基于DDS的超宽带雷达数据采集方法及系统

基于dds的超宽带雷达数据采集方法及系统
技术领域
1.本发明涉及超宽带雷达技术领域，特别是涉及一种基于dds的超宽带雷达数据采集方法及系统。


背景技术：

2.超宽带雷达具有高带宽、低功耗，强穿透力、高分辨率等特点，在工程地质勘察、生命探测、地下病害探测、考古探测等领域具有广泛的应用，它通过发射电磁波并接收包含目标信息的回波信号，实现对目标体的高分辨率连续探测。由于超宽带雷达发射的电磁波信号为高带宽的脉冲信号，其脉冲信号的宽度一般为纳秒级甚至皮秒级，在对雷达回波信号进行时域采样时需要非常高的采样率，为保证雷达回波信号里的目标信息不丢失，一般采样频率要求到达其中心频率的10倍及其以上，这就导致超宽雷达的数据采集系统的采样频率可达几个gsps，对于中高频超宽带雷达，其采样频率甚至达到几十到上百gsps。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供一种基于dds的超宽带雷达数据采集方法及系统，可实现高稳定度、大时窗、低功耗、高效率的超宽带雷达信号的等效采样，重构完整的雷达回波信号，同时显著降低成本，在超宽带雷达领域具有良好的应用前景。
4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于dds的超宽带雷达数据采集方法，所述方法包括：高稳时钟模块产生方波时钟信号，并将方波时钟信号输出至主控模块；主控模块对方波时钟信号进行升频或者降频，再将升频或者降频后的时钟信号输出至直接数字频率合成器；直接数字频率合成器生成具有设定频率的发射触发信号，将发射触发信号输出至发射机；发射机产生高斯脉冲信号，将高斯脉冲信号通过发射天线辐射出去；直接数字频率合成器生成具有设定频率的接收触发信号，将接收触发信号输出至取样头；接收天线接收超宽带雷达回波信号，并将其送入取样头；取样头在每个接收触发信号到来时将接收天线接收回来的超宽带雷达回波信号进行取样保持，展宽超宽带雷达回波信号，然后送入数据采集模块进行模数转换；主控模块以设定的采样频率对完成模数转换的超宽带雷达回波信号进行采样，采样频率等于发射触发信号与接收触发信号之间步进延时量的倒数；主控模块将采样数据打包后通过通信模块将其送入上位机进行存储、显示以及后期处理。
5.在一些实施方式中，主控模块包括：fpga。
6.在一些实施方式中，高稳时钟模块采用温补晶振作为时钟源产生高稳定度时钟信号。
7.在一些实施方式中，通信模块包含有线通信(lan)与无线通信(wlan)两种工作模式。
8.在一些实施方式中，直接数字频率合成器及分频器组成发射触发模块，直接数字频率合成器及分频器组成接收触发模块。
9.此外，本发明还提供了一种基于dds的超宽带雷达数据采集系统，所述系统包括：
高稳时钟模块，用于产生方波时钟信号，并将方波时钟信号输出至主控模块；直接数字频率合成器，用于生成具有设定频率的发射触发信号，将发射触发信号输出至发射机，及生成具有设定频率的接收触发信号，将接收触发信号输出至取样头；发射机，用于产生高斯脉冲信号，将高斯脉冲信号通过发射天线辐射出去；接收天线，用于接收超宽带雷达回波信号，并将其送入取样头；取样头，用于在每个接收触发信号到来时将接收天线接收回来的超宽带雷达回波信号进行取样保持，展宽超宽带雷达回波信号，然后送入数据采集模块进行模数转换；主控模块，用于对方波时钟信号进行升频或者降频，再将升频或者降频后的时钟信号输出至直接数字频率合成器，以设定的采样频率对完成模数转换的超宽带雷达回波信号进行采样，采样频率等于发射触发信号与接收触发信号之间步进延时量的倒数，及将采样数据打包后通过通信模块将其送入上位机进行存储、显示以及后期处理。
10.在一些实施方式中，主控模块包括：fpga。
11.在一些实施方式中，高稳时钟模块采用温补晶振作为时钟源产生高稳定度时钟信号。
12.在一些实施方式中，通信模块包含有线通信(lan)与无线通信(wlan)两种工作模式。
13.在一些实施方式中，直接数字频率合成器及分频器组成发射触发模块，直接数字频率合成器及分频器组成接收触发模块。
14.采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
15.本发明提供了基于dds的超宽带雷达数据采集方法及系统，该方法通过dds产生两路高精度时钟源作为发射触发信号和接收触发信号，通过频差法实现超宽带雷达信号的等效采样。该方法解决了目前各方法存在的步进稳定性差、延迟时窗小、功耗高、效率低等缺点，可实现高稳定度、大时窗、低功耗、高效率的超宽带雷达信号的等效采样，重构完整的雷达回波信号，同时可显著降低成本，在超宽带雷达领域具有良好的应用前景。
附图说明
16.上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
17.图1为本发明实施例基于dds的超宽带雷达数据采集系统的结构示意图；
18.图2为发射/接收触发模块结构示意图；
19.图3为系统工作时序示意图。
具体实施方式
20.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
21.针对上述问题，本发明提供了一种基于dds(直接数字频率合成器)的超宽带雷达数据采集方法及系统，该方法通过dds产生两路高精度时钟源作为发射触发信号和接收触发信号，通过频差法实现超宽带雷达信号的等效采样。该方法解决了上述各方法存在的步进稳定性差、延迟时窗小、功耗高、效率低等缺点，可实现高稳定度、大时窗、低功耗、高效率的超宽带雷达信号的等效采样，可重构完整的雷达回波信号，同时可显著降低成本，在超宽
带雷达领域具有良好的应用前景。
22.本发明提供的基于dds的超宽带雷达数据采集方法及系统包括：主控模块101(fpga)，高稳时钟模块102，通信模块103，发射触发模块104，发射机105，发射天线106，接收触发模块107，取样头108，接收天线109，数据采集模块110。
23.高稳时钟模块102内采用高稳定度温补晶振产生系统的基准时钟，频率为fs，作为整个系统的参考基准，送入主控模块101(fpga)，通过主控模块101(fpga)内部的时钟管理单元产生发射触发模块104和接收触发模块107所需的参考时钟信号作为同一个基准源，发射触发模块104和接收触发模块107利用该基准源分别产生发射触发信号t_trig和接收触发信号r_trig，对应的频率分别为ft和fr，这两个触发信号频率差极小，分别送入发射机105触发产生脉冲信号送给发射天线106辐射能量，送入取样头108触发取样头108取样接收天线109接收回来的超宽带雷达回波信号，通过两个触发信号频率的频差实现取样触发的固定延迟，将待取样信号进行展宽，经取样展宽的雷达回波信号送入数据采集模块110进行低频滤波放大和模数转换实现雷达回波信号的数字化采样，送入主控模块101，主控模块101通过通信模块103将数据传送给上位机进行存储、显示以及后期处理。
24.该超宽带雷达数据采集方法及系统可实现高稳定度、大时窗、低功耗、高效率的超宽带雷达信号的等效采样，重构完整的雷达回波信号，同时显著降低成本，在超宽带雷达领域具有良好的应用前景。
25.本实施例基于dds的超宽带雷达数据采集方法及系统包括：主控模块101(fpga)，用于系统各子模块的时序控制、时钟分配以及数据组合；高稳时钟模块102，用于产生高稳定度时钟信号，为系统提供基准时钟；通信模块103，用于与上位机进行通信，接收下发的命令参数并上传采集的雷达数据；发射触发模块104，基于dds芯片以及分频器产生发射机105所需频率的触发信号；发射机105，用于产生超宽带雷达所需要的大幅度脉冲信号；发射天线106，用于接收发射机105产生的脉冲信号并将其辐射出去；接收触发模块107，与发射触发模块104功能一样，产生取样头108所需频率的触发信号，区别在于产生的触发信号的频率不一样，与发射触发模块104产生的发射触发信号频率差极小，以实现采样时间的固定延迟，从而实现高效的等效采样；取样头108，用于在每个触发信号到来时将接收天线109接收回来的雷达回波信号进行取样保持，从而展宽超宽带雷达回波信号，便于使用低速模数转换芯片进行数字化采样；接收天线109，用于接收超宽带雷达回波信号，送入取样头108；数据采集模块110，用于将取样展宽的超宽带雷达回波信号进行低频滤波放大和模数转换，实现超宽带雷达回波信号的等效采样。
26.以下分别对本实施例基于dds的超宽带雷达数据采集方法及系统各个组成部分进行详细说明。
27.1.主控模块101(fpga)
28.本实施例中，主控模块101采用的是现场可编程门阵列fpga,型号为xilinx公司生产的xc6slx75，该款fpga具有丰富的逻辑门资源，3m比特block ram，能满足对雷达大数据量的储存。主控模块101利用现场可编程门阵列fpga作为核心，产生标准时基以及对脉冲信号发射机105、取样头108等各子系统实行有效控制的各类控制信号和触发信号，并将超宽带雷达回波数据进行打包，传送给上位机进行存储、显示以及后期处理。
29.2.高稳时钟模块102
30.本实施例中，高稳时钟模块102采用温补晶振作为时钟源产生高稳定度时钟信号，为系统提供基准时钟，保证了系统各个子模块的时钟为同源时钟，本实施例产生的时钟信号的频率为64mhz，稳定度为5ppm；
31.3.通信模块103
32.通信模块103用于与上位机进行通信，接收下发的命令参数并上传采集的雷达数据，本实施例中采用网络芯片实现系统与上位机之间的通信，该模块包含线通信(lan)与无线通信(wlan)两种工作模式，可实现最高100mbps的通信速率，能够保证采集到的超宽带雷达数据能够实时上传给上位机；
33.4.发射触发模块104
34.本实施例中，发射触发模块104由dds芯片以及分频器组成，如图2所示。该dds芯片最高可工作到400mhz，具有48位可编程频率控制字和14位可编程相位偏移控制器，且芯片内部集成有高速比较器，可将正弦信号直接转换输出为方波信号送入分频器进行分频，产生发射机105所需频率的发射触发信号；本实施例中dds芯片接收到的参考时钟频率fs＝64mhz，输出的方波信号ft＝2mhz，经过分频器进行10分频后形成的发射触发信号t_trig＝200khz；
35.5.发射机105
36.本实施例中，发射机105用于产生超宽带雷达所需要的大幅度脉冲信号，采用自主研发的高重频、大幅度脉冲发射机105，在200khz的重频下可产生峰峰值为800v、底宽为6ns的高斯脉冲信号；
37.6.发射天线106
38.本实施例中，发射天线106用于将发射机105产生的高斯脉冲信号辐射出去，采用的是常规蝶形bow-tie天线，并在天线末端加载电阻以吸收反射电流，降低超宽带雷达脉冲信号的拖尾振荡；
39.7.接收触发模块107
40.本实施例中，接收触发模块107的组成和功能与发射触发模块104一样，区别在于产生的触发信号的频率不一样，与发射触发模块104产生的发射触发信号频率差极小，产生取样头108所需频率的触发信号，从而实现采样时间的固定延迟，实现高效的等效采样；
41.8.取样头108
42.本实施例中，取样头108用于在每个触发信号到来时将接收天线109接收回来的超宽带雷达回波信号进行取样保持，展宽超宽带雷达回波信号，便于使用低速模数转换芯片进行数字化采样，采用自主研发的高带宽取样头108，取样带宽可达3ghz；
43.9.接收天线109
44.本实施例中，接收天线109用于接收超宽带雷达回波信号，送入取样头108进行取样，采用的是常规蝶形bow-tie天线，并在天线末端加载电阻以吸收反射电流，降低超宽带雷达脉冲信号的拖尾振荡；；
45.10.数据采集模块110
46.本实施例中，数据采集模块110包括低通滤波电路和模数转换电路两个部分。从取样头108输出降频转换后的超宽带雷达回波信号经线缆送入数据采集模块110，该信号的频带处于音频频带，混有取样头108的热噪声、取样开关芯片的高频开关噪声以及电缆线耦合
的干扰等，低通滤波电路可抑止出现的噪声和干扰，增加取样头108输出信号的带载能力，低通滤波电路传递函数特性可获得15khz左右的低通截至频率，能够满足不同接收机天线和等效取样间隔情况下的降频回波频带要求，衰减了频率较高的热噪声和干扰；模数转换电路采用高精度低速模数转换芯片对滤波后的超宽带雷达回波信号进行模数转换，在每个重复计数周期取样门开启一次，故adc转换周期等于重复计数周期，模数转换同步于接收触发信号，在取样触发信号使能之后进行，本实施例中采用的adc其最高模数转换率1msps，转换字长32位，内部的adc核心与时序产生电路供电电压5v，吞吐率最高时的最大功耗为200mw，与主控模块101fpga之间配置为spi串行数据接口。
47.本实施例基于dds的超宽带雷达数据采集方法及系统的工作过程如下：
48.步骤一：系统上电开始工作后，高稳时钟模块102102产生频率为64mhz、稳定度为5ppm的方波时钟信号fs，为系统提供基准时钟并输出给主控模块101，保证系统各个子模块的时钟为同源时钟，由主控模块101内部的时钟管理单元进行时钟信号的升频或降频，提供给不同的子模块使用；
49.步骤二：主控模块101通过通信模块103接收上位机下发的命令参数对系统的采样率、采样点数、重复频率等参数进行设置，启动系统开始工作；主控模为发射触发模块104和接收触发模块107提供同一个时钟源fs＝64mhz，以保证发射触发模块104和接收触发模块107参考时钟信号的同步性，保证步进延迟的精确性；发射触发模块104和接收触发模块107的内部结构一样，具体结构示意图见图2；
50.步骤三：fpga通过发送命令字设置直接数字频率合成器dds1的输出频率为ft，本实施例中经过分频器1进行10分频后形成发射触发信号t_trig＝ft/10＝200khz，将此发射触发信号送给发射机105105，触发发射机105105产生峰峰值为800v、底宽为6ns的高斯脉冲信号，该高斯脉冲信号通过发射天线106106将能量辐射出去；
51.步骤四：fpga通过发送命令字设置直接数字频率合成器dds2的输出频率为fr，本实施例中经过分频器2进行10分频后形成接收触发信号接收天线109109接收超宽带雷达回波信号，并将其送入取样头108108；取样头108108在每个接收触发信号r_trig到来时将接收天线109接收回来的超宽带雷达回波信号进行取样保持，展宽超宽带雷达回波信号，然后送入数据采集模块110进行模数转换；
52.步骤五：取样头108输出降频转换后的超宽带雷达回波信号经线缆送入数据采集模块110，该信号的频带处于音频频带，混有取样头108的热噪声、取样开关芯片的高频开关噪声以及电缆线耦合的干扰等，通过前端的低通滤波电路抑止出现的噪声和干扰，增加取样头108输出信号的带载能力；超宽带雷达回波信号在经过低通滤波后送入模数转换电路进行模数转换，模数转换电路在每个重复计数周期取样门开启一次，故adc转换周期等于重复计数周期，模数转换同步于接收触发信号，在接收触发信号使能之后进行，本实施例中采用的adc其最高模数转换率1msps，转换字长32位，内部的adc核心与时序产生电路供电电压
5v，吞吐率最高时的最大功耗为200mw，与主控模块101fpga之间配置为spi串行数据接口，将数字化后的超宽带雷达回波信号送入fpga；
53.步骤六：参考图3，由于发射触发信号和接收触发信号两者之间的频率差极小，每个脉冲重复周期里，接收触发信号的时钟沿都比发射触发信号的时钟沿滞后增加此即为步进延时量，系统的采样频率等于步进延时量的倒数：
[0054][0055]
通过控制两个dds的频率控制字来设置两个dds的输出频率，经过分频后可控制发射触发频率和系统的采样频率，可根据不同的发射机105与取样头108设置不同的重复频率和采样频率。
[0056]
步骤七：经过n个脉冲重复周期后，系统进行了n个采样点的采样工作，完成一道超宽带雷达回波信号的一次采样，然后主控模块101fpga将采样数据打包后通过通信模块103103将其送入上位机进行存储、显示以及后期处理。
[0057]
本发明提供了基于dds的超宽带雷达数据采集方法及系统，该方法通过dds产生两路高精度时钟源作为发射触发信号和接收触发信号，通过频差法实现超宽带雷达信号的等效采样。该方法解决了目前各方法存在的步进稳定性差、延迟时窗小、功耗高、效率低等缺点，可实现高稳定度、大时窗、低功耗、高效率的超宽带雷达信号的等效采样，重构完整的雷达回波信号，同时可显著降低成本，在超宽带雷达领域具有良好的应用前景。
[0058]
1.该系统通过dds产生两路高精度时钟源作为发射触发信号和接收触发信号，通过频差法实现超宽带雷达信号的等效采样，能够以极短的工作时间实现大时窗的数据采集工作；
[0059]
2.该系统产生的两路触发信号时钟精度极高，可实现极小的频差，其最高等效采样频率可达到209.6gsps，实现对更高主频的超宽带雷达信号的高精度采集而不丢失频谱信息；
[0060]
3.该系统用低成本的dds替代高成本的高精度步进延迟芯片，不但能够实现高采样频率，还能够降低数据采集系统的核心工作频率，提高了抗干扰能力，极大地提高了系统工作的稳定性。
[0061]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。