《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FMCW環(huán)掃SAR的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試方法
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
劉靚歡,黃世鋒,,陳章友
武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,,湖北 武漢430072
摘要: 為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)不同距離的高分辨率成像,,提出一種調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)環(huán)掃合成孔徑雷達(dá)(SAR)體制下的目標(biāo)距離向探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試方法,。該系統(tǒng)由模擬前端和FPGA共同處理實(shí)現(xiàn),,設(shè)計(jì)多種工作模式以實(shí)現(xiàn)近,、中,、遠(yuǎn)3種探測(cè)距離及相應(yīng)的分辨率,。通過(guò)MATLAB模擬射頻前端去調(diào)頻處理后的信號(hào),加載到FPGA數(shù)字下變頻處理,,對(duì)所得信號(hào)仿真得到輸出頻譜,,并進(jìn)行閉環(huán)板級(jí)實(shí)測(cè),驗(yàn)證了該基于FMCW環(huán)掃SAR的目標(biāo)距離向成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。
中圖分類號(hào): TN957.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173508
中文引用格式: 劉靚歡,,黃世鋒,,陳章友. 基于FMCW環(huán)掃SAR的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(3):47-51.
英文引用格式: Liu Lianghuan,,Huang Shifeng,Chen Zhangyou. Design and testing method of imaging system based on FMCW circular scanning SAR[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(3):47-51.

Design and testing method of imaging system based on FMCW circular scanning SAR
Liu Lianghuan,Huang Shifeng,,Chen Zhangyou
Electronic Information School,,Wuhan University,Wuhan 430072,,China
Abstract: In order to achieve high resolution imaging with different distances, a target range direction detection system is designed and tested under the frequency modulated continuous wave(FMCW) circular scanning synthetic aperture radar(SAR) system. The system is realized by analog front end and FPGA, and various working modes are designed to realize three detecting ranges and corresponding resolutions in the near, middle and far distance. Through MATLAB the RF front-end de-chirped signals are simulated, loaded into the FPGA digital down conversion processing, and emulated to get output spectrum. Closed-loop board level measurement is carried out, and the feasibility of the target range direction imaging system is verified based on FMCW circular scanning SAR.
Key words : range direction,;FMCW;circular scanning synthetic aperture radar,;digital down conversion

0 引言

    合成孔徑雷達(dá)(SAR)的成像受天氣影響較小,,且不受白天黑夜的制約,所以在航海,、軍事等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,。環(huán)掃SAR的概念于1990年由KLAUSING H等人提出[1],與傳統(tǒng)直線SAR相比,,具有360°的成像視野,,高方位向的分辨率和掃描速度以及實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)獲得大范圍成像效果的優(yōu)勢(shì)[2-4],有著廣泛的應(yīng)用前景,。調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave,,F(xiàn)MCW)SAR與傳統(tǒng)脈沖SAR相比,優(yōu)勢(shì)在于其輕便,、發(fā)射功率小[5-6],、隱蔽性高且分辨率高。FMCW體制下的環(huán)掃SAR結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn),,對(duì)于其成像系統(tǒng)研究具有實(shí)用意義,。

    本文基于FMCW環(huán)掃SAR雷達(dá)體制,提出一種目標(biāo)距離向成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其測(cè)試方法,。該設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際所需分辨率和探測(cè)距離設(shè)計(jì)了多種模式,,每種模式均對(duì)應(yīng)特定的波形參數(shù)。根據(jù)FMCW體制,,目標(biāo)的距離向成像采用去調(diào)頻的方式獲得目標(biāo)回波的差拍頻信號(hào),,對(duì)該信號(hào)頻率分析后得到最終結(jié)果[7]。由于模擬前端實(shí)際采集的回波信號(hào)要求的分辨率高,因此頻率分析的數(shù)據(jù)量巨大,,為滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性處理的需求,,成像系統(tǒng)由模擬前端完成去調(diào)頻處理后,所得模擬信號(hào)經(jīng)采樣量化得到數(shù)字信號(hào)[8],,送至FPGA數(shù)字下變頻處理,,得到目標(biāo)的距離向成像數(shù)據(jù)。

    本文首先通過(guò)MATLAB模擬某一工作模式目標(biāo)回波的去調(diào)頻信號(hào),,經(jīng)由FPGA數(shù)字下變頻得到距離向數(shù)據(jù),,加載至MATLAB觀測(cè)信號(hào)頻譜確認(rèn)與設(shè)計(jì)的工作模式代表的距離參數(shù)是否一致。得到一致性的結(jié)果后,,通過(guò)模擬前端的閉環(huán)方式得到目標(biāo)距離為0時(shí)的去調(diào)頻信號(hào)并加載至FPGA,,觀測(cè)頻譜驗(yàn)證該成像系統(tǒng)的可行性和正確性。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 雷達(dá)波形參數(shù)設(shè)計(jì)

    FMCW環(huán)掃SAR雷達(dá)系統(tǒng)主要由發(fā)射機(jī),、頻綜器,、接收機(jī)、信號(hào)處理板,、轉(zhuǎn)臺(tái)和收發(fā)天線組成,。頻綜器接收到來(lái)自上位機(jī)的波形配置參數(shù)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)頻率范圍在9.4~9.6 GHz的射頻信號(hào)和本振信號(hào),前者送入發(fā)射機(jī)放大后通過(guò)發(fā)射天線送往自由空間,,后者送入接收機(jī),,與來(lái)自接收天線的回波信號(hào)進(jìn)行降載頻及去調(diào)頻處理得到57.5~62.5 MHz的中頻信號(hào),然后將中頻模擬信號(hào)送入信號(hào)處理板進(jìn)行距離向成像處理,。雷達(dá)參數(shù)見(jiàn)表1,。

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    根據(jù)不同分辨率和探測(cè)距離要求,在FMCW體制中設(shè)計(jì)了10種工作模式下的發(fā)射和接收波形參數(shù),。雷達(dá)發(fā)射波形可表示為:

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其中,,f0是信號(hào)的載波頻率,K=-B/T為信號(hào)的調(diào)頻斜率,,B為信號(hào)的帶寬,,T為信號(hào)的掃頻周期,也是信號(hào)的工作周期,。選取能夠分別代表近,、中、遠(yuǎn)3種探測(cè)距離的波形參數(shù),,見(jiàn)表2,。

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1.2 雷達(dá)波形參數(shù)分析

    為實(shí)現(xiàn)距離向的高分辨率,,F(xiàn)MCW距離向處理采用差拍頻傅里葉變換技術(shù),,降低采樣率。差拍頻的范圍由最近、最遠(yuǎn)斜距決定,。距離分辨率只與發(fā)射信號(hào)帶寬有關(guān),,帶寬越大,距離分辨率越高,。

    本雷達(dá)發(fā)射波形最大掃頻帶寬B=30.5 MHz,,理想距離分辨率為:

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    在整個(gè)工作周期內(nèi),F(xiàn)MCW信號(hào)一直在發(fā)射,,接收時(shí)間相對(duì)發(fā)射有時(shí)間延時(shí)td(不同工作模式時(shí)不同),,其時(shí)序如圖1所示,T為工作周期,,B為掃頻帶寬,。

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    考慮了回波延時(shí)的影響后,目標(biāo)距離分辨率為:

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    在FMCW體制中,,在不同的探測(cè)距離上有不同的距離分辨率,。距離越遠(yuǎn),分辨率越差,。表2給出的參數(shù)驗(yàn)證了此結(jié)論,。

2 距離向成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 FMCW距離向成像原理

    差拍頻傅里葉變換技術(shù)是脈沖壓縮方法中的一種。其原理是將回波線性調(diào)頻信號(hào)和具有相同調(diào)頻斜率的線性調(diào)頻參考信號(hào)的共軛相乘[9-10](去調(diào)頻處理),,獲得目標(biāo)的差拍信號(hào),,用頻譜分析的方法分析此差拍信號(hào)的頻率,達(dá)到脈沖壓縮的目的,。

    根據(jù)式(1),,可以得到時(shí)延回波:

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其中,τ=2d/c為目標(biāo)引起回波相對(duì)于發(fā)射波產(chǎn)生的時(shí)延,。

    該環(huán)掃SAR接收體系采用兩級(jí)混頻得到中頻信號(hào),,一級(jí)混頻用于降低信號(hào)頻率,二級(jí)混頻用于去調(diào)頻處理,。

    不考慮幅度影響,,一本振信號(hào)相位設(shè)為:

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其中,Δf1為一本振與主振的載頻頻差,,f20為二本振的載波頻率,,tx=2Rmax/c為二本振更新脈沖時(shí)延,由探測(cè)距離決定,,相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2的接收延遲參數(shù),。

    接收信號(hào)通過(guò)兩級(jí)混頻得到中頻信號(hào)相位:

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    由上式知,回波信號(hào)的頻率與時(shí)延tx有關(guān),,即與探測(cè)距離有關(guān),,對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行FFT即可得到中頻信號(hào)的頻率[11],。

2.2 數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    去調(diào)頻處理在接收機(jī)內(nèi)完成,得到模擬中頻信號(hào),。為使得能在FPGA中完成距離向成像處理,,在接收機(jī)和FPGA間加入AD采集模塊。圖2所示為FMCW體制距離向成像方法的4大組成模塊:去調(diào)頻,、AD采集,、數(shù)字下變頻(DDC)和傅里葉變換(FFT)。其中去調(diào)頻模塊在接收機(jī)內(nèi)完成,,AD采集,、DDC和FFT模塊均由FPGA實(shí)現(xiàn)。

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    AD采集模塊將模擬中頻信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào),。DDC主要實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜的搬移和降速處理,,得到基帶信號(hào),包括NCO,、CIC抽取器,、混頻器及FIR濾波器。通過(guò)帶通采樣,,得到數(shù)字回波信號(hào),,NCO 產(chǎn)生兩路正交本振信號(hào)提供給混頻器, 混頻器得到本振信號(hào)與數(shù)字回波信號(hào)的乘積,,信號(hào)此時(shí)被搬移至基帶,,CIC抽取器對(duì)該基帶信號(hào)進(jìn)行降速處理,即按倍數(shù)抽取,,再通過(guò)FIR濾波器獲得需要的頻段信號(hào),,最后進(jìn)行FFT變換。

    當(dāng)接收天線接收到目標(biāo)的反射信號(hào)后送入接收機(jī)去調(diào)頻處理,。根據(jù)式(8)以及該環(huán)掃SAR在FMCW體制實(shí)際情況中載頻f0有9.2 GHz,、9.4 GHz和9.6 GHz 3種,使用的頻差Δf1=800 MHz,、二本振載頻f20=862.5 MHz,。接收機(jī)中頻信號(hào)可以表示為:

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    以載頻9.4 GHz為例,給出接收機(jī)內(nèi)部信號(hào)時(shí)頻圖,,如圖3所示,。

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    為模擬后續(xù)模塊成像方法,用信號(hào)發(fā)生器模擬中頻輸出中心頻率60 MHz,,帶寬5 MHz,。設(shè)置帶通采樣頻率為48 MHz,采樣后中頻信號(hào)中心頻率變?yōu)?2 MHz,,帶寬不變,,送入DDC,。

    設(shè)計(jì)NCO產(chǎn)生12 MHz正弦波的本振信號(hào),對(duì)實(shí)信號(hào)采樣的單路信號(hào)正交混頻得到I,、Q兩路信號(hào),再通過(guò)一個(gè)低通濾波器濾除混頻產(chǎn)生的高頻分量,,得到基帶信號(hào),,帶內(nèi)頻率范圍為-2.5~2.5 MHz。為減輕后續(xù)信號(hào)處理的壓力,,該基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)CIC抽取器降速處理,,具體抽取值根據(jù)工作模式?jīng)Q定,所得信號(hào)送入低通濾波器進(jìn)行濾波和整形后,,判斷輸出數(shù)據(jù)是否滿足8 192個(gè)點(diǎn),,若有點(diǎn)數(shù)不足8 192的,對(duì)該信號(hào)補(bǔ)零,,若滿足8 192點(diǎn),,則不進(jìn)行補(bǔ)零處理。完成后對(duì)8 192點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換,,取出需要進(jìn)行方位向成像距離元送入DSP進(jìn)行后續(xù)處理,。

3 距離向成像測(cè)試方法

3.1 FPGA與MATLAB板級(jí)系統(tǒng)仿真

    仿真時(shí),以NCO為信號(hào)源產(chǎn)生11.4 MHz的正弦波,,模擬接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)59.4 MHz,。NCO產(chǎn)生本振信號(hào)12 MHz?;祛l后得到差頻信號(hào)-0.6 MHz,,和頻信號(hào)-23.4 MHz,通過(guò)低通濾波器后保留了混頻后所需的差頻信號(hào)-0.6 MHz,。CIC抽取選取工作模式1,,抽取倍數(shù)為3,實(shí)現(xiàn)3倍抽取降速處理,。FFT變換后產(chǎn)生I,、Q兩路信號(hào),將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB,,仿真結(jié)果如圖4所示,。

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3.2 FMCW距離向成像板級(jí)閉環(huán)測(cè)試

    現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí),微波源產(chǎn)生信號(hào)處理板需要的時(shí)鐘48 MHz,,同時(shí)根據(jù)波形參數(shù)產(chǎn)生接收機(jī)所需的一本振,、二本振信號(hào)。由于是閉環(huán)測(cè)試,,因此微波源產(chǎn)生的主振信號(hào)作為接收機(jī)的輸入,,同時(shí)為避免信號(hào)過(guò)大損壞接收機(jī),,在二者間接入30 dB衰減器。與仿真一致,,以工作模式1為例,,給出FMCW環(huán)掃SAR體制距離向成像板級(jí)實(shí)測(cè)結(jié)果。

    在接收機(jī)內(nèi)去調(diào)頻處理后的中頻信號(hào)輸入至信號(hào)處理板AD采集,。根據(jù)式(9),,由于閉環(huán)測(cè)試,回波延時(shí)τ=0,,接收機(jī)輸出中頻信號(hào)頻率61.77 MHz,。將接收機(jī)中頻輸出直接接入頻譜儀觀測(cè),如圖5所示,。

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    用Signal Tap抓取AD采集,、DDC各模塊以及FFT輸出數(shù)據(jù),導(dǎo)入MATLAB得到信號(hào)頻譜如圖6所示,。中頻信號(hào)經(jīng)帶通采樣,,得到13.77 MHz的信號(hào),NCO產(chǎn)生12 MHz的本振信號(hào),?;祛l得到1.77 MHz和-25.77 MHz兩個(gè)頻率,由于本振信號(hào)的串?dāng)_,,混頻后輸出存在12 MHz的串?dāng)_信號(hào),。經(jīng)濾波輸出后,該串?dāng)_的本振信號(hào)被濾除,。CIC濾波器在工作模式1時(shí)抽取倍數(shù)為3,,抽取后數(shù)據(jù)率是原信號(hào)的1/3,信號(hào)頻率保持不變,,抽取以及濾波輸出信號(hào)頻譜如圖6所示,,最后做FFT得到信號(hào)距離向頻譜。

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    根據(jù)頻譜儀顯示結(jié)果,,接收機(jī)中頻信號(hào)頻率為61.769 MHz,,帶通采樣后得到13.769 MHz的信號(hào),經(jīng)DDC得到1.769 MHz的基帶信號(hào),。實(shí)際得到的信號(hào)頻率為1.768 MHz,,根據(jù)式(9)換算成距離為-1.2 m,工作模式1的距離分辨率為5 m,,誤差在允許的范圍內(nèi),。

    為驗(yàn)證該系統(tǒng)能應(yīng)用于多模式場(chǎng)景,分別給出代表中距離和遠(yuǎn)距離模式的閉環(huán)實(shí)測(cè)結(jié)果,,并與接收機(jī)輸出值頻譜儀觀測(cè)結(jié)果對(duì)比,。根據(jù)表2,,選擇工作模式3和工作模式5測(cè)試。

    中距離工作模式3時(shí),,接收機(jī)中頻輸出理論值59.263 MHz,,經(jīng)DDC得到-0.737 MHz基帶信號(hào),實(shí)際得到的信號(hào)頻率為-0.736 MHz,,換算成距離為4.9 m,,距離分辨率為6.8 m,滿足誤差要求,。其FFT模塊輸出和接收機(jī)直接接入頻譜儀觀測(cè)對(duì)比圖如圖7所示,圖7(a)為接收機(jī)輸出接入頻譜儀觀測(cè),,圖7(b)為FFT后輸出,。

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    遠(yuǎn)距離工作模式5時(shí),接收機(jī)中頻輸出理論值59.437 MHz,,實(shí)際值為59.275 MHz,,經(jīng)DDC得到-0.563 MHz基帶信號(hào),實(shí)際信號(hào)頻率為-0.559 6 MHz,,換算成距離為43.49 m,,距離分辨率為36 m。接近3個(gè)距離元的差別,,此實(shí)際值與理論值的差別由于中頻輸出存在系統(tǒng)誤差,,需要后續(xù)進(jìn)行校正。其FFT模塊輸出和接收機(jī)直接接入頻譜儀觀測(cè)對(duì)比圖如圖8所示,,其中圖8(a)為接收機(jī)輸出接入頻譜儀觀測(cè),,圖8(b)為FFT后輸出。

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4 結(jié)論

    本文針對(duì)FMCW環(huán)掃SAR目標(biāo)距離向探測(cè)需求,,提出了一種基于FMCW環(huán)掃SAR的成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及測(cè)試方法,。該設(shè)計(jì)包含去調(diào)頻處理、AD采集,、DDC和FFT等模塊設(shè)計(jì),。在FPGA中構(gòu)建NCO、混頻器,、CIC抽取器和FIR濾波器等硬件電路,,并將程序下載進(jìn)行模擬實(shí)測(cè)板級(jí)測(cè)試,所采集數(shù)據(jù)送入MATLAB產(chǎn)生距離向信號(hào)頻譜并分析,。模擬實(shí)測(cè)板級(jí)測(cè)試實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)閉環(huán)測(cè)試,。測(cè)試結(jié)果表明,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了FMCW體制下的環(huán)掃SAR距離向成像,。

參考文獻(xiàn)

[1] KLAUSING H,,KEYDEL W.Feasibility of a synthetic aperture radar with rotating antennas(ROSAR)[C].International IEEE Symposium on Radar,,VA,USA,,1990:51-56.

[2] 廖軼,,楊澤民,邢孟道,,等.斜視圓跡環(huán)掃SAR模式特性分析及成像方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),,2014,41(1):38-44.

[3] LEE H,,CHO S J,,KIM K E.A ground-based arc-scanning synthetic aperture radar (ArcSAR) system and focusing algorithms[C].2010 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS),2010,,38(5):3490-3493.

[4] Shao Yu,,Chen Zhangyou,Wu Xiongbin.Investigation on imaging performance of circular scanning synthetic aperture radar[C].General Assembly and Scientific Symposium(URSI GASS),,2014:1-4.

[5] 廖軼,,邢孟道,保錚.調(diào)頻連續(xù)波圓跡環(huán)掃SAR成像方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),,2015,,9(31):1994-1999.

[6] Liu Yue,Deng Yunkai,,WANG R,,et al.Bistatic FMCW SAR signal model and imaging approach[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2013,,49(3):2017-2028.

[7] 蔡永俊.調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)成像研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].北京:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心,,2016.

[8] 劉懌恒.基于FPGA的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2013.

[9] 詹學(xué)麗,,王巖飛,,王超,等.一種用于合成孔徑雷達(dá)的數(shù)字去斜方法[J].雷達(dá)學(xué)報(bào),,2015,,4(4):474-480.

[10] 張少謙.合成孔徑雷達(dá)原始數(shù)據(jù)的分析方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,,10(10):2487-2489.

[11] 黃世鋒.多模式環(huán)掃合成孔徑雷達(dá)距離向研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢:武漢大學(xué),,2017.



作者信息:

劉靚歡,黃世鋒,,陳章友

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,,湖北 武漢430072)

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