某一特定頻段的雷達(dá)通常具有不同于其他頻段雷達(dá)的性能、特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。例如，眾所周知，穿透能力基本取決于微波頻率[1]。通常，穿透距離與微波頻率成反比。頻率越高，穿透深度越低。此外，地形特征會(huì)影響穿透能力，濕度對(duì)微波穿透起屏蔽的作用[2]。P波段和L波段雷達(dá)系統(tǒng)的新興軍事和民用應(yīng)用包括探測(cè)被樹葉和/或偽裝隱藏的目標(biāo)、探測(cè)掩埋的物體、林業(yè)應(yīng)用、生物量測(cè)量、考古和地質(zhì)勘探。

在另一方面，在更高的頻率，例如X、Ku和Ka波段，雷達(dá)更容易實(shí)現(xiàn)精確的距離和位置測(cè)量，因?yàn)樗鼈兙哂懈鼘挼膸挘ㄆ錄Q定了距離精度和距離分辨率）和對(duì)于特定尺寸的物理天線的更窄的波束天線（其決定了角度精度和角度分辨率）[3]。考慮到以上幾點(diǎn)，單一的多波段SAR系統(tǒng)在操作靈活性和不同應(yīng)用以及最終用戶的觀測(cè)能力方面的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。

核心技術(shù)：DAC和ADC

具有超寬模擬帶寬的高采樣率DAC和ADC是實(shí)現(xiàn)全數(shù)字多波段SAR系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

特別是，雙通道DAC EV12DD700支持12Gsps采樣率，瞬時(shí)帶寬高達(dá)6GHz，可同時(shí)在多個(gè)奈奎斯特域(NZ)中工作，-3dB模擬帶寬最高可達(dá)25GHz。包括2RF的多種輸出模式允許在21GHz及更高的頻率進(jìn)行無(wú)需上變頻的直接信號(hào)合成（圖1）。

圖1 不同DAC工作模式下的DAC輸出功率 vs 輸出頻率

EV12PS640概念款A(yù)DC是一款單通道器件，支持用于波束形成的鏈?zhǔn)酵焦δ堋Ｔ趩味薃DC輸入時(shí)，它最高支持30GHz的直接射頻（RF）采樣（圖2）。單端輸入使接收器信號(hào)路徑的設(shè)計(jì)無(wú)需使用射頻巴倫，從而避免相關(guān)的信號(hào)失真和帶寬限制。

圖2 單端信號(hào)的輸入帶寬性能

初步架構(gòu)

本文提出了一種全數(shù)字四波段SAR。由于采樣率高達(dá)12Gsps，任意1-1.5GHz的L波段波形和4.75到5.5GHz的C波段信號(hào)可在非歸零（NRZ）模式下同時(shí)直接合成而不發(fā)生重疊。此外，由于在RF模式下DAC可工作在多個(gè)NZ中，X波段的波形可在第二奈奎斯特域中產(chǎn)生，同時(shí)在第三奈奎斯特域中產(chǎn)生Ku波段的波形。特別是，X波段的9-10.2GHz可與Ku波段的16-17.5GHz一起生成。圖3展示了DAC輸出的噪聲波形頻譜。

為了避免混疊，DAC的NRZ輸出在5.5GHz進(jìn)行低通濾波。然后，它被放大并發(fā)送至寬帶天線。而RF輸出則使用雙波段濾波器進(jìn)行濾波，以選擇出第2奈奎斯特域的X波段和第3奈奎斯特域的Ku波段（圖3b）。

a) L+C波段，NRZ模式，第1奈奎斯特域

b) X+Ku波段，RF模式，第2和第3奈奎斯特域

圖3 DAC輸出噪聲頻譜

圖4所示的多波段SAR架構(gòu)采用了脈沖雷達(dá)方案。因此，連接接收鏈的兩根天線各使用一個(gè)環(huán)行器。與DAC輸出類似，在使用兩個(gè)工作在相同的12GHz采樣時(shí)鐘的ADC對(duì)接收信號(hào)放大和數(shù)字化之前，需先對(duì)其進(jìn)行L+C通道的低通濾波和X+Ku通道的雙波段濾波。

圖4 多波段SAR架構(gòu)

圖5給出了兩種ADC的頻率規(guī)劃。L波段和C波段可直接采樣而不發(fā)生混疊，因?yàn)樗鼈兌悸湓诘?奈奎斯特域（6GHz）的范圍內(nèi)。另一方面，由于X波段和Ku波段位于第2奈奎斯特域和第3奈奎斯特域，它們分別對(duì)應(yīng)于第1奈奎斯特域的1.8-3GHz和4-5.5GHz的范圍，沒(méi)有重疊。高性能的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）可實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生器的功能，用于合成所需的雷達(dá)信號(hào)并處理從ADC到高速固態(tài)硬盤（SSD）的高速數(shù)字信號(hào)。

a) L+C波段

b) X+Ku波段

圖5 第1奈奎斯特域的ADC頻率規(guī)劃

在前端架構(gòu)中，輸入和輸出濾波器尤其重要。輸出濾波器是選擇所需的波段和抑制無(wú)關(guān)的混疊波段的必要器件。另一方面，為了防止其他帶外信號(hào)的干擾并降低整體噪聲水平，需使用輸入濾波器濾除噪聲和無(wú)關(guān)信號(hào)。這些濾波器可使用多波段濾波器技術(shù)在微帶上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)選項(xiàng)是將寬帶信號(hào)分成兩個(gè)單獨(dú)的波段，使用單波段濾波器濾波，然后重新組合。

為了使DAC的輸出電平與功率放大器的輸入端所需的電平匹配，我們需要使用中間驅(qū)動(dòng)器。功率放大器應(yīng)能夠處理合適的功率，以滿足每個(gè)頻段的發(fā)射功率要求。由于系統(tǒng)是基于脈沖的，因此有必要考慮傳輸功率的平均值，這可簡(jiǎn)化放大器的選擇。為了使發(fā)射器和接收器共用同一個(gè)天線，功率放大器的輸出端的寬帶環(huán)行器是必要的器件。

在接收端，根據(jù)發(fā)射功率的不同，需采用功率限制器件對(duì)低噪聲放大器（LNA）進(jìn)行保護(hù)。否則，如果環(huán)行器的隔離度不夠（通常為20dB），在傳輸階段可能損壞LNA。

機(jī)載系統(tǒng)演示樣機(jī)的研制

所有的4個(gè)工作頻段使用單一天線可實(shí)現(xiàn)SAR成像的單相中心。然而，考慮到實(shí)際的增益和天線尺寸，單天線很難容納從1到18GHz的超寬頻率跨度。此外，由于L和C波段使用相同的DAC和ADC進(jìn)行合成和數(shù)字化，X和Ku波段也是如此，我們可方便地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單獨(dú)的模擬鏈路（圖4）。

對(duì)于機(jī)載應(yīng)用，L和C波段可使用寬帶喇叭天線（如英聯(lián)微波的LB-560[6]）進(jìn)行發(fā)射和接收，這款天線支持0.5-6GHz的頻率范圍的10-12dBi的恒定增益（圖6）。另一方面，多倍頻程喇叭天線（如英聯(lián)微波的LB-60180-20[7]）擁有6-18GHz的帶寬，支持X和Ku波段，X波段的增益約為20dBi，Ku波段的增益約為22dBi（圖7）。

圖6 LB-560寬帶天線增益

圖7 LB-60180-20多倍頻程天線增益

對(duì)于L+C波段，可使用RF-Lambda的功率放大器RFLUPA0706GG進(jìn)行功率放大[8]，其典型功率輸出為48dBm，頻率范圍是0.7-6GHz。對(duì)于X+Ku波段，可使用RF-Lambda的RFLUPA0618GE放大器[9]，其典型輸出功率是50dBm，頻率范圍是6-18GHz。

功率放大器的輸出可能需要使用帶通諧波抑制濾波器。在這種情況下，根據(jù)發(fā)射功率的不同，應(yīng)仔細(xì)評(píng)估微帶功率的處理。對(duì)于X+Ku波段的高功率寬帶環(huán)行器，一個(gè)可行的選擇是DORADO國(guó)際的4CCM14-1同軸型號(hào)[10]，它可覆蓋9-18GHz的范圍，功率為150W。在L+C波段的情況下，很難找到一款具有如此大分?jǐn)?shù)帶寬的環(huán)行器。另一個(gè)選擇是采用大功率同軸開關(guān)，例如RF-Lambda的RFSP2TR5M06GS[11]。

在這樣的高頻數(shù)字系統(tǒng)中，低抖動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)是必不可少的。時(shí)鐘發(fā)生器可使用基于鎖相環(huán)的信號(hào)合成器來(lái)實(shí)現(xiàn)。ADI的微波合成器ADF4152集成了壓控振蕩器[12]，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的噪聲特性。時(shí)鐘分配器可使用高頻窄帶分配器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Hitech Global HTG-960 Virtex UltraScale+ VU19P開發(fā)平臺(tái)[13]是一款優(yōu)秀的FPGA板卡，支持通過(guò)FMC標(biāo)準(zhǔn)與DAC和ADC連接。FMC接口還允許連接到非易失性內(nèi)存主機(jī)控制器接口規(guī)范（NVMe）的高速SSD（Raid0配置），以記錄采集的數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)的功能可在輕型飛機(jī)上演示，如Tecnam P92JS SmartBay[14]，它支持在機(jī)翼下的專用吊艙中安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

預(yù)期的雷達(dá)性能

可根據(jù)表1中的參數(shù)計(jì)算預(yù)期的SAR性能。我們已經(jīng)考慮了損耗和噪聲的保守值，并假定飛行平臺(tái)在平均地面高度之上2000m的高度以40m/s的地面速度飛行。

參考表1中的參數(shù)，可依據(jù)下式計(jì)算不同波段的NESZ[15]：

表1 仿真參數(shù)

其中kB為玻爾茲曼常數(shù)，TN為290°K的參考溫度，r0是刈幅中心的傾斜范圍。假設(shè)分布反射為0dBm2/m2，圖8展示了各子波段的地塊接收功率和傾斜范圍的函數(shù)關(guān)系。天線的整個(gè)-3dB范圍的總集成功率也被標(biāo)出。由于L和C波段共享LB-560天線，其半功率波束寬度大于39度仰角，L波段的頻率的刈幅非常大，從2337m到10369m。盡管LB-560天線在L和C波段的增益幾乎相同，但由于自由空間的衰減不同，C波段的接收功率比L波段低20dB。另一方面，X和Ku波段共享更直接的LB-60180-20，因此在這兩個(gè)更高的波段的刈幅更窄。

圖8 接收的功率，假設(shè)σ0 = 0dBm2/m2

圖9展示了期望的NESZ和不同子波段的傾斜范圍的函數(shù)關(guān)系。期望的NESZ在Ku和X波段分別優(yōu)于-23dBm2/m2和-25dBm2/m2。低頻天線的范圍允許SAR在L波段產(chǎn)生高達(dá)10km的成像，但靈敏度較差。由于通常認(rèn)為優(yōu)于-20dBm2/m2的NESZ值表征良好的SAR成像質(zhì)量，L和C波段的最大成像范圍被分別限制在5819m和4092m。

圖9 NESZ

機(jī)載處理和預(yù)期數(shù)據(jù)率

為了降低需記錄的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)率，我們需要對(duì)四個(gè)波段的接收信號(hào)進(jìn)行機(jī)載采樣和預(yù)處理（圖10）。具體地說(shuō)，每個(gè)采樣波段都分別依據(jù)第一奈奎斯特域的中心頻率數(shù)字下變頻(DDC)到基帶。然后，通過(guò)級(jí)聯(lián)積分梳(CIC)濾波器對(duì)采樣率進(jìn)行抽取，以適應(yīng)瞬時(shí)帶寬。我們還需使用有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器對(duì)CIC濾波器的響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。然后，使用交叉相關(guān)器(Xcorr)對(duì)已濾波的信號(hào)進(jìn)行范圍壓縮，并將其限制在每個(gè)波段4倍過(guò)采樣的范圍以內(nèi)。最后，經(jīng)過(guò)合成的6160MB/s的數(shù)據(jù)率被發(fā)送到雙通道Raid0 Gen.4 NVMe IP中[16]，這個(gè)IP將壓縮的數(shù)據(jù)以3080MB/s的數(shù)據(jù)率分別寫入兩個(gè)Gen.4 NVMe SSD中[17]。

圖10 機(jī)載處理架構(gòu)

實(shí)測(cè)結(jié)果

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室對(duì)本文提出的系統(tǒng)做了詳細(xì)的測(cè)試，其輸出頻譜如圖11和圖12所示。

圖11 L波段和C波段的輸出頻譜

圖12 X波段和Ku波段的輸出頻譜

結(jié)論和展望

本文對(duì)一種在L、C、X和Ku波段工作的全數(shù)字多波段SAR系統(tǒng)進(jìn)行了可行性研究。首先介紹了Teledyne e2v的DAC和ADC，然后提出了一種基于脈沖的SAR系統(tǒng)的初步架構(gòu)，最后以幾種商業(yè)器件和技術(shù)為例，評(píng)估了空中多波段SAR成像的機(jī)載演示系統(tǒng)的可行性。未來(lái)我們將會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行更詳細(xì)的分析，包括脈沖響應(yīng)、相位線性度和雜散水平，然后進(jìn)行所述的機(jī)載多波段SAR演示樣機(jī)的開發(fā)工作。這個(gè)演示樣機(jī)是更廣闊的技術(shù)路線圖的第一步。我們期待未來(lái)會(huì)有更新的設(shè)計(jì)，并由新的宇航機(jī)構(gòu)和私營(yíng)公司推動(dòng)航天載荷的發(fā)展。

本文轉(zhuǎn)載自：微波世界微信公眾號(hào)

審核編輯：湯梓紅