现代雷达技术外文翻译

一种亚太赫兹真实孔径成像雷达

摘要

对于频率在100MHz到10THz之间的电磁波，由于缺乏高功率源和由水蒸气产生的强电磁吸收，只有极少数的雷达系统和其他系统会在这个频段内工作。出于这个原因，它有时被称为太赫兹间隙。功率源的技术正在改善，从而有利于雷达系统在这个新的前沿电磁波谱的操作。在靠近毫米波/亚毫米波过渡这个频谱区域的下端，相对于更高的频率，该频段的器件更加容易获得，大气衰减也更适中。一个具有长达数百米的成像面的真实孔径雷达已经研制成功，它利用组件可以产生大约50mW的功率。它可以发送一个垂直方向的扇形波束扫描视场中的方位，并在两个垂直方向上接收，此时具有相同位移位置的扇形波束形成干涉，由此可以产生三维图像的表面形貌（排列，方位和高度）。本文介绍了该原型系统的设计，并提出了初步成果，扩展了之前的工作。

关键词：成像雷达，太赫兹，干涉，真实波束成像

一、简介

在太赫兹和亚太赫兹频率（0.14-1太赫兹）工作的有源成像系统已经被开发用于各种场合，主要用于隐藏的武器的检测和生物医学成像等非常狭窄的用途。造成这种范围限制是由于水蒸气对这个频段电磁能量的强吸收以及大多数源只能提供相对较低的功率。虽然已经开发出有合理输出功率的亚太赫兹系统，但是它们或者没有被应用与实验室和研究环境之外，或者不能持续输出，这是多普勒测速雷达的一个关键参数。继续研究亚太赫兹系统和传输将使许多长景的应用现在就开始变得可行，例如成像雷达，宽带通信和遥感。

成像雷达，包括合成孔径雷达（SAR）可以使用其中多个接收器位移在空间和时间的干涉，得到差分相位图算出表面高度估计来提供附加维度。但是也有极少数著名论证性干涉雷达的工作频率高于100GHz（可能同时有这方面的研究）。一个亚太赫兹干涉雷达将提供一个平台，以研究各种可利用短波长的优势产生高分辨率地形图，并且研究和验证后向散射雷达，地形连贯性和亚太赫兹传播理论模型的应用。

这项研究的目标是设计和建造一个概念验证亚太赫兹干涉成像雷达的各种应用。其中灵敏度是一个设计因素，使此平台可以用来探索频谱的这一部分。经证明干涉概念工程的措施可以采取优化系统，以执行涉及尺寸，重量和功率约束（例如无人平台），包括高级天线技术，单片微波集成电路（MMIC）和专用集成电路（ASIC）的特定应用。

二、系统设计

为了达到使用较低成本的组件达到开发验证一个概念体系的目标，一个如图1所示的雷达系统被设计和试制出来。该雷达的主要操作参数在表1。一个微型计算机用于控制雷达，包括波形和扫描参数，并显示结果。所有的数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）电路都使用商业现货（COTS）的电路板。该数模转换器的主频可达2.8GHz，因此理论上可以产生峰值频率1.4GHz，具有几MHz到1.4 GHz的带宽和有14位分辨率的波形。

表一操作参数

图一系统框图。在灰色框的模块叠加的是连接各个接收机。

A、射频域模拟

由数模转换器所产生的中频模拟波形经由常规超外差混频，通过滤波以去除图像频率和不希望的混频分量来变换到一个更高的中频（IF）。高速数模转换器对于这种设计更为有利，这样可以产生更好的窄带信号，以降低频率对带通滤波器的截止频率锐度的要求。上变频后面是一系列乘法放大器链，以获得射频（RF）输出。

通常，简单的连续波调频（FMCW）系统利用耦合器将发射给信道的信号频率与接收信号混合后传输给接收机。如图1中所描绘的设计，但是，在信号被分离到较低的频率是因为两个主要原因：1）耦合频率在100GHz以上的信号要么损失很大要么非常昂贵，2）低频中电缆可以用来代替波导，它允许接收机灵活的以试验通过基线干涉仪在不同的距离来隔离。如图中方框图，所述耦合信号驱动发射天线通过一个附加的乘法器放大器链旨在最大限度地输出功率，而不是分裂耦合的信号，并将其引导到接收机。实用组件技术的发展改变了耦合器的传统取向。该系统利用了在接收器的次谐波混频器，使得来自发射器的参考振荡器信号只需要被发送频率的一半。FMCW系统有效地应用展宽处理和下变频为单边带信号。因此，接收混频器的输出是用于短距离应用的极窄带信号，尽管发射波形带宽很宽，但是输出信号可以低通滤波（因为合适用于短程信号频率是几kHz到约

100MHz）和数字化标准模数转换。

B、数字域

发射波形由一个工作在中频的高速数模转换器生成。这样可以严格控制波形，有能力在改变波形参数的同时保持线性度，并从通带中消除直流分量。对于此演示系统，波形是用数模转换器评估板兼容的数字码型发生器来编程的，然而，下一代的系统将驱动采用FPGA的数模转换器。

一旦模数转换器接受到信号就会进行数字化处理，处理发生在一个FPGA模块或使用由图2中的粉块所指示的微型计算机的软件。处理开始使用均衡器降低两个干涉接收信道之间的幅度和相位失配。校准程序确定均衡器下限的参数。接下来进行频谱分析，先进行2k至8k的实FFT变换，从时域测量转换到频域。这之后是扫描由它产生多普勒测量的扫描配置来确定指定的驻留时间进行相干积分。最后，产生的复杂的二维图像被存储到存储器中。在此阶段，可以处理来自两个接收机的图像，以减少斑点噪声连同其他滤波措施来改善相位展开过程。标准干涉处理被应用于创建地形场，也就是说，通过给定的雷达状态和基线几何形状，和进一步的图像处理，生成最终显示的相位差。如果该应用程序被用来创建一个高分辨率地形地图，可以将数据覆盖到现有较低分辨率的地形数据，例如，数字地形高程数据库（DTED）数据。

图二通过位于点A和B两个接收器计算一个点表面高度形成几何形状

C、干涉

有两个位移接收机，由于不同的视角产生的两个图像具有稍微不同的相位（即，稍微不同的范围的图像）。将一个图像与第二个图像的复共轭相乘将得到相位差。这个相位必须被打开删除不连续的π和-π（即去掉在相位中2π的非单值性）。图二表示出了通过位于相距S的点A和点B的两个接收机来估计几何物体中一个表面点的高度Xs。鉴于S是通常比X S小得多，近似可以用Z S作为该图像样品的垂直高度。所以可以得出

其中R0是平均雷达范围延迟坐标,然后被合理估计出平均值R

A 、R

A

′、R B和

R

B

′。垂直基线角由θp限定。因此，一个反演算法由下式给出

最后两个偏移项取决于任意选择的基准平面高度和已知的两个接收机的相位偏移。

D、测试和演示

在整合中和之后，系统测试是开发的重要组成部分。图3显示了两种方案的RF前端安装在设备上。从后面可以看到，将K波段信号与RF输出相乘的收发器以及顶部接收器（通道A）和次谐波混频器。前视图显示间隔的两个接收器的发射角相关，所有这些都使用聚苯乙烯交联树脂镜头聚焦。在组件的侧面是手动调整的仰角支架，下面是扫描方位转台。为了测试的目的建造了两个三面角反射器，

如图4所示的屋顶上的铜建筑工程的室外实验正在进行，为所有的子系统和组件定制的电源如图5所示。

图四 RF前端的背面（在实验室）和正面（外部）显示接收喇叭天线的上方和发射喇叭天

线下方安装转盘和手动俯仰角托架。

图四 RF前端的背面（在实验室）和正面（外部）显示接收喇叭天线的上方和发射喇叭天

线下方安装转盘和手动俯仰角托架。

图五所有系统组件的自定义电源

在实验室中用测试设备作为后端与射频前端的初步整合后，最初的实验通过天线制作了一个约0.7米的角反射器。信号发生器产生的上线性调频信号超过10毫秒时，接收到的信号是通过一个250 MHz的数字示波器采集到的，这些都是通过通用总线接口由MATLAB控制的。步进扫描设置是由-10到10度，在100个波形周期内每个周期有0.25度增量。数据收集的结果显示在图6到图9中。通道B（图6和图7的下部图表）变得饱和，可能是下面的角反射器的机柜产生了反射。

图六从两个接收机接收的B的范围强度图像，通道A是接收器顶部的和通道B的底部。

图7 PPI的强度图像。扫描范围为-10到10度，只有最开始的三米显示。

图8 展开的相位差。

图9 相应的高度图，在差分相位中伪影发生的高度图如预期。

差分相位的展开通过基本的MATLAB程序（图6）来创建如图所示的高度图。应该指出的是，数据只是初步的，收集它是用来验证前端操作可行性论证。显然，还需要做更多的工作来充分校准雷达和进一步处理数据。此外，反射镜不在天线的近场的室外实验目前正在进行。

三、应用

最重要的是，该雷达的开发将用来验证雷达的灵敏度，后向散射，传播模型和地形技术。传播的研究也在大量的不同的室内和室外的环境条件进行过。有几个应用程序，可以通过这个平台进行研究，包括复杂运动目标的微多普勒分析；包括各种表面和目标后向散射特性，云、雾等的遥感研究；高分辨率视频的合成孔径雷达；以及各种移动平台的研究。有可能还有其他的应用没有被考虑到。四、总结和结论

科罗拉多州工程公司和科罗拉多大学波德分校，结合他们的专长完成了一个亚太赫兹成像雷达的设计和建造。在机械扫描系统上得到的初步结果显示在这个频段上成像雷达有望实现，但实验和研究才刚刚开始。必须在各种各样的情况和环境条件收集到足够的数据量。该系统将有助于对表面散射和当波长接近1毫米时相位信息的有效性过期的问题的答案。在工作时应用程序特定的版本升级和增强，将对这里描述的系统进行初步验证。