超高頻表面動力學(xué)參數(shù)雷達(dá)的設(shè)計和實驗SichaoWang,BiyangWen,CaijunWang,ZhishengYan,KeLi,andJingYang摘要：這篇文章提出一種新的超高頻系統(tǒng)叫做超高頻表面動力學(xué)參數(shù)雷達(dá)。硬件是基于表面電流雷達(dá)（SCR）的全數(shù)字接收機(jī)平臺系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的中頻（IF）接收器相比，它實現(xiàn)了直接無線電頻率（RF）帶通采樣和放大的回波信號的正交解調(diào)。閉環(huán)測試和現(xiàn)場測試證明了本設(shè)計的正確性。關(guān)鍵字：全數(shù)字接收器，帶通采樣，正交解調(diào)，表面電流，超高頻雷達(dá)。一、介紹在過去的20年里，超高頻（UHF）雷達(dá)遙感已成為一種流行的非接觸式測量表面電流的方法。2005年由武漢大學(xué)發(fā)明的表面電流雷達(dá)（SCR）系統(tǒng)已經(jīng)在唐盛河試驗中取得了成功。超高頻表面動力學(xué)參數(shù)的雷達(dá)（USDPR）系統(tǒng)升級了從超外差到直接采樣結(jié)構(gòu)的SCR接收機(jī)。這個前景很好的結(jié)構(gòu)已經(jīng)在無線電合成望遠(yuǎn)鏡接收器被研究，接收器支持蜂窩和無線標(biāo)準(zhǔn)，超寬帶（UWB）接收器也在最近被提到［2］⑷。如圖1顯示，超高頻表面動力學(xué)參數(shù)的雷達(dá)（USDPR）系統(tǒng)由天線、發(fā)射機(jī)、接收器、電源和計算機(jī)組成。與SCR相比，USDPR接收器實現(xiàn)了直接射頻（RF）采樣，它提供了兩個主要的優(yōu)勢：1）不受模擬混合器映像問題和局部振蕩器調(diào)和波的問題，2）擁有更少的幅度一致性誤差和同相正交（I/Q）信號的相位正交性誤差。與其他直接射頻采樣接收器相比，USDPR系統(tǒng)實現(xiàn)了坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機(jī)（CORDIC）線性調(diào)頻回波信號解調(diào)算法，而不是傳統(tǒng)的“頻率合成倍增”的方法，它提供了兩個主要的優(yōu)點：1）節(jié)約大量的四分之一波長正弦/余弦查表和多點復(fù)數(shù)乘法器的開銷，2）產(chǎn)生更少的由相位和頻率合成過程中幅度量化引起的頻譜刺⑸⑹。圖1.UHF雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖二、波形參數(shù)設(shè)計

USDDR系統(tǒng)利用調(diào)頻中斷連續(xù)波（FMICW）來實現(xiàn)mono靜態(tài)幾何［7］。掃描帶寬為15.36MHz，掃描間隔是0.1024s，所以掃描速度為1.5xlO8Hz/s，分辨率為9.77m。經(jīng)過正交解調(diào)，基帶信號是只有正頻率分量的解析信號，負(fù)的頻率分量被消除。設(shè)計規(guī)定近岸檢測最大距離為2.5公里，所以最大的基帶頻率偏移量為2.5kHz。在我們的系統(tǒng)中，基帶采樣頻率為80kHz，間斷脈沖重復(fù)頻率（PRF）是10kHz，兩個都比偏移量大，因此不會造成距離混疊。此外，該中斷脈沖占空比是46%?；?40MHz的中心頻率，布拉格共振頻率是1.88Hz。在本設(shè)計中，幀周期為0.1028s，這是0.1024s掃描間隔和0.4ms轉(zhuǎn)移時間的總和。因此，多普勒帶寬為9.73Hz，大于兩倍的布拉格頻率。每個相干積分包含1024個幀周期，使得多普勒分辨率為0.0095Hz和速度分辨率為0.42cm/s，根據(jù)波形參數(shù)設(shè)計上面所說的，USDPR系統(tǒng)可以測量的電流的最大速度為1.32m/s。三、所有模塊的實現(xiàn)A、模擬板如圖2所示，天線信號在模擬板上由低噪聲放大器放大，由窄帶寬濾波器過濾。在每個脈沖重復(fù)間隔（PRI，100us），數(shù)字板發(fā)送減輕地面波（BGW）脈沖46.8-00s給模擬板，使回波進(jìn)入模擬板。模擬板達(dá)到36dB的增益，122dBm的靈敏度，76dB的無雜散動態(tài)范圍（SFDR）,60dB的隔離效果和小于3dB的平整度。BGWFncrrithedigilslboardSwitchFilterAmplifiorHinwgHfess12dBl和輛dBFraqutmcy:33fl口350MHeAUeflualiftiliBGWFncrrithedigilslboardSwitchFilterAmplifiorHinwgHfess12dBl和輛dBFraqutmcy:33fl口350MHeAUeflualiftili；2.4Fiame尊：<1dBAmiplrfior FitterGain-:24AdBNO扇Figurt;2.7dBOlPS：FPEuency:330?350MHz.Atlgrlualion；2.4dB<1dBFitterGan；21dBhkiis*F?9ur6:2.7dBOIP3-32dBfliFrequoncy:330-350閭樹3liM;2AdB<1OB圖2模擬板結(jié)構(gòu)圖B、頻率合成板如圖3所示，在頻率合成版上有一個80MHz具有超低相位噪聲的晶體振蕩器。經(jīng)過一個時鐘緩沖器驅(qū)動，時鐘源送到鎖相環(huán)（PLL）。鎖相環(huán)輸出的兩個信號具有相同的初始相位來保證系統(tǒng)的一致性。其中一個頻率為81.92MHz的提供給數(shù)字板，而頻率為983.04MHz的提供給直接數(shù)字頻率合成器（DDS）芯片作為參考時鐘。數(shù)字板為了產(chǎn)生所需的FMICW信號把配置參數(shù)發(fā)給DDS芯片。后端的模擬電路由變壓器，濾波器，開關(guān)，放大器組成，然后0dBm的信號發(fā)送到發(fā)射機(jī)。頻率合成板動態(tài)范圍達(dá)到52dB,平整度小于1dB。

圖3頻率合成板結(jié)構(gòu)圖C、電子板如圖4所示，數(shù)字板的時鐘緩沖器接收頻率合成板的81.92MHz的時鐘信號,并且將七個具有相同的頻率和相位的81.92MHz的時鐘分配給六通道A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）和一個現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）AD9265是來自ADI公司的，（ADI）既配備了寬的模擬帶寬，也配備了高分辨率實現(xiàn)放大回波信號的高速數(shù)據(jù)采集。在ADC前端電路的設(shè)計，使用變壓器降低了噪聲，同時提供一個良好的超高頻輸入耦合機(jī)制。FPGA采用CORDIC解調(diào)算法來混合輸入回波，除去它的載波頻率和斜率的斜坡。此外，F(xiàn)PGA采用去除法和濾波。處理后的數(shù)據(jù)通過通用串行總線（USB）被高速轉(zhuǎn)移到計算機(jī)。同時，在每個優(yōu)先級，數(shù)字板發(fā)出0-6s的傳輸脈沖（TP）給發(fā)射機(jī)，否則發(fā)射機(jī)關(guān)閉。數(shù)字板達(dá)到86dBm的量化水平和超過10Mb/s的傳輸速度。圖4數(shù)字板結(jié)構(gòu)圖D、發(fā)射機(jī)和天線USDPR系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)不需要高功率，只需要1W。天線包括一個發(fā)射天線和六個接收天線，USDPR系統(tǒng)使用七個八木天線。發(fā)射器和天線的規(guī)格如表1所示。Specitlcationsfk)rTransmitter Specificationstl>rAntennaFrequency330-350MHzFrequency330-350MHzGain>30dBGainH2dBiFlatness<2dBPlainer<2dBOutputPower30±ldBmImpedance50nInputPower0±3dBmPolarizationVerticalMethodNoiseFigure7.5JBVSWR<2OIP3>45dBmVSWR<2表1發(fā)射器和天線的規(guī)格E、 在FPGA實現(xiàn)的信號處理器在FPGA系統(tǒng)中，正交解調(diào)是通過旋轉(zhuǎn)模式CORDIC實現(xiàn)的。CORDIC算法的兩種數(shù)據(jù)輸入配置為采樣數(shù)據(jù)流和零，而相位輸入是通過頻率累加器和相位累加器實現(xiàn)的。在每個時鐘周期，頻率累加器將本身的值與三角放射性（DFTW）相加，初始值是放射性（FTW）的相位累加器將本身的值和不斷增加的值相加存儲在頻率累加器中。DFTW和FTW這樣確定是為了讓步進(jìn)率和低斜坡限制和采樣版本的發(fā)送信號完全相同。級聯(lián)積分梳狀（CIC）濾波器實現(xiàn)窄帶低通濾波器的具有高采樣率的I，Q信號。窗口模塊將預(yù)先存儲的只讀存儲器（ROM）和與CIC的數(shù)據(jù)輸出系數(shù)相乘。頻率計算模塊從窗口接收到數(shù)據(jù)后，執(zhí)行快速傅立葉變換（FFT）實現(xiàn)最大化的信噪比（SNR）。由于每個頻點代表9.77m,計算低的1024個點對回波信息提取已經(jīng)足夠了。F、 在計算機(jī)上的信號處理頻譜范圍是通過快速傅里葉變換在單個幀內(nèi)算出來的，在這個范圍內(nèi)值域主要用來與多普勒的值相比較。一定單元區(qū)間內(nèi)的多普勒頻譜是通過韋爾奇的平均改進(jìn)周期圖法得到的，在這個單元區(qū)間內(nèi)的相干幀是基于快速傅里葉變換的結(jié)果,由于從幀到幀的振幅變化不大，唯一的變化是相位因子，其中包含目標(biāo)的速率信息[8][9。四、閉環(huán)測試和現(xiàn)場測試結(jié)果A、閉環(huán)測試在閉環(huán)測試中，回波信號可以通過在一定時間段內(nèi)延遲發(fā)送信號來模擬。在ADC采樣和FPGA解調(diào)后，快速傅里葉變換的結(jié)果會被發(fā)送到計算機(jī)上，圖5顯示了模擬回波出現(xiàn)在192的單元區(qū)間內(nèi)，這與在FPGA上時間延遲配置完全一致。B、現(xiàn)場測試為了評估USDPR系統(tǒng)的性能，中國在2012八月在東邊海域浙江舟山做了一個實驗。將八木天線放置在距離岸邊約30m、距離海面3m的地方，直接探索海洋。發(fā)射機(jī)的操作小于1W功率。圖6顯示了1通道的第58個單元區(qū)間的多普勒頻譜。在布拉格頻率上有一個負(fù)峰值，信噪比約為40dB。它是由布拉格波從雷達(dá)發(fā)散出來的一階散射產(chǎn)生的。而正峰值不明顯，對此的解釋是：波浪已被風(fēng)吹離雷達(dá)，波浪反向散射的能量向雷達(dá)移動相對較小。此外，在布拉格附近有小峰，這可能是由雙散射兩海浪引起的二階散射效應(yīng)。五、結(jié)論基于我們的實驗，用來測量海洋表面電流的信噪比超過10dB是必需的，在USDPR系統(tǒng)中，替代了功率為5W的發(fā)射機(jī)和13dBi的增益天線，功率為1W的發(fā)射機(jī)和11.2dBi的增益天線可以實現(xiàn)15—45dB的信噪比探測最大距離1km[1]。而且，USDPR系統(tǒng)實現(xiàn)了直接采樣和CORDIC解調(diào)。在SCR系統(tǒng)里的模擬混頻器和局部振蕩器因此被消除了，從而提高了接收器的動態(tài)范圍（從60dB到96dB）和靈敏度（從107dB到122dB）。同事，F(xiàn)PGA的數(shù)字解調(diào)更加精確，可重復(fù)性更好。權(quán)衡對A/D采樣的要求不斷增加，比如更高的采樣和更好的分辨率。此外，USDPR系統(tǒng)采用FMICW，它不同于SCR系統(tǒng)中的FMCW,而是采用在每個PRI內(nèi)交替認(rèn)定TP和BGW信號來實現(xiàn)的，不需要在發(fā)射天線和接受天線之間設(shè)置電線網(wǎng)，或者將他們分開超過40米?？傊?，創(chuàng)新的接收器結(jié)構(gòu)、CORDIC恰當(dāng)用于回波解調(diào)，以及波形參數(shù)改進(jìn)的設(shè)計在閉環(huán)測試和現(xiàn)場測試中都被證明是成功的。感謝語作者們想要特別感謝在實驗室工作的Y.W.Tian,J.Tan,D.P.Jiang,andS.C.Wu。參考文獻(xiàn)Z.G.Maetal.,“UHFsurfacecurrentsradarhardwaresystemdesign,”IEEEMicrow.WirelessCompon.Lett,vol.15,no.12,pp.904-906,Dec.2005.D.NavaratneandL.Belostotski,“WidebandCMOSamplificationstageforadirect-samplingsquarekilometrearrayreceiver,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.60,no.10,pp.3179-3188,Oct.2012.R.Nandaetal.,“Alow-powerdigitalfront-enddirect-samplingreceiverforflexibleradios,”inProc.IEEEAsianSolidStateCircuitsConf.(A-SSCC),Nov.2011,pp.377-380.C.M.Kelleretal.,“Ultra-widebanddirectsamplingreceiver,”inProc.IEEEInt.Conf.Ultra-Wideband(ICUWB'07,)Sep.2007,pp.387-392.J.Volder,“TheCORDICtrigonometriccomputingtechnique,”IRETrans.Electron.Comp.,vol.EC-8,pp.330-334,Sep.1959.Z.S.Yanetal.,“DesignandFPGAimplementationofdigitalpulsecompressionforchirpradarbasedonCORDIC,”IEICEElectron.Express,vol.6,no.11,pp.780-786,Jun.2009.[7]D.E.Barrick,“GatedFMCWDFRadarandSignalProcessingforRange/Doppler/AngleDetermination,”U.S.Patent5361072,Nov.1,1994,etal..D.E.Barrick,FM/CWRadarSignalsandDigitalProcessingNOAAEnvironmentalResearchL