Prototyping an UWB Airborne Radar for Snow Probing Using Modular Building Blocks

F. Rodriguez-Morales, C. Carabajal, A. Paden and C. Leuschen

Center for Remote Sensing of Ice Sheets, University of Kansas, Lawrence, Kan.

J. McDaniel

Advanced Radar Research Center, University of Oklahoma, Norman, Okla.

A. Wolf and S. Garrison

Kansas City National Security Campus, Kansas City, Mo.

（点此阅读全文）

利用快速原型设计技术，基于定制的微波滤波器以及来自商业合作供应商的现成积木式电路和定制的直流偏置电路，开发出一套小型超带宽（UWB）雷达收发模块。作为实现全系统小型化的中间步骤，使用该技术的微波器件集成电路能够用于评估不同的配置，通过减小的形状来提高雷达性能。在1瓦的发射功率和小范围旁瓣的条件下，模块化的发射机和接收机可提供160分贝的环路灵敏度。这些模块计划用于需要多个GHz带宽以实现厘米级垂直分辨率的机载雪地探测应用。实验室测试结果表明，与其它较大的连接组件相比，该模块的整体性能有了全面的提高，雷达图像显示，这些模块可用于从远距离的飞机上测量陆地和海洋冰面上的雪层厚度。这项工作由能源部的堪萨斯市国家安全园区和美国国家航空航天局（授权号NNX10AT68 G）资助，国家安全园区由霍尼韦尔联邦制造和技术有限责任公司运营（合同编号DE-NA002439）。

超带宽微波雷达由于其工作带宽宽，被广泛应用于从医学成像和隐蔽物体探测到航空地球物理测量和基础设施测绘^1-4等各种应用。这种仪器能够分辨出空间密集的目标和介质的界面，使其成为测量积雪厚度和绘制季节性积雪变化图的理想设备（见图1）⁵。堪萨斯大学的UWB雪地雷达是一个工作于2至18GHz的调频连续波（FMCW）系统，最初用于测量海洋冰面上的积雪厚度，并以厘米分辨率绘制积雪堆高度⁶。该仪器的早期版本在射频(RF)部分采用了带连接器的组件或连接器/印刷电路板（PCB）混合组件，并装备在大型固定翼飞机上，用来大范围收集积雪厚度信息^6-7。

图1：UWB雷达能够测量雪的厚度以及雪堆高度的季节性变化

对于未来的应用，如在无人驾驶飞行器上使用，需要减少雷达的SWAP。作为实现系统全面小型化的中间步骤，来自商业供应商X-microwave的模块化组件⁸被用于评估不同的接收器和发射器配置。该技术使用无源和有源元件，这些元件安装在以网格方式排列的分立PCB载体上，并通过柔性GSG（地-信号-地）跳线连接。这种方法便于在进行最终设计之前优化雷达的射频性能，如线性度、接收机灵敏度、发射功率和总体性能等。它还能使合适的芯片组适用于无论是集成封装还是分立封装的形式，以适应未来的小型化。

首先，使用商用连接器部件建立一个工作频率为2~18 GHz的雷达参考系统，确立雷达的性能基准。该雷达试验台在实验室完成了相应的调测调试，并用于在NASA飞机飞越北极和南极上空时收集大量的积雪数据，以支持2017年冰山行动⁹。随后就开发出了使用X-Microwave框架的发射机和接收机模块，并集成在改进的雷达演示器中。

本文介绍了模块化接收机、发射机以及升级后的2～18GHz雷达系统。这些经过精心选择和增加了集成度的组件提高了雷达性能，并证明了机载雷达系统的新模块在测量积雪厚度方面的实用性。

系统概述

图2显示了雷达系统的简化框图。波形发生器产生一个2至18 GHz频谱范围内的线性调频信号（chirp，又称啁啾信号）。该调频信号在馈送发射天线之前通过发射机进行滤波和放大。来自观测场景的散射信号被第二个天线捕获，并由接收器前端滤波器和低噪声放大器进行调节。另外，发送信号的副本被注入混频器的本地振荡器端口以对放大的接收信号进行去调频（de-chirp）处理。混频器输出处的中频信号被高通滤波，以抑制由于发射天线和接收天线之间的直接耦合