一種具有高穩(wěn)定相位差的成像雷達(dá)頻率源

張鳳萍, 梁 影,2, 章撼中, 倪 亮,2

(1.上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海201109;2.上海目標(biāo)識(shí)別與環(huán)境感知工程技術(shù)研究中心,上海201109)

0 引言

頻率源,又稱頻率合成器,是雷達(dá)和通信系統(tǒng)的核心器件之一,對(duì)雷達(dá)和通信系統(tǒng)的性能起決定性作用。對(duì)于太赫茲成像雷達(dá),為了實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)厘米級(jí)甚至毫米級(jí)分辨率的成像,要求雷達(dá)系統(tǒng)具有較好的相參性[1],從而對(duì)頻率源的精度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。目前,對(duì)太赫茲波頻率源的研究正處于探索階段,頻率源在更高頻率、更低相噪、更低雜散和諧波[2]等性能上的突破,能更好地推動(dòng)高分辨成像雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展。

針對(duì)微波頻率源相位抖動(dòng)以及頻率不穩(wěn)定等因素導(dǎo)致高分辨成像雷達(dá)目標(biāo)回波抖動(dòng)、成像效果差的問(wèn)題,提出了一種具有高穩(wěn)定相位差的頻率源實(shí)現(xiàn)方案,并進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)測(cè),驗(yàn)證頻率源方案的有效性。

1 頻率源穩(wěn)定性對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償精度的影響

高分辨成像雷達(dá)作為逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)成像技術(shù)的應(yīng)用,回波數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要包括運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和成像處理兩部分。目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化會(huì)導(dǎo)致成像質(zhì)量下降,由于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的非合作性,在無(wú)法預(yù)知目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的前提下,高要求的目標(biāo)成像分辨力很難實(shí)現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)[3]作為ISAR成像的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù),是進(jìn)行圖像處理和分析的基礎(chǔ)。

設(shè)雷達(dá)接收機(jī)收到的回波信號(hào)為

式中:f(t)為回波復(fù)包絡(luò);ω0為載波頻率。則延時(shí)τ的回波信號(hào)可表示為

運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程中對(duì)相鄰時(shí)刻回波進(jìn)行包絡(luò)對(duì)齊時(shí),充分利用了相鄰時(shí)刻兩次回波之間的強(qiáng)相關(guān)性,進(jìn)行距離像平移處理,并以幅度相關(guān)函數(shù)R(τ)的最大值所在位置τ0作為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)間的估計(jì)值[4]。幅度相關(guān)函數(shù)R(τ)的表達(dá)式為

運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)陌j(luò)對(duì)齊要求回波之間具有相關(guān)性,頻率源產(chǎn)生的脈沖調(diào)頻信號(hào)間的初始相位誤差以及頻率誤差越小越好。若頻率源使用的系統(tǒng)時(shí)鐘不穩(wěn)定,產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的初始相位會(huì)有較大的抖動(dòng),相鄰多次回波間的強(qiáng)相關(guān)性不成立,從而引入包絡(luò)對(duì)齊誤差。

同樣的,采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行初相校準(zhǔn)時(shí),需要在目標(biāo)散射點(diǎn)中尋找一個(gè)參考點(diǎn),如散射中心[5],作為基準(zhǔn)完成初相校準(zhǔn)?；蛘吒鶕?jù)最大似然估計(jì)原理[6],通過(guò)回波脈沖間的相位關(guān)系,估計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù),完成初相校準(zhǔn)。頻率源引入的初相抖動(dòng),會(huì)增加參考點(diǎn)的選取難度。回波脈沖間的相位關(guān)系不穩(wěn)定,會(huì)導(dǎo)致初相校準(zhǔn)不準(zhǔn)確,合成后的目標(biāo)像將出現(xiàn)主瓣展寬和副瓣變差的情況,無(wú)法滿足高分辨雷達(dá)成像的精度要求。

2 頻率源相位差穩(wěn)定性的要求

高分辨成像雷達(dá)要求成像分辨率達(dá)厘米級(jí)甚至毫米級(jí)。在包絡(luò)對(duì)齊誤差無(wú)法通過(guò)指數(shù)加權(quán)、卡爾曼濾波、最大熵等濾波算法處理達(dá)到分辨率精度要求時(shí),需要對(duì)頻率源的穩(wěn)定性提出更高的要求。

完成運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后,即可對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理。常用的成像算法有距離-多普勒成像法[7]、超分辨ISAR成像算法、幅度和相位壓縮法以及ISAR圖像重建算法等。這些成像算法都有一個(gè)共同的特點(diǎn),即成像結(jié)果的好壞與頻率源的相位特性具有較大的相關(guān)性。一發(fā)三收脈沖調(diào)頻ISAR成像雷達(dá),在完成回波的去斜或解調(diào)時(shí),需要在接收機(jī)中對(duì)回波信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行差頻處理。差頻處理時(shí)頻率源相位差會(huì)對(duì)去斜結(jié)果引入相位殘差項(xiàng),從而降低雷達(dá)成像分辨率[8]。

雷達(dá)發(fā)射和接收倍頻鏈路原理框圖如圖1所示。接收與發(fā)射頻率源信號(hào)由兩片DDS芯片分別產(chǎn)生,經(jīng)相同的多級(jí)鎖相倍頻,得到太赫茲波段頻率源信號(hào)輸出。發(fā)射頻率源相對(duì)于接收頻率源有一個(gè)固定頻偏,該頻偏產(chǎn)生時(shí)鐘與DDS芯片時(shí)鐘同源。在保證多級(jí)倍頻鏈路本身不產(chǎn)生相位噪聲的前提下,DDS芯片輸出信號(hào)的相位噪聲會(huì)在倍頻鏈路中逐級(jí)放大。如果兩路DDS芯片產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的脈間初始相位差不穩(wěn)定,會(huì)在回波去斜處理過(guò)程中引入誤差,造成回波中心頻率的偏移,產(chǎn)生距離估計(jì)誤差。為滿足去斜混頻接收的要求,收發(fā)兩路DDS電路需要進(jìn)行同步處理,同一脈沖的兩路輸出信號(hào)同步誤差不得超過(guò)1 ns;在工作頻率為600 MHz時(shí),DDS輸出重復(fù)脈沖間的相位差應(yīng)不大于2°。

圖1 雷達(dá)發(fā)射和接收倍頻鏈路原理框圖

3 頻率源設(shè)計(jì)

3.1 頻率源方案

設(shè)計(jì)頻率源時(shí),充分考慮系統(tǒng)相參性要求,各電路模塊均采用同一參考時(shí)鐘。參考電子科技大學(xué)[9]基于DDS和鎖相環(huán)(PLL)的頻率源設(shè)計(jì)方案,將單路的DDS鎖相倍頻[10]鏈路擴(kuò)展成雙路固定頻率差頻率源產(chǎn)生鏈路(雙路DDS+PLL頻率源),如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)通過(guò)串行外設(shè)接口(SPI)與DDS芯片通信,完成DDS信號(hào)產(chǎn)生控制;DDS芯片的時(shí)鐘輸入信號(hào)與混頻輸入信號(hào)均由同一晶振鎖相倍頻產(chǎn)生;DDS產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)二倍頻器后,在PLL中與具有固定頻率偏差的兩路X波段頻率源信號(hào)進(jìn)行混頻;然后經(jīng)N倍頻得到太赫茲頻段信號(hào)。

圖2 雙路DDS+PLL頻率源原理框圖

FPGA控制DDS信號(hào)輸出時(shí),需要對(duì)DDS芯片內(nèi)部控制寄存器進(jìn)行多次刷新,啟動(dòng)DDS芯片內(nèi)部時(shí)鐘校準(zhǔn)電路,完成多芯片間的系統(tǒng)時(shí)鐘同步校準(zhǔn),產(chǎn)生兩路同步的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)。低頻信號(hào)由兩片AD9914芯片產(chǎn)生,充分利用其同步校準(zhǔn)功能,分別從硬件和軟件上進(jìn)行初始相位校準(zhǔn)設(shè)計(jì),保證頻率源的頻率精度與相位精度?？紤]到兩片DDS芯片之間的同步性要求,采用2.4 GHz高頻時(shí)鐘信號(hào)作為DDS芯片系統(tǒng)時(shí)鐘。2.4 GHz高頻時(shí)鐘由50 MHz時(shí)鐘通過(guò)兩級(jí)高精度晶體振蕩器級(jí)聯(lián)產(chǎn)生,以保證最后一級(jí)振蕩器輸出信號(hào)的相位穩(wěn)定度足夠高。對(duì)于2.5 GHz載波,壓控振蕩器(VCO)相位噪聲為-137 dBc/Hz@1 MHz,滿足時(shí)鐘穩(wěn)定性要求。

3.2 頻率源相位差穩(wěn)定性的改進(jìn)

雙DDS頻率源產(chǎn)生的脈沖調(diào)頻信號(hào)的相位噪聲與雜散指標(biāo)能夠滿足高分辨成像雷達(dá)分辨率要求。但是由于兩路DDS電路輸出信號(hào)的初始相位存在波動(dòng),會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)測(cè)距平均值出現(xiàn)較大偏差。為了解決上述問(wèn)題,對(duì)雷達(dá)測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析,并改進(jìn)信號(hào)處理流程。

在雙DDS頻率源信號(hào)產(chǎn)生電路中,采用兩級(jí)時(shí)鐘發(fā)生電路產(chǎn)生頻率高達(dá)2.4 GHz的同源時(shí)鐘分別給兩片DDS芯片。由于輸入時(shí)鐘頻率較高,導(dǎo)致雙DDS的低頻調(diào)制脈沖的脈間相位同步比較困難,同步誤差將影響ISAR成像雷達(dá)的成像分辨率和測(cè)距精度。

為了提高雙DDS的輸出脈沖相位差穩(wěn)定性,對(duì)DDS芯片輸出的100 MHz同步時(shí)鐘進(jìn)行前沿對(duì)齊監(jiān)控,結(jié)果反饋給FPGA控制軟件,對(duì)DDS芯片進(jìn)行多次同步校準(zhǔn),直至同步誤差滿足系統(tǒng)要求。改進(jìn)后的電路功能框圖如圖3所示。

圖3 雙路DDS頻率源的同步改進(jìn)示意圖

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 同步時(shí)延測(cè)試

對(duì)DDS系統(tǒng)時(shí)鐘同步時(shí)延進(jìn)行測(cè)試,采取時(shí)鐘上升沿對(duì)齊措施前后的兩路DDS時(shí)鐘信號(hào)輸出波形分別如圖4和圖5所示。未采取時(shí)鐘對(duì)齊措施時(shí),兩路DDS輸出同步時(shí)鐘上升沿明顯未對(duì)齊,低頻調(diào)制脈沖輸出相對(duì)延時(shí)1.366 7 ns,不滿足高分辨成像雷達(dá)測(cè)距要求;采取時(shí)鐘對(duì)齊措施后,兩路DDS輸出同步時(shí)鐘上升沿對(duì)齊,低頻調(diào)制脈沖輸出相對(duì)延時(shí)479.8 ps,滿足高分辨成像雷達(dá)測(cè)距要求。

圖4 采取時(shí)鐘對(duì)齊措施前的DDS輸出情況

圖5 采取時(shí)鐘對(duì)齊措施后DDS輸出情況

4.2 相位差測(cè)試

分別對(duì)采取時(shí)鐘上升沿對(duì)齊措施后的兩路DDS輸出的連續(xù)128個(gè)脈沖進(jìn)行采集和存儲(chǔ),根據(jù)信號(hào)幅度值計(jì)算相位值。以第1個(gè)脈沖數(shù)據(jù)為參考,分別計(jì)算兩路DDS輸出的后127個(gè)脈沖數(shù)據(jù)相對(duì)于第1個(gè)脈沖數(shù)據(jù)的相位差,得到兩組127×16 000點(diǎn)相位差數(shù)據(jù),其中16 000為每個(gè)脈沖內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。以通道1為參考,求解通道2相對(duì)于通道1的相位差,得到一組128×16 000點(diǎn)相位差數(shù)據(jù)。對(duì)相位差求均值和標(biāo)準(zhǔn)差,如圖6～圖8所示。通道1的各脈沖間的相位差均值在-0.100 5°±0.228 6°范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)差在1.062 7°±0.172 5°范圍內(nèi)。通道2的各脈沖間相位差均值在1.461 7°±0.278 8°范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)差在1.206 9°±0.191 3°范圍內(nèi)。通道2相對(duì)于通道1的相位差均值在1.562 0°±0.408 0°范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)差在1.273 5°±0.214 1°范圍內(nèi)?？梢钥闯?通道1的相位差均值和標(biāo)準(zhǔn)差均小于通道2,分別為0.1°和1.06°;兩個(gè)通道內(nèi)以及兩個(gè)通道間的相位差均值均保持在2°以內(nèi),滿足雷達(dá)系統(tǒng)分辨精度要求。

圖6 通道1脈間相位差統(tǒng)計(jì)

圖7 通道2脈間相位差統(tǒng)計(jì)

圖8 通道2相對(duì)于通道1相位差統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

本文分析了頻率源相位差穩(wěn)定性對(duì)高分辨成像雷達(dá)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償精度的影響,給出了雷達(dá)成像分辨率對(duì)頻率源相位差的要求,提出了一種雙DDS頻率源產(chǎn)生方案。針對(duì)雙DDS頻率源同步時(shí)鐘前沿未嚴(yán)格對(duì)齊,引起回波中心頻率偏移的問(wèn)題,提出了DDS同步時(shí)鐘實(shí)時(shí)監(jiān)控的改進(jìn)措施。通過(guò)多次DDS芯片時(shí)鐘的同步校準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了具有高穩(wěn)定相位差的雙路脈沖調(diào)制頻率源。測(cè)試結(jié)果表明,該雙路DDS頻率源輸出同步延時(shí)時(shí)間在500 ps以內(nèi),通道內(nèi)及通道間的脈間相位差均值均穩(wěn)定在2°以內(nèi),相位差標(biāo)準(zhǔn)差不大于1.5°,能夠滿足高分辨成像雷達(dá)對(duì)頻率源穩(wěn)定性的要求。