FMCW dairesel tarama SAR'ı temel alan görüntüleme sistemi tasarımı ve test yöntemi
Özet: Farklı mesafelerdeki hedeflerin yüksek çözünürlüklü görüntülemesini elde etmek için, frekans modülasyonlu sürekli dalga (FMCW) halka taramalı sentetik açıklıklı radar (SAR) sistemi altında bir hedef menzili tespit sistemi tasarımı ve test yöntemi önerilmektedir. Sistem, analog ön uç ve FPGA'nın birlikte işlenmesiyle gerçekleştirilir ve çeşitli çalışma modları, üç algılama mesafesini ve bunlara karşılık gelen yakın, orta ve uzak çözünürlükleri gerçekleştirmek için tasarlanmıştır. MATLAB analog RF ön ucu tarafından frekans modülasyon işleminden sonraki sinyal, FPGA dijital aşağı dönüştürme işlemine yüklenir, çıktı spektrumu, elde edilen sinyalin simülasyonu ile elde edilir ve FMCW döngü taramalı SAR'a dayalı hedef menzil görüntüleme sisteminin tasarımını doğrulamak için kapalı döngü kart düzeyinde gerçek ölçüm gerçekleştirilir. Fizibilite.
TN957.5
Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.173508
Çince alıntı biçimi: Liu Lianghuan, Huang Shifeng, Chen Zhangyou.FMCW dairesel tarama SAR'a dayalı görüntüleme sistemi tasarımı ve test yöntemi. Application of Electronic Technology, 2018, 44 (3): 47-51.
İngilizce alıntı biçimi: Liu Lianghuan, Huang Shifeng, Chen Zhangyou.FMCW dairesel tarama SAR'a dayalı görüntüleme sistemi tasarımı ve test yöntemi. Application of Electronic Technique, 2018, 44 (3): 47-51.
0 Önsöz
Sentetik Açıklıklı Radar (SAR) görüntüleme hava koşullarından daha az etkilenir ve gündüz ve gece ile sınırlı değildir, bu nedenle navigasyon ve askeri alanlarda geniş uygulama olanaklarına sahiptir. Halka taramalı SAR kavramı, 1990 yılında KLAUSING H ve diğerleri tarafından önerilmiştir. Geleneksel doğrusal SAR ile karşılaştırıldığında, 360 ° görüntüleme alanına, yüksek azimut çözünürlüğüne ve tarama hızına ve kısa sürede büyük ölçekli görüntüleme etkilerine ulaşmanın avantajlarına sahiptir. , Geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir. Geleneksel darbeli SAR ile karşılaştırıldığında, Frekans Modülasyonlu Sürekli Dalga (FMCW) SAR, hafiflik, düşük iletim gücü, yüksek gizleme ve yüksek çözünürlük avantajlarına sahiptir. FMCW sistemi altındaki halka taramalı SAR, görüntüleme sisteminin araştırılması için pratik önemi olan ikisinin avantajlarını birleştirir.
FMCW SAR radar sistemine dayanan bu makale, bir hedef menzilli görüntüleme sistemi tasarımı ve test yöntemi önermektedir. Bu tasarımda, gerçek gerekli çözünürlüğe ve algılama mesafesine göre çoklu modlar tasarlanır ve her mod belirli bir dalga formu parametresine karşılık gelir. FMCW sistemine göre, hedefin menzil görüntülemesi, hedef yankının vuruş frekansı sinyalini elde etmek için frekans azaltma modülasyonunu kullanır ve nihai sonuç, sinyalin frekans analizinden sonra elde edilir. Analog ön uç tarafından toplanan yankı sinyali yüksek çözünürlük gerektirdiğinden, frekans analizi için veri miktarı çok büyüktür.Gerçek zamanlı veri işlemenin ihtiyaçlarını karşılamak için, görüntüleme sistemi analog ön uç tarafından frekans modülasyonu işlemesi gerçekleştirmek için işlenir ve elde edilen analog sinyal örneklenir ve nicelendirilir. Dijital sinyal, hedefin menzil görüntüleme verilerini elde etmek için dijital aşağı dönüştürme işlemi için FPGA'ya gönderilir.
Bu makale ilk olarak MATLAB aracılığıyla belirli bir çalışma modunda bir hedef yankının de-frekans modülasyon sinyalini simüle eder, FPGA dijital aşağı dönüştürme yoluyla mesafe verilerini elde eder ve mesafe parametresinin tasarlanan çalışma modu ile tutarlı olup olmadığını doğrulamak için sinyal spektrumunu gözlemlemek için MATLAB'a yükler. Tutarlı sonuçlar elde edildikten sonra, analog ön ucun kapalı döngü yöntemi ile hedef mesafe 0 olduğunda de-frekans modülasyon sinyali elde edilir ve FPGA'ya yüklenir ve görüntüleme sisteminin uygulanabilirliği ve doğruluğu frekans spektrumu gözlemlenerek doğrulanır.
1 Tasarım prensibi
1.1 Radar dalga formu parametre tasarımı
FMCW halka taramalı SAR radar sistemi esas olarak verici, frekans sentezleyici, alıcı, sinyal işleme panosu, döner tabla ve alıcı-verici anteninden oluşur. Frekans sentezleyici, radyo frekansı sinyalini ve karşılık gelen 9.4 ~ 9.6 GHz frekans aralığında yerel osilatör sinyalini oluşturmak için ana bilgisayardan dalga biçimi yapılandırma parametrelerini alır.İlk, amplifikasyon için vericiye gönderilir ve ardından verici anten aracılığıyla boş alana gönderilir ve ikincisi alıcıya gönderilir. 57.5 ~ 62.5 MHz ara frekans sinyali elde etmek için alıcı antenden gelen yankı sinyali ile taşıyıcı frekansı azaltma ve de-frekansı modülasyon işlemi gerçekleştirir ve ardından ara frekans analog sinyalini menzil görüntüleme işlemi için sinyal işleme kartına gönderir. Radar parametreleri Tablo 1'de gösterilmektedir.
FMCW sisteminde farklı çözünürlük ve algılama mesafesi gereksinimlerine göre 10 çalışma modunda gönderme ve alma dalga biçimi parametreleri tasarlanmıştır. Radar emisyon dalga formu şu şekilde ifade edilebilir:
Bunlar arasında f0, sinyalin taşıyıcı frekansı, K = -B / T, sinyalin frekans modülasyon eğimi, B, sinyalin bant genişliği ve T, sinyalin çalışma periyodu olan sinyalin frekans süpürme periyodudur. Tablo 2'de gösterildiği gibi sırasıyla yakın, orta ve uzak olmak üzere üç algılama mesafesini temsil edebilen dalga biçimi parametrelerini seçin.
1.2 Radar dalga formu parametrelerinin analizi
Aralıkta yüksek çözünürlük elde etmek için FMCW menzil işleme, örnekleme oranını düşürmek için Beat Fourier Transform teknolojisini kullanır. Vuruş frekansının aralığı, en yakın ve en uzak eğim mesafesi ile belirlenir. Aralık çözünürlüğü yalnızca iletilen sinyal bant genişliğiyle ilgilidir Bant genişliği ne kadar büyükse, aralık çözünürlüğü o kadar yüksek olur.
Bu radarın emisyon dalga biçiminin maksimum tarama bant genişliği B = 30,5 MHz'dir ve ideal aralık çözünürlüğü şöyledir:
Tüm çalışma döngüsü boyunca, FMCW sinyali iletilmektedir ve alma süresi, iletime göre bir zaman gecikmesine td sahiptir (farklı çalışma modlarında farklıdır) Sıra, Şekil 1'de gösterilmektedir, T, çalışma döngüsü ve B, tarama bant genişliğidir.
Yankı gecikmesinin etkisini değerlendirdikten sonra, hedef aralık çözünürlüğü şöyledir:
FMCW sisteminde, farklı algılama mesafelerinde farklı menzil çözünürlükleri vardır. Mesafe ne kadar uzunsa çözünürlük o kadar kötüdür. Tablo 2'de verilen parametreler bu sonucu doğrulamaktadır.
2 Aralıklı görüntüleme sistemi tasarımı
2.1 FMCW menzil görüntüleme prensibi
Beat Fourier dönüşüm teknolojisi, darbe sıkıştırma yöntemlerinden biridir. Prensip, hedef vuruş sinyalini elde etmek için yankı cıvıltı sinyali ile cıvıltı referans sinyalinin eşleniğini aynı FM eğimi (de-FM işleme) ile çarpmak ve atım sinyalinin frekansını spektrum analizi yöntemiyle analiz etmektir. Darbe sıkıştırma amacına ulaşmak için.
Formül (1) 'e göre, zaman gecikmesi yankısı elde edilebilir:
Bunlar arasında, = 2d / c, iletilen dalgaya göre hedefin neden olduğu yankının zaman gecikmesidir.
Halka taramalı SAR alıcı sistemi, bir ara frekans sinyali elde etmek için iki aşamalı karıştırma kullanır Birinci aşama karıştırma, sinyal frekansını azaltmak için kullanılır ve ikinci aşama karıştırma, frekans modülasyonunu çözmek için kullanılır.
Genlik etkisinden bağımsız olarak, yerel bir osilatör sinyalinin fazı şu şekilde ayarlanır:
Bunlar arasında f1 yerel bir osilatör ile ana osilatör arasındaki taşıyıcı frekans farkı, f20 iki yerel osilatörün taşıyıcı frekansı ve tx = 2Rmax / c iki lokal osilatörün algılama mesafesine göre belirlenen güncelleme darbe gecikmesidir.İlgili parametreler Tablo 2'de gösterilmiştir. Gecikme parametreleri.
Alınan sinyal, ara frekans sinyalinin fazını iki aşamalı karıştırma yoluyla elde eder:
Yukarıdaki formülden, yankı sinyalinin frekansı, zaman gecikmesi tx ile ilişkilidir, yani algılama mesafesi ile ilgilidir ve ara frekans sinyalinin frekansı, ara frekans sinyalinin FFT'si ile elde edilebilir.
2.2 Dijital sistem tasarımı
Bir analog ara frekans sinyali elde etmek için alıcıda frekans giderme modülasyonu işlemi tamamlanır. FPGA'da menzil görüntüleme işlemini tamamlamak için, alıcı ile FPGA arasına bir AD edinim modülü eklenir. Şekil 2, FMCW sistem menzil görüntüleme yönteminin dört ana bileşenini göstermektedir: frekans modülasyonu, AD edinimi, dijital aşağı dönüştürme (DDC) ve Fourier dönüşümü (FFT). Bunların arasında, frekans modülasyon modülü alıcıda tamamlanır ve AD edinimi, DDC ve FFT modüllerinin tümü FPGA tarafından uygulanır.
AD edinim modülü, analog ara frekans sinyalini bir dijital sinyale dönüştürür. DDC, temel olarak NCO, CIC desimator, mikser ve FIR filtresi dahil olmak üzere temel bant sinyalini elde etmek için frekans spektrumunun kaydırılmasını ve hızlanmasını gerçekleştirir. Bant geçiren örnekleme yoluyla dijital yankı sinyali elde edilir.NCO, iki kareleme yerel osilatör sinyali üretir ve bunları miksere besler.Mikser, yerel osilatör sinyalinin ve dijital yankı sinyalinin ürününü alır ve sinyal bu sırada temel banda taşınır. Decimator, temel bant sinyali üzerinde hız azaltma işlemini gerçekleştirir, yani katlar halinde çıkarır ve ardından FIR filtresi aracılığıyla gerekli frekans bandı sinyalini alır ve son olarak FFT dönüşümünü gerçekleştirir.
Alıcı anten, hedeften yansıyan sinyali aldığında, frekans modülasyonu işlemi için alıcıya gönderilir. Formül (8) 'e göre ve FMCW sisteminin mevcut durumunda, bu halka taramalı SAR'ın taşıyıcı frekansı f0, 9.2 GHz, 9.4 GHz ve 9.6 GHz'dir.Kullanılan frekans farkı f1 = 800 MHz ve iki yerel osilatörün taşıyıcı frekansı f20 = 862.5 MHz'dir. Alıcı ara frekans sinyali şu şekilde ifade edilebilir:
Örnek olarak 9,4 GHz taşıyıcı frekansı alınarak, Şekil 3'te gösterildiği gibi alıcının dahili sinyalinin zaman-frekans diyagramı verilmiştir.
Sonraki modül görüntüleme yöntemini simüle etmek için, 60 MHz'lik bir merkez frekansı ve 5 MHz'lik bir bant genişliği olan bir ara frekans çıktısını simüle etmek için bir sinyal oluşturucu kullanıldı. Bant geçiren örnekleme frekansını 48 MHz'e ayarlayın Örneklemeden sonra, ara frekans sinyalinin merkez frekansı 12 MHz olur, bant genişliği değişmeden kalır ve DDC'ye gönderilir.
NCO, 12 MHz'lik bir sinüs dalgası yerel osilatör sinyali üretmek üzere tasarlanmıştır; gerçek sinyalden örneklenen tek kanallı sinyal, iki I ve Q sinyali elde etmek için ortogonal olarak karıştırılır ve daha sonra, karıştırma tarafından üretilen yüksek frekanslı bileşenleri filtrelemek için düşük geçişli bir filtre kullanılır ve Ana bant sinyali, bant içi frekans aralığı -2,5 ~ 2,5 MHz'dir. Sonraki sinyal işlemenin basıncını düşürmek için, temel bant sinyali hızı düşürmek için CIC desimator tarafından işlenir Spesifik ekstraksiyon değeri çalışma moduna göre belirlenir Elde edilen sinyal filtreleme ve şekillendirme için alçak geçiren filtreye gönderilir ve çıktı verilerinin 8192 noktayı karşılayıp karşılamadığına karar verilir. Nokta sayısı 8192'den az ise sinyal sıfır doldurulacak, 8192 noktayı karşılıyorsa sıfır doldurulmayacaktır. Tamamlandıktan sonra, 8192 nokta veri üzerinde FFT dönüşümü gerçekleştirin ve azimut görüntüleme mesafe elemanını çıkarın ve sonraki işlem için DSP'ye gönderin.
3 Aralık görüntüleme test yöntemi
3.1 FPGA ve MATLAB kart düzeyinde sistem simülasyonu
Simülasyon sırasında 11.4 MHz sinüs dalgası üretmek için sinyal kaynağı olarak NCO kullanılmış ve analog alıcının ara frekans sinyali 59.4 MHz çıkışı simüle edilmiştir. NCO, 12 MHz'lik bir yerel osilatör sinyali üretir. Karıştırmadan sonra, -0.6 MHz'lik bir fark frekans sinyali ve -23.4 MHz'lik bir toplam frekans sinyali elde edilir Düşük geçişli bir filtreden geçtikten sonra, gerekli olan -0.6 MHz'lik fark frekans sinyali, karıştırmadan sonra muhafaza edilir. CIC decimation, çalışma modu 1'i seçer ve decimation katsayısı, 3 kat azaltma ve hız azaltma işlemi elde etmek için 3'tür. FFT dönüşümünden sonra, iki I ve Q sinyali üretilir ve veriler MATLAB'a aktarılır.Simülasyon sonucu Şekil 4'te gösterilir.
3.2 FMCW mesafe görüntüleme kartı düzeyinde kapalı döngü testi
Saha testinde, mikrodalga kaynağı sinyal işleme panosu için gerekli olan 48 MHz saati üretir ve aynı zamanda dalga biçimi parametrelerine göre alıcının ihtiyaç duyduğu bir yerel osilatör ve iki yerel osilatör sinyali üretir. Kapalı devre bir test olduğu için, mikrodalga kaynağının ürettiği ana titreşim sinyali alıcının girişi olarak kullanılır.Aynı zamanda alıcıya aşırı sinyal hasarını önlemek için ikisi arasına 30 dB'lik bir zayıflatıcı yerleştirilir. Simülasyonla tutarlı olarak, örnek olarak çalışma modu 1 alınarak, FMCW halka taramalı SAR sistemi menzil görüntüleme kartı seviyesinin gerçek ölçüm sonuçları verilmiştir.
Alıcıda FM işlemeden sonra ara frekans sinyali, edinim için sinyal işleme panosuna AD girilir. Formül (9) 'a göre, kapalı döngü testi nedeniyle, yankı gecikmesi = 0 ve alıcı çıkış ara frekans sinyal frekansı 61.77 MHz'dir. Alıcı ara frekans çıkışını, Şekil 5'te gösterildiği gibi gözlem için doğrudan spektrum analizörüne bağlayın.
AD edinimini, DDC modüllerini ve FFT çıktı verilerini yakalamak için Signal Tap'ı kullanın, Şekil 6'da gösterilen sinyal spektrumunu elde etmek için MATLAB'ı içe aktarın. Ara frekans sinyali, 13.77 MHz'lik bir sinyal elde etmek için bant geçişli örneklenir ve NCO, 12 MHz'lik bir yerel osilatör sinyali üretir. Karıştırma, 1.77 MHz ve -25.77 MHz'lik iki frekansta sonuçlanır.Yerel osilatör sinyalinin karışma nedeniyle, karıştırmadan sonra çıkışta 12 MHz'lik bir karışma sinyali vardır. Filtrelenen çıktıdan sonra, parazitin yerel osilatör sinyali filtrelenir. CIC filtresinin dekimasyon faktörü çalışma modu 1'de 3'tür, dekimasyondan sonraki veri hızı orijinal sinyalin 1 / 3'üdür ve sinyal frekansı değişmeden kalır.Dökümlenmiş ve filtrelenmiş çıkış sinyalinin spektrumu Şekil 6'da gösterilmiştir. Son olarak, sinyal mesafesini elde etmek için FFT gerçekleştirilir. Spektrum.
Spektrum analizörünün görüntülenme sonucuna göre alıcı ara frekans sinyalinin frekansı 61.769 MHz, bant geçişli örneklemeden sonra 13.769 MHz'lik sinyal ve DDC ile 1.769 MHz'lik temel bant sinyali elde edilmiştir. Gerçek sinyal frekansı, formül (9) 'a göre -1.2 m mesafeye dönüştürülen 1.768 MHz'dir Çalışma modu 1'in mesafe çözünürlüğü 5 m'dir ve hata izin verilen aralıkta.
Sistemin çok modlu senaryolara uygulanabileceğini doğrulamak için, sırasıyla orta mesafe ve uzun mesafe modlarını temsil eden kapalı döngü ölçüm sonuçları sunulur ve alıcı çıktı değeri spektrum analizörünün gözlem sonuçları ile karşılaştırılır. Tablo 2'ye göre, test etmek için çalışma modu 3'ü ve çalışma modu 5'i seçin.
Orta mesafeli çalışma modu 3'te, alıcı IF çıkışı teorik olarak 59.263 MHz'dir ve DDC tarafından -0.737 MHz'lik bir temel bant sinyali elde edilir.Gerçek sinyal frekansı -0.736 MHz'dir ve bu, 4.9 m'lik bir mesafeye ve 6.8 m'lik bir mesafe çözünürlüğüne dönüştürülür. Hata gereksinimleri. FFT modülünün çıkışı ile doğrudan spektrum analizörüne bağlı alıcının gözlemi arasındaki karşılaştırma Şekil 7'de gösterilmektedir. Şekil 7 (a), gözlem için spektrum analizörüne bağlanan alıcının çıkışıdır ve Şekil 7 (b), FFT'den sonraki çıktıdır.
Uzun mesafe çalışma modu 5'te, alıcı ara frekans çıkışı teorik olarak 59.437 MHz ve gerçek değer 59.275 MHz'dir. -0.563 MHz'lik temel bant sinyali DDC ile elde edilir. Gerçek sinyal frekansı -0.5596 MHz'dir ve 43.49 m'lik bir mesafeye ve aralık çözünürlüğüne dönüştürülür. 36 m'dir. 3 mesafe elemanının farkına yakın, gerçek değer ile teorik değer arasındaki fark, daha sonra düzeltilmesi gereken ara frekans çıkışının sistematik hatasından kaynaklanmaktadır. FFT modülünün çıkışı ile doğrudan spektrum analizörüne bağlı alıcının gözlemi arasındaki karşılaştırma Şekil 8'de gösterilmektedir. Şekil 8 (a), gözlem için spektrum analizörüne bağlanan alıcının çıkışıdır ve Şekil 8 (b), FFT'den sonraki çıktıdır.
4. Sonuç
Bu makale, FMCW halka tarama SAR hedef menzil tespiti gereksinimlerine dayalı olarak, FMCW halka tarama SAR'sına dayalı bir görüntüleme sisteminin tasarımını ve test yöntemini önermektedir. Bu tasarım, frekans modülasyonu işleme, AD edinimi, DDC ve FFT gibi modül tasarımını içerir. FPGA'da NCO, mikser, CIC decimator ve FIR filtresi gibi donanım devreleri oluşturun ve gerçek kart düzeyinde testi simüle etmek için programı indirin ve toplanan verileri aralık sinyal spektrumu oluşturmak ve analiz etmek için MATLAB'a gönderin. Simüle edilmiş gerçek pano düzeyinde test beklenen amaca ulaştıktan sonra, yerinde kapalı döngü testi gerçekleştirilir. Test sonuçları, sistemin FMCW sistemi altında halka tarama SAR'ın menzil görüntülemesini gerçekleştirdiğini göstermektedir.
Referanslar
KLAUSING H, KEYDEL W. Döner antenli sentetik açıklıklı radarın fizibilitesi (ROSAR) Radar üzerine Uluslararası IEEE Sempozyumu, VA, ABD, 1990: 51-56.
Liao Yi, Yang Zemin, Xing Mengdao ve diğerleri Şaşı dairesel izli SAR modunun karakteristik analizi ve görüntüleme yöntemi.Xidian Üniversitesi Dergisi (Natural Science Edition), 2014, 41 (1): 38-44.
LEE H, CHO S J, KIM K E.A yer tabanlı ark taramalı sentetik açıklıklı radar (ArcSAR) sistemi ve odaklama algoritmaları.2010 IEEE Uluslararası Yerbilimi ve Uzaktan Algılama Sempozyumu (IGARSS), 2010, 38 (5): 3490-3493.
Shao Yu, Chen Zhangyou, Wu Xiongbin Dairesel taramalı sentetik açıklıklı radarın görüntüleme performansının araştırılması Genel Kurul ve Bilimsel Sempozyum (URSI GASS), 2014: 1-4.
Liao Yi, Xing Mengdao, Bao Zheng. FM sürekli dalga dairesel iz halkası taraması SAR görüntüleme yöntemi Sistem Mühendisliği ve Elektronik Teknolojisi, 2015, 9 (31): 1994-1999.
Liu Yue, Deng Yunkai, WANG R, ve diğerleri.Bistatic FMCW SAR sinyal modeli ve görüntüleme yaklaşımı. Havacılık ve Elektronik Sistemlerde IEEE İşlemleri, 2013, 49 (3): 2017-2028.
Cai Yongjun. FM sürekli dalga sentetik açıklıklı radar görüntüleme araştırması ve sistem uygulaması Pekin: Ulusal Uzay Bilimleri Merkezi, Çin Bilimler Akademisi, 2016.
Liu Yiheng. FPGA tabanlı veri toplama ve işleme sisteminin tasarımı Changsha: Hunan Üniversitesi, 2013.
Zhan Xueli, Wang Yanfei, Wang Chao ve diğerleri.Sentetik açıklıklı radar için dijital eğrilik düzeltme yöntemi Journal of Radars, 2015, 4 (4): 474-480.
Zhang Shaoqian. Sentetik açıklıklı radar ham verilerinin analiz yöntemi Bilim Teknolojisi ve Mühendisliği, 2010, 10 (10): 2487-2489.
Huang Shifeng.Çok modlu dairesel taramalı sentetik açıklıklı radar menzilinin araştırılması ve uygulanması. Wuhan: Wuhan Üniversitesi, 2017.
yazar bilgileri:
Liu Lianghuan, Huang Shifeng, Chen Zhangyou
(Elektronik Bilgi Okulu, Wuhan Üniversitesi, Wuhan 430072, Hubei)
