一种信号采集设备及其采集方法
技术领域
本发明涉及一种雷达设备，特别涉及一种信号采集设备。
背景技术
雷达对抗领域干扰机的运行和试验往往需要雷达信号的配合，而在研发阶段无法获得雷达方面的配合，目前市面各种雷达信号模拟器不能完全准确的模拟出雷达信号的实际情况；所以一种能够对雷达信号进行采集并生产对应雷达信号数据的设备成为一种需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种信号采集设备及其采集方法，可实时纪录下雷达脉冲的频率、脉宽以及脉内等信息；针对雷达特性占空比小的特点，利用门限触发采集，大大减小数据量；利用GPS授时进行时间修正，确保纪录信号时间正确。
本发明的目的是这样实现的：一种信号采集方法，包括以下步骤：
步骤1)通过计算机对信号采集板进行配置，确定需要存储的信号；
步骤2)控制信号采集板对所有触发数字门限的信号进行快速检测和存储；
步骤3)对存储的数据和检测的数据加上时间戳后存储在硬盘中。
作为本发明的进一步限定，步骤2)具体包括：
步骤2-1)选择射频信号在0.2-18GHz的接受天线，将其接收到的信号发送给微波单元；
步骤2-2)通过微波单元配合接受天线调整衰减量，确保只侦收有效频段内的射频信号；
步骤2-3)通过信号采集板实现对门限信号进行快速检测，并通过FPGA进行参数解算，完成对输入信号的载频、脉冲宽度、幅度、到达时间、到达方位各参数的测量、处理，形成脉冲描述字；
步骤2-4)将上述脉冲描述字缓存QDR单元，同时FPGA内部配置有用GPS授时单元进行校正的时钟电路，为每个脉冲描述字添加上时间戳；
步骤2-5)将上述添加了时间戳的脉冲描述字发送给计算机。
作为本发明的进一步限定，步骤2)过程中信号采集板还可对微波单元进行增益、频合等进行控制。
作为本发明的进一步限定，步骤2-3)中通过信号采集板对门限信号进行数字信道化、幅度相位计算以及频率测量，具体为：首先对采集信号做数字信道化，在信道化过程中，信号分成512个信道，每个信道带宽40MHz；选择其中一路采集数据作为信道监测，信道监测使用平滑门限检测或者小波变换方法检测，如果有信道过门限，让开信号的上升沿后，对应信道的信道监测通知各信号选取部件选择对应的信道，送往下一级相位计算；且上述信道化过程提高了一倍的采样率，实际的采样率为20MHz；信号经过信道化后，生成了正交信号，该信号通过Cordic计算即可获得相位和幅度信息；在完成信号的相位计算后，同过对瞬时相位求导数，即可计算出瞬时频率。
一种信号采集设备，包括：
接收天线，用以接收外部0.2-18GHz的射频信号；
微波单元，用以配合调整衰减量，确保只侦收有效频段内的射频信号；
信号采集板，用以实现对通过门限的射频信号进行快速检测，并通过FPGA进行参数解算，完成对输入信号的载频、脉冲宽度、幅度、到达时间、到达方位各参数的测量、处理，形成脉冲描述字；
GPS单元，用以配合信号采集板对需要存储的射频信号加上时间戳；
计算机，用以控制需要存储的射频信号，并控制上述各单元配合工作，同时还存储射频信号。
作为本发明的进一步限定，所述微波单元由限幅器、开关滤波器组、放大器、衰减器组成，其中滤波器用以针对不同波段雷达，在复杂电磁环境下可只侦收有效频段内的射频信号，衰减器为63dB衰减器，可有效抑制外部无效信号对信号采集板数字门限的误触发，避免参数太多无用数据。
作为本发明的进一步限定，所述信号采集板包括30GSps采样速率的ADC采样芯片、FPGA，可对过门限信号进行快速检测，并通过FPGA进行参数解算，完成对输入信号的载频、脉冲宽度、幅度、到达时间、到达方位各参数的测量、处理，形成脉冲描述字，缓存至QDR单元，同时FPGA内部配置有用GPS单元进行校正的时钟电路，为每个脉冲描述字添加上时间戳。
作为本发明的进一步限定，所述GPS单元包括GPS天线和GPS授时模块，GPS天线经GPS授时模块连接在信号采集板上。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明解决了目前市面上对高频宽带信号的数据录取问题，利用被录取信号的特征，兼顾了信号的完整和数据量，可实现单人携带设备即可完成对需要数据录取；添加GPS授时，确保数据时间的准确。
附图说明
图1为本发明信号采集设备原理图。
图2为本发明中Cordic算法坐标旋转图。
图3为本发明中相位差估计值的均方根误差与输入信噪比的关系。
图4为本发明中信道化后噪声和含噪信号的幅度分布示意图。
图5为本发明中信号包络和包络检测的结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示的一种信号采集设备，包括：
接收天线，用以接收外部0.2-18GHz的射频信号；
微波单元，用以配合调整衰减量，确保只侦收有效频段内的射频信号，微波单元由限幅器、开关滤波器组、放大器、衰减器组成，其中滤波器用以针对不同波段雷达，在复杂电磁环境下可只侦收有效频段内的射频信号，衰减器为63dB衰减器，可有效抑制外部无效信号对信号采集板数字门限的误触发，避免参数太多无用数据；
信号采集板，用以实现对通过门限的射频信号进行快速检测，并通过FPGA进行参数解算，完成对输入信号的载频、脉冲宽度、幅度、到达时间、到达方位各参数的测量、处理，形成脉冲描述字(PDW)，信号采集板包括30GSps采样速率的ADC采样芯片、FPGA，可对过门限信号进行快速检测，并通过FPGA进行参数解算，完成对输入信号的载频、脉冲宽度、幅度、到达时间、到达方位各参数的测量、处理，形成脉冲描述字，缓存至QDR单元，同时FPGA内部配置有用GPS单元进行校正的时钟电路，为每个脉冲描述字添加上时间戳；
GPS单元，用以配合信号采集板对需要存储的射频信号加上时间戳，GPS单元包括GPS天线和GPS授时模块，GPS天线经GPS授时模块连接在信号采集板上；
计算机，用以控制需要存储的射频信号，并控制上述各单元配合工作，同时还存储射频信号。
一种信号采集方法，包括以下步骤：
步骤1)通过计算机对信号采集板进行配置，确定需要存储的信号；
步骤2)控制信号采集板对所有触发数字门限的信号进行快速检测和存储；具体包括：
步骤2-1)选择射频信号在0.2-18GHz的接受天线，将其接收到的信号发送给微波单元；
步骤2-2)通过微波单元配合接受天线调整衰减量，确保只侦收有效频段内的射频信号；
步骤2-3)通过信号采集板实现对门限信号进行快速检测，并通过FPGA进行参数解算，完成对输入信号的载频、脉冲宽度、幅度、到达时间、到达方位各参数的测量、处理，形成脉冲描述字；该步骤中还通过信号采集板对门限信号进行数字信道化、幅度相位计算以及频率测量；
步骤2-4)将上述脉冲描述字缓存QDR单元，同时FPGA内部配置有用GPS授时单元进行校正的时钟电路，为每个脉冲描述字添加上时间戳；
步骤2-5)将上述添加了时间戳的脉冲描述字发送给计算机；
步骤3)对存储的数据和检测的数据加上时间戳后存储在硬盘中。
本发明的工作流程为：通过SOM-6897计算机对信号采集板进行配置，实时获取外部信号频率和功率，当确定需要进行存储时，调整天线方向和微波单元前端衰减器衰减量，确保只有被存储信号能够触发信号采集板中的数字门限；确认需要采集后，信号采集板会对所有触发数字门限的信号进行快速检测和存储，对存储的数据和检测的数据加上时间戳通过PCI总线发送至SOM-6897计算后再存储至固态硬盘中。
本发明中的信号采集板的工作原理具体如下：
A/D采集模块接收射频，送信道化处理模块；最高采样速率高达30GSps。时钟输入与数据的输出为LVDS差分形式，保证采样数据的传输质量。
数字信道化
FPGA主要完成数字信道化功能与PDW字输出；在数字信道化功能部分，模块首先对采集信号做数字信道化，在信道化过程中，信号分成512个信道，每个信道带宽40MHz；选择其中一路采集数据作为信道监测，信道监测使用简单的平滑门限检测或者小波变换方法检测，在技术要求中的信噪比范围能均能比较好的完成信号检测，而且可以实时完成；如果有信道过门限，让开信号的上升沿后，对应信道的信道监测通知各信号选取部件选择对应的信道，送往下一级相位计算；相位计算采用改进的cordic算法，在FPGA中采用流水模式计算，效率较高并且便于实现；后端的频率计算和相位差计算均在此基础上采用一定的积累方式完成。
PDW字输出主要输出参数测量包括完成频率(RF)、脉幅(PA)、脉宽(PW)、到达时间(TOA)及方位(DOA)测量；测向的基础是准确的测量通道间相位差，数字接收机测得的脉冲参数经过综合后，形成PDW(包括方位DOA、TOA、PW、PA、RF)。
为了避免由于噪声造成的信道边缘的频率模糊，信道化过程提高了一倍的采样率，即实际的采样率为20MHz，虽然这样增加了接近一倍的硬件资源消耗，但可以基本上杜绝频率模糊现象的产生。
幅度相位计算
信号经过信道形成模块之后，生成了正交信号，该信号通过Cordic计算即可获得相位和幅度信息；而且Cordic模块适于设计成流水线工作模式，可以大大提高运行速度。
CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer)算法即坐标旋转数字计算方法，主要用于三角函数、双曲线、指数、对数的计算。该算法通过基本的加和移位运算代替乘法使得矢量的旋转和定向的计算不再需要三角函数、乘法、开方、反三角、指数等函数；对于如图2的坐标旋转，有如下公式：
使用迭代的方法，旋转的角度可以在多步之内完成，每一步的旋转完成其中的一小部分，多步之后将会完成一个平面旋转。迭代关系式表示为：
由上式经过多次推导，可以得出：
xi+1＝xi-yi·di·2-i
yi+1＝yi-xi·di·2-i
zi+1＝zi-di·tan-1(2-i)
其中如果yi<0，则di＝-1，否则di＝1，于是有：
yn＝0
zn＝z0+tan-1(y0/x0)
根据上式即可得到信号的幅度和瞬时相位。
幅度计算结果的分布形式将在信号检测模块中说明，这里说明一下理论上输入信号的信噪比和输出相位的标准差之间的关系。
对于信噪比较高的信号(8dB近似满足此要求，低于8dB劣化较严重)，其相位测量结果的均方误差近似为：
因为各信号中的噪声是同分布的，所以相位差的均方误差比相位的增加一倍，表示为：
输入信号的信噪比与信道化输出后相位差的均方根误差之间的关系如图3所示。
由图可见，随着信噪比的增大，两路信号相位差的均方根误差不断减小，在信噪比小于15dB时，相位差的均方根误差下降的非常快；而当信噪比再提高时，误差的减小就比较缓慢了。
频率测量
在完成信号的相位计算后，同过对瞬时相位求导数，即可计算出瞬时频率。
若需要考虑线性调频信号，采集信号的点数可能比较少，如果使用频域测频将无法获得足够的处理增益和分辨率，所以考虑使用时域测频。
对于含白噪声的信号而言，对数据点作平均实际上也就等效于最小二乘的结果，虽然信道化获得的信号所含的噪声并非白噪声，但从节约硬件的角度而言，使用平均积累仍然是硬件实现的最佳选择；但是如果FPGA内部作大量数据的累加，必将造成整个FPGA的计算速度显著下降；另一方面，因为信号的脉宽可能很宽，如果将总数据作累加后平均，将会造成很多不确定的因素。所以采用最小二乘滤波的方法。因为从输入信号到信号实时相位的计算是一个非线性运算过程，因而相位的统计特性非常复杂，采用实际采集样本统计的方式产生相位数据的自相关矩阵，滤波器的系数使用该自相关矩阵生成。对于线性调频信号，调频斜率采用类似的方法得出。
信号检测
原始信号经过数字信道化之后，信噪比得到一定提高，经过前述的幅度计算模块之后，得到信号的包络。假设噪声为高斯噪声，噪声幅度的分布为Rayleigh分布，而含噪信号的幅度分布为Rician分布，其分布不仅与信噪比有关，还与噪声功率有关。如图4所示，这二者在幅度分布上有交叉区域，随着信噪比的降低和噪声功率的提高，该交叠区域的面积不断增大。当信噪比为9dB时，二者的交叠区域仍然比较大，最终设定的门限将是在检测概率和虚警概率之间所做的折中。而实际情况下，这样处理所产生的较高的虚警概率和较低的检测概率将是无法接受的，要改善这二者的性能，最有效的办法就是提高信号的信噪比，因此必须对信号通过某种方式作一定的积累。
设计中使用边沿检测滤波器对产生的信号包络作积累，使用31阶滤波器，检测效果良好，如图5所示，在某信道中存在一个小信号，经过信道化后的信噪比约为8dB，另外在该信道中还存在其他信道的大信号产生的兔耳，由图可见，信号在8dB的信噪比之下直接检测，虚警率和检测概率都不是很理想，但是经过检测滤波器之后信噪比大为提高，可以直接用于检测；兔耳所产生的检测结果，其形状明显异于实际信号的检测结果，可以比较方便的剔除。
同时，在信号检测中还将使用邻信道抑制，信道跟踪等技术以保证最终测量的正确性。
参数解算与形成
参数解算与形成是对是对接收通道的各个通道的信号依据判断准则，对中频信号数据进行参数测量，获得脉冲的频率、相位和幅度信息后，解算出相对方位数据，同时提取脉冲描述字，综合形成PDW码，送往信号处理。
需要指出，对应于分系统不同工作方式，数字接收机也有各种工作方式。比如说在校准方式下，就需要将两通道在不同频率接收到的信号幅度和相位差值测量储存，用来在正常接收外部信号时进行修正。在正常接收外部信号时还有搜索和精测向两种工作方式，在搜索方式下，接收机只需要关注信号是否存在，并主要测量其频率、幅度、脉冲宽度及到达时间等参数。
SOM-6897计算机市面常用工控计算机采用CoreI7处理器，支持Flexible PCIExpress并口书通道，该设计中采用528MB/s传输速率，同时配合信号采集电路板中的QDR存储作为二级缓存，可满足系统中突发高速率通信的需求。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
