处理；所述的信号处理及传输模块包括信号处理电路和数据传输电路，用于对接收模块的数字化处理后信号的混频、抽取、滤波并上传到显控模块；所述的显控模块主要用于对所述的辅助系统的模式控制及数据处理；所述的模式控制包括两种模式：频谱监测模式和收发模拟模式。

作为优选，所述的发射模块包括信号合成电路及功率放大电路，所述的信号合成电路的输出端与功率放大电路的输入端相连。

作为优选，所述的信号合成电路由基于FPGA的DDS模块和DAC数模转换电路来实现。

作为优选，所述的功率放大电路输出信号功率为1W左右，不需要大功率发射机即可实现发射。

作为优选，所述的接收模块包括带通滤波电路、放大电路和ADC采样电路，所述的带通滤波电路的输出端与放大电路的输入端相连，放大电路的输出端与ADC采样电路的输入端相连。

作为优选，所述的信号处理及传输模块主要包括基于FPGA的数字下变频、抽取、滤波模块，数据传输采用USB接口或网口。

作为优选，所述的显控模块为笔记本电脑或者手机类移动终端。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种高频超视距雷达选站方法，利用所述的高频超视距雷达选站辅助系统模拟雷达的工作方式，来全面的测试雷达站选址的环境状况，通过检测回波来分析环境因素对雷达工作的影响，最终根据该测量结果选择合适的建站位置；其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：利用所述的高频超视距雷达选站辅助系统的收发模拟模式，模拟雷达的工作方式，在已确定的站址地域，对拟选站址位置进行回波质量评估；其具体实现过程是利用所述的高频超视距雷达选站辅助系统来模拟高频超视距雷达在该频段下的工作状态，发射相同体制的波形，对其接收到的回波距离-多普勒谱进行评估，通过对比分析确定回波质量相对高的地方为可建站地点，为高频超视距雷达站选址提供定量依据；

步骤2：利用所述的高频超视距雷达选站辅助系统的频谱监测模式对拟选址进行电磁环境检测；此时所述的高频超视距雷达选站辅助系统不发射，只接收回波；根据频谱检测模式接收到环境噪声与干扰信号，通过频谱分析，对噪声与干扰数据进行统计，给出频谱分布图，为高频超视距雷达选择噪声与干扰相对较小的工作频率提供依据；

步骤3：结合前两个步骤的结果并综合评估其他环境因素，确定合适的建站地点。

作为优选，步骤3中所述的其他环境因素包括自然环境（包括海洋地理环境）、电磁环境和水源、电源、交通和通信。

本发明与现有的高频超视距雷达选站的方法相比，具有如下优点：

1、通过模拟实际的雷达工作方式并结合现场电磁环境来进行评估，使选站选址更加科学有效，提高选站的成功率；

2、提供了一种轻巧、便携、低功耗的高频雷达选站辅助系统，该系统采用全数字的发射与接收技术，具有可扩展性与通用性，通过更换天线，该系统也可用于甚高频超视距雷达的选站选址；

3、充分利用辅助设备，降低了地波雷达建站的复杂度；

4、采用低功耗、便携式的设计方法，采取电池供电，可工作于频谱监测模式和收发模拟模式。

附图说明

图1：是本发明实施例的整体系统结构框图。

图2：是本发明实施例的发射模块结构框图。

图3：是本发明实施例的接收模块结构框图。

图4：是本发明实施例的信号处理及传输模块结构框图。

图5：是本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，为本发明实施例的高频超视距雷达选站辅助系统的系统结构框图，该辅助系统采用全数字化的设计模式。包括天线、收发开关、发射模块、接收模块、信号处理及传输模块、显控模块，天线与收发开关相连，收发开关的另外两端分别和发射模块的输出端及接收模块的输入端相连，发射模块的输入端与信号处理及传输模块相连，接收模块的输出端与信号处理及传输模块相连，显控模块与信号处理及传输模块相连；该系统采用低功耗设计，由电池供电。

天线为收发共用天线，通过所述的收发开关来控制其处于发射还是接收状态；当辅助系统需要发射信号时，收发开关使发射模块与天线导通，系统处于发射状态。当系统需要接收信号时，收发开关使接收模块与天线导通，系统处于接收状态，接收回波或者环境噪声。收发开关由信号处理及传输模块产生的同步控制脉冲来控制其切换。

接收模块用于对经由天线接收到的信号进行预处理及数字化处理；信号处理及传输模块包括信号处理电路和数据传输电路，用于对接收模块的数字化处理后信号的混频、抽取、滤波并上传到显控模块；显控模块主要用于对辅助系统的模式控制及数据处理；模式控制包括两种模式：频谱监测模式和收发模拟模式。

参见图2，为本发明实施例的发射模块结构框图。发射模块包括信号合成电路及功率放大电路，信号合成电路的输出端与功率放大电路的输入端相连；信号合成电路可由DDS芯片来实现，也可采取FPGA+DAC芯片来实现。本实施例中信号合成电路由基于FPGA的DDS模块和DAC数模转换电路来实现。FPGA根据发射时序参数、发射波形参数结合同步控制脉冲由DDS模块合成一定时序的信号，再由DAC芯片转化成模拟波形，经由功率放大后送至发射天线，输出信号功率为1W左右，不需要大功率发射机即可实现发射。本实施例的DAC芯片选用14位芯片AD9746；功率放大电路采用可调增益放大。

参见图3，为本发明实施例的接收模块结构框图。接收模块完成对经由天线接收到的信号进行预处理及数字化处理，主要由带通滤波电路、前级放大电路和ADC采样电路组成，带通滤波电路的输出端与放大电路的输入端相连，放大电路的输出端与ADC采样电路的输入端相连。也可选择自带放大功能的ADC芯片，则前级放大电路可不用。本实施例选用AFE5805芯片，该芯片自带可编程增益放大器PGA和顺序线性相位低通滤波器LPF，采用射频直接采样，频率可设为60MHz。

参见图4，为本发明实施例的信号处理及传输模块结构框图。信号处理及传输模块主要完成对采样信号的数字下变频，输出I/Q基带数据，该部分由基于FPGA的数字下变频、抽取、滤波模块来实现。经AD数据锁存的数据分成两路，FPGA由数控振荡器NCO生成两路相互正交的本振信号与其进行混频，混频后的数据经截取分别输入积分级联梳状滤波器CIC，抽取滤波后的数据输入FIR滤波器，整形滤波后的数据存入FIFO，最后经数据传输接口上传至显控终端，数据传输采用USB接口或网口。本实施例的数据传输采用USB2.0接口，FPGA选用Altera Cyclone IV EP4CE115 FPGA 芯片，NCO、混频器、CIC和FIR均由Altera公司提供的IP核完成。

显控模块主要完成对辅助系统的模式控制及数据处理。模式控制包括两种模式：频谱监测模式和收发模拟模式。在频谱监测模式下，用户设置需要监测的频谱范围，这个范围不能超出天线的接收带宽，系统将对该频段的环境噪声进行监测，并给出频谱图。在该模式下，天线不发射只接收，显控终端通过对接收数据进行快速傅里叶变换FFT得到实时环境频谱图。在收发模拟模式下，波形体制为线性扫频中断连续波（FMICW），发射功率在1W左右，用户设置工作频率、带宽、扫频周期等参数，发射端根据这些参数合成发射波形进行发射，显控终端通过对接收数据进行两次FFT得到回波信号的距离-多普勒谱。

参见图5，为本发明方法的流程，该方法包含以下步骤：

步骤1：利用高频超视距雷达选站辅助系统的收发模拟模式，模拟雷达的工作方式，对拟选址进行回波质量评估；其具体实现过程是利用高频超视距雷达选站辅助系统来模拟高频超视距雷达在该频段下的工作状态，发射相同体制的波形，对其接收到的回波距离-多普勒谱进行评估，通过对比分析确定回波质量相对高的地方为可建站地点，为高频超视距雷达站选址提供定量依据；

步骤2：利用高频超视距雷达选站辅助系统的频谱监测模式，对拟选址进行电磁环境检测；此时高频超视距雷达选站辅助系统不发射，只接收回波；根据频谱检测模式接收到环境噪声与干扰信号，通过频谱分析，对噪声与干扰数据进行统计，为高频超视距雷达选择噪声与干扰相对较小的工作频率提供依据；

步骤3：结合前两个步骤的结果并综合评估包括自然环境资料（包括海洋地理环境）、电磁环境和水源、电源、交通、通信等其他环境因素，确定合适的建站地点。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。