一種空間目標寬帶成像雷達回波模擬與圖像處理平臺

王俊嶺， 紀經明， 倪賢明

（北京理工大學信息與電子學院，北京100081）

0 引 言

近年來，隨著近地軌道商業化的啟動，空間目標的數量在可預期的未來一段時間內會迅猛增加。由于可全天時、全天候地獲取空間目標的二維圖像，逆合成孔徑雷達（Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR）在空間目標的識別、動態監視和故障診斷等方面具有無法替代的地位［1-2］。

由于空間目標距離較遠，為保證雷達探測威力，地基空間目標探測成像雷達系統具有極高的功率孔徑積，像Haystack 雷達的發射功率高達400 kW，而孔徑也接近40 m［3］。這使得空間目標探測成像雷達造價動輒千萬元以上［4］。此外，由于空間目標在軌道運動極為復雜［5］，也很難通過實物縮比模型搭建實測實驗平臺。這種復雜目標的成像處理常用的是數值仿真的方式搭建實驗教學平臺［6］，學生通過數值模擬整個系統的發射、接收和成像處理來了解整個系統。這樣的好處是實驗平臺成本較低，但是，如果實際教學效果僅限于數值仿真，不利于學生對實際雷達系統硬件系統的理解［7］。

本文基于空間目標探測與成像雷達系統的基本組成，搭建了一種空間目標寬帶成像雷達模擬與處理實驗教學平臺。該平臺除了無實際的電磁波傳播過程和物理射頻收發天線，其他硬件搭建方式均與實際空間目標探測成像雷達保持了較高的一致性，可在降低實驗平臺搭建成本的基礎上，最大限度地讓學生能夠在與實際雷達一致的成像處理硬件設備上進行操作與測試，有利于加深學生對實際寬帶成像雷達工作模式和成像處理流程的理解。

1 系統總體設計方案

空間目標寬帶成像雷達教學模擬與處理平臺通過多個結構功能相對獨立的模塊，搭建一套寬帶雷達模擬與成像處理硬軟件系統來模擬實際的空間目標寬帶雷達探測成像過程。該平臺包含寬帶成像雷達中的雷達信號生成、上下變頻、數據采集以及實時處理在內的整個信號生成和處理流程。

該系統結構如圖1 所示，系統由顯控模塊、回波模擬模塊、信號上下變頻模塊、信號轉換與傳輸模塊和實時信號處理模塊五部分組成。

圖1 空間目標寬帶成像雷達模擬與處理平臺結構圖

用戶通過顯控模塊設置目標參數和成像參數，并通過網口將配置參數信息傳遞給回波模擬模塊和實時信號處理模塊；回波模擬模塊根據配置的目標參數信息模擬空間目標相對于雷達的運動、姿態變化等，生成數字基帶回波信號，然后通過光纖傳遞給信號轉換與傳輸模塊，經數模轉換變成基帶模擬回波信號，并由SMA射頻線送給信號上下變頻模塊；信號上下變頻模塊通過對基帶模擬信號進行上變頻、低噪放大、衰減控制以及射頻下變頻等處理，模擬寬帶雷達信號的射頻發射、傳播與接收下變頻處理；信號轉換與傳輸模塊將信號上下變頻模塊由SMA 射頻線傳來的基帶模擬回波信號由數據采集子模塊轉換為數字信號，并通過光纖實時傳給實時信號處理模塊；實時信號處理模塊根據基帶回波數據和顯控模塊配置的成像參數進行成像處理，提取目標特性信息，并將成像結果傳給顯控模塊顯示，同時將接收數據和結果實時存儲。

由于該實驗設備無強實時性要求，在傳輸帶寬滿足數據率要求的前提下，各模塊間的通信和信號傳輸可以采用數據流驅動的方式實現。因此，該系統中非實時參數控制信息和成像結果通過網口傳輸，數據量大的寬帶回波信號在各模塊間通過光纖收發，而模擬信號則通過SMA射頻信號線傳輸，這種方式不僅降低了各模塊數據和控制參數交互的復雜性，也便于分步實驗時實驗結果的分析。

2 系統模塊具體實現與系統搭建

在硬件設備上，除了裝載整個系統的機柜外，該空間目標寬帶成像雷達模擬與處理平臺分為顯控與回波模擬服務器、上下變頻器、AD/ DA變換工控機，以及實時信號處理服務器。

寬帶回波模擬以及寬帶成像處理均涉及大量的矩陣乘加、矩陣轉置、插值以及快速傅里葉變換等密集型計算，傳統的基于FPGA或DSP的信號處理機很難低成本實現所需功能［8］。考慮到寬帶模擬與成像處理實驗設備不像目標窄帶跟蹤處理器那樣對信號處理系統有強實時性要求，因此可采用商用服務器搭載高性能GPU的方式完成其需要的所有功能［9］。

此外，為降低系統的研制復雜度和學生實驗時的調試復雜度，可在統一考慮寬帶回波模擬和成像處理功能需求的情況下，采用通用化設計準則搭建寬帶回波模擬服務器以及寬帶成像處理服務器。

模擬成像處理服務器的結構如圖2 所示，主要子模塊為CPU-GPU計算單元、數據收發光纖板以及數據存儲磁盤陣。在不同服務器上，CPU-GPU計算單元分別完成回波信號的模擬計算或實時成像處理功能，而數據收發光纖板則分別完成回波信號的發送或者接收。各服務器的數據存儲磁盤陣則分別完成回波信號生成后的緩存以及接收回波數據、成像處理后的實時存儲。這種方式使得顯控與回波模擬服務器和實時信號處理服務器之間的硬件可通用化。

圖2 顯控與回波模擬/實時成像處理服務器

上下變頻器需完成特定頻段信號的寬帶上變頻、射頻信號的放大或衰減以及下變頻處理。對一帶寬為1 GHz，載頻為10.5 GHz的上下變頻器，其上下變頻器的基本原理框圖如圖3 所示。該模塊主要為射頻轉換單元，可采用商用產品實現。SFUC20A以及SFDC20A為中星聯華科技生產的微波上變頻器和下變頻器［10-11］。該系列射頻器的射頻覆蓋范圍可覆蓋多倍頻程，并可設置不同的中頻和信號帶寬來適應帶寬和載頻變頻需求［10-11］。因此，上下變頻模塊可采用該系統搭建。其實物圖如圖4 所示。

圖3 上下變頻器原理圖

圖4 上下變頻器實物照片

信號轉換與傳輸模塊是整個空間目標寬帶成像雷達模擬與處理平臺的關鍵連接單元，是數字信號與模擬信號的轉換單元。該模塊各板卡需根據系統功能定制的方式來實現。根據功能需求，信號轉換與傳輸模塊應包含寬帶高速數據采集板、高速信號回放板以及波門時鐘控制板等在內的主要功能板卡。此外，為保證系統的時頻同步性，時頻同步由上下變頻器提供參考時鐘。圖5 給出了北京雷久科技有限公司定制的數據采集板、高速信號回放板以及波門時鐘控制板的實物照片［12］。

綜上所述，整個空間目標寬帶成像雷達模擬與處理平臺裝載在一個42U 的標準網絡服務器機柜上，整體結構布局如圖6 所示。該平臺主要由具有通用接口的商用服務器、射頻設備和板卡搭建，各模塊接口簡單，便于實驗時的接口調試，且設備模塊易更換，符合實驗平臺搭建目的。

圖5 信號轉換與傳輸模塊板卡實物照片

圖6 空間目標寬帶成像雷達模擬與處理平臺

3 系統功能模塊指標測試分析

3.1 回波模擬服務器模擬實時性測試

由于模擬器采用全數字回波模擬方式實現，不存在回波模型建模準確度的問題，因此回波模擬服務器的關鍵在于能夠實時地將模擬的數字回波信號通過光纖傳輸給上下變頻模塊。對此，對模擬器的時延精度進行了測試。

表1 給出了模擬器時延精度的測試結果。由測試結果可知，與設定好的距離時延相比，模擬器時延精度在0.6 ns 以下，對應距離精度在0.1 m 以內，滿足一般成像距離精度要求。

表1 模擬器延時精度測試

3.2 上下變頻模塊帶內平坦度及相噪測試

信號經過上變頻、低噪聲放大以及下變頻后，因射頻通道的非理想特性和相位噪聲的存在，會引入帶內通道失真和時頻抖動，這會影響目標脈壓結果和方位向成像時的相參性，從而影響一維距離像和二維ISAR像的成像質量［13］。對此，對上下變頻模塊輸出信號的帶內平坦度和射頻信號相位噪聲分別進行了測試。

表2 給出了上下變頻模塊在不同頻點的相位噪聲。可以看到，在8 ～18 GHz的寬帶雷達頻點范圍內，載頻100 Hz 以外的不同頻偏下相位噪聲基本均在- 85 dB以下，具有相對優良的頻率相噪特性。

表2 上下變頻模塊射頻相噪

表3 給出了上下變頻器在不同工作頻點的2 GHz帶寬內整體帶內平坦度的測試結果。由測試結果可知，在8 ～18 GHz的寬帶雷達頻點范圍內，其帶內平坦度在4 dB以下。

表3 帶內平坦度

3.3 信號變換模塊雜散測試

信號變換模塊在信號數模/模數轉換過程中會因為模數/數模轉換芯片的量化而引入雜散，影響雷達數據的有效位數［14-15］。表4 給出了包含上下變頻模塊引入的變頻雜散在內的系統整體雜散抑制情況。由表4 可知，整個系統的雜散抑制一般在40 dB 左右，滿足雷達成像處理的需求。

表4 信號雜散

3.4 實時信號處理模塊測試

實時信號處理模塊不僅要獲得目標的成像結果，還要保障成像結果的實時性。因此，表5 及圖7 分別給出了對一空間目標的寬帶雷達模擬回波信號進行實時成像處理過程中各個步驟的處理時間，以及實時成像結果。其中，雷達信號的帶寬為1 GHz、脈寬為100 μs、重頻為50 Hz。

表5 信號處理模塊實時性測試

圖7 目標散射點模型及實時成像結果

由于本實時成像處理的主要功能由GPU完成，表5 給出的為空間目標成像過程中各步驟的GPU 運算時間。由測試結果可以看到，整個成像處理過程中，包括脈內補償、FFT變換、頻域匹配濾波、IFFT 變換以及數據截取在內的一維距離像獲取時長為10.903 ms，而后續包括包絡對齊、相位自聚焦以及方位向FFT 在內的二維像處理所需時間為9.719 ms，均小于50 Hz重頻對應的20 ms處理時間間隔，滿足成像處理的實時性要求。

圖7 給出了模擬空間目標的散射點模型和實時成像處理結果，可以看到，所得二維像能夠明確分辨出空間目標的幾何結構信息，達到了空間目標成像的目的。

綜上所述，空間目標寬帶成像雷達模擬與處理平臺的功能指標測試結果表明，該平臺能夠滿足空間目標寬帶回波模擬及實時ISAR 成像處理的功能和指標要求，可輔助完成“高分辨探測與成像雷達系統設計” 這門課的實驗教學任務。學生可通過該教學實驗平臺的功能模塊編程和具體子系統調試，增加空間目標寬帶探測成像這一前沿技術的理解，便于熟悉實際雷達系統硬件系統。

4 結 語

針對空間目標雷達探測與成像的教學任務需求，給出了空間目標寬帶成像雷達模擬與處理平臺的系統設計方案，并根據系統方案搭建了相對應的硬件系統平臺。對平臺的具體功能和關鍵指標進行的測試結果表明，該實驗平臺能夠滿足空間目標寬帶回波模擬以及實時ISAR成像處理的功能和指標要求，可用于實際實驗教學任務。