某机载SAR超宽带LFM波形产生系统性能分析

钟小艳，王燕宇，唐月生(中国电子科技集团第三十八研究所，安徽合肥230088)



某机载SAR超宽带LFM波形产生系统性能分析

钟小艳，王燕宇，唐月生
(中国电子科技集团第三十八研究所，安徽合肥230088)

摘要:提出一种不同于常规脉压的扩展脉压。这种脉压方式可以得到更多的信号信息，为超宽带LFM脉压信号产生系统提供有效的分析手段。首先介绍了扩展脉压的原理，并在工程调试中加以应用。借助这种分析方法确定了某机载SAR超宽带LFM波形产生系统出现成对回波的原因，并分析了载漏和镜频对波形脉压性能的影响，为改善系统性能提供了依据。

关键词:超宽带LFM;扩展脉压;成对回波;载漏泄漏;镜频干扰

0　引言

随着超宽带雷达技术的普遍应用，要求超宽带雷达接收机性能更高，体积更小，重量更轻，设计复杂性不断提高。在实际工程研制过程中，需要对波形产生系统进行更为全面准确的性能分析，而常规脉压方式所包含的信息量有限，无法提供调试分析依据。本文提出一种不同于常规脉压的扩展脉压分析方式，可以快速得到更多的波形信号信息。首先介绍了扩展脉压的原理和方法，并在实际雷达调试过程中加以应用，确定了成对回波的位置和噪底升高的成因，为超宽带LFM脉压信号产生系统提供有效的分析手段。

1　超宽带LFM信号数字产生系统原理

采用数字技术产生LFM信号的方法主要有以下3 种:(1)单数位产生方法，(2)DDS方法，(3)波形存储直读法。其中波形存储直读法能产生任意波形，与DDS方法相比具有原理简单、成本低廉、对器件依赖小、较好的幅相预失真补偿能力等优点。因此，本机载SAR系统以波形存储直读法为基础，对基于该方法的超宽带LFM信号性能的影响进行研究，为超宽带LFM脉压信号产生系统的工程实现、参数选择、性能评估和性能优化提供参考和借鉴。

幅度归一化的LFM脉冲信号为式中，fc为中心频率;μ= B/τ为调频斜率，B为信号带宽，τ为脉冲宽度; i(t)= cos(πμt2)为LFM同相基带信号; q(t)= sin(πμt2)为正交基带信号。受数字器件速度的限制，一般均无法直接产生绝对带宽很大的超宽带LFM信号。可以采用正交调制技术和倍频技术，先用波形存储直读法产生LFM基带信号的同相分量i(t)和正交分量q(t);然后由正交调制器完成两路正交信号的矢量合成，将带宽为［－B/2，B/2］的零中频信号搬移至载频fc，变成频带为［fc－B/2，fc+ B/2］的中频信号;进而通过M次倍频、滤波和放大实现信号频谱的扩展和功率放大，输出中心频率为Mfc、带宽为MB的超宽带LFM信号。采用上述思想设计出的超宽带LFM信号数字产生系统结构如图1所示，系统主要包括基带数字产生、正交调制器和倍频电路3部分。

图1　某机载雷达超宽带SAR系统波形产生系统

2　LFM信号的扩展脉压

通常通过对线性调频函数作脉冲压缩处理来分析产生的LFM信号的性能指标，但常规的脉冲压缩不能全面地表示出信号的信息量。为了进一步发掘信号的信息量，提出扩展脉压方式。

2.1常规脉压

线性调频函数时宽为［－τ/2，τ/2］，对应的带宽为［－B/2，B/2］，时间与频率有一一对应的关系。LFM信号的脉冲压缩可以从时域卷积得到，也可以由频域相乘再IFFT得到。通常作频域脉压，为了完整保留信号信息，脉压结果至少为原来信号数据量的2倍，需要对信号和脉压参考函数进行补零至原来数据量的2倍。此时脉压结果时域代表的时间范围为［－τ，τ］，对应的频率范围为［－B，B］。大于这个范围的信息不能在脉压结果中显示出来。脉压结果和LFM一样，时间和频率有对应关系，如图2所示。当采样频率为FS时，频偏为B的信号，对应时间轴τ时刻，数据量为FS*τ;频偏为－f0的信号，对应时间轴t1时刻，数据量为FS* t1(数据量记为N)。当调制率为正调制时，可以推导出式(1)。

图2　脉压结果的时间对应载频关系图

当信号的频偏超过FS/2时，超过的部分将以FS为周期混叠，产生混叠信号。混叠部分的信号出现在时间轴的时刻变为另一侧，对应的频点为f0－FS，如图3所示。

上面的分析通过仿真加以说明。假设一个经过解调的基带LFM信号，还混杂了一个载频f0(f0＞FS/2)的具有相同调制斜率的LFM信号，如式(2)所示。这个信号与理想线性调频参考函数进行脉压，得到脉压结果，如图4所示。图中信号杂波信号脉压尖峰本应该只出现在t =0时刻的左侧，由于混叠杂波信号超过FS/2的那部分信号形成频点f0－FS，脉压尖峰也出现在了t =0时刻的右侧。

图3　出现折叠的脉压结果时频关系图

图4　混叠信号f0(f0＞FS/2)的脉压结果(出现折叠)

2.2扩展脉压

信号频域脉压处理时，信号时宽为［－τ/2，τ/2］，对应的频域为［－B/2，B/2］，参考函数取［－nτ/2，nτ/2］，对应的频域为［－nB/2，nB/2］。频域脉压处理结果对应［－nτ，nτ］，对应的频域为［－nB，nB］。需要说明的是虽然脉压结果对应［－nτ，nτ］，但是有效信息区只有［－(n + 1)τ/2，(n + 1)τ/2］。通过以上分析，扩展脉压结果可以拓展信息量，脉压结果的时刻与频率关系由式(3)推导，式中的各项参数定义与式(1)相同。

为了验证上述分析，假设一个时宽为6 μs、带宽B 为588 MHz的LFM主波信号，混入400 MHz、800 MHz、1200 MHz的杂波LFM。从仿真结果可以看到，常规脉压的带宽信息为［－B，B］，所以只能显示出400 MHz频点的LFM。n = 2的扩展脉压结果的带宽信息为［－1.5B，1.5B］，所以能显示出400 MHz、800 MHz频点的LFM。n = 4的扩展脉压结果的带宽信息为［－2.5B，2.5B］，所以能显示出400 MHz、800 MHz、1200 MHz频点的LFM。

图5　n =4的扩展脉压结果

图6　n =2的扩展脉压结果

图7　n =1的扩展脉压即常规脉压结果

3　成对回波分析

根据上述分析，利用扩展脉压方法，针对本系统的脉压结果出现的成对回波分析，由式(3)计算得到对应的杂波频点信息。

表1　成对回波位置信息分析

由表1可以看出，信号中存在±400 MHz和±800 MHz载频的线性调频信号。图11为波形产生系统模拟调制后进入倍频器前的数据，做n = 4的扩展脉压。从图11可以得到杂波造成的成对回波对应的频点± 400 MHz、±800 MHz、±1200 MHz。确定了杂波的频点，分析得到400 MHz的频点是由于DA的工作时钟造成的，800 MHz的频点是DA的实际工作频率造成的(DA的工作时钟为400 MHz，双沿工作，实际工作在800 MHz)，1200 MHz的频点是由于400 MHz和800 MHz相互交调引起的。

图8　倍频前的波形n =4扩展脉压结果(DA时钟:400 MHz)

从图8可以看到，成对回波的存在严重影响了成像距离向信号脉压性能，在SAR图像中形成虚假目标，必须消除成对回波。为了消除成对回波，需要在保留信号信息的前提下尽可能抑制400 MHz频点。由于DA的400 MHz工作时钟距离信号频带非常近，光是通过滤波器难以完全抑制400 MHz频点，所以考虑用工作时钟1200 MHz的DA芯片替换本系统中的DA芯片。此时，截至频率为400 MHz的滤波器也能将1200 MHz频点带来的成对回波抑制掉。图9为更换DA芯片后的波形脉压结果。图中红色部分为理想脉压结果，蓝色部分为实际系统通过高速示波器采集的信号脉压结果。可以看到，与图8相比，成对回波被抑制。

图9　倍频前的波形常规脉压结果(DA时钟:1200 MHz)

4　镜频和载漏分析

存在镜像和载漏的正交调制器输出为

so(t)= sin(w0t +μt2)+

式中，α、β分别为镜像和载漏相对于主信号的幅度; w0=2πf0为中频载波;μ=πB/T。式(4)可以写为

式中，A =2。当α、β很小时，A≈1，θ=αsin2φ+βsinφ。在Mθ很小时，M次倍频后的输出信号为

正交调制器的镜像分量和载漏分量因倍频带来相应的杂散分量分别为Mw0t +(M±2)φ和Mw0t +(M ±1)φ，这些位于工作带内的杂散分量会严重影响信号的频谱。从图10可以看到，由于镜频分量和载漏带来的杂散分量使信号的频谱严重恶化。由于倍频后的信号中包含4个主要的杂散分量，它们具有与所需信号不同的调制斜率，因而通过信号的匹配滤波器后将对脉压性能产生严重影响。图11为经过二倍频后信号的扩展脉压结果。镜像分量和载漏分量使脉压结果形成了台阶状噪底。

从图10、图11可以看到，由于存在较高分量的载波泄漏和镜频干扰，通过二倍频器后，信号分量变得更加复杂，使成像中的距离向脉压结果出现了高达30 dB的台阶状噪底，这会使雷达图像的点目标出现拖尾现象，严重影响SAR图像信息的真实性。但是，由于本系统中模拟调制电路本身器件指标的限制，难以调整模拟调制正交两路的幅度和相位不平衡度，以此抑制载漏和镜频。

图10　经过倍频器后的信号频谱图

图11　倍频后的波形n =4扩展脉压结果

通过以上分析，修改波形产生方案，以数字调制替代模拟调制，得到图12所示的波形脉压结果，其中红色为理想脉压仿真结果。从图12可以看到，脉压噪底在60 dB以下，波形达到了指标要求，满足系统要求。

图12　系统修正后，倍频后的波形脉压结果

5　结束语

扩展脉压不同于常规脉压。扩展脉压可以将信号的频谱分量完整地表现在脉压结果中，并且可以根据文中推导出的公式得到这些隐藏在波形中的杂波信息。本项目在调试过程中，通过扩展脉压这一分析方法，得出成对回波形成的原因，得到脉压结果噪底出现台阶的原因，以此为根据替换了DA模块和模拟调制电路。修改后的系统波形达到了指标要求，满足系统要求。

扩展脉压以及脉压结果信息分析的结论可以用于超宽带接收机系统设计和研制，性能指标优化，对雷达系统设计、应用和分析具有普遍的利用价值。

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Performance analysis of UWB LFM waveform generating system for an airborne SAR

ZHONG Xiao-yan，WANG Yan-yu，TANG Yue-sheng
(No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088)

Abstract:The idea of the expanded pulse compression is proposed.Compared with the conventional pulse compression，it can get more information of the signals and provide an effective analysis means for the ultra-wideband(UWB)LFM waveform generating system.The principle of the expanded pulse compression is introduced，and then it is applied in the engineering debugging.This method helps to find the cause for which the paired echoes are formed in the UWB LFM waveform generating system for an airborne SAR，and the effects of the carrier leak and the image interference on the pulse compression performance of the waveforms are analyzed，which provide the basis for system performance improvement.

Keywords:UWB LFM; expanded pulse compression; paired echo; carrier leak; image interference

作者简介:钟小艳(1983-)，女，工程师，硕士，研究方向: SAR总体技术;王燕宇(1976-)，男，高级工程师，研究方向: SAR总体技术;唐月生，男，高级工程师，研究方向: SAR总体技术。

收稿日期:2015-01-12

文章编号:1009－0401(2015)01－0034－05

文献标志码:A

中图分类号:TN959.73