一种多通道对海观测SAR接收与信号产生子系统

摘 要

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。

【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

（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。