[发明专利]基于交替码调制的ISR信号处理系统

说明书

技术领域

本发明属于信号与信息处理技术领域，涉及非相干散射雷达系统，可用于电离层探测和参数估计。

背景技术

电离层探测对研究无线电通信、卫星导航等活动具有重大意义。非相干散射雷达ISR是一种从地面探测电离层的非常有效的手段，探测范围可达60Km至2000Km。入射的雷达电磁波遇到等离子体会产生散射，由于等离子体处于随机热运动状态，当电磁波波长远大于德拜长度时，各个电子和离子的散射是非相干散射。非相干散射信号是一种典型的随机信号，均值为零，但自相关函数和功率谱不为零，由相关函数和功率谱可以得到各种电离层参数。

电离层是一种特殊的软目标，仅能散射入射电磁波能量很小的一部分，电离层回波信号的功率和信噪比都非常低，且回波充满整个雷达波束的探测范围并满足波恩近似。以高度为1500Km的电离层为例，假设发射信号功率为2MW，发射增益为10000，根据典型的电离层参数，经计算可得回波信号的功率约为-170dBmW，信噪比约为-50dB。此外，ISR需要积累长时间的回波信号，计算回波信号自相关的统计值，信号处理系统面临的数据量和计算量都非常大。

由于传统雷达探测的目标多为飞机、轮船、导弹等运动硬目标，传统雷达信号处理只需通过计算连续多个脉冲回波的多普勒频移等参数获得目标的运动方向、速度等信息，反映动态目标特性，它是一种脉间-脉间处理技术，不需进行长时间积累。因此，传统雷达信号处理不适用于处理数据量大，目标为软目标且信噪比低的电离层散射信号，无法计算电离层散射信号的自相关、功率谱等统计特性。相反，ISR信号处理的对象是软目标，针对多个距离单元，在每个脉冲周期内对不同的距离单元分别计算自相关，对多个周期回波信号对应高度上的自相关进行有效的积累，提高处理系统的输出信噪比。此外，为了提高电离层探测的高度分辨率，并得到更多的自相关函数时延采样点，ISR一般采用交替码编码方式，又称随机编码，它是现代ISR最重要的编码方式，它由多组相位编码的长脉冲组成，例如16位AC共有32组，通过对多组脉冲进行积累和模糊函数修正，可以拥有高的距离分辨率，并获得自相关函数的时延剖面，从而得到各种电离层参数。

现有的ISR信号处理方法比较成熟，有统一的计算过程。但由于非相干散射雷达造价高昂，建造和维护难，目前全世界只有约十部非相干散射雷达，因此，如何通过硬件实现ISR的信号处理系统至今无统一标准，故没有相应的ISR信号处理系统文献报道。

发明内容

本发明的目的在于针对非相干散射雷达ISR处理的信号信噪比低、数据量和计算量大、自相关函数的时延剖面距离分辨率高的特点，提出一种基于交替码调制的ISR信号处理系统，以对非相干散射雷达ISR的回波信号进行处理。

为实现上述目的，本发明基于交替码调制的ISR信号处理系统，包括：

FPGA模块，用于接收外部输入的处理参数和数据信号，对接收的数据进行数字下变频，将处理参数和数字下变频结果发送给第一个DSP芯片，并为DSP提供基准时钟；

DSP模块，包括三个DSP芯片，这三个DSP芯片之间通过以DMA方式传输数据的链路口连接，且第一芯片DSP1通过21位地址总线和32位数据总线与FPGA模块相连；第一芯片DSP1用于接收FPGA传送的处理参数和数据并对接收的数据进行滤波，第二芯片DSP2用于计算滤波结果的自相关函数和积累自相关结果，第三芯片DSP3用于对积累的自相关结果用模糊函数修正并计算回波信号的功率谱，最终将累积的自相关结果和功率谱结果以UDP包的形式输出；

电源模块，用于为FPGA和DSP提供所需的工作电压。

利用所述的系统进行ISR信号处理的方法，包括：

(1)处理参数传输步骤，FPGA模块接收外部输入的处理参数，并将处理参数发送给第一芯片DSP1，第一芯片DSP1从FPGA模块获取处理参数后，将处理参数通过链路口以DMA方式传送给第二芯片DSP2，第二芯片DSP2再将处理参数通过链路口以DMA方式传送给第三芯片DSP3，3片DSP接收处理参数后，根据处理参数分别计算出传送数字下变频结果的个数、传送滤波结果的个数；

(2)数字下变频步骤，FPGA模块接收外部输入的数据信号，并对接收的数据信号进行数字下变频；

(3)数字下变频结果传输步骤，FPGA模块将数字下变频结果发送给数字下变频处理子模块；

(4)滤波步骤，数字下变频处理子模块将处理的数字下变频结果传送到滤波子模块，滤波子模块对其进行滤波，并将滤波结果通过链路口以DMA方式发送给滤波结果处理子模块；