圖書在版編目()數據CIP超高頻海洋表麵動力學參數探測雷達係統設計\/黃堅著—南昌:江西高校出版社,.2018.12ISBN978-7-5493-7994-1超…黃…海洋動力學—海洋Ⅰ.①Ⅱ.①Ⅲ.①環境—雷達探測—係統設計Ⅳ.①X834②TN953中國版本圖書館數據核字()第號CIP2018261409出版發行江西高校出版社社址江西省南昌市洪都北大道號96總編室電話()079188504319銷售電話()079188511423網址wwwj.uacp.com印刷江西新華印刷發展集團有限公司經銷全國新華書店開本\/890mm×1240mm132印張7.125字數千字200版次年月第版2018121年月第次印刷2018121書號ISBN978-7-5493-7994-1定價元32.50贛版權登字版權所有-侵0權7-必2究018-1405圖書若有印裝問題,請隨時向本社印製部(0791-88513257)退換前言近岸海洋動力學環境對人類的生活、經濟建設及國防建設影響巨大,實時有效地監測近岸海洋動力學環境,可為近岸海洋生態環境的預測與改善提供科學依據,避免不良的海洋動力學環境對海岸帶經濟造成重大損失。受理論與技術的限製,現有的無線電海洋遙感技術無法應用於近岸海域,在沿海經濟高速發展的狀態下,迫切需要建立有效的近岸海洋遙感技術。在分析海岸帶海洋環境特征的基礎上,根據電磁波與海浪作用特性,本書提出利用超高頻海洋表麵動力學參數探測雷達(UHFOceanSurfaceDynamicsparame-,簡稱)進行海岸帶海洋環境監測。已進行的研tersRadarUOSDR究表明,雷達距離分辨率高,回波譜對海麵的動力學參數變化UHF敏感,設備小巧,適於近岸海洋環境監測。
是在實驗室原有海態檢測雷達()基礎上發展UOSDROSMAR起來的,用於海洋及目標探測的非接觸式雷達係統。的工OSMAR作頻率為,利用高頻電磁波在海洋表麵超視距傳播的特6~12MHz點,來探測和分析海態目標。係統的工作原理和UOSDROSMAR一樣,也是利用海浪對雷達電波的散射形成的頻移BraggDoppler·2·超高頻海洋表麵動力學參數探測雷達係統設計來探測海洋表麵流的徑向速度和低速移動目標。雷達係統UOSDR的工作波長定為左右,是采用線性調頻體製的相幹多普勒300MHz雷達,以監測海洋表麵流及低速移動目標為主要目的。係UOSDR統特有的高分辨率可以用來檢測海洋和小的移動目標,進行港口管理和海上稽查,同時也彌補高頻雷達特有的距離盲區。在整個的硬件係統中,包括收發天線係統、發射通道、接收通道、時UOSDR鍾源、鎖相環倍頻、頻率合成、同步控製和數據采集及中頻數字處理等部分。
考慮到係統的掃頻周期短的特點,係統采用了線性調UOSDR頻連續波()的工作體製。同時為了滿足海洋環境監測和目FMCW標探測,雷達工作頻率定於的超高頻段,實際工作中300~350MHz的有效帶寬,掃頻周期,中頻頻率,采樣頻率10MHz0.02s90MHz。由此,對應的距離分辨率為,速度分辨率達\/。
40MHz15m10cms在雷達係統中,采用公司的專用直接數字頻率合UOSDRADI成()芯片來產生線性調頻信號。在的設計DDSAD9858AD9858中,必須要有高達的時鍾源。為此使用公司的960MHzADIADF來達到我們對時鍾係統的要求。所有的係統參數都可以通4360-7過控製寄存器設置。
同步控製器是保證雷達正常工作的前提。為了能讓雷達全係統同步工作,同步控製器向雷達的各個分係統提供各種穩定、可靠的同步信號和狀態信號等。所有係統所需時鍾信號之間必須保證嚴格的時序關係,隻有這樣才能使雷達正常工作。使用現場可編程門陣列()來實現雷達同步控製器,能夠實現在整機聯調過程FPGA中時間關係的局部調整,實現實時可編程,縮短同步控製器的研製周期。
係統接收機的目的是對回波中的有用信號進行放大、UOSDR前言·3·檢波和數字下變頻以及後續的信號處理,同時濾除不需要的其他信號。因此接收機的設計根據實際工作中的靈敏度、噪聲係數和動態範圍決定。係統接收機的射頻端包括低噪聲放大器、射頻UOSDR預選器、混頻器,中頻段包括中頻放大器和中頻選擇器。係UOSDR統采用一次混頻,低中頻采樣的接收機結構,中頻頻率選用。
90MHz相比於探海雷達的大功率發射機,係統發射功率僅為UOSDR。對於天線係統而言,因為我們采用的是雙基地雷達係統,所以5W收發天線是分置的。在收發端我們采用可以相互替換的天線。
Yagi雷達係統采用的是體製,利用回波信號的頻率UOSDRFMCW和相位信息來提取海流參數,當回波信號和接收機本振信號混頻產生中頻信號時,數據采集處理係統采集此信號並進行兩次傅立葉變換,就可得到各個距離元上回波信號的頻率和相位信息。根據理論,兩次算法可以得到我們需要的目標距離多普DopplerFFT-勒譜。
中頻采樣之後的數據經過實現正交數字下的變頻處理,FPGA濾除無用信號後,存儲在內部()存儲FirstInputFirstOutputFIFO器中,然後通過傳輸至主機係統進行後續的處理。
USBPC通過實驗室閉環和現場試驗的結果表明,係統的設計UOSDR是成功的。
本書內容是作者在武漢大學的研究課題———國家自然科學基金資助課題“超高頻海洋回波特性觀察與建模研究”的總結,各章內容安排如下:第章緒論。主要討論了超高頻雷達在海洋環境中的應用,1
簡單介紹了國際上的超高頻雷達係統研究曆史和現狀,給出了係統的研究背景,並進行了簡要的介紹。
UOSDR第章雷達的基本原理與雷達係統設計。介紹了匹2UOSDR·4·超高頻海洋表麵動力學參數探測雷達係統設計配濾波及實現方法、雷達分辨、脈衝壓縮、等效匹配濾波等雷Barrick達基本原理,分析了線性調頻體製測距和測速原理,提出了近岸超高頻海洋表麵波雷達()的總體結構,即“一次混頻,低中頻UOSDR(:)帶通采樣”。最後討論了雷達的具體結構框IF90MHzUOSDR圖、雷達的工作體製確定、雷達的波形參數分析和UOSDRUOSDR具體的波形參數設計。
第章接收機係統設計與實現。首先,分析了接收3UOSDR機的基本結構和主要性能指標,並在此基礎上,結合係統的UOSDR目的,根據軟件無線電的設計思想,提出了雷達接收機的基UOSDR本要求;其次,設計了整個係統接收機的具體方案;最後,詳UOSDR細說明了係統各個組成模塊的設計實現。
第章的數字中頻處理。介紹了軟件無線電接收機4UOSDR相關的采樣定理、多速率數字信號處理等基本理論;闡述了基於軟件無線電思想的雷達接收係統的中頻數字部分的設計思路UOSDR和具體實現方案。然後重點討論了中的中頻數字處理設計UOSDR過程,提出了一個基於多級濾波器的方案實CORDIC+CIC+FIR現中頻數字正交多級抽取下變頻。最後,詳細測試了其性能指標。
實驗證明,此方法不僅實現方法簡單,而且可減少對所需的FPGA資源要求,為在單片上實現更多通道處理能力提供了一個有FPGA效的方法。
第章係統測試與現場實驗。對各個子模塊進行了5UOSDR分別的測試,在此基礎上進行了實驗室的模擬回波閉環試驗,並對所有測試結果進行了分析。然後介紹了在海南省陵水縣進行的雷達對海洋探測現場原理性實驗,並就實驗結果進行了簡UOSDR要分析。
第章總結與展望。總結了全書的研究內容和研究成果,並6
前言·5·展望了今後應繼續開展的研究工作。
本書的出版得到了江西省教育廳科學基金和江西省科技廳自然科學基金的資助,感謝筆者的導師文必洋教授在筆者的研究過程中給予的悉心指導,感謝鍾誌峰教授、王才軍等同窗好友對筆者的幫助,也要感謝江西高校出版社衷昊等朋友為本書的出版所做的細致工作。另外,還要感謝我的愛人劉素卿女士,是你無微不至的關懷和陪伴才使得我的人生不再寂寞,並且為我帶來了兩個可愛的女兒子佩、子悅,感謝你們給我帶來的無盡快樂和幸福。
由於作者水平所限,本書還有不盡如人意的地方,缺點和錯誤在所難免,希望得到讀者的批評指正。
作者年月於江西財經大學201811目錄第章緒論\/11超高頻海洋表麵動力學參數探測雷達研究背景\/1.11超高頻雷達探測海洋表麵動力學參數研究意義\/1.22超高頻海洋表麵動力學參數探測雷達研究曆史與現狀\/1.34本書研究的主要內容\/1.410第章雷達的基本原理與雷達係統設計\/2UOSDR12信號檢測與匹配濾波原理\/2.113匹配濾波器原理\/2.1.113匹配濾波器的實現\/2.1.217多普勒頻移\/2.218雷達分辨力與模糊函數\/2.319雷達分辨力\/2.3.119模糊函數及性質\/2.3.220·2·超高頻海洋表麵動力學參數探測雷達係統設計脈衝壓縮\/2.422雷達等效匹配濾波結構和信號處理方法2.5UOSDRBarrick\/
29線性調頻脈衝壓縮測距和測速原理\/2.5.129線性調頻體製提取目標距離和速度信號信號流程\/2.5.233超高頻海洋表麵波雷達設計方案\/2.636係統工作體製及波形參數確定\/2.6.1UOSDR37雷達係統各部分說明\/2.6.2UOSDR39第章接收機係統設計與實現\/3UOSDR44接收機的基本結構\/3.144超外差接收機\/3.1.145零中頻接收機\/3.1.247低中頻接收機\/3.1.349高中頻接收機\/3.1.450鏡像抑製接收機\/3.1.551接收機主要指標\/3.253頻率選擇\/3.2.153噪聲係數與靈敏度\/3.2.255非線性失真\/3.2.357諧波失真\/3.2.458增益壓縮\/3.2.558互調失真\/3.2.659大信號阻塞和交調失真\/3.2.762目錄·3·動態範圍和增益\/3.2.862幅度和相位的穩定度\/3.2.963頻率源、波形合成和發射激勵\/3.2.1063的選擇\/3.2.11ADC64抗幹擾能力\/3.2.1266雷達接收機的總體結構\/3.3UOSDR67接收機的指標確定\/3.3.1UOSDR68雷達接收機的模擬前端設計\/3.4UOSDR70的頻率綜合器設計\/3.5UOSDR71係統頻率綜合器方案選擇\/3.5.1UOSDR72參考時鍾源電路設計\/3.5.275信號源設計\/3.5.376的同步控製器設計\/3.6UOSDR78係統總體設計的實現\/3.6.181單周期同步控製器設計\/3.6.284的數據采集係統設計\/3.7UOSDR85設計\/3.7.1FIFO85數據傳輸總線\/3.7.2USB87的其他控製單元設計\/3.8UOSDR90鎖相環配置模塊的設計\/3.8.190芯片配置模塊的設計\/3.8.2DDS91第章的數字中頻處理\/4UOSDR94軟件無線電中的采樣理論\/4.195·4·超高頻海洋表麵動力學參數探測雷達係統設計正交采樣\/4.1.195帶通采樣理論\/4.1.297多速率信號處理理論\/4.299整數倍抽取\/4.2.1100整數倍內插\/4.2.2102抽取的多級實現\/4.2.3103帶通信號的取樣率變換\/4.2.4104數字正交相幹檢波\/4.3107模擬正交相幹檢波\/4.3.1108基於多相濾波的數字正交變換\/4.3.2110軟件無線電中的高效數字濾波\/4.4113濾波器\/4.4.1HB114積分梳狀()濾波器\/4.4.2CIC115濾波器的設計方法\/4.4.3FIR120基於算法的正交數字中頻處理器\/4.5CORDIC125原理\/4.5.1CORDIC126結構\/4.5.2CORDIC-DDC130中實現\/4.5.3UOSDRCORDIC-DDC132的數字中頻處理\/4.6UOSDR134的數字中頻處理結構\/4.6.1UOSDR134中頻帶通采樣\/4.6.2135中的數字正交檢波\/4.6.3UOSDR137中的抽取濾波的多級實現\/4.6.4UOSDR137的數字中頻處理器性能\/4.6.5UOSDR138目錄·5·第章係統測試與現場實驗\/5UOSDR146模擬前端模塊測試\/5.1147靈敏度測試\/5.1.1147模擬前端增益\/5.1.2148動態範圍、模擬前端線性度\/5.1.3149鏡像抑製特性測試\/5.1.4151中頻通帶特性測試\/5.1.5152頻率綜合器模塊測試\/5.2153係統時鍾源短期穩定度和噪聲測試\/5.2.1153射頻信號單頻和掃頻穩定度與噪聲測試\/5.2.2154本振信號單頻和掃頻穩定度與噪聲測試\/5.2.3156同步控製器模塊測試\/5.3159係統時鍾信號與幀同步信號\/5.3.1159射頻觸發信號與本振觸發信號\/5.3.2161觸發信號與\/采樣信號\/5.3.3AD162觸發信號與射頻、本振信號\/5.3.4163幀同步信號與單片機時鍾信號\/5.3.5164數字中頻處理測試\/5.4165通信測試\/5.5USB2.0166實驗室閉環測試\/5.6166無延時測試\/5.6.1166任意延時測試\/5.6.2169係統現場實驗\/5.7UOSDR172·6·超高頻海洋表麵動力學參數探測雷達係統設計係統的海洋回波譜\/5.7.1UOSDR174不同岸邊風速對應的表麵流速\/5.7.2186不同極化方式的實驗及結果分析\/5.7.3196係統移動目標初探\/5.7.4UOSDR201第章總結與展望\/6203總結\/6.1203展望\/6.2205參考文獻\/207第章緒論·1·1
第1章緒論1.1超高頻海洋表麵動力學參數探測雷達研究背景我國是一個海洋大國,東南瀕臨太平洋,有萬公裏的大陸海1.8岸線,沿海島嶼多個,萬公裏的島嶼海岸線,繼年新的65001.51992《聯合國海洋公約法》將各海洋主權國家對海洋的管轄權擴大到200海裏(約合公裏)專屬經濟區()之370EEZexclusiveeconomiczone後,我國擁有海洋國土麵積達多萬平方公裏,有億多人口生活3004在沿海地區。年通過的《中華人民共和國物權法》進一步明確2007了海域屬於國家所有,依法取得的海域使用權受法律保護,而及時、準確、全麵地獲得海洋的相關信息成為國家強化海洋綜合管理,著力提高海洋經濟發展質量和效益的迫切要求。隨著海洋經濟的持續高速發展,其在國民經濟總量中的比重越來越大,年全國海2007洋生產總值占國內生產總值的。
10.11%全麵認識、保護和合理開發利用海洋資源具有非常重要的意義。無論是海洋科學研究、海洋災害氣象預報、海洋大陸架礦藏開發、近遠海捕撈和海防建設等,都依賴於對風、浪、流等海洋物理要素變化規律的掌握和實時、準確的監測與預報。為了保衛我國海疆·2·超高頻海洋表麵動力學參數探測雷達係統設計和開發海洋,不失時機地研製適用於探測海洋狀態的電子係統,顯然是一項十分緊迫而重要的研究任務。
基於軍事和國民經濟發展的需要,沿海各國開發利用海洋的規模日益擴大,隨著現代高科技的不斷發展,對海洋的觀測與研究也不斷深入。海洋麵積廣大,對海洋的觀測需要使用包括直接接觸和遙感在內的各種不同技術手段,相互補充,做到長期、連續、同步觀測。由於海洋變化莫測,環境十分險惡,直接接觸測量風險大、測量範圍受到限製,作為一種現代的觀測手段,無線電遙感在海洋監測技術中扮演了非常重要的角色,現在已形成了一門新的學科———無線電海洋學。近半個世紀以來,無論是在理論分析還是在實驗觀測方麵,無線電海洋學都取得了重要進步。目前,對於大尺度的開闊海域,利用相幹散射雷達來獲取海洋表麵狀態信息的理論與技術已經十分成功。無論是基於天基(衛星)的合成孔徑雷達、微波散射計和高度計等,還是基於岸基的高頻地波超視距雷達係統,都在發揮現實的作用。
1.2超高頻雷達探測海洋表麵動力學參數研究意義現階段,以衛星影像進行波場分布觀測,確實可提供快速而廣域的波浪特性信息,但工程中實際需要的長時間而且具有統計特性的資料,卻很難由衛星影像上分析獲得。況且,目前衛星影像分辨率不足:使用法國衛星可見光影像雖有較好分辨率,但因其SPOT為一種被動式感測,無法在夜間進行觀測。此外,其傳感器亦無法第章緒論·3·1
穿透雲層,不能在天氣狀況不好的情況下,獲取具有工程設計意義的大風浪的波浪參數。另外一方麵,應用歐洲太空總署的ERS-1及號衛星的合成孔徑雷達影像數據分析波場,雖不受雲層水氣幹2
擾,也可不分晝夜進行全天候主動式觀測海麵波浪,但分辨率不夠,又無法連續性觀測,即無法在一定時間內重複攝取同一地區影像。
而浮標、潛標、海流計和海洋調查船等傳統的觀測設備,隻能得到海麵有限點的數據,不僅成本高,而且作業還要受到海洋氣象的嚴重影響。岸基高頻地波雷達則由於存在探測盲區,探測盲區通常為①
數公裏,這是海岸工程、登陸作戰最需要觀測的海域;建立在開闊②
海域、海浪充分發展的波浪線性疊加模型不能反映近岸及非飽和海圖低海況條件下(浪高米左右)海洋的高頻雷達回波1-10.8多普勒譜(極化)一階回波質量很高,但二階譜不可見VV·4·超高頻海洋表麵動力學參數探測雷達係統設計浪的實際海洋環境狀態,不適於近岸海域的風浪參數反演;高頻③
段的外部噪聲基底高,包含豐富海浪譜信息的二階回波很容易被外部噪聲淹沒,在低海況條件下無法提取風浪參數。
而海岸帶近岸海域,不僅是經濟活動最發達的區域,同時也是各種動力因素最複雜的地區,不良的海洋動力學環境很容易造成海岸帶的重大經濟損失。此外,近岸的海洋動力學參數對於登陸作戰的意義十分重要。因此,如何在現有理論和技術基礎上,發展適合於近岸的海洋無線電遙感理論與技術,是迫切需要解決的問題。
根據現有的理論基礎及實際工作經驗,我們認為把雷達工作頻率由高頻()提高到超高頻(,)頻段是一HFUHFultrahighfrequency個合適的選擇。在超高頻頻段,與雷達電磁波作用產生散射Bragg的波浪仍然是重力波,滿足重力色散關係,基於重力色散的散Bragg射理論仍然適用,回波的多普勒頻移與波浪運動之間的關係可以得到明確的物理解釋;相對於高頻雷達,超高頻雷達的工作波長降低了個數量級,雷達天線尺度大大縮減,非常方便雷達架設與使用;2
超高頻頻段的波長為分米量級,在該條件下,雷達回波對海麵的小尺度變化十分敏感,外部電磁幹擾小,有利於實現波浪的高精度探測。
1.3超高頻海洋表麵動力學參數探測雷達研究曆史與現狀與高頻地波雷達在海洋領域的廣泛應用相比,超高頻雷達對於海洋環境和目標監測還基本處於起步階段。
第章緒論·5·1
最早出現使用波段對海洋觀察的報道是在年的太UHF1964平洋區域電磁特征研究中。當時等在馬歇爾群島上,利用Curry雷達對海洋和雲團進行了雜波強度探測。探測雷達為TRADEX()和波段()雙波段相幹脈衝雷達。使用UHF425MHzL-1.32GHz英尺的蝶形天線,發射功率為。通過實驗,他們得到海844~5MW洋雜波在使用垂直極化時最強,探測雲團雜波時使用圓極化更好。
並指出在小於海裏並且雷達入射角小於使雷達雜波的主要原133°因是海洋回波的結論。
年,在對、、、和的海洋回波進1990ChanX-S-L-UHFVHF行了分析,指出海洋回波係數是雷達掠入角的函數,並證實了水滴或浪花、波浪表麵和共振是形成海洋回波的三個主要機製。
Bragg而在和波段水滴和浪花是主要成因,波段以下以X-S-L-Bragg共振為主。相應的在和波段的多普勒譜中隻有一個譜峰,X-S-而且有很大的展開,如圖所示,而在波段以下在正負1-2L-Bragg共振頻率上都出現了譜峰,如圖所示。並且提出了海洋回波幅1-3度的分布規律符合分布,而當使用垂直極化,頻率較低時,可以用K
圖波段垂直極化海洋多普勒譜1-2X-·6·超高頻海洋表麵動力學參數探測雷達係統設計瑞利分布近似;而當使用水平極化,頻率較高時,則近似為對數正態分布了。