一种导航雷达信号采集的实现方法*

宋洪良　唐小明　张　涛

(海军航空工程学院电子信息工程系　烟台　264001)



一种导航雷达信号采集的实现方法*

宋洪良唐小明张涛

(海军航空工程学院电子信息工程系烟台264001)

摘要雷达数据采集在雷达数据分析和处理过程中起着至关重要的作用，如何高效、经济、高质量的进行数据采集是第一步。通过导航雷达JMA2254的实际信号分析，选择具有14位采样精度、65MSPS采样速率的AD9248采样芯片，很好地完成数据的采集，将模拟雷达信号转换为数字信号。通过实际电路板的制作与测试，完成了雷达信号的AD转换，并通过与实际雷达波形的对比以及图像的对比，检验采样的效果。

关键词数据采集; AD9248; AD转换

Class NumberU666.1; TN959.2

1　引言

导航雷达是一种用于船体探测周围目标，以便及时进行避让，进行自身定位等用途的雷达，它能获得目标的距离、方位等基本信息。每艘船舶上基本都配备有一部甚至多部导航雷达，但这些雷达之间缺乏一种信息的交流与沟通。据不完全统计，我国现有各类渔船近30万条，再加上各类商船、客船等，分布在沿海一线以及各类湖泊河流，如果把每条渔船上的雷达数据都通过网络传输到一个终端平台进行综合处理，形成一个整体的态势图，那么这些数据将具有很高的军事意义。

要进行雷达间信息的交互，首先就要对雷达信号进行采集。目前国内外对于雷达数据采集的手段主要有基于USB数据采集系统[1]，这种方式出现较早，但速度较慢；基于雷达卡的数据采集系统[2～3]主要针对雷达数据，但其输入信号为RGB信号，是经过处理之后的数据；基于FPGA的数据采集系统[4～5]利用FPGA芯片处理速度快，时钟频率高等特点，能够将原始雷达视频信号采集下来。

本文采用基于FPGA的数据采集系统，通过AD9248芯片将采集得到的模拟信号进行数字化处理，为后续处理打下基础[6]。

2　导航雷达信号分析

对于雷达信号采集，主要是采集四路信号，分别是方位信号、触发信号、船首信号以及视频信号。其中前三路信号是同步信号，视频信号是目标回波信号。

方位脉冲信号是用来计算雷达天线转过的角度，通过方位脉冲的数字化量度，确定雷达天线所指方向；触发脉冲是用来同步视频信号，确定回波的起始，控制每次采样的开始；船首信号也叫零方位信号，其主要作用就是每过一个扫描周期产生一个脉冲，表示新的一帧扫描的开始，其他信号重新开始计数，相当于起始信号；视频信号是指目标回波信号，是采样的主要信号，并且是模拟信号[7]。

通过示波器观察，得到如图1所示的四路信号波形。

从图1示波器测量可知，方位脉冲0～5V，触发信号为-4.5V～11V，船首信号为0到7V，视频信号的电压为-2.5V～1.5V。

3　信号采集方案设计

3.1AD芯片的选择

选择AD芯片，主要考虑两个重要参数：采样位数与采样率[8]。

采样位数决定了采样的精度，位数越多，精度越高；采样率决定了采样的时间与精度。

由JMA2254导航雷达的性能参数可知，发射窄脉冲时f=2250Hz，脉宽τ=0.08μs，于是当距离分辨率为S′=Cτ/2=12m，另一方面，当采样频率为f时，每个采样点的距离分辨率为Δ=C/2f，所以要保证采样结果无失真，则Δ≤S′，即保证采样频率f≥1/τ，所以采样频率f≥12.5MHz。因此，我们采用采样率为65MSPS，14位流水线型AD转换器AD9248足以完成任务。

3.2调理电路设计[9]

由于本文用的AD9248芯片接受的电压为一个2VPP，所以要求接受的信号要经过处理才可以。把4路信号都处理成一个峰值为2V的信号，交给AD，这样AD才能处理，图2是4路分信号的前置采集电路。

1)方位脉冲信号

图2是一个方位脉冲信号采集电路的电路图，经过之前的准备，得到方位脉冲为0～5V，前面R10和R12起到一个分压的作用，在TP3点的最高电压为10/(10+16)*5=1.923V，这样电压小于2V又接近2V，电压为0到1.923V，满足我们需要峰峰值为2V信号的要求。之后的C7和C8起到一个阻直的作用，R9和R13加上上面的5V直流电，给之前的方位脉冲信号提供一个2.5V的直流偏置，使它能够很好的被运放器接受，因为我们用的运放器为LT1809，此运放器接受电压为2.5V～12.5V，所以要加2.5V使其可以被接受，运放器放在这里起到一个保护电路的作用，如果没有这个运放，若前面分压电路出现了什么问题，后面板子很有可能就被烧毁了。

2)触发脉冲信号采集电路

图3是一个触发脉冲信号采集电路的电路图，经过之前的准备，得到触发脉冲为-4.5V～11V，前面R10和R12起到一个分压的作用，在TP4点的最高电压为2.2/(2.2+16)*11=1.323V，最小电压为2.2/(2.2+16)*(-4.5)=-0.532V。之后的C10和C11起到一个阻直的作用，其他的和上面方位脉冲一样。

3)船首信号采集电路

图4是船首信号的电路图，信号介入之后先进入分压，此处船首信号为0～7V要变为2VPP的信号，这样上面用R20为16K的电阻，底下的为R21为3K，其分压产生的阻值在TP5处为0.15V，小于2V且又接近2V，这里两个电阻两边有两个电容C12和C13，这两个电容主要的作用是阻直流，通交流。后面的C14起到一个把直流分量消除的作用，其他的部分和上面一样。

图2　方位脉冲信号采集电路

图3　触发脉冲信号采集电路

图4　船首信号采集电路

4)视频信号采集电路

图5　视频信号采集电路

视频信号是最重要的信号，其电压值通过测量过后得到为-2.5V～1.5V，接受的信号是个交流信号，经过TP6之后，有个分压电路，将信号处理成一个峰峰值为2V的信号，整个电路的上面是一个直流偏置电路，提供直流2.5V偏置，此地采用的是滑动变阻器，因为作为接受的最重要的信号，要保证其稳定的被接收，因为设计了两个滑动变阻器，确保他分压正确，视频信号是必须采集的信号，所以这里做了类似保险一类的设计，其他的部分和上面3路信号一样，这4路信号的原理都一样，都是通过一个分压，之后直流偏置送到运放器。把信号都处理成一个峰峰值为2V的电压给后面的电路。

4　数据分析

将上述AD转换电路通过电路板做成AD转换板，以FPGA作为底板，形成一个雷达数据采集板完成雷达数据的采集[10]，电路板如图6所示。

通过Quartus Ⅱ 13.1 SignalTap Ⅱ软件观察AD采样后的数据波形如图7所示。

从上述波形与图1所示的原始波形比较分析可知，用14位，65MSPS的AD9248芯片能很好地完成采样任务，将原始模拟信号完整的进行AD采集，采样效果好，采样速率与采样精度都很高，达到了采样的要求，与原始波形吻合度很高。

图6　AD采集电路板

图7　AD采样波形

将采集到的雷达数据通过软件编程，将其显示出来[11]，并与雷达显示屏所得到的雷达图像进行对比。两者对比如图8所示。

图8　雷达显示屏与编程实现图像显示对比

通过上述两幅图像的对比可知，本文采用的数据采集方法所采集到的数据能很好地反映出雷达显示屏所反映的主要信息，数据采集的效果明显。

由于图8(a)的图像是雷达经过处理之后形成的，因此整体比较干净，目标明显，杂波较少；而图8(b)的图像是直接将采集到的原始数据进行显示，无任何处理，除了杂波较多外，其主要目标与图(a)基本一致。

从图8两幅图画圈部分分析可知，两者是同一目标。从图8(a)中只能看出是回波较大的目标，不能确定目标具体类型，通过图8(b)将图像与地图结合，从中可以清晰看出该大块目标是一座岛屿。因此本方法所获得的数据是可靠的，本方法是可行的，并且对于后续的数据处理更加灵活，用途也更加广泛。

5　结语

本文在FPGA芯片的基础上，通过AD9248芯片对雷达四路主要信号进行采集。通过对雷达信号的波形分析，设计出相应的AD转换调理电路，并通过将采集到的数据进行图像显示，与实际雷达显示屏上的图像进行对比，进一步验证了该方法的合理性以及可行性。

本文的方法所采集到的数据是雷达原始数据，对于后续的数据处理具有非常重要的作用。如果将每部雷达的数据都通过本文的方法进行采集，然后将这些数据通过传输传到一个共同的平台上，那么将形成一幅大范围的目标态势图，为各方面的形势分析提供参考。

为了形成一个系统，可以将本方法做成一个雷达机顶盒，专门用来采集雷达数据，并在硬件方面进行进一步的完善，使其更加适合各种雷达，适合各种数据的采集。

参 考 文 献

[1] 龚少军.雷达视频采集处理卡应用[J].上海海事大学学报，2007，28(2)：33-38.

[2] 何海.DSP在雷达目标自动检测录取系统上的应用[J].数据采集与处理，2001，16(4)：504-508.

[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.

[4] 侯孝民，王元铙，李刚，等.一种高速数据采集系统的设计[J].数据采集与处理，2000，15(2):245-247.

[5] 房慧龙.A/D转换技术及其发展[J].中国西部科技：学术版，2007(7)：81-83.

[6] 徐龙飞.基于FPGA的数据采集系统[D].太原：中北大学，2014.

[7] 孙尧，王立宁，卢志忠.导航雷达回波信号的实时采集与回放[J].微计算机信息，2009(16)：101-102.

[8] 柴宝玉，林晓鹏，郭东辉.模数转换(A/D)集成电路设计原理及其应用技术[J].西安石油大学学报：自然科学版，2006，21(3)：94-98.

[9] 孔利东.基于FPGA的数据采集与处理技术的研究[D].武汉：武汉理工大学，2007.

[10] 张博，段哲民.基于FPGA的数据采集系统设计[J].电子设计工程，2012，20(7)：86-88.

[11] 王恒心.基于FPGA的嵌入式导航雷达显示系统[D].武汉：武汉科技大学，2007.

*收稿日期：2015年10月13日,修回日期：2015年11月26日

作者简介：宋洪良，男，硕士，研究方向：雷达探测技术。唐小明，男，博士，副教授，研究方向：雷达信号处理。张涛，男，博士，研究方向：信号检测、估计与目标识别。

中图分类号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