一種THz雷達的收發前端的製作方法
2023-05-04 08:50:16
專利名稱：一種THz雷達的收發前端的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷達技術領域，具體涉及一種THz雷達的收發前端設計。
背景技術：
THz雷達可以探測比微波雷達更小的目標和更準確的定位，並且具有更高的解析度和更強的保密性。由於THz頻段的波長遠小於現有微波，更適合於極大信號帶寬和極窄天線波束的實現，有利於獲得目標的精細成像；物體運動引起的都卜勒效應更為顯著，利於低速運動目標檢測、高解析度合成孔徑與逆合成孔徑成像；避開了傳統的隱身材料吸波頻段，有利於隱身目標探測；另外，金屬目標雷達截面積顯著增大，時域頻譜信噪比更高，有利於目標的探測；穿透性能好，能以較小的損耗穿透沙塵煙霧及非金屬材料，這些特點使得THz波非常適用於微小目標和隱身目標探測、極高解析度的目標成像識別。
雷達系統通常由天線、發射機、接收機、信號處理系統和顯示系統等幾部分組成。由於現代常規雷達，如脈衝都卜勒雷達、合成孔徑雷達(SAR)及逆合成孔徑雷達(ISAR)等，均採用了信號相干(或相參)技術，利用回波信號的相位變化獲得都卜勒信息，進而進行速度測量或成像等處理。因此，相干信號的獲得是現代雷達技術中重要的環節之一，現有的常規雷達系統結構框圖如圖I所示。頻率源產生高穩定度的高頻信號，由波形發生器產生的調製波形進行調製，通過天線輻射出去。攜帶目標信息的電磁波通過反射或散射回到雷達接收機中，通過混頻下變頻至中頻，通過正交雙通道處理獲得I路和Q路信號，然後將I、Q兩路信號送入數位訊號處理系統中進行信號後處理。常規的雷達系統一般都是採用同一個頻率源對發射信號進行調製(上變頻)和對接收信號進行混頻(下變頻)，保證了發射信號與接收信號的相干性。考慮到太赫茲頻段器件的現狀，即在現有技術水平情況下得到太赫茲頻率源通常功率較低，沒有低噪聲放大器且混頻器件損耗較大，單個頻率源產生的信號難以同時驅動發送鏈路和接收鏈路，而THz線性調頻雷達測距與成像都需要使用相位信息，如採用兩個或多個頻率源各自驅動，則會帶來相位不同步的問題，導致系統非相參。
發明內容
本發明的目的是為了解決現有的THz線性調頻雷達存在的上述問題，提出了一種THz雷達的收發前端。本發明的技術方案是一種THz雷達的收發前端，包括點頻源單元、中頻本振產生單元、第一上混頻單元、第二上混頻單元和線性掃頻單元；其中，所述點頻源單元用於產生輸入到所述第一上混頻單元和第二上混頻單元兩路輸出信號以及輸入到所述中頻本振產生單元的差頻信號；所述第一上混頻單元根據接收到的所述點頻源單元產生的第一路輸出信號和所述線性掃頻單元根據掃頻控制信號輸出的第一路線性掃頻信號產生發射端驅動信號；所述第二上混頻單元根據接收到的所述點頻源單元產生的第二路輸出信號和所述線性掃頻單元根據掃頻控制信號輸出的第二路線性掃頻信號產生接收端驅動信號；所述中頻本振產生單元根據接收到的所述點頻源單元產生的差頻信號產生中頻本振信號。本發明的有益效果本發明的THz雷達的收發前端，通過使用兩路非相干源分別驅動THz雷達發射鏈路與接收鏈路，解決了 THz頻段下單個信號源難以同時驅動發射鏈路與接收鏈路的問題；又通過採用非相參源實現相參系統，解決了使用兩個信號源所產生的接收信號相位不同步的問題，並提供快速LFMCW掃頻信號，從而能夠實現對目標的釐米級距離分辨。本發明的結構即能保證THz雷達發射系統與接收系統的相干性，又能夠使接收機系統得到相應的簡化，使得THz雷達系統具有較高可實現性，消除了非相干源帶來的系統非相干缺點。
圖I為現有的常規雷達系統結構示意圖。 圖2為本發明實施例的THZ雷達的收發前端結構示意圖。圖3為採用了本發明實施例的THZ雷達的收發前端的雷達系統結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本THZ雷達的收發前端結構的具體實施方式
。首先具體說明非相干頻率源實現了相干接收原理設頻率源I和2產生的信號如下所示S1 (t) =A1Cos ( ω jt+ Θ j) (I)S2 (t) =A2Cos ( ω 2t+θ 2)式中，ApA2分別為頻率源I和2的振幅，ω2為頻率源對應的角頻率，Θ。Θ 2為頻率源I和2對應的初始相位。這兩個頻率源分別通過N倍頻後，得到的信號形式如下S1' (t) =A1' cos (Νω J+N Θ 丄) (2)s2' (t) =A2' cos (Νω2t+N θ 2)s/ (t)與目標作用後，得到的回波信號為s/ (t)的延遲，即\(/) =』,cos(A^(/-r)+V碭)(？)
=A' cos( N ojJ + N θ' - φ)式中，爐=接收信號Sr (t)與S2' (t)混頻後得到的輸出信號形式為
s,,,( = Acos(N(oj2 - (O,)/ + N(J)2 -Θ.) + φ)(4)頻率源I和2混頻並經過N倍頻後得到的信號為二為2 cos(i￥(ft>2 — o\)t -sT Ν\Θ2 —《))(5)將該信號作為本振信號與sIF(t)進行正交解調後，得到了 I、Q兩路正交的零中頻信號即由兩個非相干頻率源實現了相干接收。根據上述原理，圖2個給出了本發明實施例的THZ雷達的收發前端100結構示意圖，具體包括點頻源單元101、中頻本振產生單元102、第一上混頻單元103、第二上混頻單元104和線性掃頻單元105 ;其中，所述點頻源單元101用於產生輸入到所述第一上混頻單元103和第二上混頻單元104兩路輸出信號以及輸入到所述中頻本振產生單元102的差頻信號；
所述第一上混頻單元103根據接收到的所述Ku波段點頻源單元101產生的第一路輸出信號和所述線性掃頻單元105根據掃頻控制信號輸出的第一路線性掃頻信號產生發射端驅動信號；所述第二上混頻單元104根據接收到的所述Ku波段點頻源單元101產生的第二路輸出信號和所述線性掃頻單元105根據掃頻控制信號輸出的第二路線性掃頻信號產生接收端驅動信號；所述中頻本振產生單元102根據接收到的所述點頻源單元101產生的差頻信號產生中頻本振信號。圖3採用了本發明實施例的THZ雷達的收發前端的雷達系統結構示意圖，除了包括THz雷達的收發前端100外，還包括發射端倍頻鏈200、接收端倍頻鏈300、中頻接收機400和二次諧波混頻器500。下面結合圖3對THz雷達的收發前端100的各個子模塊進行闡述。點頻源單元101包括第一點頻源產生子單元、第二點頻源產生子單元、第一功分器、第二功分器和第一混頻器，其中，第一點頻源產生子單元用於產生第一頻率源Si並經第一功分器產生所述點頻源單元101的第一路輸出信號，第二點頻源產生子單元用於產生第二頻率源S2並經第二功分器產生所述點頻源單元101的第二路輸出信號；第一功分器的另一路輸出和第二功分器的另一路輸出分別輸出到所述的第一混頻器中，產生所述點頻源單元101的差頻信號。在本實施例中，點頻源產生子單元具體為Ku波段點頻源單元，假設產生的第一頻率源SI的信號頻率為fl，產生的第二頻率源S2的信號頻率為f2，Π與f2的差值為100MHz，即第一混頻器輸出的信號具體為IOOMHz差頻信號。中頻本振產生單元102包括第一濾波器和第一倍頻模塊，所述的第一濾波器和第一倍頻模塊依次連接，產生中頻本振信號，輸出到中頻接收機400中。在本實施例中，這裡的第一濾波器具體為低通濾波器，第一倍頻模塊具體為12倍頻模塊，經過本振產生單元102處理後生成I. 2GHz中頻本振信號。第一上混頻單元103包括第一上變頻器和第二濾波器，所述的第一上變頻器和第二濾波器依次連接，第一上變頻器接收來自Ku波段點頻源單元101產生的第一路輸出信號和線性掃頻單元105產生的第一路線性掃頻信號；所述的第一上混頻單元103產生發射端驅動信號，輸出到發射端倍頻鏈200中。第二上混頻單元104包括第二上變頻器和第三濾波器，所述的第二上變頻器和第三濾波器依次連接，第二上變頻器接收來自Ku波段點頻源單元101產生的第二路輸出信號和線性掃頻單元105產生的第二路線性掃頻信號；所述的第二上混頻單元104產生接收端驅動信號，輸出到接收端倍頻鏈300中。這裡，第二濾波器和第三濾波器具體為帶通濾波器。第一上變頻器的一路輸入是來自Ku波段點頻源單元101的f I輸出信號，另一路輸入是來自線性掃頻單元105的2. OGHf 2. 2GHz的寬帶掃頻信號，兩路輸入信號經過上變頻器與帶通濾波器之後生成fl+2. OGHz^fl+2. 2GHz的寬帶信號，該寬帶信號即為發射端驅動信號，輸出到發射端倍頻鏈模塊200中。此方案所述的點頻源頻率以及線性掃頻生成器生成的線性調頻信號的中心頻率與掃頻寬度都可以根據具體實例進行調整，而不是固定的。第二上變頻器的一路輸入是來自Ku波段點頻源單元101的f2的輸出信號，另ー路輸入是來自線性掃頻單元105的2. (Γ2. 2GHz的寬帶掃頻源信號，兩路輸入信號經過上變頻器與帶通濾波器之後生成f2+2. 0GHz^f2+2. 2GHz的寬帶信號，該寬帶信號即為接收端驅動信號，輸出到接收端倍頻鏈模塊300中。線性掃頻單元105包括第一線性掃頻發生器和第三功分器，第一線性掃頻發生器根據掃頻控制信號用於產生同步線性掃頻信號，所述的第一線性掃 頻發生器和第三功分器依次連接，產生兩路同相同頻線性掃頻信號，分別輸入到第一上混頻單元103的第一上變頻器和第二上混頻單元104的第二上變頻器中。這裡，掃頻控制信號來自主機，控制掃頻的開始與結束。只有當輸入信號給出觸發脈衝之後，線性掃頻單元105才會開始工作，中頻接收機也會在觸發脈衝給出之後開始接收信號，這樣可以保證發射與接收信號的同步性。頻率源SI和頻率源S2為非相干頻率源。頻率源SI為發射系統提供輸入信號，信號頻率為π單頻信號，該信號與中心頻率2. 1GHz、帶寬200MHz的線性調頻信號混頻後產生具有200MHz帶寬、頻率範圍fl+2. OGHz^fl+2. 2GHz的線性調頻信號，該信號通過發射端倍頻鏈200後達到12*fl+24GHz 12*fl+26. 4GHz，發射信號帶寬為2. 4GHz。在接收機支路上，頻率源S2產生頻率為f2的輸入信號，與同一掃頻源提供的線性調頻信號混頻後產生頻率範圍為f2+2. 0GHz^f2+2. 2GHz、帶寬200MHz的線性調頻信號，該信號通過接收端倍頻鏈300產生頻率範圍為6*f2+12GHz 6*f2+13. 2GHz、帶寬I. 2GHz的本振信號。該本振信號與雷達回波信號通過二次諧波混頻器混頻後下變頻到I. 2GHz的中頻上。將頻率源SI和頻率源S2混頻得到的IOOMHz差頻信號進行12倍頻得到I. 2GHz中頻參考信號。將回波信號下變頻得到的中頻信號與該中頻參考信號的進行零中頻正交雙通道處理，通過AD採樣，將採樣後的數位訊號送入信號単元中進行處理。上述各個頻率都是可以根據實際方案而調整的。本發明的THz雷達的收發前端，通過使用兩路非相干源分別驅動THz雷達發射鏈路與接收鏈路，解決了 THz頻段下單個信號源難以同時驅動發射鏈路與接收鏈路的問題；又通過採用非相參源實現相參系統，解決了使用兩個信號源所產生的接收信號相位不同步的問題，並提供快速LFMCW掃頻信號，從而能夠實現對目標的釐米級距離分辨。本發明的結構即能保證THz雷達發射系統與接收系統的相干性，又能夠使接收機系統得到相應的簡化，使得THz雷達系統具有較高可實現性，消除了非相干源帶來的系統非相干缺點。本領域的普通技術人員將會意識到，這裡所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護範圍並不局限於這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種THz雷達的收發前端，其特徵在於，包括點頻源單元、中頻本振產生單元、第一上混頻單元、第二上混頻單元和線性掃頻單元；其中， 所述點頻源單元用於產生輸入到所述第一上混頻單元和第二上混頻單元兩路輸出信號以及輸入到所述中頻本振產生單元的差頻信號； 所述第一上混頻單元根據接收到的所述點頻源單元產生的第一路輸出信號和所述線性掃頻單元根據掃頻控制信號輸出的第一路線性掃頻信號產生發射端驅動信號； 所述第二上混頻單元根據接收到的所述點頻源單元產生的第二路輸出信號和所述線性掃頻單元根據掃頻控制信號輸出的第二路線性掃頻信號產生接收端驅動信號； 所述中頻本振產生單元根據接收到的所述點頻源單元產生的差頻信號產生中頻本振信號。
2.根據權利要求I所示的THz雷達的收發前端，其特徵在於，所述點頻源單元包括第一點頻源產生子單元、第二點頻源產生子單元、第一功分器、第二功分器和第一混頻器，其中，第一點頻源產生子單元用於產生第一頻率源並經第一功分器產生所述點頻源單元的第一路輸出信號，第二點頻源產生子單元用於產生第二頻率源並經第二功分器產生所述點頻源單兀的第二路輸出信號；第一功分器的另一路輸出和第二功分器的另一路輸出分別輸出到所述的第一混頻器中，產生所述點頻源單元的差頻信號。
3.根據權利要求I所示的THz雷達的收發前端，其特徵在於，所述中頻本振產生單元包括第一濾波器和第一倍頻模塊，所述的第一濾波器和第一倍頻模塊依次連接，產生中頻本振信號。
4.根據權利要求I所示的THz雷達的收發前端，其特徵在於，所述第一上混頻單元包括第一上變頻器和第二濾波器，所述的第一上變頻器和第二濾波器依次連接，第一上變頻器接收來自點頻源單元產生的第一路輸出信號和線性掃頻單元產生的第一路線性掃頻信號；所述的第一上混頻單元產生發射端驅動信號。
5.根據權利要求I所示的THz雷達的收發前端，其特徵在於，所述第二上混頻單元包括第二上變頻器和第三濾波器，所述的第二上變頻器和第三濾波器依次連接，第二上變頻器接收來自點頻源單元產生的第二路輸出信號和線性掃頻單元產生的第二路線性掃頻信號；所述的第二上混頻單元產生接收端驅動信號。
6.根據權利要求I所示的THz雷達的收發前端，其特徵在於，所述線性掃頻單元包括第一線性掃頻發生器和第三功分器，第一線性掃頻發生器根據掃頻控制信號用於產生同步線性掃頻信號，所述的第一線性掃頻發生器和第三功分器依次連接，產生兩路同相同頻線性掃頻信號。
全文摘要
本發明公開了一種THz雷達的收發前端，具體包括點頻源單元、中頻本振產生單元、第一上混頻單元、第二上混頻單元和線性掃頻單元。本發明的THz雷達的收發前端，通過使用兩路非相干源分別驅動THz雷達發射鏈路與接收鏈路，解決了THz頻段下單個信號源難以同時驅動發射鏈路與接收鏈路的問題；又通過採用非相參源實現相參系統，解決了使用兩個信號源所產生的接收信號相位不同步的問題，並提供快速LFMCW掃頻信號，從而能夠實現對目標的釐米級距離分辨。
文檔編號G01S7/48GK102707273SQ20121021338
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月27日 優先權日2012年6月27日
發明者徐政五, 曹宗傑, 李晉, 皮亦鳴, 範錄宏, 閔銳, 高豔松 申請人:電子科技大學