专利名称：多基地雷达同步装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及雷达同步技术领域，尤其涉及一种多基地雷达同步装置。
背景技术：
高频地波雷达是一种可用于探测江河湖泊表面风、浪、流场等环境要素和低速移 动目标的先进雷达设备。与常见的微波雷达相比，高频地波雷达具有以下优点(l)由于高 频段电磁波能够沿地球表面绕射传播，高频地波雷达可以探测到视距以外的范围；(2)高 频段雷达波长与散射目标尺寸相当，能够与目标发生谐振，从而获得较大的散射截面；(3) 由于频率较低，可以使用较低的采样率，易于实现数字信号的产生和处理。此外，与其它海 洋探测工具相比，高频地波雷达不需要接触海洋表面本身，可以不受海洋环境变化的影响 而实现全天候工作，是一种有效的监测工具。 传统的高频地波雷达一般采用后向散射机制。利用回波相对于发射信号的延时可 以得到散射元的距离信息。利用回波的多普勒频移可以得到散射元上的海流速度信息。回 波的多普勒频移主要由两方面原因引起波长等于雷达所发射的电磁波波长一半的海浪的 运动；海洋表面流沿雷达径向方向的速度分量。波长为雷达发射电磁波波长一半的海浪的 运动引起的多普勒频移可以通过海洋重力波色散关系计算得到，将其从回波的多普勒频移 中扣除，就可以得到海洋表面流沿雷达径向方向的速度分量。利用接收天线的方向图，通过 波束形成或者空间谱估计的方法可以得到散射元的方位角信息。结合散射元的距离、方位 角及径向流速信息便可形成雷达探测范围内的海洋表面流的径向流场。 单台后向散射高频地波雷达只能探测表面流沿雷达径向方向的分量。要获取海洋 表面矢量流，至少需要两台独立工作的后向散射雷达，通过对它们在公共探测范围内各自 获取的径向流场进行矢量合成来得到矢量流场。由于至少需要两部完整的雷达系统，成本 较为昂贵，并且在两台雷达的连线上或接近连线位置的区域，两台雷达获取的径向流方向 接近平行，无法合成矢量流场，这是后向散射雷达的另一大缺陷。 多基地高频地波雷达可以有效的解决上述问题。多基地雷达将发射机与接收机分 开放置，通过合理的地理位置的选择，可以灵活的组成发射-接收对。与后向散射雷达相 比，相同数目的若干台发射机和接收机可以形成更多个同时工作的发射_接收组合，既可 以避免获取的表面流方向平行，保证矢量流场的有效合成，又可以获取更多的流信息，提高 测量精度。 高频地波雷达采用相干多普勒机制，通过分析接收信号的相位和频率得到所需要 的信息。因此，发射机产生的发射信号和接收机内用于检测的本振信号需要保持严格的相 位同步。这对于单基地的后向散射高频地波雷达来说，较容易实现，因为发射机与接收机放 置于同一位置，发射信号和本振信号可以基于同一个时钟源，并且由具有严格时序同步的 信号控制。而对于多基地雷达来说，发射机和接收机分置两地，发射机产生的发射信号和接 收机产生的本振信号由不同的时钟源和控制信号合成，要实现严格的相位同步，较为困难。 常用的多基地雷达的同步方法包括1使用光纤或微波链路远距离传输时间信号，使发射机和接收机通过自校准来保持相位同步；2发射机和接收机分别使用铯/铷原子 钟等高精度的时钟源。这些方法成本昂贵，并且受环境影响较大，不适合工作在较恶劣环境 下的高频地波雷达。 GPS是一种可以定时和测距的空间交会定点导航系统，它可以向全球用户提供连 续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。GPS时钟采用的是世界协调时-UTC，在 GPS卫星上载有与UTC时间同步的铯原子钟，这样它就成为一种空间的时间基准，地面上的 用户可接收GPS卫星的时间服务信号，校正本地时钟，使之与GPS时钟同步。利用GPS卫星 提供的时间信息作为多基地雷达各个位置的雷达站的参考时间，以此来校准本地时钟源以 及时序控制信号，可以实现不同位置的雷达站的长时间的高精度同步。

实用新型内容本实用新型的目的是提供一种多基地雷达同步装置，以实现多基地高频地波雷达
位于不同位置的发射机和接收机之间的同步。 为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案 —种多基地雷达同步装置，包括 GPS天线、GPS接收机、锁相环频率合成器、同步控制器、微处理器、PC机，其中所述 GPS天线、GPS接收机、锁相环频率合成器、同步控制器依次电连接，所述PC机、微处理器、同 步控制器依次电连接，所述GPS接收机与同步控制器电连接，所述微处理器与锁相环频率 合成器电连接。 在雷达发射机所放置的基站，多基地雷达同步装置与雷达发射机电连接；在雷达 接收机所放置的基站，多基地雷达同步装置与雷达接收机电连接。 所述雷达发射机为高频地波雷达发射机，所述雷达接收机为高频地波雷达接收 机。 所述GPS接收机为Thunderbolt GPS可训时钟模块，所述锁相环频率合成器为 ADI公司生产的ADF4360-9芯片，所述微处理器为Cypress公司的USB接口芯片EZ-USB 2131QC，所述EZ-USB 2131QC内部有8051微处理器，可以与外围器件通过并行口或串行口 通信。 所述同步控制器包括时钟信号产生模块、GPS通信模块、同步控制信号产生模块、 参数设置模块、DRAM模块，其中所述GPS接收机与GPS通信模块和同步控制信号产生模块分 别电连接，GPS通信模块和同步控制信号产生模块电连接，所述微处理器、DRAM模块、参数 设置模块、同步控制信号产生模块依次电连接，所述锁相环频率合成器与时钟信号产生模 块电连接，所述时钟信号产生模块与同步控制信号产生模块和GPS通信模块分别电连接， 参数设置模块与GPS通信模块电连接。 在雷达发射机所放置的基站，所述同步控制信号产生模块、时钟信号产生模块与
雷达发射机电连接；在雷达接收机所放置的基站，所述同步控制信号产生模块、时钟信号产
生模块与雷达接收机电连接。 本实用新型具有以下优点和积极效果 1)精度高，GPS卫星上安装的铯原子钟的短期和长期稳定度都很高，用GPS卫星发 送的时间信息来校准本地时钟源，可以使各个雷达基站的时钟源频率之差保持在很小的范围，按照统一的GPS时间生成雷达系统的各时序信号，可以实现各雷达站之间的高精度同
止 少。 2)成本低，相对于常用的用光纤传送时钟信号等同步方式，本实用新型所描述的 方法大大降低了实施成本，并且对环境要求较小，更适合高频地波雷达的工作环境。 3)各个发射机-接收机对工作在相同的工作频段上，通过合理的时序设置来避免 相互之间的干扰，能够有效利用频谱资源。

图1是本实用新型提供的多基地雷达同步装置的结构框图。
图2是本实用新型的同步控制器的内部结构与外围连接框图。 其中， 1_6 5天线，2-6 5接收机，3-锁相环频率合成器，4-同步控制器，5_微处理器， 6-PC机，7_多基地雷达同步装置，S-雷达接收机，9-雷达发射机，10-同步控制信号产生模 块，11-时钟信号产生模块，12-GPS通信模块，13-参数设置模块，14-DRAM模块。
具体实施方式下面以具体实施例结合附图对本实用新型作进一步说明 本实用新型提供的多基地雷达同步装置，具体采用如下的技术方案，参见图l，多 基地雷达同步装置7包括 GPS天线1、 GPS接收机2、锁相环频率合成器3、同步控制器4、微处理器5、 PC机 6，其中GPS天线1、 GPS接收机2、锁相环频率合成器3、同步控制器4依次电连接，PC机6、 微处理器5、同步控制器4依次电连接，GPS接收机2与同步控制器4电连接；微处理器5与 锁相环频率合成器3电连接。在雷达发射机9所放置的基站，多基地雷达同步装置7与雷 达发射机9电连接，在雷达接收机8所放置的基站，多基地雷达同步装置7与雷达接收机8 电连接。 GPS接收机2利用GPS天线1接收到的GPS时间信号来校准本地晶振频率，并输 出10MHz参考时钟信号和秒脉冲信号(1PPS) ;PLL频率合成器3将10MHz时钟信号倍频到 120MHz，作为雷达的时钟源；同步控制器4对120MHz时钟源信号分频，输出雷达各部分的时 钟信号。 GPS接收机2输出的GPS时间信息作为同步控制器4的参考时间，PC机6通过微 处理器5向同步控制器4设置雷达发射机9、雷达接收机8各部分的同步控制信号参数，同 步控制器4根据GPS时间信息、秒脉冲信号和同步控制信号参数输出雷达发射机9、雷达接 收机8各部分的同步控制信号。 本实施例中的GPS接收机2为Thunderbolt GPS可训时钟模块。该模块将8通道 GPS接收机与高品质的恒温晶振集成在一块电路板上，利用GPS信号对晶振输出信号校准， 可以输出高准确度、高稳定度、低相位噪声的10MHz信号和秒脉冲信号(1PPS)。同时通过 RS232接口输出二进制的GPS时间信息，输出语句符合Trimble标准接口协议(TSIP)。 本实施例中的PLL频率合成器是ADI公司生产的ADF4360-9芯片。ADF4360-9芯 片将整数倍频率合成器和压控振荡器(VCO)集成在一起，通过外部电感设置VCO输出信号的中心频率。VC0输出信号的频率的范围是65MHz到400MHz。 ADF4360-9内部还有分频电 路可以对VCO输出信号进行2到31倍分频，分频后的信号还可以进一步被2分频。可以通 过简单的串行接口对ADF4360-9的寄存器进行设置。 本实施例中的微处理器为Cypress公司的USB接口芯片EZ-USB 2131QC。 PC机可 以通过USB接口与EZ-USB 2131QC通信。EZ-USB 2131QC内部有8051微处理器，可以与外 围器件通过并行口或串行口通信。 本实施例中的雷达发射机9、雷达接收机8分别为高频地波雷达发射机、高频地波 雷达接收机。雷达发射机9发射调频连续波(FMCW)信号，经目标散射后，到达雷达接收机8。 每台雷达接收机8有多个接收通道。进入每一接收通道的回波信号首先经过滤波，然后在 混频器中与本振信号混频，混频后的中频信号送入模数转换器(ADC)中进行带通采样。采 样得到的数字信号送入数字信号处理模块进行处理，如数字正交混频、滤波、数据率抽取， 快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)等。处理后的结果通过数据传输模块进 入主控PC机，在主控PC机里运用阵列信号处理等方法，综合多个通道的采样结果，得到需 要的海洋环境或船舶等目标信息。雷达发射机9所发射的信号、雷达接收机8的本振信号， 分别由数字频率合成器(DDS)合成。 本实施例中的同步控制器4由现场可编程逻辑器件(FPGA)实现，它负责发出同步 时间信号，以管理雷达系统各组成部分的运行时序。FPGA是一种大规模、高速、低功耗、可反 复编程的集成电路芯片，很多FPGA芯片支持在系统编程，这给系统开发提供了很大的灵活 性，并且使维护和升级更为方便，因此本实施例采用FPGA芯片实现同步控制器4。 如图2，本实施例中的FPGA芯片4包括时钟信号产生模块11、GPS通信模块12、同 步控制信号产生模块10、参数设置模块13、DRAM模块14。其中，GPS接收机2与GPS通信 模块12和同步控制信号产生模块10分别电连接，GPS通信模块12和同步控制信号产生模 块10电连接，微处理器5、 DRAM模块14、参数设置模块13、同步控制信号产生模块10依次 电连接，PLL频率合成器模块3与时钟信号产生模块11电连接，时钟信号产生模块11与同 步控制信号产生模块10和GPS通信模块12分别电连接，参数设置模块13与GPS通信模块 12电连接。在雷达发射机9所放置的基站，同步控制信号产生模块10、时钟信号产生模块 11与雷达发射机9电连接，在雷达接收机8所放置的基站，同步控制信号产生模块10、时钟 信号产生模块11与雷达接收机8电连接。 DRAM模块14存储微处理器5写入的所有同步控制器所需参数，参数设置模块13 读取DRAM模块存储的参数，并将同步控制信号的基准时间参数发送给GPS通信模块12，将 各个同步控制信号的偏移时间参数发送给同步控制信号产生模块10。 GPS通信模块12分 析GPS接收机2串行口发送的语句中的当前时间信息，并比较当前时间是否与设置的基准 时间参数相等，若相等，则通知同步控制信号产生模块10正确的基准时间已到；同步控制 信号产生模块10接收到GPS通信模块12发送来的确认正确的基准时间已到的信号后，按 照各个同步时间信号的偏移时间参数延迟相应时间并输出同步时间信号。 GPS接收机2利用GPS天线1接收到的GPS时间信号来校准本地晶振频率，并输 出10MHz参考时钟信号和秒脉冲信号(1PPS);微处理器5设置PLL频率合成器3的输出频 率参数；PLL频率合成器3按照微处理器5所设置的参数将10MHz时钟信号倍频到120MHz, 作为雷达的时钟源；时钟信号产生模块11对120MHz时钟源信号分频，分别输出GPS通信模块12所需的1200kHz时钟信号、同步控制信号产生模块10所需的120kHz时钟信号、雷达发射机9所需的120MHz时钟信号，雷达接收机8所需的40腿z、 12腿z、 120腿z等时钟信号。[0039] 本实用新型提供的多基地雷达同步装置的工作流程如下[0040] □ GPS天线1接收GPS卫星信号，并传送给GPS接收机2 ; □ GPS接收机2解析卫星信号，校准本地恒温晶振，并输出10腿z参考时钟信号到PLL频率合成器3，输出秒脉冲信号到同步控制器4的同步控制信号产生模块IO，输出二进制的GPS时间信息到同步控制器4的GPS通信模块12 ; □ PC机6将PLL频率合成器3相关的参数通过USB接口写入微处理器5，微处理器5再通过串行输出口将参数写入PLL频率合成器3 ; □ PLL频率合成器3根据微处理器5所写入的参数输出对10MHz输入参考时钟信
号倍频，输出120MHz时钟源信号至同步控制器4的时钟信号产生模块11 ; 口时钟信号产生模块11对120MHz时钟源信号分频，分别输出1200kHz时钟信号
至GPS通信模块12，输出120kHz时钟信号至同步控制信号产生模块IO，输出120MHz时钟
信号至雷达发射机9，输出40腿z、12腿z、120腿z时钟信号至雷达接收机8 ; □ PC机6将同步控制器4所需的参数通过USB接口写入微处理器5，微处理器5
再将参数写入同步控制器4的DRAM模块14 ; □同步控制器4的参数设置模块13读取DRAM模块14存储的参数，并将同步控制信号的基准时间参数发送给GPS通信模块12，将各个同步控制信号的偏移时间参数发送给同步控制信号产生模块10 ; □同步控制器4的GPS通信模块12根据同步控制信号的基准时间参数循环判断所获取的二进制语句包含的当前时间信息，若当前时间与基准时间参数相等，则通知同步控制信号产生模块10正确时间已到； □同步控制器4的同步控制信号产生模块10接收到GPS通信模块12发送来的确认正确时间已到的信号后，按照各个同步时间信号的偏移时间参数延迟相应时间并输出同步时间信号至高频地波雷达发射机9、高频地波雷达接收机8。 以上所揭露的仅为本实用新型的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等效变化，仍属本实用新型的保护范围。
权利要求一种多基地雷达同步装置，其特征在于，包括GPS天线(1)、GPS接收机(2)、锁相环频率合成器(3)、同步控制器(4)、微处理器(5)、PC机(6)，其中所述GPS天线(1)、GPS接收机(2)、锁相环频率合成器(3)、同步控制器(4)依次电连接，所述PC机(6)、微处理器(5)、同步控制器(4)依次电连接，所述GPS接收机(2)与同步控制器(4)电连接，所述微处理器(5)与锁相环频率合成器(3)电连接。
2. 根据权利要求1所述的多基地雷达同步装置，其特征在于在雷达发射机(9)所放置的基站，多基地雷达同步装置(7)与雷达发射机(9)电连接； 在雷达接收机(8)所放置的基站，多基地雷达同步装置(7)与雷达接收机(8)电连接。
3. 根据权利要求2所述的多基地雷达同步装置，其特征在于所述雷达发射机(9)为高频地波雷达发射机，所述雷达接收机(8)为高频地波雷达接 收机。
4. 根据权利要求1或2所述的多基地雷达同步装置，其特征在于 所述GPS接收机(2)为Thunderbolt GPS可训时钟模块，所述锁相环频率合成器(3)为ADI公司生产的ADF4360-9芯片，所述微处理器(5)为Cypress公司的USB接口芯片EZ-USB 2131QC，所述EZ-USB 2131QC内部有8051微处理器，可以与外围器件通过并行口或串行口 通信。
5. 根据权利要求1或2所述的多基地雷达同步装置，其特征在于所述同步控制器(4)包括时钟信号产生模块(11)、GPS通信模块(12)、同步控制信号 产生模块(10)、参数设置模块(13)、 DRAM模块(14)，其中所述GPS接收机(2)与GPS通信 模块(12)和同步控制信号产生模块(10)分别电连接，GPS通信模块(12)和同步控制信号 产生模块(10)电连接，所述微处理器(5)、DRAM模块(14)、参数设置模块(13)、同步控制信 号产生模块(10)依次电连接，所述锁相环频率合成器(3)与时钟信号产生模块(11)电连 接，所述时钟信号产生模块(11)与同步控制信号产生模块(10)和GPS通信模块(12)分别 电连接，参数设置模块(13)与GPS通信模块(12)电连接。
6. 根据权利要求5所述的多基地雷达同步装置，其特征在于在雷达发射机(9)所放置的基站，所述同步控制信号产生模块(10)、时钟信号产生模 块(11)与雷达发射机(9)电连接；在雷达接收机(8)所放置的基站，所述同步控制信号产 生模块(10)、时钟信号产生模块(11)与雷达接收机(8)电连接。
专利摘要本实用新型涉及雷达同步技术领域，尤其涉及一种多基地雷达同步装置。本实用新型包括GPS天线、GPS接收机、锁相环频率合成器、同步控制器、微处理器、PC机，其中所述GPS天线、GPS接收机、锁相环频率合成器、同步控制器依次电连接，所述PC机、微处理器、同步控制器依次电连接，所述GPS接收机与同步控制器电连接，所述微处理器与锁相环频率合成器电连接。本实用新型具备精度高、可以使各个雷达基站的时钟源频率之差保持在很小的范围，按照统一的GPS时间生成雷达系统的各时序信号，可以实现各雷达站之间的高精度同步，成本低，相对于常用的用光纤传送时钟信号等同步方式，并且对环境要求较小，更适合高频地波雷达的工作环境，能够有效利用频谱资源。
文档编号G01S7/03GK201503494SQ200920228519
公开日2010年6月9日 申请日期2009年9月28日 优先权日2009年9月28日
发明者张冲, 文必洋, 杨静, 王才军, 黄晓静 申请人:武汉大学