合成孔径雷达信号形成多通道系统的噪声特性分析

摘要

摘要研究了用于合成孔径雷达的直接数字合成器相位畸变自动补偿的混合频率合成器形成信号的多通道系统的噪声特性。建立了器件输出频率在500 ~ 3500mhz范围内，器件输出信号在1khz与载波振荡失谐时的相位噪声为- 100 ~ - 130 dB。在这种情况下，基于混合频率合成器和直接数字合成器作为锁相环参考振荡器的信号发生器电路具有最坏的噪声特性，但具有最高程度的自补偿(约13分贝)。相反，基于混合频率合成器和直接数字合成器作为锁相环的支持发生器的信号发生器电路，在考虑的各种设备中具有最好的相位噪声水平和最小程度的自动补偿(约6分贝)。

1.简介

地质雷达探测地下的是无损检测的最有效方法之一。它被用于检测，定位，和监测不同吸收系数介质的边界，在这些探测介质对象，在各种涂料等缺陷[1- - - - - -7]。实现它的一个选择是全息超宽带探测，基于使用具有合成孔径的雷达(GPR) [3.- - - - - -7]。这种关于地下探测的雷达技术的想法是基于超宽带信号的发射，并记录来自介电常数不同的探测介质边界下的物体的反射结果。在这种探测方式下，反射信号包含了有关介质不均匀性的最完整的信息。对所研究表面连续扫描所获得的反射信号进行处理，可以重建被探测介质界面下不均匀性的三维分布。

现代georadars的工作频率范围通常在50 - 2000 MHz频段，这是探测深度(数十米)和分辨率(数十厘米)之间的折中[4,5]。然而，更高频率的工作频率在10ghz以上的georadars也是已知的。这类系统的一个例子是IDS(意大利)为采矿业提供的产品，其操作频率约为17千兆赫，目的是监测采石场斜坡的动态，并预测其中可能发生的滑坡。

在实际使用georadars时，根据需要解决的问题类型，需要的探测深度和分辨能力以及与之相关的超宽带信号的载波频率被确定。在这方面，使用合成孔径的地下探测系统的必要元件[5应该是一个信号形成的多通道系统，该系统允许在需要的分辨率和给定的频率范围内快速调整设备的输出信号的频率。图中给出了利用合成孔径形成雷达信号的多通道系统的总体框图1。

对于调制超宽带探测信号(从两个带有一个载波的信号)，信号形成的几个通道的使用是必要的和调制和产生外差输出信号的收发模块与频率 。此外，为了提供同相反射信号的处理中，形成剂必须确保所合成的信号的每个信道的相干性。此条件是通过使用参考频率的一个共同的高稳定源实现基于精密石英振荡器。

对合成孔径探地雷达信号形成通道的选择是一项独立的任务，需要进行详细的研究。它的相关性是由于信号前者必须提供的一些要求。其中之一是由低水平的离散寄生谱成分和相位噪声所决定的信号的允许光谱特性。当实现这些目标时，探地雷达接收轨道的灵敏度将显著提高，并且在已有外部干扰的背景下提取反射信号(通常与有用信号相加)的过程将得到简化。

2。材料和方法

一般地，用于对各种无线电系统的信号的形成的信道被构造在图中所示的广义结构方案的基础上2。它采用下列名称：RO：参考石英振荡器;FGF：前者频率的电网;FM1和FM2：基准振荡器的频率乘数和前者分别频率的网格，的。

基于直接数字和间接频率合成方法的混合频率合成是实现雷达信号形成信道的一种很有前途的方法。直接数字合成是基于直接数字合成器(DDS)的使用，间接基于锁相环(PLL)的频率合成器的使用[8- - - - - -13]。根据广义的信道结构方案形成信号(图)2)， DDS执行频率网格的前一个函数，锁相环为输出频率乘子FM2。作为参考振荡器FM1的倍频器，通常使用具有较小倍增因子的晶体管级联。

频率合成的混合方法可以显著减少用于分别形成信号的每一种方法的缺点所带来的影响[13]。在所考虑（直接数字和间接合成法的组合）的情况下，前者将在最大频率合成的值和其分辨能力改进的参数。

数据3.- - - - - -5示出了通道的基于混合频率合成器结合频率合成的直接数字和间接方法的信号形成的基本框图。它们反映的主要途径打开在PLL环路的DDS：作为参考PLL振荡器（图3.），在反馈环路中的分频器（图4)和支持振荡器的PLL(图5）。下列名称被接受在图上：PD：相位检测器，LPF：低通滤波器，VCO：压控振荡器，FD：分频器和Mix：混频器。

在这些信号形成通道的电路中，输出频率范围由锁相环的显著倍增提供，而DDS提供高频率分辨率。为了获得锁相环鉴相器的最大比较频率，需要将参考振荡器的频率相乘，从而为前路合成信号提供更好的噪声特性。

在图中所示的电路4，由于VCO的可能高频和DDS的时钟频率的现有限制，则使用它的频率预分频器。在具有DDS作为PLL，所述分频器的分频系数的一个支持振荡器的混合频率合成器的方案FD1被选择的基础上，有必要确保在相位检测器的比较频率和混合器的差频之间的平等的VCO和DDS的输出频率之间的输出。该电路中的倍频器（FM2）被设计为形成所述DDS的高时钟频率和保护设备的信号，这可以通过使用用于偏置电路的附加参考频率源的被破坏的一致性。分频器FD2在反馈电路用于增加VCO的输出频率。

提供高的技术参数（速度，分辨能力和合成频率范围），实现了信道对的基于混合频率合成器与合成孔径georadars的信号形成的所考虑变体具有合成的信号的频谱纯度不足。在这种装置中的相位噪声，并且什么是特别重要的合成信号的频谱存在下，离散的寄生频谱分量的显著水平，主要是由于DDS的贡献。

在DDS的输出频谱，即出现在寄生相位调制的形式时域频谱分量是最不希望的。这些包括由相码和与该量化效果相关联不稳定的因素，以及噪声成分的影响的截断离散寄生频谱分量和合成器单元的噪声[14]。

改善含有DDS的信号发生器的光谱特征的一种有效方法是使用相位畸变自动补偿(ACPD)方法[15- - - - - -18]。这种方法相对于一个DDS的想法是基于隔离与数字 - 模拟转换器与，其与所述合成器的输入时钟的频率比较器的输出信号的频谱寄生相位调制时钟频率（无相位失真），以及控制信号的形成。该控制信号用于随后改变VCO的调制电压在PLL和由此补偿DDS的输出信号的相位失真。

图中给出了DDS的ACPD控制信号形成路径的一个实现框图6。CG：：时钟发生器或时钟频率，DAC的源：数字 - 模拟转换器，Tr的：触发器，DC：微分电路，A：放大器，FWR：全波整流器，PDA下列名称是在图上采用：自动补偿器，LPFA的相位检测器：该自动补偿器的低通滤波器，和小组：减法器（位于PLL环路的低通滤波器和VCO之间）。

ACPD中信号的预检测处理旨在通过振幅和形状消除参考(时钟)和信息(DDS的DAC输出)信号之间的差异，同时保持相移与控制轨道中分配的相位畸变成比例。

使用在混合合成器DDS的ACPD电路的主要效用是10-15分贝，以减少分立寄生频谱分量中的装置的输出信号频谱的电平。然而，使用该电路的还使得能够减少相位噪声的电平[16- - - - - -18]所造成的，其取决于其透射系数和包含在PLL的地方DDS的显著贡献。

信号相位噪声电平的主要特征是其频谱功率密度(SPD)。(F)接近载频，取决于的失谐F对于不同的输出频率值[19- - - - - -22]。研究所研究的混合频率合成器的噪声特性（图3.- - - - - -5利用DDS的ACPD，编制了具有所有工作相位噪声源的等效函数方案。在图7表示一个等效的线性化电路的通道形成信号与DDS作为PLL的参考振荡器，在图中8与DDS作为loopof PLL和图反馈分频器9- 用DDS作为PLL的支持振荡器。下列名称是在方案通过： :的信号形成单元的各个块的相位的偏差; :参考振荡器的频率倍增器的倍增系数; :DDS的传递系数;和 :PLL和ACPD探测器特性的陡度 :VCO调制特性的陡度; :所述PLL的分频器的分割系数;米(p),(p）是PLL和ACPD滤波器的传输系数;为A2放大器的放大系数。

所呈现的等效电路的基础上，获得的用于基于与DDS的ACPD混合频率合成器与合成孔径georadars的信号形成信道的结构的研究变体的噪声特性的数学模型。有人认为，(p)=米(p),=。

为如图所示的电路7，噪声特性的数学模型定义为 在哪里 :各信号前块的自身相位噪声; :转移PLL用于外部噪声的功能; :内噪声锁相环的传递函数 :open PLL的传递函数。

为如图所示的电路8，噪声特性的数学模型定义为 在哪里 , ,和 。

为如图所示的电路9，噪声特性的数学模型定义为 在哪里 , ,和 。

为了从理论上描述信号发生器各链路的固有相位噪声水平，使用了其相位噪声的SPD近似，这大大简化了它们的研究，并允许我们在相位噪声水平方面比较不同方案。参考振荡器、受控发电机、鉴相器、分频器、乘法器和频率混频器的相位噪声SPD的基本模型载于[19- - - - - -21]，在DDS的相位噪声的SPD的模型[22]。

3。结果与讨论

建模和施工基于与合成孔径georadars的DDS的ACPD混合频率合成器用于信号形成信道的所提出的变型的噪声特性比较分析被执行。对于所考虑的电路作为基准的石英振荡器的频率值用于= 100mhz为混合合成器的VCO输出频率的三个值= 500，2000，和3500兆赫。

采用12位DAC的AD9914积分合成器的参数作为建模的DDS。由于采用锁相环，ADF5355合成器的参数与VCO的调制特性有一定的斜率15 MHz/V，探测器特性的陡度= 1, LPF的截止频率= 10 MHz。

数字10示出了在存在（虚线曲线）和DDS作为PLL的基准振荡器的ACPD电路的不存在（continuouscurves），如图混合频率合成器的噪声特性11用于与DDS作为PLL的反馈电路中的分频器的电路，并在图12用于与DDS作为PLL的支持振荡器的电路。在这种情况下，第一级的滤光器被用作PLL和ACPD的过滤器。

4.结论

从获得图形依赖它遵循,考虑电路的设备,输出信号的相位噪声1 kHz承运人去谐的振荡,这取决于输出频率的设备,特点是- 100 - 130分贝的水平,这是一个很好的指标。结果发现，随着器件输出信号频率的增加，其相位噪声呈正比增长。

相位噪声的从提出的方案的最低水平具有带有DDS作为PLL的支撑振荡器，而最大与DDS作为PLL的基准振荡器的混合频率合成器。这是由于这些电路之间由裂变因子在PLL的反馈环路中的显著差异。

同时，三种方案中相位噪声自补偿程度最高的是一个以DDS作为参考振荡器的混合合成器。这是由于在给定的方案中，DDS在SPD中的固有贡献相对于其他器件的相位噪声具有优势。此外，可以看到，随着输出信号频率的增加，信号发生器的所有电路对输出信号相位噪声的自补偿程度都略有下降。

相位噪声在信号形成信道的基于混合频率合成器具有DDS作为PLL的基准振荡器的结构所提出的变体的输出信号的频谱的最大抑制的理论值是13分贝，用于与一电路DDS作为分频器，反馈电路是10分贝，以及用于与DDS作为PLL的支撑振荡器的方案的特征在于6分贝[一个值23]。

所呈现的结果证实了使用混合频率合成器作为与合成孔径georadars信号膜剂的效率，以及进行自动补偿，以改善他们的噪声特性的方法。

数据可用性

支持本研究结果的数据可从通讯作者处获得。

利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

致谢

这项工作是由俄罗斯联邦教育和科学部（批准号5.3606.2017 / PCH）的资助。

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