天地波组网雷达同步控制系统设计

(武汉大学电子信息学院,湖北武汉430072)

0 引言

高频地波雷达(HFSWR)主要用于监测海洋风浪流场,以及对海上低速目标的监视,它具有超视距、大范围、全天候以及低成本等优点,被认为是一种能实现对各国专属经济区(EEZ)进行有效监测的高科技手段[1]。为了使这种技术能够应用于远海,覆盖更为广阔的范围,为气象研究、防灾减灾提供重要的海洋风浪场数据,支持走向大洋的战略,我国展开了天地波一体化组网雷达的研究。

天地波组网是指雷达采用天波与地波组网模式,主要由高频天波发射站、地波发射站和地波接收站组成。天波在预编制的扫描方案的控制下,发射信号覆盖所需探测的海域空间,地波站则接收经由海面反射回来的回波信号,从回波信号中根据一阶布拉格峰的多普勒频移得到海洋流速,从二阶峰获取海浪等信息。

由于天波发射与地波接收可构成多种工作模式,存在多种形式的散射链路,多种收发模式组合能够获取大量非后向散射回波,因此可以获得较为丰富的海面回波信息,既有益于探测距离的拓展,也有利于对地波探测区域实施精细化观测[2-3]。同时,天波发射、地波接收的雷达在探测距离和探测精度上可以互补,天波照射距离远,精度较低;地波雷达探测距离近,探测精度较高。

在天地波组网探测的研究过程中,同步技术是其关键技术之一。对于天地波组网雷达系统,主要是三大同步问题,即为了测量目标距离及各站间的协调工作,要求各站有统一的时间标准,即时间同步。为了能够接收和放大回波信号,各站的接收机必须工作在相同的频率,即频率同步。此外,对于脉压和动目标显示等相参工作方式的雷达,天地波组网雷达还必须像单站雷达那样,即保证收、发在相位上的同步,保持相参性。在这三大同步中,核心是时间同步。因为在天地波组网雷达中,同步的时钟是产生发射信号、接收信号、本振信号以及数字接收板采样信号的基准。

本文提出了一种同步控制系统设计方案,该方案包括基于授时GPS实现的系统外同步模块和基于FPGA实现的系统内同步模块,并且所设计的硬件和软件实现了该方案。外同步模块通过GPS接收板产生精确稳定的时间和频率信号,组网雷达以GPS时频为基准,对组网中的各部雷达进行时频同步,且时间同步精度可以达到0.1μs级,频率稳定度可以达到10-12。同时,内同步模块通过选用FPGA芯片实现同步时序灵活可配置,用以满足雷达内部信号发射、接收和数据采集与处理的时序要求。本文介绍了天地波组网雷达的特点以及对同步系统的需求,以及提出了解决方案和实现方法。实验结果证明了本方案的正确性。

1 组网雷达特点及对同步的需求

将天波电离层反射传播模式和地波绕射传播模式组合起来,可以用于建立天波/地波混合体制的天地波超视距组网雷达系统。天地波组网雷达是天波发射、地波接收的多站超视距雷达系统,具有威力大、覆盖范围广、系统灵活等特点。

天地波组网高频地波雷达主要由天波发射站、地波发射站和地波接收站组成,其示意图如图1所示。

图1 天地波组网探测示意图

1.1 天波发射系统

天波超视距雷达具有探测距离远、覆盖范围大等特点。以澳大利亚金达莱(Jindalee)系统为例,典型的天波超视距雷达探测距离在800～3000 km之间,方位扫描区间大于60°,覆盖范围达到数百万平方公里[4-5],这使得天波雷达成为大范围连续监视能力性价比最高的手段之一。

在天地波组网高频地波雷达系统中,天波发射系统采用全相参线性调频连续波体制(FMCW)。天波系统可以连续运作,它在预编制的扫描方案的控制下,利用高频电磁波经过电离层折射下视探测传播机理和目标与海面后向散射传播原理,实现海面反射回波的海洋动力学参数的探测。电磁波所覆盖的体积空间海洋区域,其海洋回波数据由地波站接收机获取[6-8]。同时,我们可以利用移动平台地波雷达,和天波超视距雷达组网,从而实现远洋多地区多方位的海洋信息。因此,天波超视距系统在海洋探测方面具有很大的发展空间。

1.2 地波组网系统

地波组网高频地波雷达是指发射机、接收机分别置于多站且分置距离可和雷达探测距离相比拟的地波组网雷达系统。在单站高频地波雷达研究的基础上,国内外对高频地波超视距雷达组网探测技术也已经开展了许多研究工作,如加拿大的IMS系统由两部岸基高频地波雷达构成的组网探测;澳大利亚的SECAR系统则是采用了收发分置的岸基双基地高频地波雷达试验系统。

与单站地波雷达相比,组网雷达系统是一个更加复杂的系统工程,要求多部地波雷达能协同工作,它可充分利用其他站的非后向散射信号和自发自收的后向散射雷达波信号来探测同一距离元的多方位信息[9-10]。由于收发分离且多站,不仅扩大了雷达的覆盖范围和定位精度,而且增强了探测信息的角度分辨率、距离分辨率等。

1.3 天地波同步的需求

考虑到用于天地组网探测采取多站工作模式,收发分置,在系统的组网工作过程中,要获得准确的信号群时延信息和多普勒信息,就必须保证发射端和接收端之间具备严格的时间同步和频率同步特性。其原因大致如下：

地波站雷达采用线性调频FMICW体制,一个脉冲周期内,其发射信号可以写成：

式中,ω0为发射信号起始角频率,T为扫频周期,B为发射信号的扫频带宽。

目标位置可以表示为R(t)=R0+Vt,R0为t=0时的目标位置,V为目标远离发射机时的移动速度。假设接收机和发射机处于同一位置,则延迟时间为

考虑发射机和接收机不同步的情况,接收机从t=t1时开始接收信号,且t1小于发射脉冲正脉宽。

令Δt=td+t1,Δt为发射机发射信号到达接收机的时差,那么接收信号可以表示为

接收信号经过射频放大之后与发射信号混频,经过低通滤波得到基带信号：

经过混频滤波之后,得到去掉高频成分和脉冲调制的基带信号,其所含频率f1如下：

混频之后的基带信号如S I(t),其频率f1代表了从信号发射至接收,信号产生的频率偏移。然而,频率偏移的大小,代表了探测目标所在的位置。因此,接收机和发射机的起点时差t1的不同,将引起接收机混频之后的基带信号频率f1随着t1变化而变化,最终导致距离向的判断出现出错[11]。所以,接收站和发射站必须进行严格的时间同步。

与时间同步类似,由于频率偏移与距离有关,在组网雷达中,频率同步也很重要;采用超外差式体制的接收机,回波信号通过与本振混频对信号进行解调,混频之后的频率体现在回波信号与本振信号的频差。因此无论是收发同站,或者收发分站模式,都必须进行频率同步。而在多站组网工作时,采用了相位累加的方法实现多站多普勒谱图的分离,因此,也必须实现相位同步。

2 方案设计

天地波组网高频地波雷达同步控制系统设计主要包括外同步模块以及内同步模块的设计。外同步模块,主要为系统提供时频源,并实现组网中各部雷达的时频同步。内同步模块,用于产生系统工作所需的各种同步时序波形。只有当完成外同步和内同步之后,系统才实现了高精度、高稳定的同步。

2.1 外同步方案对比

常规双/多基地雷达同步方法主要包括直接法和间接法。直接法是将发射机的发射触发脉冲经过各种数据链路直接传送到接收机以实现时频同步。这种方法的数据链路易受干扰,且有线的数据链路需要在各站之间架线,成本高,而且布站灵活性差。对于要求纳秒级的时频同步方法最常用的是间接法,在此,着重论述常用的三种间接同步方法：微波/(光纤)链路双向传递同步法、直达波同步法和GPS同步法。

(1)微波/(光纤)链路双向传递同步

微波/(光纤)链路双向传递同步法是由收站、发站原子钟各自产生相应的稳定度和准确度与原子频标同量级的定时脉冲,通过微波信道双向传递定时脉冲,采用高精度远程时间比对和频率比对技术,测量远程定时脉冲与本地定时脉冲之间的精确时间差(精度达纳秒级)。测量出的时差包括收、发站的微波系统硬件引入的时差、空间传播时差和收发站的定时脉冲间的时差。采用DDS技术,对原子钟进行频率修正和相位修正,控制两站定时脉冲同步,两站定时脉冲同步精度优于10 ns。图2是微波/(光纤)链路双向传递同步系统框图。

图2 微波/(光纤)链路双向传递同步框图

(2)直达波同步

在接收站和发射站距离不是太远的情况下,由于直达波是按距离的平方衰减,直达波的信噪比较高,可以用于提取同步信号。接收站需要设置两个接收通道：一个用来接收直达波信号,也称参考信道,目的是提取同步信号;另一个则用来接收目标回波信号,以完成对目标的探测和跟踪处理[12]。

由于天地波组网雷达采用天波发射、地波接收的模式。天波发射的直达波信号经过电离层反射到达各个接收机,所经过的距离达到1 000 km以上,已经不能满足提取同步信号对信杂噪比的要求。

(3)GPS同步

全球导航卫星定位系统(GPS)作为一种空间信息资源可供全球分享,它是以卫星定位为基础的微波定位导航系统。GPS接收机在定位的同时,结算出GPS时间,产生1 pps(脉冲数每秒)的信号,该信号的长期稳定度与GPS原子钟同量级,可以作为频率基准,且GPS接收机体积小,携带方便,只需将接收天线放置在开阔的场地即可在短时间内达到同步。

针对天地波组网雷达同步要求,我们对这些同步方法进行了对比,并在表1中列举了各种同步方法的优缺点;GPS同步与其他传统同步方法相比,具有使用方便、覆盖范围大、同步精度高、不受地理和气候条件限制等众多优点,且成本合理,是天地波组网雷达时频同步的最佳方法[13-15]。基于此,我们选择GPS为整个组网雷达系统提供外同步服务。

表1 外同步方案的优缺点___

2.2 外同步方案设计

(1)外同步模块选取

外同步模块选用GPS接收模块作为组网雷达系统外同步源。GPS接收模块主要包括GPS接收板卡和天线,能够为组网系统中各站提供精准的频率源和时钟源。GPS外同步模块,能够联合分布在各个不同地区的雷达系统,使它们成为一个统一的、高精度同步的组网雷达系统。如图3所示,每个雷达站配备一个GPS接收机,GPS接收机在定位的同时,结算出GPS时间,产生1 pps秒脉冲信号。同时,系统响应1 pps秒脉冲信号的上升沿,并产生外同步更新信号进行实时同步更新。当各站都实现时间、频率以及相位同步之后,整个组网雷达即实现了外同步。

图3 GPS同步框图

(2)外同步模块特点

GPS接收模块所采用的HJ5442M-4板,是一款高集成度的GPS驯服恒温晶振同步时钟模块,该模块集成了恒温高稳晶振OCXO和高精度授时型GPS-OEM板,产生并发送精确稳定的时间和频率信号(1 pps,10 MHz)。频率输出日平均准确度小于10-12,实时准确度可以达到5×10-10,为系统提供高精度的时间和频率参考信号。如表2为GPS接收模块的相位噪声指标,表3为GPS频率源稳定度列表。

表2 GPS相位噪声列表

表3 GPS频率源稳定度

GPS同步时钟模块特性如下：

①智能驯服 HJ5442M-4具有智能学习算法,在驯服晶振过程中能够不断“学习”高稳晶振的漂移等特性,并将这些参数存入板载存储器中。当GPS出现异常或不可用时,能够自动切换到保持模式(hold-over mode),利用高效的智能保持算法,继续提供高可靠性的时间和频率基准信息输出,在短时间内保持较高的精度。

②相位一致 1 pps时间信息是GPS驯服晶振输出10 MHz信号经过分频后得到秒脉冲信号,是UTC时间基准的“复现”,同时正弦波信号相位严格同步于时钟频率信号,不受GPS秒脉冲短时间随机跳变带来的影响。

(3)外同步模块部分代码

外同步更新程序实现了捕获秒脉冲信号xo_pps1的上升沿,并在其上升沿到来时触发更新脉冲信号update。同步控制模块响应更新信号update,实时更新同步时序信号。其程序Verilog代码如下所示：

2.3 内同步方案设计

(1)内同步模块设计

根据组网雷达对同步控制系统参数设计的要求,内同步系统设计主要包括PCI接口模块、基于FPGA芯片的双口RAM和PCI时序控制模块、主控模块、同步控制模块和系统复位电路,其中同步控制模块是内同步系统的核心,内同步系统框图如图4所示。

由于雷达工作的状态不同,同步信号的各参数在实际工作时往往需要调整,这就需要内同步系统在硬件上实现编程,在软件上能够准确设置参数。然后根据参数的设置产生固定的时序波形,使雷达达到严格的内同步。

因此,同步控制模块选用了FPGA作为核心芯片,负责同步控制脉冲波形的产生。该模块能够根据上位机所设置的波形参数,实时生成同步时序波形,具有参数可灵活设置的优点,能够满足组网雷达所需的参数要求。

(2)内同步时序波形设计

在满足雷达的总体技术指标要求下,为了避免雷达接收到的回波信号产生距离混叠或Doppler混叠,雷达波形参数必须经过严格的计算得出,包括信号扫频周期、发射脉冲TP的周期、正脉宽以及压低波脉冲TB的脉宽等。

图4 系统内同步框图

图5 为系统内同步设计所需生成的同步时序信号。图中各信号的作用解释如下：

发射脉冲(TP)为了实现收发共站,高频地波雷达采用线性调频中断连续波体制(FMICW),即采用占空比50%发射脉冲(TP)调制频率合成器产生的线性调频信号(FMCW),然后经过发射机放大之后通过天线发射出去。

压低波脉冲(TB)主要用于控制接收机收发开关,即保证发射期间不接收,接收期间不发射,由图5可以看出,TB正脉宽的前沿超前TP约10 μs,后沿滞后TP约10μs,其原因在于抑制发射信号(FMICW)泄露,因为发射信号的泄露会影响正常回波信号的接收。

线性调频触发脉冲(FMT)信号送至频率合成器,作为线性调频信号(FMCW)产生的触发时间基准。

帧采样触发脉冲(FMS)信号送至数字采集板,作为中频带通采样的触发时间基准。

接收和监测切换信号(HOLD)用于控制接收机与频谱监测仪分时工作。在其为高电平期间,频谱监测仪开始工作,分析预定时间内环境噪声频率成分,供雷达进行实时选频。同时,其上升沿也作为频率合成器和数字采集板暂停工作的标志。

(3)内同步程序流程图

在考虑组网雷达工作方式之后,所设计的同步控制系统工作的程序代码,其工作流程如图6所示,工作步骤如下：

① 系统等待上位机进行参数配置,当上位机参数配置操作完成,则传输给主控模块起始标志信号;

图5 同步时序波形

图6 内同步系统程序流程图

② 主控模块响应该起始标志信号,并读取双口RAM模块,然后将读取的参数送给同步控制模块;

③同步控制模块接收传输过来的配置参数,并判断系统工作模式：手动调试模式或GPS同步模式。

如果为手动调试模式,则系统检测手动更新,当有手动输入时,同步控制模块开始输出同步信号,该同步信号只适合单站工作模式;如果为GPS同步模式,则系统检测GPS状态,当GPS卫星和频率信号均锁定之后,同步模块开始输出同步信号,且在1 pps上升沿到来,同步时序波形进行更新,该同步信号适合天地波一体化组网同步工作模式。

3 实验结果

根据上述同步控制系统方案,所设计制作的板卡如图7所示。

图7 同步控制系统板卡

同步控制系统主要包括PCI接口模块、基于FPGA芯片的双口RAM和PCI时序控制模块、GPS接收模块、主控模块、同步控制模块和系统复位电路;本系统采用标准的CPCI总线接口,CPCI具有高开放性、高可靠性和可热插拔等特性,提高了整个雷达系统的稳定度。外同步模块,即GPS接收模块,它和同步控制模块相连,用于提供GPS锁定状态信号和1 pps秒脉冲更新信号。同时,GPS接收模块的UART和主控模块通过max232电源转换芯片相连,读取GPS状态语句并在上位机实时显示地理位置、锁定状态等信息。内同步模块,响应GPS状态信息,并实时更新同步时序波形,而且内同步模块可以实现参数灵活配置的要求,用以满足组网雷达所需的各种工作模式。

3.1 闭环测试结果

为了验证同步时序波形的正确性,我们对所有信号进行了闭环测试。部分关键信号测试结果如图8和图9所示。图8中1号通道为发射脉冲(TP),2号通道为经过TP调制之后的线性调频中断连续波信号(FMICW信号)。图9为经过发射脉冲(TP)和压低波脉冲(TB)调制后的发射信号和本振信号。从图中可以看出发射信号和本振信号的时序关系可以通过参数控制的,因此在实际实验过程中,通过对发射信号的时序偏移,可以实现天地波站之间的距离补偿。

图8 发射脉冲和调制后的发射信号

图9 同步信号调制之后的发射信号和本振信号

3.2 外场实验结果

(1)实验场地示意图

经过系统闭环测试之后,我们进行了外场实验测试。本次实验采用崇阳天波站发射、龙海地波站接收和龙海地波站自发自收同时工作的天地波组网工作模式,天地波两站地理分布示意图如图10所示。

图10 天地波组网实验场地示意图

在电离层探测仪的监测下,天波发射站通过数字波束形成技术,利用对数周期天线发射具有一定指向和波束宽度的窄波束,该方向的波束能够经过电离层反射覆盖到所需探测的海洋区域[16]。在发射信号频率、相位满足同步的基础上,对天波站发射信号加入时延,使天波海洋回波被搬移到与地波海洋回波不同的距离元,从而进行分离。从图10可以看出,当天地波组网雷达同步之后,崇阳站发射的天波信号经过电离层反射到远海地区,龙海地波站雷达接收机接收来至天波反射的信号以及自发的后向散射信号。

(2)实验结果频谱图

2013年11月20日始,在龙海站进行了为期一周的天地波组网实验。崇阳天波站发射频率为13 MHz的线性调频连续波(FMCW)信号,同时,龙海地波站发射频率8 MHz的线性调频中断连续波(FMICW)信号,并且采用天线阵接收回波信号[17]。从实验频谱图中不难看出,龙海站地波站不仅收到了从崇阳天波发射站发射的天波经海面散射的海洋回波,同时接收到了龙海站地波雷达自发自收的海洋回波。两种不同传播方式的海洋回波同时被接收机所接收,回波谱同时出现在多普勒谱中。通过分析接收机所接收的距离谱和多普勒,就可以实现对海洋表面风浪流场的反演[18]。图11和12分别为回波的二维和三维距离谱。图13为回波信号的多普勒谱图。

4 结束语

在多次组网观测实验过程中,系统都快速地实现了高精度的同步,并且收到了有效回波,成功地实现了天地波组网高频地波雷达精密同步。然而,在GPS外同步时,由于电离层扰动的存在,各站的外同步更新信号总存在变化的时差,对同步的精度有一定影响。因此,接下来的工作就在于根据电离层探测设备,实时监控电离层扰动状态,并对各站时差进行补偿,这样就能进一步提高天地波一体化组网雷达的同步精度。

图11 天地波组网二维回波距离谱

图12 天地波组网三维回波距离谱

图13 天地波组网实验多普勒谱图

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