一种用于北斗导航的探空系统处理装置的制作方法

本发明涉及雷达探测技术领域，具体地，涉及用于北斗导航的探空系统处理装置。

背景技术：

气象雷达探空系统用于探测球载探空仪，接收探空仪信号，并对探空仪进行测向和跟踪，随着对气象预测的实时性和准确性需求逐渐加大，需要在不同时段进行多个探空仪施放，同时由于探空的电磁环境的也越来复杂，给地面对探空仪的探测性能带来了极大挑战。

现阶段，北斗导航需要用到雷达来发送信号，需要对信号进行传输处理。然而现阶段的波束切换技术是利用波束切换方式的天线，一般由7个波束天线构成，水平6个波束天线角度60°，天顶一个波束，所以通常不大。

一般在工作时，对于一个仪，众多天线中，只有一个波束天线是出于工作状态的。当用户更换，或用户位置转移时，天线系统会根据情况更换波束天线指向，即停掉之前的波束天线，然后让另一个角度正确的波束天线继续工作。但该技术仍然只能同时处理一个仪，且不能实现抗干扰功能，不利于普及应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于北斗导航的探空系统处理装置，该用于北斗导航的探空系统处理装置克服了现有技术中的只能同时处理一个仪，且不能实现抗干扰的功能，保证波束宽度满足侧向精度为3度要求。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于北斗导航的探空系统处理装置，该探空系统处理装置包括依次连接的以下模块：七阵元阵列天线、模拟下变频处理板和自适应数字波束形成处理板；其中，所述七阵元阵列天线将接收到的探空仪射频信号发送至所述模拟下变频处理板，所述模拟下变频处理板对所述探空仪射频信号处理转化为模拟中频信号并发送至所述自适应数字波束形成处理板，所述自适应数字波束形成处理板对所述模拟中频信号进行干扰抑制，并输出以用于探空仪信号解析。

优选地，所述七阵元阵列天线包括：七个圆极化天线，所述七个圆极化天线组成均匀面阵。

优选地，所述七个圆极化天线中相邻两个圆极化天线的间距为半波长。

优选地，六个圆极化天线均匀分布于以所述半波长为半径的圆上；剩余的一个圆极化天线布置于圆心所在位置。

优选地，所述模拟下变频处理板包括依次连接的以下部件：低噪声放大器、模拟滤波器和模拟下变频器；其中，所述低噪声放大器接收所述探空仪射频信号，并将所述探空仪射频信号放大得到信号a，所述模拟滤波器过滤放大后的所述探空仪射频信号得到信号b；所述模拟下变频器将信号b转化为模拟中频信号。

优选地，所述自适应数字波束形成处理板包括依次连接的以下部件：ad采样模块、通道校正模块、信号方位解算模块、干扰抑制模块和数模转换模块；其中，所述ad采样模块将模拟中频信号采样转换为数字中频信号；所述通道校正模块对数字中频信号进行信号校正；所述信号方位解算模块利用music算法对多个探空仪进行测向和跟踪；所述干扰抑制模块对无用干扰信号利用时联合处理的正交投影类算法进行自适应抑制得到信号c，并形成多波束方向图探测多个仪；所述数模转换模块将信号c转换成模拟中频信号并将所述模拟中频信号输出用于探空仪信号解析。

优选地，在所述低噪声放大器之前设置有高性能窄带带通滤波器。

优选地，所述ad采样模块采用高速双通道模数变换器。

通过上述的实施方式，克服了现有技术中的只能同时处理一个仪，且不能实现抗干扰的功能，采用七阵元天线阵列设计，保证波束宽度满足侧向精度为3度要求，利于对探空仪信号最大匹配接收，利于普及及应用。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是说明本发明的一种用于北斗导航的探空系统处理装置的系统结构示意图；

图2说明本发明的一种用于北斗导航的探空系统处理装置的七阵元天线阵列利用hfss仿真软件构造的3d模型图；

图3说明本发明的一种用于北斗导航的探空系统处理装置的七阵元天线阵列电压驻波比(vswr)图；

图4说明本发明的一种用于北斗导航的探空系统处理装置的天线单元中心频点的增益方向图；

图5说明本发明的一种用于北斗导航的探空系统处理装置的模拟下变频处理板射频组件单路通道原理框图；

图6说明本发明的一种用于北斗导航的探空系统处理装置的中频滤波器性能仿真图；

图7说明本发明的一种用于北斗导航的探空系统处理装置的自适应数字波束处理板设计框架图；

图8说明本发明的一种用于北斗导航的探空系统处理装置的通道校正前数据信息图；

图9说明本发明的一种用于北斗导航的探空系统处理装置的通道校正后数据信息图；

图10说明本发明的一种用于北斗导航的探空系统处理装置的存在2个探空仪信号，3个非相干干扰信号处理效果图；

图11说明本发明的一种用于北斗导航的探空系统处理装置的存在2个探空仪信号，4个非相干干扰信号处理效果图；

图12说明本发明的一种用于北斗导航的探空系统处理装置的存在3个探空仪信号，5个非相干干扰信号处理效果图；以及

图13说明本发明的一种用于北斗导航的探空系统处理装置的存在3个探空仪信号，6个非相干干扰信号处理效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种用于北斗导航的探空系统处理装置，该探空系统处理装置包括依次连接的以下模块：七阵元阵列天线、模拟下变频处理板和自适应数字波束形成处理板；其中，所述七阵元阵列天线将接收到的探空仪射频信号发送至所述模拟下变频处理板，所述模拟下变频处理板对所述探空仪射频信号处理转化为模拟中频信号并发送至所述自适应数字波束形成处理板，所述自适应数字波束形成处理板对所述模拟中频信号进行干扰抑制，并输出以用于探空仪信号解析。

通过上述的实施方式，克服了现有技术中的只能同时处理一个仪，且不能实现抗干扰的功能，采用七阵元天线阵列设计，保证波束宽度满足侧向精度为3度要求，利于对探空仪信号最大匹配接收，利于普及及应用。

在本发明的一种具体实施方式中，所述七阵元阵列天线可以包括：七个圆极化天线，所述七个圆极化天线组成均匀面阵。

在该种实施方式中，所述七个圆极化天线中相邻两个圆极化天线的间距为半波长。

七阵元天线阵列设计包括七个圆极化天线，布阵方式是均匀面阵，七个独立阵元相互间距为半波长。六个阵元均匀分布在以半波长为半径的圆上，第七个阵元布置于圆心。

在该种实施方式中，六个圆极化天线均匀分布于以所述半波长为半径的圆上；剩余的一个圆极化天线布置于圆心所在位置。

在该种实施方式中，所述模拟下变频处理板包括依次连接的以下部件：低噪声放大器、模拟滤波器和模拟下变频器；其中，所述低噪声放大器接收所述探空仪射频信号，并将所述探空仪射频信号放大得到信号a，所述模拟滤波器过滤放大后的所述探空仪射频信号得到信号b；所述模拟下变频器将信号b转化为模拟中频信号。

为了更好地抑制带外干扰信号，提高灵敏度，在系统的前端加一个高性能窄带带通滤波器，以提高系统的抗干扰能力，但是滤波器的引入，会使系统前端噪声系数增加。所以，系统前端滤波器应选择带内插入损耗尽可能小的滤波器，而且为了减小系统的体积及便于集成，选用的是声表面波滤波器，其带内插损≤3db。对于电路后级滤波器，采用lc滤波器，其特点为有很高的矩形系数，对带外信号有很好的抑制，带外抑制≥45db。

为了将输入的射频信号放大到一定水平并控制噪声系数，要求选取的低噪声放大器除了增益够大外还必须有尽可能小的噪声系数。设计的低噪声放大器有15db增益，噪声系数≤3db。

模拟下变频器的作用是将输入信号通过混频，将模拟射频信号变频到中频。由于本振源的相位噪声会叠加到信号上，所以要求设计的本振源输出频率精确，而且相位噪声好。为了防止本振、射频、中频信号之间的相互串扰，在混频器各端口增加滤波器。选取的混频器要求其变频损耗小，噪声系数小，动态范围大，隔离度好。

在下变频链路中，中频滤波器对射频泄漏与本振泄漏很重要同时还要滤除变频杂散，有效的保证了中频信号的频谱纯度。声表滤波器，矩形系数虽好，但带内插入损耗过大，大大降低了链路的线性度，为了有效的保证带外抑制，而且插入损耗小，提高链路线性度后选用了lc方案。

在该种实施方式中，所述自适应数字波束形成处理板包括依次连接的以下部件：ad采样模块、通道校正模块、信号方位解算模块、干扰抑制模块和数模转换模块；其中，所述ad采样模块将模拟中频信号采样转换为数字中频信号；所述通道校正模块对数字中频信号进行信号校正；所述信号方位解算模块利用music算法对多个探空仪进行测向和跟踪；所述干扰抑制模块对无用干扰信号利用时联合处理的正交投影类算法进行自适应抑制得到信号c，并形成多波束方向图探测多个仪；所述数模转换模块将信号c转换成模拟中频信号并将所述模拟中频信号输出用于探空仪信号解析。

其中，ad采样模块拟采用高速双通道模数变换器，16比特量化，可输出补码和偏移二进制或格雷码格式的数据。在时钟上升沿采样，最高采样率125msps。每个通道输入的模拟信号峰峰值最高为2v。16位量化输出，可输出补码和偏移码或格雷码数字格式。它的所有指标都满足设计要求，而且自带参考电压和采样保持电路，外围电路简单。模拟信号输入采用差分输入模式。差分输入使用变压器选择的射频输入输出电压比1:1。为了与同轴电缆的50ω传输阻抗相匹配，模拟信号的入口设计输入阻抗为50ω。ad模块的采样时钟由变频模块提供。fpga采样时钟由ad提供。

通道校正模块是为了实现各通道的一致性。阵列天线由于个体差异、单元间互耦、电磁环境复杂等影响而产生的幅度和相位的不一致，必须进行校准和补偿。算法实施步骤如下：在天线阵列的每个通道fpga采样n点传给dsp1，dsp1对各通道数据分别做fft并搜索出通道频域点的最大值，该最大值和其它通道相应位置复数的比值为其它通道的处理系数，即幅相校正权。

music算法对接收数据的协方差直接进行特征值分解，通过寻找大特征值的个数来确定信号源的个数，并利用小特征值对应的特征向量张成噪声子空间与信号导向矢量张成的信号子空间之间的正交性，构造空间谱函数，通过峰值搜索的方式确定信号的波达方向，但是谱函数的峰值并不是具体的信号功率或者噪声功率，其尖锐程度和峰值的大小只放映了信号子空间与噪声子空间之间正交的优劣程度。

由于music算法需要特征值分解并根据大特征值的个数来确定信号的个数和噪声子空间，则准确确认大特征值的个数就成为了成功获得信号波达方向的必要前提。

阵列的数学模型，定义两个信号的空间相关度

式中

综合式(1)与式(2)可知ρ∈[0,1]。当两个信号的入射角越接近时相关系数越大，则协方差矩阵分解后的信号特征值特征值分布越不均匀，较大特征值和较小特征值之间的差距越大；当且仅当两个信号的入射角完全相同时，即ρ＝1，此时两个信号的能量完全重叠，信号特征值的数目将减少。

对协方差进行特征值分解后，得到的特征值满足关系

λ1≥λ2≥…≥λp≥λp+1＝…＝λm＝σ²(3)

根据式(2)和式(3)可知，所有的大特征值，都可以表示为各个信号功率的线性组合与噪声功率的和，即

其中αj∈[0,1],j＝1,2,…,p为各功率加权系数。如果入射信号的功率sj²较小，或者由于多个入射信号的空间相关系数较大即αj较小，则会导致大特征值中的部分较小特征值与噪声功率非常接近，进而影响大特征值个数的准确判断和对信号个数的准确估计。一旦噪声子空间内掺杂了某些信号的特征向量，会严重影响算法的对信号波达方向的估计性能。

若采用时域抽头数为k的空时域联合处理方法，根据前一节的分析结论，可得，对协方差进行特征值分解后得到的所有大特征值可表示为

比较式(4)和(5)可知，采用空时域联合处理后，所有的信号功率都被放大到了原来的k倍。通过空时域联合处理的方法，可对入射信号的功率进行放大，使得协方差矩阵的特征值在入射信号的功率较小或者入射信号空间相关度较大时，大特征值中部分较小的特征值能远大于噪声功率，保证了算法对信号个数的准确判断，提高了算法对波达方向的估计性能。

对协方差进行特征值分解后，得到所有的大特征值对应的特征向量张成的信号子空间us-st∈c^mk×p和所有的小特征值对应的特征向量张成的噪声子空间un-st∈c^mk×(mk-p)，再对扫描导向矢量进行空时域扩展，根据纯空域music算法的空间谱函数构造空时域联合处理的空间谱函数为

或者

对空间谱函数进行峰值搜索，峰值所对应的角度即为信号的波达方向。

干扰抑制模块在第3步中已知干扰方位信息为先验条件的情况下，阵元个数为m，p个独立的远场窄带干扰的导向矢量矩阵为a，选取适当的延时阶数k和延时因子

z＝exp(j*2πfcτ)(8)

其中fc为干扰信号的载波频率，τ为延迟时间间隔，则期望信号的空时导向矢量分别为

干扰信号的空时导向矢量为

同理可知线性约束正交投影法的空时约束导向矩阵为

则空时联合处理的正交投影类算法的最优自适应权矢量为

wst＝cst(cst^hcst)^-1f(12)

或

wst＝(i-ast(ast^hast)^-1ast^h)ast(θ0)(13)

由式(12)和式(13)的结果来看，空时联合处理把空域自适应权矢量扩展为m×k维，则阵列信号的接收数据矩阵需要被扩展为

则阵列的输出为

y(t)＝wst^hxst(15)

空时联合处理方法实际上是通过时域延时处理来增加了自适应阵列的自由度，即扩充了协方差矩阵的维数，结合空时联合处理的数学分析，可知当协方差矩阵的维数增加后，干扰信号和期望信号的空间相关度彼此间都减小了。同时由于整个阵列的维数被扩充，且干扰子空间的维数没有发生变化，所以干扰子空间的正交补空间，即噪声子空间的维数得到了增加，这使得噪声子空间的稳定性得到了提高，这种稳定性对于阵列的方向图增益上表现为干扰位置的零陷更加尖锐，非干扰方向上的方向图增益更加平坦。

在该种实施方式中，在所述低噪声放大器之前设置有高性能窄带带通滤波器。

在该种实施方式中，所述ad采样模块采用高速双通道模数变换器。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。