一種導航雷達信號采集的實現方法*

宋洪良　唐小明　張　濤

(海軍航空工程學院電子信息工程系　煙臺　264001)

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一種導航雷達信號采集的實現方法*

宋洪良唐小明張濤

(海軍航空工程學院電子信息工程系煙臺264001)

摘要雷達數據采集在雷達數據分析和處理過程中起著至關重要的作用，如何高效、經濟、高質量的進行數據采集是第一步。通過導航雷達JMA2254的實際信號分析，選擇具有14位采樣精度、65MSPS采樣速率的AD9248采樣芯片，很好地完成數據的采集，將模擬雷達信號轉換為數字信號。通過實際電路板的制作與測試，完成了雷達信號的AD轉換，并通過與實際雷達波形的對比以及圖像的對比，檢驗采樣的效果。

關鍵詞數據采集; AD9248; AD轉換

Class NumberU666.1; TN959.2

1　引言

導航雷達是一種用于船體探測周圍目標，以便及時進行避讓，進行自身定位等用途的雷達，它能獲得目標的距離、方位等基本信息。每艘船舶上基本都配備有一部甚至多部導航雷達，但這些雷達之間缺乏一種信息的交流與溝通。據不完全統計，我國現有各類漁船近30萬條，再加上各類商船、客船等，分布在沿海一線以及各類湖泊河流，如果把每條漁船上的雷達數據都通過網絡傳輸到一個終端平臺進行綜合處理，形成一個整體的態勢圖，那么這些數據將具有很高的軍事意義。

要進行雷達間信息的交互，首先就要對雷達信號進行采集。目前國內外對于雷達數據采集的手段主要有基于USB數據采集系統[1]，這種方式出現較早，但速度較慢；基于雷達卡的數據采集系統[2～3]主要針對雷達數據，但其輸入信號為RGB信號，是經過處理之后的數據；基于FPGA的數據采集系統[4～5]利用FPGA芯片處理速度快，時鐘頻率高等特點，能夠將原始雷達視頻信號采集下來。

本文采用基于FPGA的數據采集系統，通過AD9248芯片將采集得到的模擬信號進行數字化處理，為后續處理打下基礎[6]。

2　導航雷達信號分析

對于雷達信號采集，主要是采集四路信號，分別是方位信號、觸發信號、船首信號以及視頻信號。其中前三路信號是同步信號，視頻信號是目標回波信號。

方位脈沖信號是用來計算雷達天線轉過的角度，通過方位脈沖的數字化量度，確定雷達天線所指方向；觸發脈沖是用來同步視頻信號，確定回波的起始，控制每次采樣的開始；船首信號也叫零方位信號，其主要作用就是每過一個掃描周期產生一個脈沖，表示新的一幀掃描的開始，其他信號重新開始計數，相當于起始信號；視頻信號是指目標回波信號，是采樣的主要信號，并且是模擬信號[7]。

通過示波器觀察，得到如圖1所示的四路信號波形。

從圖1示波器測量可知，方位脈沖0～5V，觸發信號為-4.5V～11V，船首信號為0到7V，視頻信號的電壓為-2.5V～1.5V。

3　信號采集方案設計

3.1AD芯片的選擇

選擇AD芯片，主要考慮兩個重要參數：采樣位數與采樣率[8]。

采樣位數決定了采樣的精度，位數越多，精度越高；采樣率決定了采樣的時間與精度。

由JMA2254導航雷達的性能參數可知，發射窄脈沖時f=2250Hz，脈寬τ=0.08μs，于是當距離分辨率為S′=Cτ/2=12m，另一方面，當采樣頻率為f時，每個采樣點的距離分辨率為Δ=C/2f，所以要保證采樣結果無失真，則Δ≤S′，即保證采樣頻率f≥1/τ，所以采樣頻率f≥12.5MHz。因此，我們采用采樣率為65MSPS，14位流水線型AD轉換器AD9248足以完成任務。

3.2調理電路設計[9]

由于本文用的AD9248芯片接受的電壓為一個2VPP，所以要求接受的信號要經過處理才可以。把4路信號都處理成一個峰值為2V的信號，交給AD，這樣AD才能處理，圖2是4路分信號的前置采集電路。

1)方位脈沖信號

圖2是一個方位脈沖信號采集電路的電路圖，經過之前的準備，得到方位脈沖為0～5V，前面R10和R12起到一個分壓的作用，在TP3點的最高電壓為10/(10+16)*5=1.923V，這樣電壓小于2V又接近2V，電壓為0到1.923V，滿足我們需要峰峰值為2V信號的要求。之后的C7和C8起到一個阻直的作用，R9和R13加上上面的5V直流電，給之前的方位脈沖信號提供一個2.5V的直流偏置，使它能夠很好的被運放器接受，因為我們用的運放器為LT1809，此運放器接受電壓為2.5V～12.5V，所以要加2.5V使其可以被接受，運放器放在這里起到一個保護電路的作用，如果沒有這個運放，若前面分壓電路出現了什么問題，后面板子很有可能就被燒毀了。

2)觸發脈沖信號采集電路

圖3是一個觸發脈沖信號采集電路的電路圖，經過之前的準備，得到觸發脈沖為-4.5V～11V，前面R10和R12起到一個分壓的作用，在TP4點的最高電壓為2.2/(2.2+16)*11=1.323V，最小電壓為2.2/(2.2+16)*(-4.5)=-0.532V。之后的C10和C11起到一個阻直的作用，其他的和上面方位脈沖一樣。

3)船首信號采集電路

圖4是船首信號的電路圖，信號介入之后先進入分壓，此處船首信號為0～7V要變為2VPP的信號，這樣上面用R20為16K的電阻，底下的為R21為3K，其分壓產生的阻值在TP5處為0.15V，小于2V且又接近2V，這里兩個電阻兩邊有兩個電容C12和C13，這兩個電容主要的作用是阻直流，通交流。后面的C14起到一個把直流分量消除的作用，其他的部分和上面一樣。

圖2　方位脈沖信號采集電路

圖3　觸發脈沖信號采集電路

圖4　船首信號采集電路

4)視頻信號采集電路

圖5　視頻信號采集電路

視頻信號是最重要的信號，其電壓值通過測量過后得到為-2.5V～1.5V，接受的信號是個交流信號，經過TP6之后，有個分壓電路，將信號處理成一個峰峰值為2V的信號，整個電路的上面是一個直流偏置電路，提供直流2.5V偏置，此地采用的是滑動變阻器，因為作為接受的最重要的信號，要保證其穩定的被接收，因為設計了兩個滑動變阻器，確保他分壓正確，視頻信號是必須采集的信號，所以這里做了類似保險一類的設計，其他的部分和上面3路信號一樣，這4路信號的原理都一樣，都是通過一個分壓，之后直流偏置送到運放器。把信號都處理成一個峰峰值為2V的電壓給后面的電路。

4　數據分析

將上述AD轉換電路通過電路板做成AD轉換板，以FPGA作為底板，形成一個雷達數據采集板完成雷達數據的采集[10]，電路板如圖6所示。

通過Quartus Ⅱ 13.1 SignalTap Ⅱ軟件觀察AD采樣后的數據波形如圖7所示。

從上述波形與圖1所示的原始波形比較分析可知，用14位，65MSPS的AD9248芯片能很好地完成采樣任務，將原始模擬信號完整的進行AD采集，采樣效果好，采樣速率與采樣精度都很高，達到了采樣的要求，與原始波形吻合度很高。

圖6　AD采集電路板

圖7　AD采樣波形

將采集到的雷達數據通過軟件編程，將其顯示出來[11]，并與雷達顯示屏所得到的雷達圖像進行對比。兩者對比如圖8所示。

圖8　雷達顯示屏與編程實現圖像顯示對比

通過上述兩幅圖像的對比可知，本文采用的數據采集方法所采集到的數據能很好地反映出雷達顯示屏所反映的主要信息，數據采集的效果明顯。

由于圖8(a)的圖像是雷達經過處理之后形成的，因此整體比較干凈，目標明顯，雜波較少；而圖8(b)的圖像是直接將采集到的原始數據進行顯示，無任何處理，除了雜波較多外，其主要目標與圖(a)基本一致。

從圖8兩幅圖畫圈部分分析可知，兩者是同一目標。從圖8(a)中只能看出是回波較大的目標，不能確定目標具體類型，通過圖8(b)將圖像與地圖結合，從中可以清晰看出該大塊目標是一座島嶼。因此本方法所獲得的數據是可靠的，本方法是可行的，并且對于后續的數據處理更加靈活，用途也更加廣泛。

5　結語

本文在FPGA芯片的基礎上，通過AD9248芯片對雷達四路主要信號進行采集。通過對雷達信號的波形分析，設計出相應的AD轉換調理電路，并通過將采集到的數據進行圖像顯示，與實際雷達顯示屏上的圖像進行對比，進一步驗證了該方法的合理性以及可行性。

本文的方法所采集到的數據是雷達原始數據，對于后續的數據處理具有非常重要的作用。如果將每部雷達的數據都通過本文的方法進行采集，然后將這些數據通過傳輸傳到一個共同的平臺上，那么將形成一幅大范圍的目標態勢圖，為各方面的形勢分析提供參考。

為了形成一個系統，可以將本方法做成一個雷達機頂盒，專門用來采集雷達數據，并在硬件方面進行進一步的完善，使其更加適合各種雷達，適合各種數據的采集。

參 考 文 獻

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[3] Popov V, Welch B L. PCI data acquisition card for application in radiation imaging systems[C]//Nuclear Science Symposium Conference Record， 2003 IEEE. IEEE，2003(4)：2339-2342.

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[5] 房慧龍.A/D轉換技術及其發展[J].中國西部科技：學術版，2007(7)：81-83.

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[10] 張博，段哲民.基于FPGA的數據采集系統設計[J].電子設計工程，2012，20(7)：86-88.

[11] 王恒心.基于FPGA的嵌入式導航雷達顯示系統[D].武漢：武漢科技大學，2007.

*收稿日期：2015年10月13日,修回日期：2015年11月26日

作者簡介：宋洪良，男，碩士，研究方向：雷達探測技術。唐小明，男，博士，副教授，研究方向：雷達信號處理。張濤，男，博士，研究方向：信號檢測、估計與目標識別。

中圖分類號U666.1； TN959.2

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.011

Realization Method of Navigation Radar Signal Acquisition

SONG HongliangTANG XiaomingZHANG Tao

(Department of Electronic Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001)

AbstractRadar data acquisition plays a vital role in radar data analysis and processing. How to achieve efficient， economical， high-quality data acquisition is the first step. By navigation radar JMA2254 actual signal analysis， a 14 sampling accuracy， 65MSPS sampling rate sampling chip AD9248 is chosen to complete data collection， and transform analog radar signal into a digital signal. By making and testing the actual circuit board， the radar signal AD conversion is completed. By comparison and contrast with the actual waveform radar images， the effect of test samples is tested.

Key Wordsdata collection, AD9248, AD conversion