專利名稱：機載多普勒/延遲映射接收機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種接收機，更特別的說是一種機載多普勒/延遲映射接收機， 屬于導(dǎo)航定位與海洋遙感交叉技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
海洋遙感監(jiān)測范圍大、動態(tài)性高、氣象條件復(fù)雜，微波遙感手段在區(qū)域性和全球性 海洋環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用中具有緊迫的需求。目前，已有的SAR(Synthetic ApertureRadar), 散射計、高度計等微波遙感手段均利用后向散射同源觀測的方式，數(shù)據(jù)收發(fā)成本高，時效 性尚不能滿足監(jiān)測應(yīng)用需求。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)不僅為空間信息用戶提供了導(dǎo)航定位信 息，還提供了源源不斷的L波段微波信號資源?；谌蛐l(wèi)星定位系統(tǒng)的GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)海洋微波遙感系統(tǒng)以其全天候、全天時、多信 號源、寬覆蓋、高時空分辨率等應(yīng)用優(yōu)勢，在海洋環(huán)境遙感監(jiān)測中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景， 將與現(xiàn)有的微波遙感手段協(xié)同對海觀測，提高海洋環(huán)境信息的采集效率。該項技術(shù)的原理 是利用導(dǎo)航衛(wèi)星L波段的信號為發(fā)射源，通過遙感平臺上搭載的延遲映射接收機接收直射 和海面回波信號，進而進行要素反演。用于信號相關(guān)處理的延遲映射接收機是GNSS-R海洋 遙感系統(tǒng)的核心技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提出一種機載多普勒/延遲映射接收機，該接收機同時接收 導(dǎo)航衛(wèi)星直射信號和海面回波信號，輸出接收機的導(dǎo)航定位解信息和在不同延遲時刻、不 同多普勒頻率偏移情況下的海面回波信號的二維相關(guān)功率，不但可以提供延時-相關(guān)功率 數(shù)據(jù)，同時也可以提供多普勒頻移_相關(guān)功率數(shù)據(jù)，以供反演使用。本實用新型的一種機載多普勒/延遲映射接收機，包括右旋天線、四陣列左旋天 線，雙通道頻率變化模塊，雙路8位數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，直射信號處理模塊，回波信號處理模塊；右旋天線用于對接收到的GNSS衛(wèi)星的L波段的直射信號進行增益放大后形成右 旋圓極化信號FSR輸出給雙通道頻率變化模塊的直射通道；四陣列左旋天線用于對接收到的海面反射GNSS衛(wèi)星的L波段的回波信號進行增 益放大后形成左旋圓極化信號FSL輸出給雙通道頻率變化模塊的回波通道；雙通道頻率變化模塊中設(shè)有直射通道和回波通道；其一方面對右旋圓極化信號 FSR進行變頻、放大和濾波處理輸出直射信號的模擬中頻信號FIR ；另一方面對左旋圓極化 信號FSL進行變頻、放大和濾波處理后輸出回波信號的模擬中頻信號FIL ；第三方面分別為 雙路8位數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、直射信號處理模塊和回波信號處理模塊提供IOMHz基準(zhǔn)時鐘CLK ；雙路8位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊一方面將輸入的直射通道的中頻信號FIR進行高速采樣得 到數(shù)字中頻信號FIDR，并輸出給直射信號處理模塊；另一方面將輸入的回波通道的中頻信 號FIL進行高速采樣得到數(shù)字中頻信號FIDL，并輸出給回波信號處理模塊；所述雙路8位 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的采樣頻率為20. 46MHz ；[0009]直射信號處理模塊對接收到的FIDR采用串行進行捕獲、跟蹤處理，當(dāng)跟蹤衛(wèi)星多 于4顆時可實現(xiàn)接收機的定位即輸出導(dǎo)航定位解信息PN ；另一方面將處于跟蹤狀態(tài)的1 12個直射通道的載波控制字RFD和偽隨機碼相位DCR輸出給回波信號處理模塊；回波信號處理模塊對接收信號的處理有第一方面，根據(jù)直射信號處理模塊輸出 的載波控制字RFD和回波信號處理模塊設(shè)定的多普勒頻移控制字FDa FDn輸入到本地信 號載波產(chǎn)生模塊a η中，從而產(chǎn)生帶有多普勒分量a η的本地信號載波同相分量LIa LIn和垂直分量LQa LQn ；η表示本地信號載波產(chǎn)生模塊的個數(shù)；第二方面，量化電平譯碼 模塊將回波通道數(shù)字中頻信號FIDL進行量化譯碼后形成信號FIDLL分別輸出給2m個乘法 器，在乘法器中FIDLL分別與同相分量LIa LIn信號和垂直分量LQa LQn信號進行乘法 運算剝離載波信號，得到基帶信號同相分量DIa DIm和垂直分量DQa DQm ；m表示乘法器 的個數(shù)；第三方面，碼片延遲控制模塊將直射通道跟蹤衛(wèi)星偽隨機碼相位DCR經(jīng)過q個時 間延遲后形成q個時延跟蹤衛(wèi)星的偽隨機碼Da輸出給ρ個乘法器組；在乘法器組中與基帶 信號同相分量DIa DIm和垂直分量DQa DQm進行乘法運算得到相關(guān)值同相分量PIaX(1 PIpxtl和垂直分量PQaxtl PQpxtl ；q表示時間延遲的個數(shù)，P表示乘法器組的個數(shù)；第四方面， 在相干累加平方和運算模塊中將輸入的相關(guān)值同相分量PIaxq PIpxq和垂直分量PQaxq PQpxa進行Ims累加后進行平方和運算得到二維相關(guān)功率PFDiij。 右旋天線接收GNSS衛(wèi)星直射信號，四陣列左旋天線接收海面反射的GNSS信號，兩 路信號進入到雙通道頻率變化模塊進行精密的變頻、放大、濾波和增益控制處理，得到兩 路模擬中頻信號后輸出到雙路8位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，在雙路8位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換 得到直射通道的數(shù)字中頻信號和反射通道的數(shù)字中頻信號，直射通道的數(shù)字中頻信號送到 直射信號處理模塊，完成直射信號的捕獲、跟蹤、定位，得到接收機的導(dǎo)航定位解信息，并將 跟蹤衛(wèi)星的載波頻率控制字，和跟蹤衛(wèi)星的偽隨機碼送到回波信號處理模塊，將載頻進行 一系列多普勒頻移，偽隨機碼相位進行一系列時間延遲后與反射通道的數(shù)字中頻信號進行 二維相關(guān)運算得到不同延遲時刻、不同多普勒頻率偏移情況下的二維相關(guān)功率，通過數(shù)據(jù) 輸出模塊輸出導(dǎo)航定位解信息和多普勒/延遲二維相關(guān)功率信息，以供反演使用。本實用新型設(shè)計的機載多普勒/延遲映射接收機具有如下優(yōu)點1、本接收機可輸出不同延遲時刻、不同多普勒頻率偏移情況下的二維相關(guān)功率， 不但可以提供延時_相關(guān)功率數(shù)據(jù)，同時也可以提供多普勒頻移_相關(guān)功率數(shù)據(jù)。2、采用四陣列左旋天線接收回波信號，天線增益更高，可達到12dB。3、采用二維相關(guān)運算模塊輸出回波信號的多普勒/延遲二維相關(guān)功率。
圖1是本實用新型機載多普勒/延遲映射接收機的結(jié)構(gòu)圖。圖2是本實用新型回波信號處理模塊組成圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本實用新型做進一步的詳細(xì)說明。本實用新型涉及的接收機屬于導(dǎo)航定位與海洋遙感交叉技術(shù)領(lǐng)域，該機載多普勒 /延遲映射接收機能夠?qū)崿F(xiàn)多源導(dǎo)航衛(wèi)星直射和回波散射信號同步接收、海量原始信號采
4樣與相關(guān)處理、多類信號源通道配置與邏輯控制、導(dǎo)航定位求解、不同時延/多普勒頻移/ 相關(guān)功率計算和數(shù)據(jù)實時輸出功能。參見圖1所示，本實用新型的一種機載多普勒/延遲映射接收機包括有右旋天線 1、四陣列左旋天線2、雙通道頻率變化模塊3、雙路8位數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊4、直射信號處理模塊 5和回波信號處理模塊6。所述機載多普勒/延遲映射接收機為FPGA芯片+DSP芯片+編程構(gòu)成。FPGA芯片選 取 EP2S60F672C5 型號，DSP 芯片選取 TMS320C6713BGDP300 型號。編程使用 DK-DSP-2S60-N 開發(fā)工具，在Quartus II軟件環(huán)境下，采用Verlog硬件描述語言開發(fā)。右旋天線1右旋天線對接收到的GNSS衛(wèi)星的L波段的直射信號，并將該直射信號進行增益放 大后形成右旋圓極化信號FSR輸出給雙通道頻率變化模塊3的直射通道。在本實用新型中，右旋天線為單陣列航空型天線，該天線的增益為3dB，波束角 180°。四陣列左旋天線2四陣列左旋天線對接收到的海面反射GNSS衛(wèi)星的L波段的回波信號，并將該回波 信號進行增益放大后形成左旋圓極化信號FSL輸出給雙通道頻率變化模塊3的回波通道。在本實用新型中，四陣列左旋天線的增益為12dB，波束角30°。該左旋天線具有 以下特點通過單饋點結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)天線陣列單元的組陣；通過采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電結(jié)構(gòu)，降低 各天線單元之間的互耦系數(shù)；通過旋轉(zhuǎn)串行饋電技術(shù)，增加天線阻抗帶寬，降低E面和H面 的旁瓣并利用其寄生輻射提高天線的圓極化特性。雙通道頻率變化模塊3在本實用新型中，雙通道頻率變化模塊3采用雙輸入結(jié)構(gòu)(即有直射通道和回波 通道)，每個通道相互獨立，一方面對右旋圓極化信號FSR進行變頻、放大和濾波處理輸出 直射信號的模擬中頻信號FIR;另一方面對左旋圓極化信號FSL進行變頻、放大和濾波處理 后輸出回波信號的模擬中頻信號FIL ；第三方面分別為雙路8位數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊4、直射信號 處理模塊5和回波信號處理模塊6提供IOMHz基準(zhǔn)時鐘CLK。在本實用新型中，對于雙通道頻率變化模塊中的獨立通道，具有精密的變頻、放 大、濾波和增益控制電路。為了防止鏡像干擾，射頻前端采用超外差結(jié)構(gòu)，并采用雙級下變 頻方案。GNSS衛(wèi)星發(fā)送的1575. 42MHz信號，通過其兩級下變頻后轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號。第 1級片內(nèi)鎖相環(huán)產(chǎn)生2456MHz本振信號與接收到的1575. 42MHz混頻為881MHz的第1級中 頻信號；第2級是將第1級產(chǎn)生的881MHz中頻信號與本振頻率為927MHz本振信號混頻為 46. 42MHz,即輸出模擬中頻信號。模塊輸出頻率的_3dB帶外抑制為同信號帶寬，輸出電平各路均為 OdBm士 ldB/50 Ω。同時該模塊集成IOMHz的溫補晶振，分別為雙路8位數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊4、直 射信號處理模塊5和回波信號處理模塊6提供IOMHz基準(zhǔn)時鐘CLK。雙路8位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4在本實用新型中，雙路8位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4的主要芯片為雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD9288BST-100，該模塊一方面將輸入的直射通道的中頻信號FIR進行高速采樣得到數(shù)字 中頻信號FIDR，并輸出給直射信號處理模塊5 ；另一方面將輸入的回波通道的中頻信號FIL進行高速采樣得到數(shù)字中頻信號FIDL，并輸出給反射信號處理模塊6。在本實用新型中雙 路8位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊4的采樣頻率為20. 46MHz。直射信號處理模塊5直射信號處理模塊5對接收到的FIDR采用串行進行捕獲、跟蹤處理，當(dāng)跟蹤衛(wèi)星 多于4顆時可實現(xiàn)接收機的定位即輸出導(dǎo)航定位解信息PN ；另一方面將處于跟蹤狀態(tài)的 1 12個直射通道的載波控制字RFD和偽隨機碼相位DCR輸出給回波信號處理模塊6。在本實用新型中，通過右旋天線輸出的直射信號來獲取導(dǎo)航定位解信息為現(xiàn)有常 規(guī)技術(shù)，如采用串行碼跟蹤技術(shù)、載波環(huán)路跟蹤技術(shù)等。反射信號處理模塊6如圖2中所示，在本實用新型中，回波信號處理模塊6的處理為第一方面，根據(jù)直射信號處理模塊5輸出的載波控制字RFD和回波信號處理模塊 6設(shè)定的多普勒頻移控制字FDa FDn輸入到本地信號載波產(chǎn)生模塊a η中，從而產(chǎn)生帶 有多普勒分量a η的本地信號載波同相分量LIa LIn和垂直分量LQa LQn ；η表示本 地信號載波產(chǎn)生模塊的個數(shù)；第二方面，量化電平譯碼模塊將回波通道數(shù)字中頻信號FIDL進行量化譯碼后形 成信號FIDLL分別輸出給2m個乘法器，在乘法器中FIDLL分別與同相分量LIa LIn信號 和垂直分量LQa LQ1Jf號進行乘法運算剝離載波信號，得到基帶信號同相分量DIa DIm 和垂直分量DQa DQm ；m表示乘法器的個數(shù)；第三方面，碼片延遲控制模塊將直射通道跟蹤衛(wèi)星偽隨機碼相位DCR經(jīng)過q個時 間延遲后形成q個時延跟蹤衛(wèi)星的偽隨機碼Dq輸出給ρ個乘法器組；在乘法器組中與基帶 信號同相分量DIa DIm和垂直分量DQa DQm進行乘法運算得到相關(guān)值同相分量PIaX(1 PIpxq和垂直分量PQaxtl PQpxtl ；q表示時間延遲的個數(shù)，P表示乘法器組的個數(shù)；第四方面，在相干累加平方和運算模塊中將輸入的相關(guān)值同相分 量PIaxq PIpxq和垂直分量PQaxq PQpxq進行Ims累加后進行平方和運算 PFDiJ = PIfj+PQljQ = I-PJ = I-幻得到二維相關(guān)功率 PFDi,J.(i = 1 P，j = 1 q)。在本實用新型中，F(xiàn)PGA芯片EP2S60F672C5主要作為直射通道與回波通道專用相 關(guān)器和模塊接口邏輯控制使用。DSP芯片TMS320C6713B⑶P300主要完成信號處理工作和直 射信號和回波信號的通道及環(huán)路控制功能。對于FPGA芯片上的管腳與DSP芯片上的管腳 的電路原理連接為常規(guī)技術(shù)，此專利申請中不作說明。本實用新型設(shè)計方案是利用右旋天線1接收GNSS衛(wèi)星直射信號，四陣列左旋天線 2接收海面回波號，兩路信號進入到雙通道頻率變化模塊3進行精密的變頻、放大、濾波和 增益控制處理，得到兩路模擬中頻信號后輸出到雙路8位數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊4，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換得 到直射通道的數(shù)字中頻信號和回波通道的數(shù)字中頻信號，直射通道的數(shù)字中頻信號送到直 射信號處理模塊5，完成直射信號的捕獲、跟蹤、定位，得到接收機的導(dǎo)航定位解信息，并將 跟蹤衛(wèi)星的載波頻率進行一系列多普勒頻移，時間進行一系列延遲后送到反射信號處理模 塊6與回波通道的數(shù)字中頻信號進行二維相關(guān)運算得到不同延遲時刻、不同多普勒頻率偏 移情況下的二維相關(guān)功率，以供反演使用。
權(quán)利要求一種機載多普勒/延遲映射接收機，其特征在于包括有右旋天線(1)、四陣列左旋天線(2)、雙通道頻率變化模塊(3)、雙路8位數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(4)、直射信號處理模塊(5)和回波信號處理模塊(6)；右旋天線(1)用于對接收到的GNSS衛(wèi)星的L波段的直射信號進行增益放大后形成右旋圓極化信號FSR輸出給雙通道頻率變化模塊(3)的直射通道；四陣列左旋天線(2)用于對接收到的海面反射GNSS衛(wèi)星的L波段的回波信號進行增益放大后形成左旋圓極化信號FSL輸出給雙通道頻率變化模塊(3)的回波通道；雙通道頻率變化模塊(3)中設(shè)有直射通道和回波通道；其一方面對右旋圓極化信號FSR進行變頻、放大和濾波處理輸出直射信號的模擬中頻信號FIR；另一方面對左旋圓極化信號FSL進行變頻、放大和濾波處理后輸出回波信號的模擬中頻信號FIL；第三方面分別為雙路8位數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(4)、直射信號處理模塊(5)和回波信號處理模塊(6)提供10MHz基準(zhǔn)時鐘CLK；雙路8位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(4)一方面將輸入的直射通道的中頻信號FIR進行高速采樣得到數(shù)字中頻信號FIDR，并輸出給直射信號處理模塊(5)；另一方面將輸入的回波通道的中頻信號FIL進行高速采樣得到數(shù)字中頻信號FIDL，并輸出給回波信號處理模塊(6)；所述雙路8位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(4)的采樣頻率為20.46MHz；直射信號處理模塊(5)對接收到的FIDR采用串行進行捕獲、跟蹤處理，當(dāng)跟蹤衛(wèi)星多于4顆時可實現(xiàn)接收機的定位即輸出導(dǎo)航定位解信息PN；另一方面將處于跟蹤狀態(tài)的1～12個直射通道的載波控制字RFD和偽隨機碼相位DCR輸出給回波信號處理模塊(6)；回波信號處理模塊(6)對接收信號的處理有第一方面，根據(jù)直射信號處理模塊(5)輸出的載波控制字RFD和回波信號處理模塊(6)設(shè)定的多普勒頻移控制字FDa～FDn輸入到本地信號載波產(chǎn)生模塊a～n中，從而產(chǎn)生帶有多普勒分量a～n的本地信號載波同相分量LIa～LIn和垂直分量LQa～LQn；n表示本地信號載波產(chǎn)生模塊的個數(shù)；第二方面，量化電平譯碼模塊將回波通道數(shù)字中頻信號FIDL進行量化譯碼后形成信號FIDLL分別輸出給2m個乘法器，在乘法器中FIDLL分別與同相分量LIa～LIn信號和垂直分量LQa～LQn信號進行乘法運算剝離載波信號，得到基帶信號同相分量DIa～DIm和垂直分量DQa～DQm；m表示乘法器的個數(shù)；第三方面，碼 片延遲控制模塊將直射通道跟蹤衛(wèi)星偽隨機碼相位DCR經(jīng)過q個時間延遲后形成q個時延跟蹤衛(wèi)星的偽隨機碼Dq輸出給p個乘法器組；在乘法器組中與基帶信號同相分量DIa～DIm和垂直分量DQa～DQm進行乘法運算得到相關(guān)值同相分量PIa×q～PIp×q和垂直分量PQa×q～PQp×q；q表示時間延遲的個數(shù)，p表示乘法器組的個數(shù)；第四方面，在相干累加平方和運算模塊中將輸入的相關(guān)值同相分量PIa×q～PIp×q和垂直分量PQa×q～PQp×q進行1ms累加后進行平方和運算得到二維相關(guān)功率PFDi，j。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機載多普勒/延遲映射接收機，其特征在于所述機載多普 勒/延遲映射接收機為FPGA芯片+DSP芯片構(gòu)成；FPGA芯片選取EP2S60F672C5型號，DSP 芯片選取 TMS320C6713BGDP300 型號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機載多普勒/延遲映射接收機，其特征在于四陣列左旋天 線的增益為12dB，波束角30°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機載多普勒/延遲映射接收機，其特征在于雙路8位模數(shù) 轉(zhuǎn)換模塊(4)選取AD9288BST-100的雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。
專利摘要本實用新型公開了一種機載多普勒/延遲映射接收機，利用右旋天線接收GNSS衛(wèi)星直射信號，四陣列左旋天線接收海面反射的GNSS信號；然后兩路信號分別經(jīng)雙通道頻率變化模塊、雙路8位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊后輸出直射通道的數(shù)字中頻信號和反射通道的數(shù)字中頻信號；直射信號處理模塊對直射通道數(shù)字中頻信號進行處理，回波信號處理模塊對反射通道數(shù)字中頻信號進行處理。該機載多普勒/延遲映射接收機能夠?qū)崿F(xiàn)多源導(dǎo)航衛(wèi)星直射和回波散射信號同步接收、海量原始信號采樣與相關(guān)處理、多類信號源通道配置與邏輯控制、導(dǎo)航定位求解、不同時延/多普勒頻移/相關(guān)功率計算和數(shù)據(jù)實時輸出功能。
文檔編號G01S19/25GK201716419SQ201020132119
公開日2011年1月19日 申請日期2010年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月16日
發(fā)明者于暘, 劉書明, 葉小敏, 周曉中, 周翔, 周雅楠, 張益強, 張紅雷, 李偉強, 李明里, 李紫薇, 楊東凱, 楊曉峰, 王晉年, 王炎, 路勇, 顧行發(fā) 申請人:中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所