海洋环境对人类经济活动以及国防建设的影响巨大,尤其是在人类活动频繁的近海海域。对近岸海洋环境进行实时有效地监控,能够避免不良的海洋环境对海岸线经济造成损失,同时可以为改善近岸海洋环境提供科学依据。受理论与技术方面的限制,无线电海洋遥感技术难以在近岸应用。从目前已有的研究来看,超高频雷达具有分辨率高,对海洋动力学参数变化敏感等特点,在近岸海洋环境监测中有很好的发展前景,本文旨在设计一部全数字多通道的超高频雷达接收机用于探测近岸海洋动力学参数。超高频雷达实现海洋环境探测的原理主要是利用海浪对电磁波的布拉格散射形成多普勒频移而获得海流相对于雷达的径向速度。超高频雷达的工作频率定在340MHz左右,采用可收发共站的线性调频中断波体制,15MHz的扫频带宽保证了雷达的高距离分辨力。本文所设计雷达的主要目的是探测海洋动力学参数和移动目标,实现可用于海洋监测和港口管理的多用途雷达。雷达主要由同步控制器、频率合成器、模拟前端、数字模块、天线系统和发射机等子模块组成。本文的研究重点是雷达接收机,主要包括同步控制、频率合成、模拟前端和数字模块等子模块。不同于经典的超外差式接收机,本设计中没有模拟混频器和本振信号发生器,系统总体结构简单,且模拟电路较少,脉冲压缩处理全部在数字域内完成。雷达系统在工作时,各子模块间需要保持严格的时序关系,系统各部分的同步信号和状态信号都是由同步控制器给出。本设计中采用现场可编程门阵列(FPGA)实现雷达系统的同步控制器,较为简单且可实时编程。本文设计的系统属于相干多普勒雷达,频率合成器为系统提供所需的参考信号。为了保证系统的相干性,系统所有的参考信号均来自频合板上的温补晶振。在超高频雷达系统中,采用ADI公司的直接数字频率合成(DDS)芯片AD9910产生载频340MHz、带宽15MHz的线性调频信号作为发射信号。系统中采用了Silicon Labs基于第三代DSPLL技术的任意速率精密时钟Si5324产生983.04MHz的信号作为DDS的参考时钟。这两款芯片均可通过在线编程实现参数配置,非常方便灵活。模拟前端在本系统中起着收发控制、滤波和放大射频回波信号的作用,结构较为简单。放大模块采用3级放大结构,单个通道的整体增益为38dB。一块模拟前端电路板包含4路独立通道,两块电路板即可满足系统8通道的需求。数字模块中包含模数转换、数据处理和传输等子模块。通过模拟前端滤波放大后的回波信号由模数转换模块直接射频采样,系统采用ADI公司的AD9265芯片实现模数转换,采样率81.92MHz,采样后的信号传输至数据处理模块进行后续处理。系统利用CORDIC算法实现回波信号去斜坡(dechirp)和数字下变频处理,滤除无用信号后,USB将数据传输至主机端进行两次快速傅立叶变换实现目标解距离和解速度处理。最终系统使用一片FPGA芯片完成了实时并行8路通道的数字域内去斜坡和下变频处理,使得系统进一步小型化。系统使用的天线为收发可相互替换的Yagi天线,天线增益11dB,半功率点波束宽度为45度。在现场实验中,系统分别使用了10W和100W两种不同功率的发射机,利用100W发射机可以实现最远距离5Km的海洋回波探测。在实验室内完成各个子系统指标测试以及系统整体的闭环测试,测试结果满足现场实验的要求。2012年8月,课题组远赴浙江舟山进行了为期20天左右的海洋表面动力学参数原理性探测实验,验证了雷达系统的硬件电路、时序控制以及信号处理等设计的正确性与实用性。通过不同环境地点的对比实验,取得了台风期间、天线不同架设高度等条件下海洋回波谱不同表现形式的数据。第一次的原理性验证实验后,通过总结与调试,于2013年3月在浙江六鳌进行了第二次海洋表面动力学参数的探测实验,实现了系统8通道独立实时工作,最远探测距离达到5Km。并且通过对数据分析,得到了风力发电装置在超高频雷达回波谱中的表现形式,同时也获得了不同海况下的海洋回波谱。通过观察大量实测数据,结合高频雷达提取浪高的方法,提出了利用超高频雷达实现浪高提取的新方法,并且将超高频提取浪高的结果与卫星探测的浪高数据进行对比,浪高变化趋于一致。期间利用不同极化方式的天线进行对比实验,获得了不同天线极化方式下的海洋回波谱,收发天线均为垂直极化方式获得的海洋回波谱能量最强,而均为水平极化方式获得的海洋回波谱能量最弱,比较适合目标探测。实验室内的闭环测试以及多次现场实验可以表明,超高频雷达系统的设计是成功的,满足系统设计要求。