一种时分复用的雷达传感系统技术方案

本发明专利技术公开了一种时分复用的雷达传感系统。第一射频开关的公共端与发射机连接，连接端均连接到天线模块，控制端控制第一射频开关的公共端在同时刻下与且仅与一个连接端连通；接收模块包括接收机和第二射频开关，第二射频开关的结构与第一射频开关相同，第二射频开关的连接端均连接到天线模块，第二射频开关的公共端与接收机连接，控制端控制第二射频开关的公共端在同时刻下与且仅与一个连接端连通；发射机依次通过第一射频开关、天线模块、第二射频开关与接收机连通并形成一组信号通道，两个射频开关的连接端的不同组合连接形式形成了从发射机到接收机的多组不同的信号通道。本发明专利技术在实现多输入/输出系统的同时，降低系统成本和冗余度。

A Time Division Multiplexing Radar Sensing System

【技术实现步骤摘要】
一种时分复用的雷达传感系统
本专利技术一种时分复用连续波雷达传感器系统，以连续波或脉冲形式的射频电磁波为媒介，涉及了雷达理论，涉及了射频电路设计和信号处理算法。
技术介绍
雷达曾作为军用战略设备被广泛应用。而雷达传感器的发展使得雷达技术更趋向于小型化和民用化。而电磁波的多普勒频移对于不同制式的雷达广泛使用，其定量计算形式简单，是雷达感知运动目标的主要物理量。近年来，雷达组阵技术也在各个层面的研究中卓有进展，其需求源自于对感知目标描述更加细节的要求，多部雷达可以获取到更多的信息，如南非射电望远镜组“平方公里阵列”；而合成孔径雷达则是利用单部雷达在空间扫描并进行相干处理，等效获得多部雷达的观测孔径。而对于雷达传感器，该技术的引入也大有裨益，有助于对复杂运动模式以及复合运动模型的感知，识别，成像。常见的雷达传感器组阵，或者雷达传感网络，需要多部完整的收发组件，除了共用同步时钟系统，每个收发天线均需要配置相应的接收机和发射机，一方面增加了系统的重复性和冗余度，另一方面也增加了组网或组阵成本。
技术实现思路
为了解决背景中提出的问题，本专利技术提出了一种时分复用的雷达传感系统。本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术包括发射模块、接收模块、天线模块和数据处理控制模块，接收天线、发射天线以及双工天线可以在能接收到散射回波的条件下允许任意放置。发射模块包括发射机和第一射频开关，第一射频开关具有一个公共端、控制端和多个连接端，第一射频开关的公共端作为第一射频开关的输入端口与发射机连接，所有连接端均连接到天线模块，控制端用于控制第一射频开关的公共端在同时刻下与且仅与其中一个连接端连通；接收模块包括接收机和第二射频开关，第二射频开关的结构与第一射频开关相同，第二射频开关的所有连接端均连接到天线模块，第二射频开关的公共端作为第二射频开关的输出端口与接收机连接，控制端用于控制第二射频开关的公共端在同时刻下与且仅与其中一个连接端连通；发射机依次通过第一射频开关、天线模块、第二射频开关与接收机连通并形成一组信号通道，两个射频开关的连接端的不同组合连接形式形成了从发射机到接收机的多组不同的信号通道；本专利技术还可以仅在发射通路或接收通路连接射频开关，达到单收多发或多收单发的时分复用的功能。数据处理控制模块包括控制单元，控制单元分别发射机和接收机相连，用于设定发射机和接收机的工作模式以及设定发射机的电磁波发射频率等参数；控制单元还分别与两个射频开关的控制端连接，用于控制信号通道的选通。所述的工作模式包括连续波模式、脉冲模式或连续波/脉冲混合工作模式。在切换信号通道的过程中不干扰本振信号，因此不影响相位的连续性。任意一组信号通道的信号传输过程为：控制单元控制发射机发出电磁波信号并通过天线模块发射到待测对象，接收机通过天线模块接收经待测对象反射后的回波信号，接收机将回波信号发送到控制单元进行采样处理；控制单元预设选通的信号通道的组数以及选通次序，将所有组信号通道依次选通并采样一次的时段定义为一拍，一拍对应时长的倒数为拍频；将一组信号通道选通并采样所占据的一拍中的时段定义为一隙，一隙对应时长的倒数为隙频。将隙频作为系统的总采样频率，则系统总采样频率等于隙频，单通道采样频率等于拍频，隙频＝拍频×总通道数。控制单元按照总采样频率依次对接收机接收到的回波信号进行周期采样得到各个采样点下的采样信号，控制单元将采样信号进行数据处理得到在各个信号通道在同一时刻下的采样信号；通过在不同时隙中切换不同的信号通道构成时分复用的多发射和/或多接收系统。连续两次对单个通道采样的间隔里包含了对所有通道进行采样的过程(一拍)，所以一拍的时长等于隙长×通道数，那么依据倒数关系，拍频就是隙频÷通道数，若总共N个通道，则拍频F，拍长T，隙频f，隙长t的关系为：T＝1/Ft＝1/fT＝t*NF＝f/N所述的总采样频率满足奈奎斯特采样定理或带通采样定理的条件。总采样频率数值上等于隙频，比较精确的描述是，从一个通道采样完成，到下一个通道采样完成，历经的时间长度的倒数。不同的定义所指代上述相同的物理过程应当受本专利保护。所述的天线模块采用单工天线形式，单工天线形式主要由发射天线阵列和接收天线阵列组成，第一射频开关的每个连接端与发射天线阵列中各自的发射天线连接，第二射频开关的每个连接端与接收天线阵列中各自的接收天线连接。电磁波信号通过发射天线阵列发射到待测对象，接收机通过接收天线阵列接收经待测对象反射后的反射信号。所述的天线模块采用全双工天线形式，全双工天线形式主要由全双工天线和环形器构成，环形器包括三个端口，其中两个端口分别与第一射频开关的连接端和第二射频开关的连接端相连，另外一个端口与全双工天线相连。电磁波信号通过全双工天线发射到待测对象，接收机再通过全双工天线接收经待测对象反射后的反射信号。天线模块采用环形器部件，单个天线可以具有全双工功能，可以在一个系统中实现单基地雷达和双基地雷达并存。如图5所示，若将相邻的三个端口分别标记为端口1、端口2、端口3，则连接方式为端口1连接发射机射频开关的其中一路，端口2连接双工天线，端口3连接接收机射频开关的其中一路，信号流向为1→2→3，实际操作应当保证各端口阻抗匹配，因此在端口3没有反射信号传输至端口1。若有其他端口，需保持其余端口阻抗匹配。数据处理控制模块还包括时钟单元，时钟单元分别与发射机和接收机连接，时钟单元分别向发射机和接收机发送同相等频的射频参考信号，时钟单元对各组信号通道进行定时采样并按照信号通道的选通次序进行定时切换。时钟单元在系统中的角色，一方面传输至发射机与接收机作为射频参考信号，另一方面，对通道切换和采样进行定时触发，决定了系统的采样率。时钟单元既作为控制单元、收发模块的参考时钟以保证系统的相参性，也包括通过分频到较低的频率作为射频开关切换的节拍控制。所述的控制单元将采样信号进行数据处理具体包括以下步骤：步骤1：在总采样频率满足奈奎斯特采样定理或带通采样定理的条件下，设定系统的可接受延时阈值；若顺序采样的相邻两个信号通道之间产生的延时小于延时阈值，则认为切换通道延时可以忽略，无需进行数据对齐处理，直接将控制单元采集的各个信号通道对应的采样点作为同时刻下的各个信号通道的采样信号，并结束数据处理；若顺序采样的相邻两个信号通道之间产生的延时大于延时阈值或对于数据对齐有要求的情况下，进行步骤2；步骤2：采用插值对齐的方法进行数据对齐：若一拍包括N组信号通道，在各个信号通道的每相邻两个采样点之间采用线性插值的方法等间隔地插入N-1个插值点，使得一拍中的任意一个采样点，其他所有通道在同时刻下均具有与之对应的插值点，然后等间隔提取同时刻下各个通道对应的采样点或插值点作为同时刻下的各个信号通道的采样信号，从而实现数据对齐。典型的射频开关的通道控制采用译码器机制，如1-2/2-4/3-8译码器等，即通过二进制数字高低电平控制开启相应的通道，各个通道间切换响应速度在纳秒级别，能够满足时分复用一拍中各个通道的采样保持时间。时分复用机制下的数据对齐方法用以解决一拍中不同通道间的切换延迟问题，操作对象是采样得到的离散数字信号。步骤2所述的插值对齐的方法还包括低通插值或三次样条插值。本系统仅采用一个发射通路和一个接收通路，发射通路和接收通路之间通过射频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时分复用的雷达传感系统，其特征在于：包括发射模块、接收模块、天线模块和数据处理控制模块，发射模块包括发射机和第一射频开关，第一射频开关具有一个公共端、一个控制端和多个连接端，第一射频开关的公共端作为第一射频开关的输入端口与发射机连接，所有连接端均连接到天线模块，控制端连接在公共端和一个连接端之间，控制端用于控制第一射频开关的公共端在同时刻下与且仅与其中一个连接端连通；接收模块包括接收机和第二射频开关，第二射频开关的结构与第一射频开关相同，第二射频开关的所有连接端均连接到天线模块，第二射频开关的公共端作为第二射频开关的输出端口与接收机连接，第二射频开关的控制端用于控制第二射频开关的公共端在同时刻下与且仅与其中一个连接端连通；发射机依次通过第一射频开关、天线模块、第二射频开关与接收机连通并形成一组信号通道，两个射频开关的连接端的不同组合连接形式形成了从发射机到接收机的多组不同的信号通道；数据处理控制模块包括控制单元，控制单元分别发射机和接收机相连，用于设定发射机和接收机的工作模式以及设定发射机的电磁波发射频率；控制单元还分别与两个射频开关的控制端连接，用于控制信号通道的选通。

【技术特征摘要】
1.一种时分复用的雷达传感系统，其特征在于：包括发射模块、接收模块、天线模块和数据处理控制模块，发射模块包括发射机和第一射频开关，第一射频开关具有一个公共端、一个控制端和多个连接端，第一射频开关的公共端作为第一射频开关的输入端口与发射机连接，所有连接端均连接到天线模块，控制端连接在公共端和一个连接端之间，控制端用于控制第一射频开关的公共端在同时刻下与且仅与其中一个连接端连通；接收模块包括接收机和第二射频开关，第二射频开关的结构与第一射频开关相同，第二射频开关的所有连接端均连接到天线模块，第二射频开关的公共端作为第二射频开关的输出端口与接收机连接，第二射频开关的控制端用于控制第二射频开关的公共端在同时刻下与且仅与其中一个连接端连通；发射机依次通过第一射频开关、天线模块、第二射频开关与接收机连通并形成一组信号通道，两个射频开关的连接端的不同组合连接形式形成了从发射机到接收机的多组不同的信号通道；数据处理控制模块包括控制单元，控制单元分别发射机和接收机相连，用于设定发射机和接收机的工作模式以及设定发射机的电磁波发射频率；控制单元还分别与两个射频开关的控制端连接，用于控制信号通道的选通。2.根据权利要求1所述的一种时分复用的雷达传感系统，其特征在于：任意一组信号通道的信号传输过程为：控制单元控制发射机发出电磁波信号并通过天线模块发射到待测对象，接收机通过天线模块接收经待测对象反射后的回波信号，接收机将回波信号发送到控制单元进行采样处理；控制单元预设选通的信号通道的组数以及选通次序，将所有组信号通道依次选通并采样一次的时段定义为一拍，一拍对应时长的倒数为拍频；将一组信号通道选通并采样所占据的一拍中的时段定义为一隙，一隙对应时长的倒数为隙频；将隙频作为系统的总采样频率，控制单元按照总采样频率依次对接收机接收到的回波信号进行周期采样得到各个采样点下的采样信号，控制单元将采样信号进行数据处理得到在各个信号通道在同一时刻下的采样信号；通过在不同时隙中切换不同的信号通道构成时分复用的多发射和/或多接收系统。3.根据权利要求1所述的一种时分复用的雷达传感系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翼，冉立新，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33