【技术实现步骤摘要】
表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪技术范围本专利技术涉及一种勘测设备专用的频谱分析仪，特别涉及一种表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，属于专用频谱分析仪技术范围。
技术介绍
表面波海洋环境勘测设备是近几十年来发展起来的一种可连续勘测大面积海洋环境参数的无线电设备，它将大功率的高频垂直极化电磁波投射到海面上，当指向或背向勘测设备的两个海浪波列的波长等于二分之一勘测设备工作波长时，会对勘测设备电波产生最强的散射，把这种散射称为一阶散射。海洋表面状态以及其变化特征反映在海浪回波的多普勒频谱的特征上，利用Barrick建立的一阶散射截面方程可用来分析这些多普勒谱，通过相应的算法可以从设备回波中反演出风、浪、流等海洋物理信息，完成对广域海洋环境的实时全方位的勘测。此外，还可依据海上目标散射的回波谱与海浪回波谱的差异，探测到海面上低速移动的硬目标。与现有技术的其它海洋遥感设备相比，表面波海洋环境勘测设备具有覆盖面积大、探测精度高、造价适度、运行费用低、可全天候工作等优点，并能够探测到视距以外的海域，是最理想的海洋环境检测设备之一。随着...
【技术保护点】
1.表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，其特征在于，一是对表面波海洋环境勘测设备的工作波形做分析，提出了一种扫频外差式和FFT算法相融合的零中频采集方案；二是对表面波海洋环境勘测设备的频谱分析的中频数字化采集方案进行分析，设计研制了适用于表面波海洋环境勘测设备的频谱分析仪，详细设计了模拟前端电路、DDS电路、A/D采样电路和FPGA的控制模块，完成USB数据传输部分固件的编写，上位机的设计及测试；三是完成整个工程的原理图及PCB的绘制，制板成功后，结合示波器、信号源仪器完成设备的调试，验证了本专利技术频谱分析仪的正确性，并为后期设计全数字化的频谱分析仪奠定了良好的基础；...
【技术特征摘要】
1.表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，其特征在于，一是对表面波海洋环境勘测设备的工作波形做分析，提出了一种扫频外差式和FFT算法相融合的零中频采集方案；二是对表面波海洋环境勘测设备的频谱分析的中频数字化采集方案进行分析，设计研制了适用于表面波海洋环境勘测设备的频谱分析仪，详细设计了模拟前端电路、DDS电路、A/D采样电路和FPGA的控制模块，完成USB数据传输部分固件的编写，上位机的设计及测试；三是完成整个工程的原理图及PCB的绘制，制板成功后，结合示波器、信号源仪器完成设备的调试，验证了本发明频谱分析仪的正确性，并为后期设计全数字化的频谱分析仪奠定了良好的基础；
本发明设计的表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪包括硬件和软件两部分：硬件方面，由模拟接收前端开始，以滤波器、放大器、变频器为核心，完成所需分析的微弱信号的放大和解调功能；应用DDS芯片，产生所需的本振信号；ADS8505完成对模拟信号的数字采集；采用ALTERA的CYCLONE3系列芯片完成整个设备的时序控制，协调各数字部分的运作；设备的数据传输，采用USB3.0技术，所用控制芯片为CYPRESS公司的CY7C68013；软件方面，以VisualStudio2010为设计平台，完成对采集数据的读取、FFT处理、频谱显示、数据保存，最终整个频谱分析设备以实物的形式展现；
本发明的表面波海洋环境勘测设备的频谱分析仪基于外差式结构和FFT的原理，并将二者融合改进，在频谱分析期间，本振输出为单频信号hLO，由本振频率和射频信号hR以及低通滤波器的截止频率hL确定外部噪声信号的频谱，频率范围为hLO～hLO+hL，当采集完1024个数据点，完成一次采样，此时，本振源的输出为hLO+1KHz，此时得到的外部噪声的频率勘测范围为hLO+1KHz～hLO+1KHz+hL，以此类推，当得到1500个带宽为hL的频谱信息时，完成1.5MHz带宽的扫频，完成一次频谱分析；
时序控制方面，数据的采集工作主要是在勘测设备的工作间歇期，也即是在Dq的低电平期间，表面波海洋环境勘测设备一个完整的扫频周期D＝125ms，每个扫频周期的间隔为Dinterval＝3.125ms，门控脉冲的周期Dq＝3.125ms，脉冲宽度为Dp＝(3.125/2)ms，即需要在(3.125/2)ms内做一次采样；
本发明的频谱分析仪低通滤波器截止频率为300Hz，AD采样频率为100KHz，每一次频谱分析共计采样8个脉冲间隔时间(Dad＝8*3.125/2)ms,则可采集1250个点，然后进行FFT，得到300Hz带宽内的信号信息，同时，DDS转换一次频率hLO+1KHz，进行下一帧的采样，如此类推，完成整个频段的频谱分析时间为(8*Dq*1500＝37500)ms；然后对采集完的所有信号进行统计分析，得出外部噪声信号的频谱，为海洋环境勘测设备选择合适的工作频率作参考。
2.根据权利要求1所述的表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，其特征在于，扫频外差式和FFT算法相融合的零中频采集方案中，采样率和低通滤波器的截止频率的选择包括：
第一，以单频12MHz的本振信号和接收信号进行混频，得到1.5MHz带宽的信号，不直接采样，而是再通过一个窄带的低通滤波器进行扫描式监测的原因为：首先，由于带通滤波器的窄带不可能理想化，它就避不开严重的变频器镜频干扰，基本无法完成监测任务，其次，对1.5MHz带宽的信号进行采样，工程上采样率要在5MHz以上，则整个设备的数据率会大幅提高，对后续数据的处理带来极大困难，设备功耗也随之增大，最后，因为采样点数的不足，导致所能监测的谱的分辨率很低，以5MHz采样1024点作FFT为例，其谱的分辨率则接近5KHz；
第二，300Hz截止频率的选择：低通结构是由整个设备监测原理决定的，而300Hz的截止频率则是为了滤除调制信号以及其谐波(周期为3.125ms)。
3.根据权利要求1所述的表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，其特征在于，频谱分析仪主要包括模拟前端、DDS电路模块、A/D采样电路、USB接口电路和FPGA控制模块及其它附属电路；
模拟前端主要用于天线接收微弱信号的放大、选取，经过混频电路，得到一个准零频信号；DDS电路主要是每隔一个扫频周期，得到一个单频信号，放大滤波后与天线进来的信号进行混频；A/D采样电路，经过混频电路出来的信号为近零频的窄带信号，采用A/D采样电路对模拟零频信号进行采样、量化和编码输出；USB接口电路，主要完成采集后数据的传输；FPGA控制模块，完成整个设备的同步与控制协调。
4.根据权利要求1所述的表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，其特征在于，模拟前端设计：本频谱分析仪有两条信号通路，第一条信号通路主要实现通过一个带通滤波器选取噪声信号的接收频段，经过两级放大之后进入变频器的RF端，整条通路的电压增益为40dB；第二条信号通路为DDS本振信号端，经过滤波放大，得到合适的增益，输送到变频器的LO端，该条通路的电压增益为52dB，在模拟端包括的器件为三类：滤波器、放大器和变频器；
滤波放大电路设计：本发明要求分析监测带宽为300Hz，滤波器MAX297的截止频率有两种方式进行调节，一种是通过调节起振电容的大小，调节时钟频率，另一种是通过外接时钟信号的方式，滤波器时钟频率与通带频率之比为50：1，截止频率在0.1Hz至50kHz灵活设置，满足设备的各类需求，MAX297的1管脚的clk信号通过外接一个电容的方式实现截止频率的选择，根据MAX297的截止频率和clk的比值为1:50的关系确定截止频率fc，经过实际调试，本发明选择2.2nF电容接地，实现300Hz的截止频率。
5.根据权利要求4所述的表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，其特征在于，放大器的选取：信号通路中的各级放大器的选择依据为：合适的增益，低的噪声系数，较大的线性范围，输入输出阻抗的匹配及足够的带宽，综合考虑各项指标，在RF信号通路增益放大单元采用MINI公司生产的低噪声放大器GALI52，为使变频器具有高的本振激励，对于本振通路采用GALI54和MICRO公司生产的RF2317组成的两级放大电路对DDS输出的本振信号进行放大；
最后一路为混频滤波后的放大，主要是驱动后面A/D转换器，满足A/D的输入要求，这一级采用DI公司的OPA277精密运算放大器，它提供的噪声更低，输出电压摆幅更宽，具有超低的失调电压和漂移和偏置电流，该运放采用单级5v供电，通过匹配反馈电阻，得到十倍同向放大能力；
该运放的放大能力通过调节R18和R14，获取不同的放大倍数，在输入端加入直流，对于反馈回路中的C25十分重要，将直流隔掉，使其不被放大。
6.根据权利要求1所述的表面波海洋环境勘测设备专用的频谱分析仪，其特征在于，DDS电路设计：AD9854的工作控制通过对内部寄存器的配置实现，本发明采用串行方式操作，采用两线制方式，一个串行操作周期分为指令操作和数据操作两部分，在前八个串行时钟的上升沿配置读写方式以及定出寄存器的地址，其中读写方式控制在最高位，O代表写操作...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘文平，何克慧，
申请(专利权)人：荆门汇易佳信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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