多通道对海观测SAR 接收与信号产生子系统

文/夏浩淼1 徐萌2 吉宗海1 柳勇1

介绍一种多通道的宽测绘带对海观测SAR 接收与信号产生子系统，可以满足SAR 系统的高方位分辨率和宽测绘带的要求。利用多通道天线可以通过单发多收的模式，在不影响方位分辨率的情况下扩展观测带。较详细的介绍了基于这种多通道扫描方案的接收与信号产生子系统关键技术的实现。

摘 要

【关键词】多通道 宽测绘带内定标 接收与信号产生

1 引言

星载合成孔径雷达（SAR）具有较大的视角范围，可以全天时、全天候获得大范围、高分辨率的海洋图像，得到比使用传统手段更为丰富的观测信息，因此星载SAR 的应用不断得到人们的重视，其中对海目标监测成为其中重要的分支。本文介绍一种多通道的宽测绘带对海观测SAR 机载原理样机接收与信号产生子系统，可以满足SAR 系统的高分辨率和宽测绘带的要求。一般来说SAR 的分辨率包括了距离分辨率和方位分辨率，其中方位分辨率是由回波的多普勒带宽决定的，高的方位分辨率要求较宽的多普勒带宽，也就要求高的重复周期。重复周期又与SAR 成像观测带宽呈反比，观测带越宽，重复周期越短，时间分辨率越高。因此提高方位分辨率与扩展测绘带宽度就存在矛盾。利用多通道天线可以通过单发多收的模式，在不影响方位分辨率的情况下扩展观测带，很好的解决这个矛盾。本文较详细的介绍了基于这种多通道扫描方案的接收与信号产生子系统的实现。

2 接收与信号产生子系统

SAR 接收与信号产生子系统主要功能是为SAR 系统提供多模式宽带线性调频发射激励信号，对大动态宽带回波信号进行多通道正交解调和数字采集，实现高稳定频率合成，为SAR 各相关子系统提供高稳定的相干本振或时钟，同时完成内定标网络形成。框图如图1所示。为了得到理想的对海观测效果，高质量的宽带信号产生、高稳定的时钟合成、系统多通道之间的高幅相稳定性和高准确度的内定标合成网络是实现的关键。

2.1 多通道扫描模式下的高稳定接收通道

对海观测的多通道扫描成像技术对接收通道提出多项关键技术要求，包括高稳定性、大动态范围、幅度相位的非线性失真、宽带正交解调等。由于雷达在方位向单发多收，多通道回波数据需要拼接处理。多通道接收要求接收通道之间的隔离度大于接收机的瞬时动态范围，影响多路接收通道之间的隔离度主要有本振隔离度、控制信号之间的串扰、接收通道之间的串扰，其中以本振隔离度为主，通过本振隔离，接收通道隔离度可达50dB。

多路接收通道的幅相一致性将直接影响SAR 宽测绘特性效果，这就需要保证多个通道间幅度与相位的一致性，通过用参考信号对各接收通道进行闭环宽带补偿和一致性校准可以校正多路接收通道件之间的误差。因此系统将更关心各接收通道间的幅相稳定性，避免系统反复校准，提高系统可用性。系统将采用一致性设计，可满足SAR 系统多通道拼接的要求。通过多通道的一致性集成化设计以及高稳定的本振分配网络，包括相位稳定性≤ ±3°的本振分配。多路接收通道之间的稳定度能满足优于±0.6dB 的幅度起伏和优于±5°的相位起伏。7 个接收通道幅相稳定性测试曲线如图2。对于海洋目标的特点之一就是回波信号的动态范围较大，目标既包括回波较弱的海浪信号又包括回波较强的大型舰船，这就要求接收通道具有较大的动态范围，特别是瞬时动态。同时强的杂波干扰需要对回波进行匹配滤波，接收通道通过前级预选滤波和中频的多模式开关匹配滤波保证了接收通道对带外强杂波的抑制。接收通道选择在S 波段进行正交解调，输出基带的I/Q 正交信号并进行数字采集处理。由于较高的中频使得信号带宽相对于载频的相对带宽较窄，使得接收通道在大的动态范围内都能保证I/Q 信号优于±1°的相位不平衡度和优于±0.5dB 的幅度不平衡度。

为了保证系统的大动态，低噪声系数与高接收增益需要进行均衡设计。由接收通道的噪声系数方程可得：

F=Fn+(F1-1)/Gn （1）

式中， Fn 为限幅低噪声放大器（LNA）的噪声系数，Gn 为LNA 的功率增益( 含限幅器的损耗)，F1 为LNA 后级的等效噪声系数。测得接收通道噪声系数达2.5，则相对应的接收通道灵敏度根据公式（2）得：Smin=-114+ NF+101gBW=-114+101g150 ≈-89(dBmw)（2）式中， NF 为通道的噪声系数，BW 为接收通道的接收带宽。计算得出最小灵敏度为-89dBm。根据接收通道的最大线性输入功率为-14 dBm，得出接收通道的总动态范围为75dB。75dB 的大动态加上信号处理的动态得益能够很好地保证对海目标大动态的线性接收特性。

2.2 基于直接数字频率合成（DDS）多模宽带信号产生

激励信号的带宽与分辨率的对应关系为1 2 cosB mcρ α= (3)式中：B1 为发射波形带宽；m 为距离加权因子；c 为光速；ρ 为距离分辨率；α 为雷达波束的擦地角。根据公式（3），为实现SAR 系统2m、5m 等多种分辨率，系统需要提供最大带宽为150MHz 在内的多种工作带宽。为了保证SAR的高质量成像结果，关键在于宽带信号的低幅相非线性失真，特别是低相位非线性失真。为了保证相位非线性失真需要提高DDS 的频率更新率和DDS 的频率过采样率。DDS 集成电路采用时钟为1GHz 的AD9858，并使最高输出频率控制在时钟的20%，以降低因DDS 的相位舍位、幅度量化误差和DAC 的非线性产生的杂波。LFM 频带扩展和搬移电路也是相位非线性的主要来源。关键点在于解决滤波器相位非线性、电路非线性失真、混频器交调失真及带内幅度高平坦和带外杂波高抑制, 以实现频带内的高线性相位和高幅度平坦特性。激励频谱示意见图3。经过扩频和变频环节激励信号的相位特性恶化在10o 左右，通过闭环补偿能补偿掉这部分误差，补偿后等效脉压副瓣未加权为-13dB，海明加权为-38dB。150M 信号的脉压图如图4。

2.3 高稳定频率合成

高频率稳定度是SAR 实现高分辨成像关键性能之一。频率合成器受平台随机振动的影响和有效载荷的限制，要求其在保证低相位噪声的同时必须实现低功耗、轻重量、小体积，并具有良好的振动和宽温适应性。采用取样合成和数字锁相相结合的合成方式，在满足基本指标的前提下，使得方案最简，并获得最小功耗、体积和重量。在平台振动的环境下，晶体振荡器特有的压- 频效应使其成为合成器中对振动最为敏感的部分。对于简谐振动，将会产生边带调制，其调制边带幅度近似为（4）式中： （g）为简谐振动峰值加速度，fv为简谐振动频率， （/g）为晶体振荡器的加速度灵敏度， 为晶振的静态频率。由上式可见一个低加速度灵敏度的参考源是重要的。对晶振和频率合成器进行抗振设计包括电路级的超轻型设计，并对单元采取双重隔振，并通过变谐振频率使合成器的内部共振频率远高于振动频率上限。这种设计得抗振特点是：隔振频带宽；超低频隔振效果好；附加重量小。很好地解决了平台的宽频随机振动和有效载荷有限等问题。频率合成器输出将具有和参考源同等量级的长稳，系统选用10-8/ 日的恒温晶体振荡器，因此合成器的输出长稳为10-8/ 日。由于采用多重隔振的抗振措施，其振动条件下合成器相位噪声除局部存在杂散谱外与静态相噪相当。等效短期稳定度约为10-11/ms。

2.4 SAR的内定标合成网络

辐射定标是准确、定量描述SAR 系统性能的重要手段。由于T/R 组件失效等问题会造成天线方向图可能存在较大的失真，从而影响所获取的SAR 图像数据的质量。另一方面，微波对地遥感要求图像目标后向散射特征不仅局限于目标之间的相对定性判断。因此，对合成孔径雷达系统进行定标是实现定量对地观测的关键技术之一。

辐射定标的内定标是主要对雷达自身参数进行定标，由于天线定标参数依靠内定标很难测量，一般采取外定标方法。内定标结合外定标可实现对系统的绝对定标。实现内定标原理上只要有一已知信号对SAR 系统进行大闭环即可。实际中由于系统收发之间存在难以克服的互扰现象，简单的大闭环将无法实现内定标。因此系统采用非延时的多回路法。非延时的多回路法的核心目的为了解决收发干扰。SAR 接收与信号产生子系统内定标网络通过多回路分别提取发射参数、T/R 接收参数、主接收参数。

发射参数提取路径为，主激励信号经功率分配网络，送单个线阵对应的T/R 组件，取其耦合输出信号作为标定信号，经分配网络送入7 个接收通道提取信号特性。通过这个支路，可取得发射支路的参数。T/R 接收参数提取路径为，激励耦合信号经分配网络送入单个线阵对应的T/R 组件的接收端，接收放大后送入对应的一路接收机提取接收路径的参数。主接收参数提取路径为，激励耦合信号经功率分配网络送入7 个接收通道的耦合输入端，可提取接收通道的参数特性。通道三回路定标方法可以高效的完成系统收发的主要指标并降低对测试过程中的收发隔离的要求，保证了多通道雷达定标的高效性，准确性。

3 接收与信号产生子系统研制结果

该多通道宽测绘带对海观测SAR 接收与信号产生子系统采用多回路内定标技术实现了系统的高效定标，采用多通道正交解调技术完成了系统的多通道高稳定接收，采用DDS 波形产生和线性频带扩展搬移技术实现了系统的激励波形，采用二型锁相环结合抗振技术获得系统的高相位稳定。接收与信号产生子系统的主要性能如表1 所示。研制的样机如图5 所示。图 5 接收与信号产生子系统原理样机实物

4 结束语

多通道宽测绘带对海观测SAR 以其特有的优势得到人们的高度重视，在国外先进国家已广泛应用于信息获取领域。由于对海洋观测的的特殊性，大动态目标检测、多通道图像拼接等都对接收与信号产生子系统提出了苛刻要求，从而产生一系列技术难题。该SAR 系统接收与信号产生子系统采用了多项先进技术如基于DDS 的低失真波形产生技术、多通道相位同步技术、多回路内定标技术、抗振高稳定频率合成技术、超宽温低气压适应技术和微型化设计技术等。该SAR 系统样机目前已完成研制，在机载平台上实现了长时间、不间断高分辨实时成像, 取得了良好的效果。

参考文献

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[4] 许仕海, 吉宗海, 一维运动目标的特征估计[J], 现代雷达, 电子科技大学学报2005,06:767-770.

( 通信作者: 吉宗海)

作者单位

1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽省合肥市 2300882.96175 部队 安徽省黄山市 245000