某機(jī)載SAR超寬帶LFM波形產(chǎn)生系統(tǒng)性能分析

鐘小艷，王燕宇，唐月生(中國電子科技集團(tuán)第三十八研究所，安徽合肥230088)

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某機(jī)載SAR超寬帶LFM波形產(chǎn)生系統(tǒng)性能分析

鐘小艷，王燕宇，唐月生
(中國電子科技集團(tuán)第三十八研究所，安徽合肥230088)

摘要:提出一種不同于常規(guī)脈壓的擴(kuò)展脈壓。這種脈壓方式可以得到更多的信號(hào)信息，為超寬帶LFM脈壓信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)提供有效的分析手段。首先介紹了擴(kuò)展脈壓的原理，并在工程調(diào)試中加以應(yīng)用。借助這種分析方法確定了某機(jī)載SAR超寬帶LFM波形產(chǎn)生系統(tǒng)出現(xiàn)成對(duì)回波的原因，并分析了載漏和鏡頻對(duì)波形脈壓性能的影響，為改善系統(tǒng)性能提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞:超寬帶LFM;擴(kuò)展脈壓;成對(duì)回波;載漏泄漏;鏡頻干擾

0　引言

隨著超寬帶雷達(dá)技術(shù)的普遍應(yīng)用，要求超寬帶雷達(dá)接收機(jī)性能更高，體積更小，重量更輕，設(shè)計(jì)復(fù)雜性不斷提高。在實(shí)際工程研制過程中，需要對(duì)波形產(chǎn)生系統(tǒng)進(jìn)行更為全面準(zhǔn)確的性能分析，而常規(guī)脈壓方式所包含的信息量有限，無法提供調(diào)試分析依據(jù)。本文提出一種不同于常規(guī)脈壓的擴(kuò)展脈壓分析方式，可以快速得到更多的波形信號(hào)信息。首先介紹了擴(kuò)展脈壓的原理和方法，并在實(shí)際雷達(dá)調(diào)試過程中加以應(yīng)用，確定了成對(duì)回波的位置和噪底升高的成因，為超寬帶LFM脈壓信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)提供有效的分析手段。

1　超寬帶LFM信號(hào)數(shù)字產(chǎn)生系統(tǒng)原理

采用數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生LFM信號(hào)的方法主要有以下3 種:(1)單數(shù)位產(chǎn)生方法，(2)DDS方法，(3)波形存儲(chǔ)直讀法。其中波形存儲(chǔ)直讀法能產(chǎn)生任意波形，與DDS方法相比具有原理簡單、成本低廉、對(duì)器件依賴小、較好的幅相預(yù)失真補(bǔ)償能力等優(yōu)點(diǎn)。因此，本機(jī)載SAR系統(tǒng)以波形存儲(chǔ)直讀法為基礎(chǔ)，對(duì)基于該方法的超寬帶LFM信號(hào)性能的影響進(jìn)行研究，為超寬帶LFM脈壓信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)、參數(shù)選擇、性能評(píng)估和性能優(yōu)化提供參考和借鑒。

幅度歸一化的LFM脈沖信號(hào)為式中，fc為中心頻率;μ= B/τ為調(diào)頻斜率，B為信號(hào)帶寬，τ為脈沖寬度; i(t)= cos(πμt2)為LFM同相基帶信號(hào); q(t)= sin(πμt2)為正交基帶信號(hào)。受數(shù)字器件速度的限制，一般均無法直接產(chǎn)生絕對(duì)帶寬很大的超寬帶LFM信號(hào)?？梢圆捎谜徽{(diào)制技術(shù)和倍頻技術(shù)，先用波形存儲(chǔ)直讀法產(chǎn)生LFM基帶信號(hào)的同相分量i(t)和正交分量q(t);然后由正交調(diào)制器完成兩路正交信號(hào)的矢量合成，將帶寬為［－B/2，B/2］的零中頻信號(hào)搬移至載頻fc，變成頻帶為［fc－B/2，fc+ B/2］的中頻信號(hào);進(jìn)而通過M次倍頻、濾波和放大實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜的擴(kuò)展和功率放大，輸出中心頻率為Mfc、帶寬為MB的超寬帶LFM信號(hào)。采用上述思想設(shè)計(jì)出的超寬帶LFM信號(hào)數(shù)字產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括基帶數(shù)字產(chǎn)生、正交調(diào)制器和倍頻電路3部分。

圖1　某機(jī)載雷達(dá)超寬帶SAR系統(tǒng)波形產(chǎn)生系統(tǒng)

2　LFM信號(hào)的擴(kuò)展脈壓

通常通過對(duì)線性調(diào)頻函數(shù)作脈沖壓縮處理來分析產(chǎn)生的LFM信號(hào)的性能指標(biāo)，但常規(guī)的脈沖壓縮不能全面地表示出信號(hào)的信息量。為了進(jìn)一步發(fā)掘信號(hào)的信息量，提出擴(kuò)展脈壓方式。

2.1常規(guī)脈壓

線性調(diào)頻函數(shù)時(shí)寬為［－τ/2，τ/2］，對(duì)應(yīng)的帶寬為［－B/2，B/2］，時(shí)間與頻率有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。LFM信號(hào)的脈沖壓縮可以從時(shí)域卷積得到，也可以由頻域相乘再IFFT得到。通常作頻域脈壓，為了完整保留信號(hào)信息，脈壓結(jié)果至少為原來信號(hào)數(shù)據(jù)量的2倍，需要對(duì)信號(hào)和脈壓參考函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)零至原來數(shù)據(jù)量的2倍。此時(shí)脈壓結(jié)果時(shí)域代表的時(shí)間范圍為［－τ，τ］，對(duì)應(yīng)的頻率范圍為［－B，B］。大于這個(gè)范圍的信息不能在脈壓結(jié)果中顯示出來。脈壓結(jié)果和LFM一樣，時(shí)間和頻率有對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。當(dāng)采樣頻率為FS時(shí)，頻偏為B的信號(hào)，對(duì)應(yīng)時(shí)間軸τ時(shí)刻，數(shù)據(jù)量為FS*τ;頻偏為－f0的信號(hào)，對(duì)應(yīng)時(shí)間軸t1時(shí)刻，數(shù)據(jù)量為FS* t1(數(shù)據(jù)量記為N)。當(dāng)調(diào)制率為正調(diào)制時(shí)，可以推導(dǎo)出式(1)。

圖2　脈壓結(jié)果的時(shí)間對(duì)應(yīng)載頻關(guān)系圖

當(dāng)信號(hào)的頻偏超過FS/2時(shí)，超過的部分將以FS為周期混疊，產(chǎn)生混疊信號(hào)?；殳B部分的信號(hào)出現(xiàn)在時(shí)間軸的時(shí)刻變?yōu)榱硪粋?cè)，對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)為f0－FS，如圖3所示。

上面的分析通過仿真加以說明。假設(shè)一個(gè)經(jīng)過解調(diào)的基帶LFM信號(hào)，還混雜了一個(gè)載頻f0(f0＞FS/2)的具有相同調(diào)制斜率的LFM信號(hào)，如式(2)所示。這個(gè)信號(hào)與理想線性調(diào)頻參考函數(shù)進(jìn)行脈壓，得到脈壓結(jié)果，如圖4所示。圖中信號(hào)雜波信號(hào)脈壓尖峰本應(yīng)該只出現(xiàn)在t =0時(shí)刻的左側(cè)，由于混疊雜波信號(hào)超過FS/2的那部分信號(hào)形成頻點(diǎn)f0－FS，脈壓尖峰也出現(xiàn)在了t =0時(shí)刻的右側(cè)。

圖3　出現(xiàn)折疊的脈壓結(jié)果時(shí)頻關(guān)系圖

圖4　混疊信號(hào)f0(f0＞FS/2)的脈壓結(jié)果(出現(xiàn)折疊)

2.2擴(kuò)展脈壓

信號(hào)頻域脈壓處理時(shí)，信號(hào)時(shí)寬為［－τ/2，τ/2］，對(duì)應(yīng)的頻域?yàn)椋郏瑽/2，B/2］，參考函數(shù)?。郏璶τ/2，nτ/2］，對(duì)應(yīng)的頻域?yàn)椋郏璶B/2，nB/2］。頻域脈壓處理結(jié)果對(duì)應(yīng)［－nτ，nτ］，對(duì)應(yīng)的頻域?yàn)椋郏璶B，nB］。需要說明的是雖然脈壓結(jié)果對(duì)應(yīng)［－nτ，nτ］，但是有效信息區(qū)只有［－(n + 1)τ/2，(n + 1)τ/2］。通過以上分析，擴(kuò)展脈壓結(jié)果可以拓展信息量，脈壓結(jié)果的時(shí)刻與頻率關(guān)系由式(3)推導(dǎo)，式中的各項(xiàng)參數(shù)定義與式(1)相同。

為了驗(yàn)證上述分析，假設(shè)一個(gè)時(shí)寬為6 μs、帶寬B 為588 MHz的LFM主波信號(hào)，混入400 MHz、800 MHz、1200 MHz的雜波LFM。從仿真結(jié)果可以看到，常規(guī)脈壓的帶寬信息為［－B，B］，所以只能顯示出400 MHz頻點(diǎn)的LFM。n = 2的擴(kuò)展脈壓結(jié)果的帶寬信息為［－1.5B，1.5B］，所以能顯示出400 MHz、800 MHz頻點(diǎn)的LFM。n = 4的擴(kuò)展脈壓結(jié)果的帶寬信息為［－2.5B，2.5B］，所以能顯示出400 MHz、800 MHz、1200 MHz頻點(diǎn)的LFM。

圖5　n =4的擴(kuò)展脈壓結(jié)果

圖6　n =2的擴(kuò)展脈壓結(jié)果

圖7　n =1的擴(kuò)展脈壓即常規(guī)脈壓結(jié)果

3　成對(duì)回波分析

根據(jù)上述分析，利用擴(kuò)展脈壓方法，針對(duì)本系統(tǒng)的脈壓結(jié)果出現(xiàn)的成對(duì)回波分析，由式(3)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的雜波頻點(diǎn)信息。

表1　成對(duì)回波位置信息分析

由表1可以看出，信號(hào)中存在±400 MHz和±800 MHz載頻的線性調(diào)頻信號(hào)。圖11為波形產(chǎn)生系統(tǒng)模擬調(diào)制后進(jìn)入倍頻器前的數(shù)據(jù)，做n = 4的擴(kuò)展脈壓。從圖11可以得到雜波造成的成對(duì)回波對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)± 400 MHz、±800 MHz、±1200 MHz。確定了雜波的頻點(diǎn)，分析得到400 MHz的頻點(diǎn)是由于DA的工作時(shí)鐘造成的，800 MHz的頻點(diǎn)是DA的實(shí)際工作頻率造成的(DA的工作時(shí)鐘為400 MHz，雙沿工作，實(shí)際工作在800 MHz)，1200 MHz的頻點(diǎn)是由于400 MHz和800 MHz相互交調(diào)引起的。

圖8　倍頻前的波形n =4擴(kuò)展脈壓結(jié)果(DA時(shí)鐘:400 MHz)

從圖8可以看到，成對(duì)回波的存在嚴(yán)重影響了成像距離向信號(hào)脈壓性能，在SAR圖像中形成虛假目標(biāo)，必須消除成對(duì)回波。為了消除成對(duì)回波，需要在保留信號(hào)信息的前提下盡可能抑制400 MHz頻點(diǎn)。由于DA的400 MHz工作時(shí)鐘距離信號(hào)頻帶非常近，光是通過濾波器難以完全抑制400 MHz頻點(diǎn)，所以考慮用工作時(shí)鐘1200 MHz的DA芯片替換本系統(tǒng)中的DA芯片。此時(shí)，截至頻率為400 MHz的濾波器也能將1200 MHz頻點(diǎn)帶來的成對(duì)回波抑制掉。圖9為更換DA芯片后的波形脈壓結(jié)果。圖中紅色部分為理想脈壓結(jié)果，藍(lán)色部分為實(shí)際系統(tǒng)通過高速示波器采集的信號(hào)脈壓結(jié)果?？梢钥吹?，與圖8相比，成對(duì)回波被抑制。

圖9　倍頻前的波形常規(guī)脈壓結(jié)果(DA時(shí)鐘:1200 MHz)

4　鏡頻和載漏分析

存在鏡像和載漏的正交調(diào)制器輸出為

so(t)= sin(w0t +μt2)+

式中，α、β分別為鏡像和載漏相對(duì)于主信號(hào)的幅度; w0=2πf0為中頻載波;μ=πB/T。式(4)可以寫為

式中，A =2。當(dāng)α、β很小時(shí)，A≈1，θ=αsin2φ+βsinφ。在Mθ很小時(shí)，M次倍頻后的輸出信號(hào)為

正交調(diào)制器的鏡像分量和載漏分量因倍頻帶來相應(yīng)的雜散分量分別為Mw0t +(M±2)φ和Mw0t +(M ±1)φ，這些位于工作帶內(nèi)的雜散分量會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)的頻譜。從圖10可以看到，由于鏡頻分量和載漏帶來的雜散分量使信號(hào)的頻譜嚴(yán)重惡化。由于倍頻后的信號(hào)中包含4個(gè)主要的雜散分量，它們具有與所需信號(hào)不同的調(diào)制斜率，因而通過信號(hào)的匹配濾波器后將對(duì)脈壓性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。圖11為經(jīng)過二倍頻后信號(hào)的擴(kuò)展脈壓結(jié)果。鏡像分量和載漏分量使脈壓結(jié)果形成了臺(tái)階狀噪底。

從圖10、圖11可以看到，由于存在較高分量的載波泄漏和鏡頻干擾，通過二倍頻器后，信號(hào)分量變得更加復(fù)雜，使成像中的距離向脈壓結(jié)果出現(xiàn)了高達(dá)30 dB的臺(tái)階狀噪底，這會(huì)使雷達(dá)圖像的點(diǎn)目標(biāo)出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，嚴(yán)重影響SAR圖像信息的真實(shí)性。但是，由于本系統(tǒng)中模擬調(diào)制電路本身器件指標(biāo)的限制，難以調(diào)整模擬調(diào)制正交兩路的幅度和相位不平衡度，以此抑制載漏和鏡頻。

圖10　經(jīng)過倍頻器后的信號(hào)頻譜圖

圖11　倍頻后的波形n =4擴(kuò)展脈壓結(jié)果

通過以上分析，修改波形產(chǎn)生方案，以數(shù)字調(diào)制替代模擬調(diào)制，得到圖12所示的波形脈壓結(jié)果，其中紅色為理想脈壓仿真結(jié)果。從圖12可以看到，脈壓噪底在60 dB以下，波形達(dá)到了指標(biāo)要求，滿足系統(tǒng)要求。

圖12　系統(tǒng)修正后，倍頻后的波形脈壓結(jié)果

5　結(jié)束語

擴(kuò)展脈壓不同于常規(guī)脈壓。擴(kuò)展脈壓可以將信號(hào)的頻譜分量完整地表現(xiàn)在脈壓結(jié)果中，并且可以根據(jù)文中推導(dǎo)出的公式得到這些隱藏在波形中的雜波信息。本項(xiàng)目在調(diào)試過程中，通過擴(kuò)展脈壓這一分析方法，得出成對(duì)回波形成的原因，得到脈壓結(jié)果噪底出現(xiàn)臺(tái)階的原因，以此為根據(jù)替換了DA模塊和模擬調(diào)制電路。修改后的系統(tǒng)波形達(dá)到了指標(biāo)要求，滿足系統(tǒng)要求。

擴(kuò)展脈壓以及脈壓結(jié)果信息分析的結(jié)論可以用于超寬帶接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制，性能指標(biāo)優(yōu)化，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用和分析具有普遍的利用價(jià)值。

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Performance analysis of UWB LFM waveform generating system for an airborne SAR

ZHONG Xiao-yan，WANG Yan-yu，TANG Yue-sheng
(No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088)

Abstract:The idea of the expanded pulse compression is proposed.Compared with the conventional pulse compression，it can get more information of the signals and provide an effective analysis means for the ultra-wideband(UWB)LFM waveform generating system.The principle of the expanded pulse compression is introduced，and then it is applied in the engineering debugging.This method helps to find the cause for which the paired echoes are formed in the UWB LFM waveform generating system for an airborne SAR，and the effects of the carrier leak and the image interference on the pulse compression performance of the waveforms are analyzed，which provide the basis for system performance improvement.

Keywords:UWB LFM; expanded pulse compression; paired echo; carrier leak; image interference

作者簡介:鐘小艷(1983-)，女，工程師，碩士，研究方向: SAR總體技術(shù);王燕宇(1976-)，男，高級(jí)工程師，研究方向: SAR總體技術(shù);唐月生，男，高級(jí)工程師，研究方向: SAR總體技術(shù)。

收稿日期:2015-01-12

文章編號(hào):1009－0401(2015)01－0034－05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TN959.73