一种FOD探测雷达系统的制作方法

本发明属于电子信息技术类集成电路嵌入式应用产品，具体涉及一种fod探测雷达系统。
背景技术：
：fod是foreignobjectdebris的缩写，泛指可能损伤航空器或系统的某种外来的物质，常称为跑道异物。fod的种类相当多，如飞机和发动机连接件(螺帽、螺钉、垫圈、保险丝等)、机械工具、飞行物品(钉子、私人证件、钢笔、铅笔等)、野生动物、树叶、石头和沙子、道面材料、木块、塑料或聚乙烯材料、纸制品、运行区的冰碴等等。fod的危害非常严重，实验和案例都表明，机场道面上的外来物可以很容易被吸入到发动机，导致发动机失效。碎片也会堆积在机械装置中，影响起落架、襟翼等设备的正常运行。据保守估计，每年全球因fod造成的直接损失至少在30-40亿美元。fod不仅会造成巨大的直接损失，还会造成航班延误、中断起飞、关闭跑道等间接损失，间接损失至少为直接损失的4倍。目前世界上较为典型的fod检测系统有4个，它们分别是英国开发的tarsier系统、以色列开发的fodetect系统、新加坡开发的iferret系统和美国开发的fodfinder系统。综合来看，现有的fod探测系统主要采用雷达探测技术与视频图像识别技术，在上述的4个系统中，tarsier系统、fodetect系统、fodfinder系统采用毫米波雷达探测为主、视频图像识别技术为辅的手段来探测fod；iferret系统只采用视频图像识别技术进行fod的探测。基于雷达技术的系统对颜色没有反应，而基于视频图像识别技术的系统能对颜色和光照对比度产生反应。2008年，faa的研究人员对以上4个系统分别在4个机场进行了性能测试，对每种技术的探测能力进行了评估。上述4种探测系统为机场提供了一个很宽的性能和价格选择范围，faa不限制机场应用何种fod探测技术，机场可以根据飞机的数量及种类、监控区域的数量种类及位置、探测的精度、机场的气候条件等因素来综合确定fod探测系统的具体性能指标。在我国尚未有关于fod监测的雷达或视频系统研制成功或投入试用的报道，机场对fod的监测都是靠人工定时巡视，靠人眼近距离搜寻，这种落后的方法效率低，可靠性差，而且大大占用了宝贵的跑道使用时间，使航班次数被迫减少。因此，研发具有自主知识产权的国产fod监测系统是我国航空业的当务之急。为了填补国内fod探测产品的空缺，申请人独立自主研制了本发明应用型产品。技术实现要素：本发明的目的是解决上述问题，提供一种fod探测雷达系统，其体积小，性能稳定，实用性强，抗干扰能力强。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种fod探测雷达系统，包括天馈分系统、中频分系统、数字分系统、电源分系统及辅助调试系统；所述包括天馈分系统设于天线舱，所述中频分系统、数字分系统及电源分系统设于电子舱，所述辅助调试系统设于外部。一、天馈分系统主要包括天线组件(包括天线支架)、发射链路、接收链路。其中天线完成毫米波信号的发射和接收，天线支架完成固定和角度调节的功能；发射链路完成输入低频信号的倍频和放大；接收链路完成将天线接收的信号放大、混频、本振倍频功能，最后输出中频信号。1、天线fod探测雷达天线分为发射天线和接收天线两部分，均为前馈式抛物面天线，共同完成毫米波段fmcw信号的辐射和接收。发射天线和接收天线均固定安装于天线舱内。2、收发前端主要包括发射链路和接收链路。发射链路完成发射信号的直接倍频放大；接收链路完成对接收信号的接收、变频和放大，并与本振信号输入经倍频后的信号混频形成接收一次中频信号。收发前端发射链路模块和接收链路模块均安装于天线舱内，分别与发射天线馈源喇叭和接收天线馈源喇叭连接。二、中频分系统主要包括发射频综、本振频综和接收机/lfm源。其主要功能为：利用晶振产生基准时钟，供整个雷达系统相关分机使用；根据程序配置生成lfm源信号，并对其进行功分、上变频、放大、滤波等处理后生成x波段的发射信号和接收本振信号；接收第一中频信号进行放大、滤波，并进行增益控制，并下变频至第二中频信号输出。1、发射频综发射频综安装于电子舱内，接收“接收机/lfm源”输出的lfm信号，然后将其变频生成发射信号，输出至发射链路，并对外输出两路80mhz时钟信号。2、本振频综本振频综安装于电子舱内，接收“接收机/lfm源”输出的lfm信号，然后将其变频生成本振信号，输出至接收链路倍频器。3、接收机/lfm源接收机/lfm源安装于电子舱内，为发射频综和本振频综提供同源lfm信号。同时接收收发前端接收链路输出的一次中频信号，并将其变频至二次中频信号，输出至信号处理机。三、数字分系统主要包括信号处理机和通信接口模块两个分机，完成雷达系统的数字控制、中频采样、数据处理、组网通信等功能。1、信号处理机信号处理机安装于电子舱内，为fod探测雷达的核心组成部分，在中频上处理fod回波信号，从噪声、杂波和干扰背景中检测目标回波，提取fod的距离、速度、方位等特征信息。信号处理机接收机场上位计算机系统的控制信息，设定fod探测雷达的工作流程，同时将fod的检测结果送至机场上位计算机系统。2、通信接口模块通信接口模块安装于电子舱内，用于将信号处理机的rs-422的串口通信信号转换为以太网接口信号，完成fod探测雷达与上位计算机系统的通信功能。多部fod探测雷达可与上位计算机系统组网通信。四、电源分系统二次电源安装于电子舱内，直流供电来自机场系统，产生fod探测雷达各分机模块工作所需的多种直流电源。五、辅助调测系统其它一些辅助调测系统，如外部供电设备、上位机模拟调试系统及专用数据采集系统等主要用于fod探测雷达系统的硬件、软件调试，测试和试验。其中，上位机模拟调试系统可实现与fod探测雷达单机或多机的以太网连接，模拟机场上位计算机系统运行人机交互显控软件，实现对雷达系统的各项模式设定和指令操控；对回传目标数据进行处理，显示机场跑道fod的探测结果。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的信号处理机采用fpga、dsp混合并行处理架构，具有实时处理能力强、体积小等特点，且电路可靠性高、性能稳定、具有很好的实用性，满足技术指标要求。信号处理机主要处理算法已经成熟，目标分类识别算法已经具备有效剔除各种杂波、干扰的能力，通过未来试验及数据样本建立，可以进一步提升目标分类识别能力。相对于现有机场对fod的监测靠人工定时巡视，人眼近距离搜寻的落后方法，本发明大大提高了监测效率，节省时间，提高了航班运行次数，减少因航班延误等问题造成的经济损失，可靠性高。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明的系统整体组成框图；图2为本发明的垂直极化天线俯仰向的增益方向图；图3为本发明的垂直极化天线方位向的增益方向图；图4为本发明的垂直极化天线俯仰向远旁瓣(±20°)电平图；图5为本发明的垂直极化天线方位向远旁瓣(±20°)电平图；图6为本发明的垂直极化天线俯仰向的3db波束宽度图；图7为本发明的垂直极化天线方位向的3db波束宽度图；图8为本发明的水平极化天线俯仰向的增益方向图；图9为本发明的水平极化天线方位向的增益方向图；图10为本发明的水平极化天线仰向远旁瓣(±20°)电平图；图11为本发明的水平极化天线方位向远旁瓣(±20°)电平图；图12为本发明的水平极化天线俯仰向的3db波束宽度图；图13为本发明的水平极化天线方位向的3db波束宽度图；图14为本发明的收发前端架构框图；图15为本发明的收发前端原理框图；图16为本发明的发射频综原理框图；图17为本发明的本振频综原理框图；图18为本发明的接收机/lfm源原理框图；图19为本发明的信号处理机原理框图；图20为本发明的信号处理流程图。具体实施方式为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明，不作为对本发明的限定。如图1所示，为本发明fod探测雷达系统组成框图，其具体实施方案如下：一、天线(x01)天线(x01)的基本功能是完成信号的发射和接收，采用前馈的抛物面天线，主要包括发射和接收信号的波束指向，同时可以通过更换馈源改变信号的极化方式；通过其下方安装的天线支架调节发射和接收的波束指向，同时结构上做隔离措施增加收发天线隔离度。1、结构仿真设计选用抛物面天线，为了缩小体积，将反射面只截取一部分，馈源采用喇叭天线。(1)垂直极化天线仿真垂直极化天线的增益和副瓣电平的仿真结果如图2-3所示，由图2可以看出在俯仰方向上的天线增益为37.14db，第一副瓣电平为-23.01db；由图3可以看出在方位向上天线的增益为37.1db，第一副瓣电平为-28.3db。俯仰向的远旁瓣(±20°)电平仿真结果如图4所示，最大为-38.46db；方位向的远旁瓣(±20°)电平仿真结果如图5，最大约为-38db。俯仰方向上的3db波束宽度为4.49°，方位向上的波束宽度小于1.18°，如图6-7所示。综上所述，可以看到垂直极化的天线俯仰和方位上的增益均在37db以上，俯仰向的3db波束宽度为4.49°，方位向3db波束宽度为1.15°；俯仰向第一副瓣电平为-23db，远旁瓣电平(＞20°)为-38.46db，方位向的第一副瓣电平为-28db，远旁瓣(＞20°)为-38db。仿真结果基本满足了项目指标要求。(2)水平极化天线仿真水平极化天线的增益和副瓣电平的仿真结果如图8-9所示：由图8可以看出在俯仰方向上的天线增益为36.1db，第一副瓣电平为-24.95db；由图9中可以看出方位向的天线增益为37.5db，第一副瓣电平为-28.16db。俯仰向的远旁瓣(±20°)电平仿真结果如图10所示，最大为-36.14db；方位向的远旁瓣(±20°)电平仿真结果如图11，最大约为-39db。俯仰方向上的3db波束宽度为4.2°，方位向上的波束宽度小于1.32°，如图12-13所示。综上所述，可以看到水平极化的天线俯仰和方位上的增益均在37.5db以上，俯仰向的3db波束宽度为4.2°，方位向3db波束宽度小于1.32°；俯仰向第一副瓣电平为-29.1db，远旁瓣电平(＞20°)最大为-36.14db，方位向的第一副瓣电平为-29.17db，远旁瓣(＞20°)为约为-38db。仿真结果基本满足了项目指标要求。二、收发前端x021、系统组成fod探测雷达收发前端x02主要包括发射链路和接收链路，其主要功能是将输入的x频段的频综信号倍频到w波段，通过发射链路的滤波器抑制低次和高次谐波分量后，通过发射天线发射出去；接收天线接收到反射回来的回波后，输出到接收链路，通过接收链路的放大后输出给混频器进行下变频，混频器的本振输入信号是通过八倍频本振模块将本振频综输出的x波段发射信号倍频到需要的w频段，使混频后输出合适的中频频率，再经过中频放大后输出至“接收机/lfm信号源x05”。其架构框图见图14。2、工作原理(1)发射链路部件收发前端发射链路主要包括八倍频器模块、发射滤波器模块。其主要性能是将中频输入信号上变频到发射频率，经功率放大、滤波后由标准波导wr10输出至天线端。(2)接收链路部件接收链路主要由本振八倍频器模块、滤波器、接收下变频模块组成。其主要性能是将接收的高频信号放大后与本振倍频后的射频信号混频，经多级中频放大器放大输出至后级中频系统。收发前端原理框图见图15。三、发射频综x031、方案概述发射频综x03：接收“接收机/lfm信号源x05”输出的lfm信号，然后将其变频至指定的x波段发射信号，输出至发射链路，并对外输出两路80mhz时钟信号。原理框图见图16。2、主要芯片介绍及指标核算(1)5601.25mhz的pll5601.25mhz的pll使用的鉴相器芯片为hittite公司的hmc704lp4，vco为zcoom公司的sma5750a-lf，采用小数分频，鉴相频率选取40mhz。环路带宽约70khz，所以pll的输出信号相位噪声的1khz、10khz取决于鉴相器和参考信号，100khz取决于vco。hmc704lp4的归一化底噪为-230dbc/hz，根据相位噪声计算公式：pnfloor＝floorfom+10×log(fpd)+20×log(fvco/fpd)＝-230+10×log(40000000)+20×log(5601.25/40)＝-230+76+43＝-111dbc/hz。40mhz参考信号相位噪声：≤-140dbc/hz@1khz；≤-145dbc/hz@10khz；倍频至5601.25mhz的相位噪声：≤-97dbc/hz@1khz；≤-102dbc/hz@10khz；所以输出信号的相位噪声：≤-97dbc/hz@1khz；≤-102dbc/hz@10khz；(取两个相位噪声中差)≤-105dbc/hz@100khz；(取决于sma5750a-lf相位噪声)(2)混频器和c波段滤波器由于lfm信号频率较低，如果使用一般的混频器，会导致杂散指标实现比较困难，为了保证留有足够的设计余量，本发明选取ti公司的调制器trf370417来实现混频器的功能，它的输出信号对本振抑制大于30dbc，对镜像抑制大于20dbc，同时后面再加上定制的博伦介质滤波器对信号混频杂散的抑制作用，就可以满足指标。(3)二倍频器原理框图里面的二倍频器选用hittite公司的hmc369lp3，它的输出频率覆盖9.9～12.7ghz，输出功率为+4dbm。(4)x波段滤波放大对于最终输出的x波段信号，先对其进行信号放大，放大器芯片型号为hmc451lp3。滤波器是博伦定制的腔体滤波器。(5)杂散指标核算输入的lfm信号的杂散控制在≤-66dbc，经过混频后，通过调制器自身对本振泄露、镜像的抑制和滤波器对杂散的抑制，可以将杂散指标抑制在≤-66dbc，经过后面的二倍频器，杂散恶化6db，最终输出信号的杂散≤-60dbc。四、本振频综x041、方案概述本振频综x03：接收“接收机/lfm信号源x05”输出的lfm信号，然后将其变频至指定的x波段本振信号，输出至接收链路。原理框图见图17。2、主要芯片介绍及指标核算(1)抗振温补晶体振荡器选取中电十三所的抗振温补晶体振荡器txk15b-s-ht-r@40m。为目前体积最小的抗振温补晶体振荡器，相位噪声≤-140dbc/hz@1khz，符合指标要求。(2)pll、混频器、c滤波器、倍频器、x放大器、x滤波器这几个器件的选型与发射频综相同，均可以满足指标。五、接收机/lfm源x051、方案概述接收机/lfm源x05：为“发射频综x03”、“本振频综x04”提供lfm信号。同时接收“接收链路(带天线)”输出的一中频信号，并将其变频至二中频，输出至信号处理机x06，并可通过功分器将该二中频信号对外输出。原理框图见图18。2、主要芯片介绍及指标核算(1)lfm源芯片lfm信号是通过控制ad9910芯片产生。ad9910芯片是adi公司推出的1ghz的dds芯片，它的无杂散动态范围可以达到-59dbc(0～400mhz)，本发明通过选择合适的频点范围和定制的带通滤波器，可以将杂散控制在≤-66dbc。(2)镜像抑制混频器为了消除接收信号镜像频率的噪声干扰，本发明选用hittite公司的镜像抑制混频器hmc525lc4和在中电十三所定制的90度功分器，实现信号的镜像抑制。实际测试结果，镜像抑制优于20dbc。(3)数控衰减器为了提供50db的动态范围，本发明选用两极hittite公司的hmc424lp3芯片，一片提供20db动态，另一片提供2db、4db、8db和16db动态。(4)放大器为了满足指标要求的增益值，需要对信号进行放大，本发明选择比较常用的放大器芯片：mini公司的mar-6、mar-8和era-5。六、信号处理机x061、工作原理信号处理机x06采集接收机输出的中频模拟信号，将adc输出的信号进行数字下变频、脉冲压缩等处理后，再进行相参积累、目标检测等功能；同时通过通信模块，获取机场上位计算机系统的控制信息并设定处理机的工作模式；信号处理机需要产生同步时序，控制信号处理的过程。信号处理机x06主要由以下几个部分组成：(1)高速adc：高速adc将中频接收机输出的模拟信号转换成信号处理机x06所需要的数字信号。(2)预处理器：预处理器对adc输出的数字信号进行正交变换、数字下变频、脉冲压缩等预处理功能。(3)数字信号处理器：数字信号处理器是信号处理机的核心，进行实时信号处理，如相参或非相参积累、自动检测、跟踪滤波等功能。(4)定时通信控制模块：以系统同步工作的时钟为基准，产生信号处理机x06所需的各种时间基准和控制时序，控制信号处理机x06同步有序的运行。(5)通信模块：用于与其他模块进行通信。2、硬件方案信号处理机的原理框图见图19。设计说明如下：(1)采用80mhz采样率的adc对输入的回波信号进行采样量化；(2)采用大容量fpga完成对采样信号的数字下变频、脉冲压缩等信号预处理功能；(3)采用adsp-ts201芯片完成信号相参积累、目标检测、跟踪滤波、流程控制等功能，内核时钟最大600mhz；(4)采用小容量fpga实现定时、rs422通信、开关量控制、spi协议等功能，并通过驱动芯片完成对外不同电平的接口；(5)输出“接收机/lfm源x05”模块内dds芯片所需生成lfm源的配置信号；(6)通过时钟管理芯片，对外部输入的参考时钟进行变换，生成信号处理机x06内部工作所需要的各种时钟；(7)通过usb接口，实现对信号处理机x06工作状态的实时监控。3、主要算法映射信号处理机x06主要处理算法包括：数字下变频、数字降采样、数字脉冲压缩、数据存储、相参积累/合成高分辨、提取测量参量、目标跟踪、策略控制、系统调整等，对以上主要处理算法进行分类，并进行物理映射，如下表1所示。表1主要算法映射4、信号处理流程信号处理流程如图20所示，主要包括：(1)接收机信号在adc中被采样得到数字信号，采样率根据最大频偏确定；(2)数字信号在大容量fpga中做预处理，得到基带的复信号，存储起来；(3)dsp对存储起来的数据做数字信号处理，得到相应的距离和幅度信息；(4)dsp综合考虑每次的结果，分析得出目标的最终位置。5、小结本发明设计的信号处理机x06采用fpga、dsp混合并行处理架构，具有实时处理能力强、体积小等特点，且电路可靠性高、性能稳定、具有很好的实用性，满足技术指标要求。信号处理机主要处理算法已经成熟，目标分类识别算法已经具备有效剔除各种杂波、干扰的能力，通过未来试验及数据样本建立，可以进一步提升目标分类识别能力。七、通信接口模块x08通信接口模块x08安装于电子舱内，用于将信号处理机x06的rs-422的串口通信信号转换为以太网接口信号，完成fod探测雷达与上位计算机系统的通信功能。多部fod探测雷达可与上位计算机系统组网通信。八、电源分系统二次电源x07安装于电子舱内，直流供电来自机场系统，产生fod探测雷达各分机模块工作所需的多种直流电源。实施例：1、测试环境描述地点：在郫县的一条未开通的公路.宽约50m，长大于500m，道路两侧100m内没有高大建筑物。雷达架设：发射天线距离地面：68cm固定雷达位置，利用卷尺标定出20m、50m、120m、130m、200m的位置并标记。使用仪器及软件：频谱仪、直流电源、以太网交换机，dsp|fpgajtag；上位机软件visualdsp++v5.0观测目标：2面角反、3面角反、直径3.8cm、4cm、5cm金属球，高3.1cm直径3.8cm金属柱。2、试验内容表2测试内容单机状态确认确定2套雷达的工作状态是否正常固定方位探测距离确认确定2套雷达对准目标的最大探测距离固定方位探测距离与高度关系确认改变雷达、目标高度，记录结果(确定多径问题)圆极化方式试验确定圆极化方式对对多径问题的影响进行边灯影响试验测试边灯影响验收试验一套雷达的验收试验3、单机状态确认表32套雷达参数对比(1)测试方法：2套雷达上电，利用频谱仪观测底噪、对天情况，确认状态是否正常。(2)结果记录：在频谱仪上，导出。(3)测试结论：2套雷达工作正常。本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12