CN108828598A

CN108828598A - 一种合成孔径雷达系统

Info

Publication number: CN108828598A
Application number: CN201810999104.6A
Authority: CN
Inventors: 唐跞; 丁满来; 王逸潇; 温智磊; 王雪梅; 曲佳萌
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2018-11-16

Abstract

本发明公开了一种合成孔径雷达系统，包括：信号发射模块，所述信号发射模块包括发射通道和第一锁相环；其中第一锁相环用于为所述发射通道提供发射激励信号；所述发射通道对所述激励信号处理后，生成发射信号；信号接收模块，所述信号接收模块包括接收通道和与所述接收通道的输出端连接的模数转换器；其中所述接收通道用于接收回波信号；以及时钟模块，所述时钟模块用于为所述第一锁相环以及所述模数转换器提供参考时钟信号。本发明提供的合成孔径雷达系统结构简单、功耗低，且信号发射模块和信号接收模块均可以采用硅基工艺制作，有利于实现一体化集成。

Description

一种合成孔径雷达系统

技术领域

本发明涉及电子雷达领域，具体涉及一种合成孔径雷达系统。

背景技术

随着无人机(UAV)技术的发展，微型化和泛在化是无人机的发展趋势。为了进一步降低无人机的体积，引入了FMCW体制的小型化合成孔径雷达系统(SAR)，相对于传统脉冲体制雷达降低了系统复杂度，并能够降低体积、重量、功耗和成本。

然而，现有的采用FMCW体制的雷达的涉及方案，如图1所示，其包含了数模转换(ADC)或直接频率合成(DDS)、上变频、时钟等单元，方案结构复杂、功耗大，且采用芯片化集成时存在指标严重恶化等风险，已经无法满足轻小型无人机的应用需求。

因此，有必要提出一种新型的合成孔径雷达系统。

发明内容

有鉴于此，为了克服上述问题的至少一个方面，本发明的实施例提供合成孔径雷达系统，包括：

信号发射模块，所述信号发射模块包括发射通道和第一锁相环；

其中第一锁相环用于为所述发射通道提供发射激励信号；所述发射通道对所述激励信号处理后，生成发射信号；

信号接收模块，所述信号接收模块包括接收通道和与所述接收通道的输出端连接的模数转换器；

其中所述接收通道用于接收回波信号；以及

时钟模块，所述时钟模块用于为所述第一锁相环以及所述模数转换器提供参考时钟信号。

进一步地，通过优化所述第一锁相环的锁相环集成电路的参数，使所述系统的相位裕度小于预设阈值。

进一步地，所述预设阈值为10°。

进一步地，所述系统还包括对消模块，所述对消模块用于根据所述信号接收模块接收的泄漏信号生成对消信号。

进一步地，所述对消模块包括第二锁相环和数控衰减器，所述第二锁相环用于控制所述对消信号的相位，所述数控衰减器用于控制所述对消信号的幅度。

进一步地，所述对消模块还包括合路器，所述合路器用于接收所述对消信号以及所述泄漏信号。

进一步地，所述发射通道还用于为所述接收通道提供本振信号。

进一步地，所述接收通道用于对接收的回波信号进行低噪声放大、下变频以及多级中频放大处理后，输出中频放大信号。

进一步地，所述模数转换器用于接收所述中频放大信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点之一：

1、本发明提出的雷达系统利用第一锁相环技术，实现了输出信号与参考时钟的精确动态跟踪，保证输出信号与参考时钟具有良好的相参性及相位稳定性；

2、实现了系统高隔离度的设计，满足了系统对隔离度的要求；

3、结构简单、功耗低，雷达系统中的信号发射模块和信号接收模块均可以采用硅基工艺制作，有利于实现一体化集成。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为传统的微型合成孔径雷达系统示意图；

图2为本发明实施例提供的合成孔径雷达系统示意图；

图3为本发明实施例提供的第一锁相环输出频率误差仿真示意图；

图4为本发明实施例提供的合成孔径雷达系统的相参性和相位稳定性示意图；

图5为本发明实施例提供的对消模块的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的合成孔径雷达系统的隔离度测试结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式做详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

如图2所示，本发明实施例提供的合成孔径雷达系统100可以包括信号发射模块1、信号接收模块2以及时钟模块3，其中信号发射模块1用于发射信号，信号接收模块2用于接收信号，时钟信号用于为信号发射模块1以及信号接收模块2提供参考时钟信号。

具体的，图2示出的信号发射模块1可以包括发射通道12和第一锁相环11。

在本实施例中，第一锁相环11可以包括压控振荡器(VCO)以及锁相环集成电路。第一锁相环11可以用于产生雷达发射激励信号，而且由于VCO的低噪声特性与第一锁相环11的窄带滤波特性，可以直接产生高频宽带线性调频信号，进而使得系统发射的信号具有良好的杂散抑制特性和远端低噪声等优点。锁相环集成电路可以包括环路滤波器(LF)、循环前缀(CP)、数字相位/频率检测器(PFD)以及分频器(1/N)，具体的工作原理均为现有技术，此处就不再赘述。图2示出的发射通道12可以用于接收第一锁相环11生成的雷达发射激励信号，其可以包括放大器和滤波器，以对发射激励信号进行放大和滤波，进而可以输出一个较大功率的信号，使得雷达能够探测更远距离的物体。

在本实施例中，发射通道12还用于为接收通道21提供本振信号，以支持雷达接收的功能，该本振信号可以是通过耦合一部分发射信号生成的。

这样，采用第一锁相环11产生发射激励信号解决了现有技术中因采用混频及倍频方法导致产生新的交调信号从而使得发射信号杂散指标严重恶化的问题。

图2示出的信号接收模块2可以包括接收通道21和与接收通道21的输出端连接的模数转换器22。

在本实施例中，接收通道21用于接收回波信号，回波信号是信号发射模块1发射的信号经目标物体反射后返回的信号。如图2所示，接收通道21可以包括放大器、下变频器以及多级中频放大器，分别用于对回波信号进行低噪声放大、下变频以及多级中频放大处理，这样可以获得足够的增益。当接收通道21对回波信号进行一系列处理后，输出中频放大信号。在进一步较佳实施例中，进行数字下变频的信号，还需要通过高通滤波器以抑制直达波的干扰。而与接收通道21的输出端连接的模数转换器22则接收中频放大信号，并将其转换为数字信号。

在本实施例中，接收通道21采用去调频体制，能够有效地降低模数转换器22的采样速率，并减小了数字信号的处理量。解决了现有技术中高频的模数转换器22消耗功率大，进而导致系统功耗较大的问题。

在进一步较佳实施例中，需要对经模数转换器22转换的数字信号进行适当的数字滤波以及数字下变频处理。这样雷达原始的回波信号经过处理后，可以用于后续成像处理。

如图2所示，在本实施例中，只需要为第一锁相环11以及模数转换器22提供参考时钟信号即可，而且只需要提供一个较低频率的参考时钟信号就可以满足雷达系统的全相参工作。例如，可以采用固定频率为50MHz的晶振。

这样，本实施例提供合成孔径雷达系统100，相比现有技术中的系统需要产生ADC时钟、DAC时钟、本振时钟等信号，极大程度简化了系统时钟，有利于系统芯片化的实现。

在进一步较佳实施例中，如图2所示，合成孔径雷达系统100还可以包括与发射通道12连接的发射天线13以及与接收通道21连接的接收天线23，分别用于发射信号和接收信号。

在本实施例中，合成孔径雷达系统100的相位稳定性主要受第一锁相环11、模数转换器22、接收本振以及时钟模块3的影响。而模数转换器22、接收本振、时钟模块3的相位稳定性与传统的雷达系统相同，因此可以通过解决参考时钟信号与第一锁相环11的输出信号之间的稳定性，即可实现高脉间相位稳定性。

具体的，由于第一锁相环11采用的有源积分环路滤波器，在第一锁相环11处于锁定状态时，第一锁相环11的参考时钟信号与输出信号的误差传输函数可表示为：

其中ω_n为自然频率，ξ为阻尼因子，τ₁、τ₂为有源滤波器的时间常数；K₀为第一锁相环11VCO调谐增益，K_d为鉴相增益，N为第一锁相环11倍数。

线性调频信号相位变化与时间的关系如下：

θ(t)＝Δω·t²/2

其中Δω为角速度变化率，对其进行拉普拉斯变换可得：Θ(s)＝Δω/s³。

因此，第一锁相环11在线性调频模式下的相位误差可以是：

在对其进行拉普拉斯反变换后即可获得相位误差随时间的变换关系，通过相位误差随时间的变换关系可知相位误差大小受τ₁、τ₂、Δω影响。

图3示出了第一锁相环11频率误差仿真结果，图中可以看出，通过优化第一锁相环11的第一锁相环11集成电路参数，并通过仿真优化第一锁相环11频率误差，即可确保第一锁相环11集成电路工作在跟踪状态时，始终具有较小的相位误差。

图4示出了雷达系统的相参性以及相位稳定性，从图中可以看出，通过优化第一锁相环11的第一锁相环11集成电路参数，并通过仿真优化第一锁相环11频率误差，可以实现系统的相位裕度小于预设阈值，预设阈值可以为10°。

通过建立第一锁相环11线性调频模式下的数学模型，再通过第一锁相环11仿真与实测，对环路参数进行迭代优化，实现第一锁相环11路在线性调频信号产生的整个过程中，始终处于跟踪锁定状态，并实现了输出信号与参考时钟信号的精确动态跟踪，进而保证了输出信号与参考时钟信号具有良好的相参性及相位稳定性。

在进一步较佳实施例中，如图5所示，合成孔径雷达系统100还包括对消模块4，对消模块4可以用于根据信号接收模块2接收的泄漏信号生成对消信号，并采用基于第二锁相环41的射频自适应对消方法以提高系统的收发隔离度。

图5示出的对消模块4可以包括第二锁相环41和数控衰减器42，其中第二锁相环41可以用于控制对消信号的相位，数控衰减器42可以用于控制对消信号的幅度，其中第二锁相环41可以是数字锁相环。

具体的，如图5所示，接收天线23在接收回波信号时，会同时接收到泄漏信号(泄漏信号可以是收发天线泄露而产生的信号，也可以是收发前端电路泄露而产生的信号)，当信号接收模块2在对接收通道21接收到的信号进行采集处理之后，将泄漏信号的幅度信息发送到对消模块4。这时，对消模块4根据泄漏信号的幅度信息生成对消信号，并通过自适应算法电路43控制第二锁相环41和数控衰减器42，以实现对对消信号相位与幅度的精确控制。

进一步地，对消模块4还可以包括合路器44，合路器44用于接收对消信号以及泄漏信号。

图6示出了合成孔径雷达系统100在采用对消模块4前后的隔离度测试结果。在使用对消模块4前，系统自身隔离度约为45dB，泄露的发射信号及噪声已对接收系统性能造成影响，收发隔离度不满足系统要求，而在使用对消模块4后，系统的隔离度被提高至约70dB。

本发明实施例提供的合成孔径雷达系统的对消模块4实现了系统对高隔离度的要求，并且具有低功耗、结构简单等优势，也便于在硅基上单片集成。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种合成孔径雷达系统，包括：

其中第一锁相环用于为所述发射通道提供发射激励信号；所述发射通道对所述发射激励信号处理后，生成发射信号；

其中所述接收通道用于接收回波信号；以及

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，通过优化所述第一锁相环的锁相环集成电路的参数，使所述系统的相位裕度小于预设阈值。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述预设阈值为10°。

4.如权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括对消模块，所述对消模块用于根据所述信号接收模块接收的泄漏信号生成对消信号。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述对消模块包括第二锁相环和数控衰减器，所述第二锁相环用于控制所述对消信号的相位，所述数控衰减器用于控制所述对消信号的幅度。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述对消模块还包括合路器，所述合路器用于接收所述对消信号以及所述泄漏信号。

7.如权利要求1、2、3、5或6所述的系统，其特征在于，所述发射通道还用于为所述接收通道提供本振信号。

8.如权利要求1、2、3、5或6所述的系统，其特征在于，所述接收通道对接收的回波信号进行低噪声放大、下变频以及多级中频放大处理后，输出中频放大信号。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述模数转换器用于接收所述中频放大信号。