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L、C、X和Ku波段全数字多波段SAR系统的可行性研究

Stefano Lischi (1), Riccardo Massini (1), Romain Pilard (2), Daniele Stagliano (1), Nicolas Chantier (2)；(1) ECHOES s.r.l.，(2) Teledyne e2v

合成孔径雷达(SAR)是一种用于遥感应用的主动成像传感设备，可以在各种天气条件下获得广域图像。SAR成像使用安装在移动平台上的天线，通过对接收回波的处理，可获得更大的合成天线孔径，从而提高方位分辨率。

某一特定频段的雷达通常具有不同于其他频段雷达的性能、特点和应用场合。例如，众所周知，穿透能力基本取决于微波频率[1]。通常，穿透距离与微波频率成反比。频率越高，穿透深度越低。此外，地形特征会影响穿透能力，湿度对微波穿透起屏蔽的作用[2]。P波段和L波段雷达系统的新兴军事和民用应用包括探测被树叶和/或伪装隐藏的目标、探测掩埋的物体、林业应用、生物量测量、考古和地质勘探。

在另一方面，在更高的频率，例如X、Ku和Ka波段，雷达更容易实现精确的距离和位置测量，因为它们具有更宽的带宽（其决定了距离精度和距离分辨率）和对于特定尺寸的物理天线的更窄的波束天线（其决定了角度精度和角度分辨率）[3]。考虑到以上几点，单一的多波段SAR系统在操作灵活性和不同应用以及最终用户的观测能力方面的优点是显而易见的。

核心技术：DAC和ADC

具有超宽模拟带宽的高采样率DAC和ADC是实现全数字多波段SAR系统的关键技术。

特别是，双通道DAC EV12DD700支持12Gsps采样率，瞬时带宽高达6GHz，可同时在多个奈奎斯特域(NZ)中工作，-3dB模拟带宽最高可达25GHz。包括2RF的多种输出模式允许在21GHz及更高的频率进行无需上变频的直接信号合成（图1）。

EV12PS640概念款ADC是一款单通道器件，支持用于波束形成的链式同步功能。在单端ADC输入时，它最高支持30GHz的直接射频（RF）采样（图2）。单端输入使接收器信号路径的设计无需使用射频巴伦，从而避免相关的信号失真和带宽限制。

初步架构

本文提出了一种全数字四波段SAR。由于采样率高达12Gsps，任意1-1.5GHz的L波段波形和4.75到5.5GHz的C波段信号可在非归零（NRZ）模式下同时直接合成而不发生重叠。此外，由于在RF模式下DAC可工作在多个NZ中，X波段的波形可在第二奈奎斯特域中产生，同时在第三奈奎斯特域中产生Ku波段的波形。特别是，X波段的9-10.2GHz可与Ku波段的16-17.5GHz一起生成。图3展示了DAC输出的噪声波形频谱。

为了避免混叠，DAC的NRZ输出在5.5GHz进行低通滤波。然后，它被放大并发送至宽带天线。而RF输出则使用双波段滤波器进行滤波，以选择出第2奈奎斯特域的X波段和第3奈奎斯特域的Ku波段（图3b）。

图4所示的多波段SAR架构采用了脉冲雷达方案。因此，连接接收链的两根天线各使用一个环行器。与DAC输出类似，在使用两个工作在相同的12GHz采样时钟的ADC对接收信号放大和数字化之前，需先对其进行L+C通道的低通滤波和X+Ku通道的双波段滤波。

图5给出了两种ADC的频率规划。L波段和C波段可直接采样而不发生混叠，因为它们都落在第1奈奎斯特域（6GHz）的范围内。另一方面，由于X波段和Ku波段位于第2奈奎斯特域和第3奈奎斯特域，它们分别对应于第1奈奎斯特域的1.8-3GHz和4-5.5GHz的范围，没有重叠。高性能的现场可编程逻辑门阵列（FPGA）可实现任意波形发生器的功能，用于合成所需的雷达信号并处理从ADC到高速固态硬盘（SSD）的高速数字信号。

在前端架构中，输入和输出滤波器尤其重要。输出滤波器是选择所需的波段和抑制无关的混叠波段的必要器件。另一方面，为了防止其他带外信号的干扰并降低整体噪声水平，需使用输入滤波器滤除噪声和无关信号。这些滤波器可使用多波段滤波器技术在微带上设计并实现。另一个选项是将宽带信号分成两个单独的波段，使用单波段滤波器滤波，然后重新组合。

为了使DAC的输出电平与功率放大器的输入端所需的电平匹配，我们需要使用中间驱动器。功率放大器应能够处理合适的功率，以满足每个频段的发射功率要求。由于系统是基于脉冲的，因此有必要考虑传输功率的平均值，这可简化放大器的选择。为了使发射器和接收器共用同一个天线，功率放大器的输出端的宽带环行器是必要的器件。

在接收端，根据发射功率的不同，需采用功率限制器件对低噪声放大器（LNA）进行保护。否则，如果环行器的隔离度不够（通常为20dB），在传输阶段可能损坏LNA。

机载系统演示样机的研制

所有的4个工作频段使用单一天线可实现SAR成像的单相中心。然而，考虑到实际的增益和天线尺寸，单天线很难容纳从1到18GHz的超宽频率跨度。此外，由于L和C波段使用相同的DAC和ADC进行合成和数字化，X和Ku波段也是如此，我们可方便地实现两个单独的模拟链路（图4）。

对于机载应用，L和C波段可使用宽带喇叭天线（如英联微波的LB-560[6]）进行发射和接收，这款天线支持0.5-6GHz的频率范围的10-12dBi的恒定增益（图6）。另一方面，多倍频程喇叭天线（如英联微波的LB-60180-20[7]）拥有6-18GHz的带宽，支持X和Ku波段，X波段的增益约为20dBi，Ku波段的增益约为22dBi（图7）。

对于L+C波段，可使用RF-Lambda的功率放大器RFLUPA0706GG进行功率放大[8]，其典型功率输出为48dBm，频率范围是0.7-6GHz。对于X+Ku波段，可使用RF-Lambda的RFLUPA0618GE放大器[9]，其典型输出功率是50dBm，频率范围是6-18GHz。

功率放大器的输出可能需要使用带通谐波抑制滤波器。在这种情况下，根据发射功率的不同，应仔细评估微带功率的处理。对于X+Ku波段的高功率宽带环行器，一个可行的选择是DORADO国际的4CCM14-1同轴型号[10]，它可覆盖9-18GHz的范围，功率为150W。在L+C波段的情况下，很难找到一款具有如此大分数带宽的环行器。另一个选择是采用大功率同轴开关，例如RF-Lambda的RFSP2TR5M06GS[11]。

在这样的高频数字系统中，低抖动的时钟信号是必不可少的。时钟发生器可使用基于锁相环的信号合成器来实现。ADI的微波合成器ADF4152集成了压控振荡器[12]，可实现优秀的噪声特性。时钟分配器可使用高频窄带分配器来实现。

Hitech Global HTG-960 Virtex UltraScale+ VU19P开发平台[13]是一款优秀的FPGA板卡，支持通过FMC标准与DAC和ADC连接。FMC接口还允许连接到非易失性内存主机控制器接口规范（NVMe）的高速SSD（Raid0配置），以记录采集的数据。

该系统的功能可在轻型飞机上演示，如Tecnam P92JS SmartBay[14]，它支持在机翼下的专用吊舱中安装实验设备。

预期的雷达性能

可根据表1中的参数计算预期的SAR性能。我们已经考虑了损耗和噪声的保守值，并假定飞行平台在平均地面高度之上2000m的高度以40m/s的地面速度飞行。

参考表1中的参数，可依据下式计算不同波段的NESZ[15]：

其中k_B为玻尔兹曼常数，T_N为290°K的参考温度，r₀是刈幅中心的倾斜范围。假设分布反射为0dBm²/m²，图8展示了各子波段的地块接收功率和倾斜范围的函数关系。天线的整个-3dB范围的总集成功率也被标出。由于L和C波段共享LB-560天线，其半功率波束宽度大于39度仰角，L波段的频率的刈幅非常大，从2337m到10369m。尽管LB-560天线在L和C波段的增益几乎相同，但由于自由空间的衰减不同，C波段的接收功率比L波段低20dB。另一方面，X和Ku波段共享更直接的LB-60180-20，因此在这两个更高的波段的刈幅更窄。

图9展示了期望的NESZ和不同子波段的倾斜范围的函数关系。期望的NESZ在Ku和X波段分别优于-23dBm²/m²和-25dBm²/m²。低频天线的范围允许SAR在L波段产生高达10km的成像，但灵敏度较差。由于通常认为优于-20dBm²/m²的NESZ值表征良好的SAR成像质量，L和C波段的最大成像范围被分别限制在5819m和4092m。

机载处理和预期数据率

为了降低需记录的数据的数据率，我们需要对四个波段的接收信号进行机载采样和预处理（图10）。具体地说，每个采样波段都分别依据第一奈奎斯特域的中心频率数字下变频(DDC)到基带。然后，通过级联积分梳(CIC)滤波器对采样率进行抽取，以适应瞬时带宽。我们还需使用有限脉冲响应(FIR)滤波器对CIC滤波器的响应进行补偿。然后，使用交叉相关器(Xcorr)对已滤波的信号进行范围压缩，并将其限制在每个波段4倍过采样的范围以内。最后，经过合成的6160MB/s的数据率被发送到双通道Raid0 Gen.4 NVMe IP中[16]，这个IP将压缩的数据以3080MB/s的数据率分别写入两个Gen.4 NVMe SSD中[17]。

实测结果

我们在实验室对本文提出的系统做了详细的测试，其输出频谱如图11和图12所示。

结论和展望

本文对一种在L、C、X和Ku波段工作的全数字多波段SAR系统进行了可行性研究。首先介绍了Teledyne e2v的DAC和ADC，然后提出了一种基于脉冲的SAR系统的初步架构，最后以几种商业器件和技术为例，评估了空中多波段SAR成像的机载演示系统的可行性。未来我们将会对系统性能进行更详细的分析，包括脉冲响应、相位线性度和杂散水平，然后进行所述的机载多波段SAR演示样机的开发工作。这个演示样机是更广阔的技术路线图的第一步。我们期待未来会有更新的设计，并由新的宇航机构和私营公司推动航天载荷的发展。

参考文献

图1 不同DAC工作模式下的DAC输出功率 vs 输出频率

图2 单端信号的输入带宽性能

a)   L+C波段，NRZ模式，第1奈奎斯特域

b)   X+Ku波段，RF模式，第2和第3奈奎斯特域

图3 DAC输出噪声频谱

图4 多波段SAR架构

a) L+C波段

b) X+Ku波段

图5 第1奈奎斯特域的ADC频率规划

图6 LB-560宽带天线增益

图7 LB-60180-20多倍频程天线增益

表1 仿真参数

图8 接收的功率，假设σ0 = 0dBm2/m2

图9 NESZ

图10 机载处理架构

图11 L波段和C波段的输出频谱

图12 X波段和Ku波段的输出频谱