一种多脉冲雷达扫频信号生成与回波采集系统及方法

技术领域

本发明涉及雷达脉冲信号生成与回波采集技术领域，特别涉及一种多脉冲雷达扫频信号生成与回波采集系统及方法。

背景技术

雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。现代雷达的功能还包括动态估计、自动避碰、目标识别、目标跟踪和雷达成像等。随着雷达技术的迅猛发展，雷达已被广泛应用于军用防控、气象学、交通安全、机器人导航等领域。常见的雷达系统主要包括脉冲参数配置模块、脉冲信号生成模块、回波信号采集模块、电机控制模块、角度解析模块、回波数据传输模块、网口控制模块、雷达系统外部控制模块等。经过多年的发展，现有的雷达系统技术已较为成熟，但是仍存在一些问题：

1、现有雷达系统无法灵活切换发射脉冲信号，通常需要重新烧写程序或烧写rom，实际应用中很难操作，且配置耗时较长；

2、现有雷达系统集成度较低，通常信号发射、回波采集、电机控制、编码器控制、角度解析、数据传输都由独立电路模块组成，体积大、能耗大、信号在模块间传输损耗大、每个模块需要专门的中控芯片及配套元器件、每个模块需要专门开发程序、每个模块都需要单独供电、系统故障风险点增多、开发维护成本高；

3、现有雷达系统只传输处理后的回波数据而不发送原始回波给处理机，限制了后端系统的可扩展性；

4、现有系统中脉冲信号生成模块支持的频率范围通常为0-200MHz，通用性差，难以适应不同应用场景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种脉冲雷达扫频信号生成与回波采集系统及方法。

一种多脉冲雷达扫频信号生成与回波采集系统，基于FPGA实现，所述系统包括脉冲参数配置模块、脉冲信号生成模块、回波信号采集模块、角度解析模块、回波数据传输模块和网口控制模块；其中，

所述脉冲参数配置模块，用于从TF卡读取配置参数，对脉冲信号生成模块和回波信号采集模块进行配置；

所述脉冲信号生成模块，用于根据配置生成脉冲信号；

所述角度解析模块，用于结合零位开关信号和编码器脉冲信号解析雷达天线的角度，并将得到的实时角度数据发送至回波信号采集模块；

所述回波信号采集模块，用于根据配置采集指定时间段内的回波数据，并将实时角度数据和回波数据匹配形成结构化数据包发送至回波数据传输模块；

所述回波数据传输模块，用于将结构化数据包发送至上位机；

所述网口控制模块，用于接收上位机的控制信号，控制所述系统的开关状态。

作为上述系统的一种改进，所述系统还包括：电机控制模块和雷达系统外部控制模块；其中，

所述电机控制模块，用于控制电机切换转速；

所述雷达系统外部控制模块，用于生成功放电源调制信号，及收发保护开关切换信号。

作为上述系统的一种改进，所述配置参数包括：脉冲个数n、每个脉冲的宽度t

作为上述系统的一种改进，所述脉冲参数配置模块的处理过程包括：

从TF卡中以ASCII码形式依次读出每个脉冲的配置参数，并转换成十进制后经FIFO1写入DDR3，直至把n个脉冲的配置参数全部写入DDR3中。

作为上述系统的一种改进，所述脉冲信号生成模块的处理过程包括：

从DDR3中读取数据至FIFO2进行缓存，再从FIFO2中读出数据，经并串转换后送入AD9739芯片，生成0～1250MHz频段模拟信号。

作为上述系统的一种改进，所述角度解析模块采用STM32向回波信号采集模块发送上报角度指令；所述上报角度指令为两字节数据，数值等于角度乘以100并向下取整。

作为上述系统的一种改进，所述回波信号采集模块的处理过程包括：

根据每个脉冲的回波采集时长d

将12bit采样数据进行拼接，得到若干个32bit数据构成回波数据，将实时角度数据和回波数据匹配形成结构化数据包并发送至回波数据传输模块；其中每个32bit数据由以下步骤拼接完成：

将采样的第一时钟周期的12bit、第二时钟周期的12bit与第三时钟周期的高8位由高位到低位拼接成32bit数据并产生标志信号；

将第三时钟周期的低4bit、第四时钟周期的12bit、第五时钟周期的12bit、第六时钟周期的高4bit由高位到低位拼接成32bit数据并产生标志信号；

将第六时钟周期的低8bit、第七时钟周期的12bit、第八时钟周期的12bit由高位到低位拼接成32bit数据并产生标志信号。

作为上述系统的一种改进，所述结构化数据包包括：

第1-2字节存储实时角度数据，第3-4字节存储包编号，编号从1-36000循环递增；第5-1440字节以32bit为1组存储359组回波数据。

作为上述系统的一种改进，所述网口控制模块的处理过程包括：

接收上位机的控制信号；

当控制信号为01时，控制脉冲信号生成模块、回波信号采集模块、电机控制模块和回波数据传输模块停止工作；

当控制信号为02时，启动电机控制模块控制电机以6转的速度运行，并启动脉冲信号生成模块、回波信号采集模块和回波数据传输模块；

当控制信号为03时，启动电机控制模块控制电机以6转的速度运行，并启动脉冲信号生成模块、回波信号采集模块和回波数据传输模块。

一种多脉冲雷达扫频信号生成与回波采集方法，基于上述系统实现，所述方法包括以下步骤：

步骤1)雷达上电，所述系统初始化；

步骤2)脉冲参数配置模块从TF卡读取配置参数，对脉冲信号生成模块和回波信号采集模块进行配置；所述配置参数包括：脉冲个数n、每个脉冲的宽度t

步骤3)网口控制模块接收上位机的控制信号为02或03时，启动脉冲信号生成模块、回波信号采集模块、电机控制模块和回波数据传输模块；

步骤4)脉冲信号生成模块根据配置生成1个脉冲信号；

步骤5)角度解析模块根据编码器脉冲信号解析雷达天线的角度，将得到的实时角度数据发送至回波信号采集模块；

步骤6)回波信号采集模块根据配置采集指定时间段内的回波数据，并将实时角度数据和回波数据匹配形成结构化数据包发送至回波数据传输模块；

步骤7)回波数据传输模块将收到的结构化数据包发送至上位机；

步骤8)当脉冲参数配置模块设定的n个脉冲未处理完毕，转至步骤4)，否则转至步骤9)；

步骤9)当网口控制模块收到上位机的控制信号为01时，结束，否则以脉冲参数配置模块设定的T为周期转至步骤4)。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的系统能够根据不同应用环境及用户需求，快速完成信号切换，并具有体积小、功耗低、内部传输损耗小、集成度高等优点；

2、本发明支持TF卡配置脉冲信号，只需要拔出原卡插入新卡即可灵活切换信号，现有方案通常需要重新烧写程序或烧写rom，实际应用中很难操作，耗时较长，采用本方案两秒钟内即可完成信号切换；

3、本发明的系统系统集成度高，信号发射、回波采集、电机控制、编码器控制、角度解析、数据传输等模块全部集成在一块电路板，体积小、能耗低、内部传输损耗小、成本低、只需要一路供电、系统故障风险点少；

4、本发明支持原始回波数据发送，支持角度和回波数据匹配形成结构化数据发送，增加了系统的可扩展性；

5、本发明的脉冲信号生成模块支持的频率范围通常为0-1250MHz，通用性强，能够适应各种不同的应用场景。相较于现有方案，能够减少一次上变频处理步骤，提升信号质量。

附图说明

图1是本发明多脉冲雷达扫频信号生成与回波采集系统架构图；

图2是每个脉冲的脉宽和回波采集时长示意图。

具体实施方式

本发明提供一种多脉冲雷达扫频信号生成与回波采集系统，该系统包括：

脉冲参数配置模块，用于配置雷达系统中的各个参数；

脉冲信号生成模块，用于根据参数生成脉冲信号；

回波信号采集模块，用于根据配置参数，采集指定时间段内的回波数据；将角度和回波数据匹配形成结构化数据发送至回波数据传输模块；

电机控制模块，用于控制电机切换转速；

角度解析模块，用于结合零位开关信号和编码器脉冲信号解析角度；

回波数据传输模块，用于将结构化数据发送至上位机；

网口控制模块，用于接收外部控制信号，控制系统开关状态；

雷达系统外部控制模块，用于生成功放电源调制信号，及收发保护开关切换信号。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

本发明的实施例1提出了一种基于FPGA的多脉冲雷达扫频信号生成与回波采集装置，总体模块架构如图1所示。

一种多脉冲雷达扫频信号生成与回波采集系统，基于的FPGA芯片为Xilinx公司Artix-7系列XC7A100TFGG484-2芯片；

该系统包括脉冲参数配置模块、脉冲信号生成模块、回波信号采集模块、电机控制模块、角度解析模块、回波数据传输模块、网口控制模块、雷达系统外部控制模块。

所述脉冲参数配置模块，用于配置雷达系统中的各个参数；

所述脉冲信号生成模块，用于根据参数生成脉冲信号；

所述回波信号采集模块，用于根据配置参数，采集指定时间段内的回波数据；将角度和回波数据匹配形成结构化数据发送至回波数据传输模块；

所述电机控制模块，用于控制电机切换转速；采用STM32实现电机开关和转速控制，电机控制模块通过串口方式与网口控制模块通信。

所述角度解析模块，用于结合零位开关信号和编码器脉冲信号解析角度；

所述回波数据传输模块，用于将结构化数据通过UDP方式发送至上位机；

所述网口控制模块，用于接收外部控制信号，控制系统开关状态；

所述雷达系统外部控制模块，用于生成功放模块所需的电源调制信号，以及收发保护开关所需的外部控制信号。

进一步地，所述脉冲参数配置，从TF卡中读取配置参数，包括脉冲个数n、每个脉冲的宽度t

进一步地，所述脉冲信号生成模块，用于根据配置参数生成雷达脉冲信号；系统上电初始化完成后，FPGA首先从TF卡中以ASCII码形式读出数据，并将ASCII码值转换成十进制原始值。每获取一次原始值后就向FIFO1中写入一次数据，FIFO1仅用于缓存数据。每当有数据写入FIFO1时，DDR3读写模块就同步发出标志信号从FIFO1中读出数据并写入DDR3。该过程一直持续到n段脉冲数据全部写入DDR3中。

启动发射时，相位累加器的值M自加并作为DDR3的地址值从DDR3中读取出数据并写入FIFO2中进行缓存。

接着，从FIFO2中读出数据，经过并串转换送入DA芯片中生成模拟信号，具体过程如下：

FIFO2数据读取模块根据预先配置好的脉冲段数控制FIFO2数据读取的结束点。当数据段读取结束时，DDR3的相位累加器值归零，重新由DDR3中读出数据写入FIFO2再送入DA芯片生成模拟信号。DA模块使用AD9739芯片，支持生成0-1250MHz频段信号生成。

进一步地，所述回波信号采集模块，用于采集雷达回波数据。在脉冲信号生成模块生成一段脉冲后，回波采集模块立即开始AD采样。具体为：首先利用AD模块进行12bit采样，然后将12bit数据转为32bit数据。这里之所以转成32bit数据是为了充分利用UDP网口的资源。具体方法为将AD第一时钟周期的12bit、二个时钟周期的12bit与第三时钟周期的高8位由高位到低位拼接成32bit数据并产生标志信号；接着第三时钟周期的低4bit第四时钟周期的12bit第五时钟周期的12bit第六时钟周期的高4bit由高位到低位拼接成32bit数据并产生标志信号；再接着第六时钟周期的低8bit第七时钟周期的12bit第八时钟周期的12bit由高位到低位拼接成32bit数据并产生标志信号，以此类推。到这里会发现，8个时钟周期便形成了一个完整的数据转换循环并产生了3个32bit数据。

完成32bit数据转换后，按照以下数据格式生成结构化数据包：每个数据包1-2字节存储天线角度数据，该数据从角度解析模块获取；3-4字节存储包编号数据，从1-36000循环递增；5-1440字节以32bit为1组存储359组采样数据。

进一步地，所述电机控制模块，采用STM32实现电机开关、转速控制，STM32与FPGA之间使用串口进行通信，通信协议定义如下：

1)电机开启并设置转速指令：FPGA通过串口向STM32发送1字节数据。x01表示开启电机并设置转速为6转；x02表示开启电机并设置转速为12转；x03表示开启电机并设置转速为24转。

2)电机关闭指令：FPGA通过串口向STM32发送1字节数据。x00表示关闭电机。

进一步地，角度解析模块，采用STM32上报角度：

1)上报角度指令：STM32每次向FPGA发送两字节数据用于上报角度，数值等于角度乘以100并取整并取整：

这里，k表示角度，保留3位小数，l表示数值，

2)清零角度值指令：FPGA通过串口向STM32发送1字节数据。x05表示角度值清零。

进一步地，所述回波数据传输模块，用于发送数据包。数据传输支持两种方案，一种是千兆网方案、另一种是USB3.0方案。千兆网使用的PHY芯片位RTL8211EG，该芯片与FPGA之间的数据交换通过RGMII接口实现，本方案使用的是UDP通信方式。USB3.0接口使用的芯片是CYUSB3014-BZXI，该芯片与FPGA之间的通过32根数据引脚通信，使用50M时钟通信时理论速率可达1600Mbit/s。

进一步地，所述网口控制模块，负责控制系统开关状态。系统在UDP 8811端口上响应以下十六进制控制指令：01—停止系统工作，包括停止模拟信号生成、停止数据采集、停止云台电机、停止网口数据传输；02—启动云台电机以6转的速度运行，并发射、采集并传输数据；03—启动云台电机以12转的速度运行，并发射、采集并传输数据。

进一步地，所述雷达系统外部控制模块，用于生成功放电源调制信号，及收发保护开关切换信号。具体地，外部控制信号包括下变频电源调制和功放电源调制，系统初始状态下变频电源调制与功放电源调制都处于关闭状态，在控制系统中表现为低电平。

假设系统开始工作时为t

对于第i(1≤i≤n)个脉冲，下变频电源调制信号在[t

实施例2

本发明的实施例2提出了一种多脉冲雷达扫频信号生成与回波采集方法，基于实施例1的系统实现，所述方法执行以下步骤：

步骤1)雷达系统上电伊始，初始化各个外围芯片参数；

步骤2)将TF卡中的n段脉冲读出并写入FIFO中，等待外部工作控制指令；

步骤3)生成1段脉冲信号，然后接收回波信号；

步骤4)AD芯片采集回波信号生成结构化数据发送；

步骤5)重复步骤2和步骤3直到n段脉冲全部处理完；

步骤6)以T为周期重复步骤2-5，直到收到停止工作的外部控制信号。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。