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　　合成孔徑雷達(SAR)是一種用于遙感應用的主動成像傳感設備，可以在各種天氣條件下獲得廣域圖像。SAR 成像使用安裝在移動平臺上的天線，通過對接收回波的處理，可獲得更大的合成天線孔徑，從而提高方位分辨率。

　　某一特定頻段的雷達通常具有不同于其他頻段雷達的性能、特點和應用場合。例如，眾所周知，穿透能力基本取決于微波頻率[1]。通常，穿透距離與微波頻率成反比。頻率越高，穿透深度越低。此外，地形特征會影響穿透能力，濕度對微波穿透起屏蔽的作用[2]。P 波段和 L 波段雷達系統的新興軍事和民用應用包括探測被樹葉和/或偽裝隱藏的目標、探測掩埋的物體、林業應用、生物量測量、考古和地質勘探。

　　在另一方面，在更高的雷達頻率，例如 X、Ku 和 Ka 波段，更容易實現精確的距離和位置測量，因為它們具有更寬的帶寬（其決定了距離精度和距離分辨率）和對于特定尺寸的物理天線的更窄的波束天線（其決定了角度精度和角度分辨率）[3]。考慮到以上幾點，單一的多波段 SAR 系統在操作靈活性和不同應用以及最終用戶的觀測能力方面的優點是顯而易見的。

　　本文將介紹基于 Teledyne e2v 專利的數模轉換器(DAC)和模數轉換器(ADC)的多波段 SAR 的可行性研究。這些轉換器支持高達 Ka 波段的直接信號生成和直接合成。特別是，直接信號生成可通過雙通道 ADC 實現，其擁有很寬的瞬時帶寬（12Gsps 時高達 6GHz）和很大的輸出模擬帶寬（高達 25GHz）。這個可行性研究包括核心技術的分析、初步架構的定義和能夠真正安裝在機載平臺上的多波段 SAR 系統的初步設計。我們將從噪聲等效西格瑪零(NESZ)、接收功率和數據率的角度，討論器件的案例和預計的性能。

　　核心技術: DAC 和 ADC

　　具有超寬模擬帶寬的高采樣率 DAC 和 ADC 是實現全數字多波段 SAR 系統的關鍵技術。

　　特別是，雙通道 DAC EV12DD700 支持 12Gsps 采樣率，瞬時帶寬高達 6GHz，可同時在多個奈奎斯特域(NZ)中工作，-3dB 模擬帶寬最高可達 25GHz。包括 2RF 的多種輸出模式允許在 21GHz 及更高的頻率進行無需上變頻的直接信號合成，如圖 1 所示。EV12DD700 的其他特點包括：快速可編程復雜混頻器，支持高敏捷跳頻；可編程 antisinc 濾波器；數字上變頻和多器件同步。

　　EV12PS640 概念款 ADC 是一款單通道器件，支持用于波束形成的鏈式同步功能。在單端 ADC 輸入時，它最高支持 30GHz 的直接射頻（RF）采樣，如圖 2 所示。單端輸入使接收器信號路徑的設計無需使用射頻巴倫，從而避免相關的信號失真和帶寬限制。它的采樣率高達 12.8Gsps，最大奈奎斯特域(NZ)為 6.4GHz。

　　初步架構

　　本文提出了一種全數字四波段 SAR。由于采樣率高達 12Gsps，任意 1-1.5Ghz 的 L 波段波形和 4.75 到5.5GHz 的 C 波段信號可在非歸零（NRZ）模式下同時直接合成而不發生重疊。此外，由于在 RF 模式下DAC 可工作在多個 NZ 中，X 波段的波形可在第二奈奎斯特域中產生，同時在第三奈奎斯特域中產生 Ku 波段的波形。特別是，X 波段的 9-10.2GHz 可與 Ku 波段的 16-17.5GHz 一起生成。圖 3 展示了 DAC 輸出的噪聲波形頻譜。

圖 3 DAC 輸出噪聲頻譜

　　為了避免混疊，DAC 的 NRZ 輸出在 5.5GHz 進行低通濾波。然后，它被放大并發送至寬帶天線。而 RF 輸出則使用雙波段濾波器進行濾波，以選擇出第 2 奈奎斯特域的 X 波段和第 3 奈奎斯特域的 Ku 波段，如圖 3b 所示。

　　圖 4 所示的多波段 SAR 架構采用了脈沖雷達方案。因此，連接接收鏈的兩根天線各使用一個環行器。與 DAC 輸出類似，在使用兩個工作在相同的 12GHz 采樣時鐘的 ADC 對接收信號放大和數字化之前，需先對其進行 L+C 通道的低通濾波和 X+Ku 通道的雙波段濾波。

圖 4 多波段 SAR 架構

　　圖 5 給出了兩種 ADC 的頻率規劃。L 波段和 C 波段可直接采樣而不發生混疊，因為它們都落在第 1 奈奎斯特域（6GHz）的范圍內。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，它們分別對應于第 1 奈奎斯特域的 1.8-3GHz 和 4-5.5GHz 的范圍，沒有重疊。高性能的現場可編程邏輯門陣列（FPGA）可實現任意波形發生器的功能，用于合成所需的雷達信號并處理從 ADC 到高速固態硬盤（SSD）的高速數字信號。

圖 5 第 1 奈奎斯特域的 ADC 頻率規劃

　　在前端架構中，輸入和輸出濾波器尤其重要。輸出濾波器是選擇所需的波段和抑制無關的混疊波段的必要器件。另一方面，為了防止其他帶外信號的干擾并降低整體噪聲水平，需使用輸入濾波器濾除噪聲和無關信號。這些濾波器可使用多波段濾波器技術在微帶上設計并實現。另一個選項是將寬帶信號分成兩個單獨的波段，使用單波段濾波器濾波，然后重新組合。

　　為了使 DAC 的輸出電平與功率放大器的輸入端所需的電平匹配，我們需要使用中間驅動器。功率放大器應能夠處理合適的功率，以滿足每個頻段的發射功率要求。由于系統是基于脈沖的，因此有必要考慮傳輸功率的平均值，這可簡化放大器的選擇。為了使發射器和接收器共用同一個天線，功率放大器的輸出端的寬帶環行器是必須使用的器件。

　　在接收端，根據發射功率的不同，需采用功率限制器件對低噪聲放大器（LNA）進行保護。否則，如果環行器的隔離度不夠（通常為 20dB），在傳輸的階段可能損壞低噪聲放大器。

　　機載系統演示樣機的研制

　　所有的 4 個工作頻段使用單一天線可實現 SAR 成像的單相中心。然而，考慮到實際的增益和天線尺寸，單天線很難容納從 1GHz 到 18GHz 的超寬頻率跨度。此外，由于 L 波段和 C 波段使用相同的 DAC 和 ADC 進行合成和數字化，X 波段和 Ku 波段也是如此，我們可方便地實現兩個單獨的模擬鏈路，如圖 4 所示。

　　對于機載應用，L 波段和 C 波段可使用寬帶喇叭天線（如 Ainfo LB-560[6]）進行發射和接收，這款天線支持0.5-6GHz 的頻率范圍的 10-12dBi 的恒定增益，如圖 6 所示。另一方面，多倍頻程喇叭天線（如 Ainfo LB-60180-20[7]）擁有 6-18GHz 的帶寬，支持 X 波段和 Ku 波段，X 波段的增益約為 20dBi，Ku 波段的增益約為 22dBi，如圖 7 所示。

　　對于 L+C 波段，可使用 RF-Lambda 的功率放大器 RFLUPA0706GG[8]進行功率放大，其典型功率輸出為 48dBm，頻率范圍是 0.7-6GHz。對于 X+Ku 波段，可使用 RF-Lambda 的 RFLUPA0618GE[9]放大器，其典型輸出功率是50dBm，頻率范圍是 6-18GHz。

　　功率放大器的輸出可能需要使用帶通諧波抑制濾波器。在這種情況下，根據發射功率的不同，應仔細評估微帶功率的處理。對于 X+Ku 波段的高功率寬帶環行器，一個可行的選擇是 DORADO 國際的 4CCM14-1[10]同軸型號，它可覆蓋 9-18GHz 的范圍，功率為 150W。在 L+C 波段的情況下，很難找到一款具有如此大分數帶寬的環行器。另一個選擇是采用大功率同軸開關，例如 RF-Lambda 的 RFSP2TR5M06GS[11]。

　　在這樣的高頻數字系統中，低抖動的時鐘信號是必不可少的。時鐘發生器可使用基于鎖相環的信號合成器來實現。Analog Devices 的微波合成器 ADF4152 集成了壓控振蕩器，可實現優秀的噪聲特性[12]。時鐘分配器可使用高頻窄帶分配器來實現。

　　Hitech Global HTG-960 Virtex UltraScale+ VU19P 開發平臺[13]是一款優秀的 FPGA 板卡，支持通過 FMC 標準與 DAC 和 ADC 連接。FMC 接口還允許連接到非易失性內存主機控制器接口規范（NVMe）的高速 SSD（Raid0 配置），以記錄采集的數據。

　　該系統的功能可在輕型飛機上演示，如 Tecnam P92JS SmartBay[14]，它支持在機翼下的專用吊艙中安裝實驗設備。

　　預期的雷達性能

　　至此我們已經介紹了所需的所有系統組件，可根據表 1 中的參數計算預期的 SAR 性能。我們已經考慮了損耗和噪聲的保守值，并假定飛行平臺在平均地面高度之上 2000m 的高度以 40m/s 的地面速度飛行。

表1 仿真參數

　　參考上述參數，可依據下式計算不同波段的 NESZ[15]。

　　其中 kB為玻爾茲曼常數，TN為 290°K 的參考溫度，r0是刈幅中心的傾斜范圍。假設分布反射為 0dBm2/m2，圖 8 展示了各子波段的地塊接收功率和傾斜范圍的函數關系。天線的整個-3dB 范圍的總集成功率也被標出。由于 L 波段和 C 波段共享 LB-560 天線，其半功率波束寬度大于 39 度仰角，L 波段的頻率的刈幅非常大，從 2337m 到10369m。盡管 LB-560 天線在 L 波段和 C 波段的增益幾乎相同，但由于自由空間的衰減不同，C 波段的接收功率比 L 波段低 20dB。另一方面，X 波段和 Ku 波段共享更直接的 LB-60180-20，因此在這兩個更高的波段的刈幅更窄。

　　圖 9 展示了期望的 NESZ 和不同子波段的傾斜范圍的函數關系。期望的 NESZ 在 Ku 波段和 X 波段分別優于-23dBm2/m2和-25dBm2/m2。低頻天線的范圍允許 SAR 在 L 波段產生高達 10km 的成像，但靈敏度較差。由于通常認為優于-20dBm2/m2的 NESZ 值表征良好的 SAR 成像質量，L 波段和 C 波段的最大成像范圍被分別限制在 5819m 和 4092m。

　　機載處理和預期數據率

　　為了降低需記錄的數據的數據率，我們需要對四個波段的接收信號進行機載采樣和預處理，如圖 10 所示。具體地 說，每個采樣波段都分別依據第一奈奎斯特域的中心頻率數字下變頻(DDC)到基帶。然后，通過級聯積分梳(CIC)濾波器對采樣率進行抽取，以適應瞬時帶寬。我們還需使用有限脈沖響應(FIR)濾波器對 CIC 濾波器的響應進行補償。然后，使用交叉相關器(Xcorr)對已濾波的信號進行范圍壓縮，并將其限制在每個波段 4 倍過采樣的范圍以內。最后，經過合成的 6160MB/s 的數據率被發送到雙通道 Raid0 Gen.4 NVMe IP[16]中，這個 IP 將壓縮的數據以 3080MB/s的數據率分別寫入兩個 Gen.4 NVMe SSD 中[17]。

　　結論和展望

　　本文對一種在 L、C、X 和 Ku 波段工作的全數字多波段 SAR 系統進行了可行性研究。首先介紹了 Teledyne e2v 的創新的 DAC 和 ADC 的關鍵技術，然后提出了一種基于脈沖的 SAR 系統的初步架構，最后以幾種商業器件和技術為例，評估了空中多波段 SAR 成像的機載演示系統的可行性。此外，本文也以 NESZ、接收功率和數據率的形式推導和分析了預期的性能。

　　未來我們將會對系統性能進行更詳細的分析，包括脈沖響應、相位線性度和雜散水平，然后進行所述的機載多波段SAR 演示樣機的開發工作。這個演示樣機是更廣闊的技術路線圖的第一步。我們期待未來會有更新的設計，并由新 的宇航機構和私營公司推動航天載荷的發展。