CN117434534A - 一种基于板卡矢网的多通道sar成像近场测试系统 - Google Patents

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CN117434534A CN202311340039.3A CN202311340039A CN117434534A CN 117434534 A CN117434534 A CN 117434534A CN 202311340039 A CN202311340039 A CN 202311340039A CN 117434534 A CN117434534 A CN 117434534A
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马永利
谢晓兵
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Abstract

一种基于板卡矢网的多通道SAR成像近场测试系统，设置了多通道测量雷达，每条通道包括PX I e板卡矢量网络分析仪、脉冲测量单元，以及对应的天线系统，不同通道的测量雷达工作于不同频率范围，通过频率步进体制完成微波信号的产生和发送，回波信号的输入以及中频信号的产生和收集；使得多通道测量雷达横向移动，每步进移动一次，进行一次多频段的扫频测试采集，直到完成整个量程的多通道测试采集。本发明相比于传统的测量系统具有系统集成度高、测量频段更宽、测试效率更更高的特点，其具备的软、硬件门技术使其适用于狭小空间、负载背景环境下对目标进行多频段同步SAR成像测试。

Description

一种基于板卡矢网的多通道SAR成像近场测试系统
技术领域
本发明涉及雷达近场测试领域，具体的，涉及一种基于板卡矢网的多通道SAR成像近场测试系统，基于PXIe板卡矢量网络分析仪实现。
背景技术
随着科学技术的发展，隐身技术成为了各个国家都越发重视的研究课题，现代化的武器装备尤其是飞机对隐身能力的要求也越来越重要。传统的紧缩场性测量系统成本高且需要调动大量的测量资源，是常规研究单位无法承担的。相比之下，SAR成像近场测试是一种低成本易于实现的散射测量方法。
SAR成像近场测试方法虽然无法直接得出被测目标的RCS(雷达散射界面)值，但可以通过二维成像幅值标定来对武器装备的隐身性能进行维护和探伤。
因此，如何提高SAR成像近场测试效率，成为本发明亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于板卡矢网的多通道SAR成像近场测试系统，解决现有技术存在SAR成像近场测试效率低的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于板卡矢网的多通道SAR成像近场测试系统，包括：
横向扫描模块、多通道SAR测量雷达，该多通道SAR测量雷达的每条通道包括依次连接的PXIe板卡矢量网络分析仪、脉冲测量单元、发射天线和接收天线；
所述PXIe板卡矢量网络分析仪，通过频率步进体制完成发射微波信号的产生、输出，回波信号的输入以及中频信号的产生和采集处理，每条通道的PXIe板卡工作于不同频段；
所述脉冲测量单元用于连接不同工作频段的板卡矢量网络分析仪和收发天线；
所述多通道SAR测量雷达固定在所述横向扫描模块上，随着横向扫描模块的横向移动，进行横向SAR成像测试。
可选的，所述多通道SAR成像近场测试系统还包括主控制器和RTC单元，
所述主控制器通过网络与上位机电脑进行通信和数据传输，完成对RTC单元的参数控制以及多个矢量网络分析仪的参数控制、数据采集；
RTC单元，用于接收外部触发信号，并产生各通道的采集触发脉冲信号。
可选的，每个脉冲测量单元中集成了发射通道的功率放大、发射时序控制以及接收信号的低噪声放大和接收时序控制，通过控制各通道信号的开通和关断时间，使多频段信号在一个扫频周期内分时完成信号的发射接收和信号采集，从而实现硬件门测量功能。
可选的，所述横向扫描模块带动多通道SAR测量雷达按照设定距离长度和步进精准进行横向移动，每步进移动一次，就使用多通道SAR测量雷达进行一次多频段的扫频测试采集，对所得到的多通道多频段测试数据分别进行快速逆傅里叶变换得到单个位置多个通道不同频段的一维时域像，并以矩阵的形式存储各个位置的测试数据，直至完成整个量程的多频段多通道测试采集；
对步进测试完成后的多频段矩阵数据分别进行SAR二维成像算法处理，进而实现一次横向扫描移动完成多个频段的SAR成像近场测试。
可选的，多通道SAR测量雷达的每个通道采用脉间变频测量体质，
使用脉间变频方法获得一维成像的步骤为：
1)发射一系列窄带脉冲簇，每一簇内包含有n个载频以间隔为Δf递增的脉冲；
2)设置一组距离延时采样门，对每个回波脉冲采集其正交解调后的基带信号；
3)对于每一簇脉冲，存储每个回波脉冲的正交分量，存储的回波脉冲的采样数据近似等价于目标的瞬时离散频域响应；
4)对每一簇采样数据进行频率加权，并对目标速度，幅相波动和正交解调不平衡进行校正；
5)对补偿后的数据进行离散逆傅里叶变换得到一簇脉冲所测得的目标一维像曲线；
重复以上过程，即可获得每一簇脉冲所对应的一维像曲线。
可选的，所述脉冲测量单元的脉冲时序，每个跳频周期内有n个收发调制脉冲，其中Tbw是脉冲的重复周期，Tt是发射脉冲宽度、Tr是接收脉冲宽度，收发脉冲宽度决定了发射和接收信号的时间长度；
Td是发射脉冲相对于重复周期开始时间的延时，Rd是接收脉冲相对于发射脉冲的延时，通过设置Td和Tr时间，能够调整收发脉冲的相对时间，从而适应不同的测试距离。
可选的，脉冲重复周期Tbw设置的范围是200ns～2000ns，最小步进时间5ns，对应的周期不模糊距离是30～300m；收发脉冲时间的设置范围是20～200ns，最小步进时间5ns，对应的可测长度为6～60m。
可选的，所述横向扫描模块包括横向机械扫描架和滑块，所述多通道SAR测量雷达通过所述滑块固定在所述横向机械扫描架，从而实现横向移动。
可选的，多通道雷达采集触发选择内触发模式；
所述内触发模式通过RTC单元生成触发脉冲，触发脉冲的周期个数可设置。
可选的，多通道雷达采集触发选择外触发模式；
所述外触发模式由外部设备提供精准的步进位置触发脉冲到RTC单元的触发输入接口。
本发明具有如下优点：
本发明所采用的基于板卡矢量网络分析仪的多通道SAR成像测试方法，相比于传统的测量系统具有系统集成度高、测量频段更宽、测试效率更更高的特点，其具备的软、硬件门技术使其适用于狭小空间、负载背景环境下对目标进行多频段同步SAR成像测试。
附图说明
图1是根据本发明具体实施例的基于板卡矢网的多通道SAR成像近场测试系统的使用环境图；
图2是根据本发明具体实施例的基于板卡矢网的多通道SAR成像近场测试系统的功能示意图；
图3是根据本发明具体实施例的基于板卡矢网的多通道SAR成像近场测试系统的频率步进体制示意图；
图4是根据本发明具体实施例的基于板卡矢网的多通道SAR成像近场测试系统的硬件门工作模式信号时域谱；
图5是根据本发明具体实施例的基于板卡矢网的多通道SAR成像近场测试系统的硬件门工作模式信号频域谱；
图6是根据本发明具体实施例的脉冲测量单元功能框图；
图7是根据本发明具体实施例的基于板卡矢网的多通道SAR成像近场测试系统的调制脉冲时序图；
图8是根据本发明具体实施例的采集触发模式说明。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明主要在于：设置了多通道测量雷达，每条通道包括PXIe板卡矢量网络分析仪、脉冲测量单元，以及对应的天线系统，不同通道的测量雷达工作于不同频率范围，通过频率步进体制完成微波信号的产生和发送，回波信号的输入以及中频信号的产生和收集；使得多通道测量雷达横向移动，每步进移动一次，进行一次多频段的扫频测试采集，直到完成整个量程的多通道测试采集。
参见图1、图2，示出了根据本发明具体实施例的基于板卡矢网的多通道SAR成像近场测试系统的使用环境图和功能示意图，
包括横向扫描模块、多通道SAR测量雷达，该多通道SAR测量雷达的每条通道包括依次连接的PXIe板卡矢量网络分析仪、脉冲测量单元、发射天线和接收天线；
所述PXIe板卡矢量网络分析仪作为核心测量单元，通过频率步进体制完成发射微波信号的产生、输出，回波信号的输入以及中频信号的产生和采集处理，每条通道的PXIe板卡工作于不同频段；
所述脉冲测量单元用于连接不同工作频段的板卡矢量网络分析仪和收发天线；
所述多通道SAR测量雷达固定在所述横向扫描模块上，随着横向扫描模块的横向移动，进行横向SAR成像测试。
在一个具体的实施例中，所述横向扫描模块包括横向机械扫描架和滑块，所述多通道SAR测量雷达通过所述滑块固定在所述横向机械扫描架，从而实现横向移动。
进一步的，所述多通道SAR成像近场测试系统还包括主控制器和RTC单元，
所述主控制器为多通道雷达系统的核心控制单元，通过网络与上位机电脑进行通信和数据传输，完成对RTC单元的参数控制以及多个矢量网络分析仪的参数控制、数据采集；在一个具体的实施例中，所述主控制器可以为PXIe板卡形式的计算机。
RTC单元，用于接收外部触发信号，并产生各通道的采集触发脉冲信号，例如，通过上位机软件配置各通道的触发延时从而实现多通道雷达采集时序控制。
工作于不同频段的PXIe板卡矢量网络分析仪作为核心测量单元，通过频率步进体制完成发射微波信号的产生和输出，回波信号的输入以及中频信号的产生和采集处理。每个测量通道配备有与之匹配工作频段的脉冲测量单元，实现对发射信号的脉冲调制、功率放大，接收信号低噪声放大、脉冲调制并且可以通过收发脉冲控制发射链路和接收链路的开通和关断时间。
所述横向扫描模块带动多通道SAR测量雷达按照设定距离长度和步进精准进行横向移动，每步进移动一次，就使用多通道SAR测量雷达进行一次多频段的扫频测试采集，对所得到的多通道多频段测试数据分别进行快速逆傅里叶变换得到单个位置多个通道不同频段的一维时域像，并以矩阵的形式存储各个位置的测试数据，直至完成整个量程的多频段多通道测试采集。对步进测试完成后的多频段矩阵数据分别进行SAR二维成像算法处理，进而实现一次横向扫描移动完成多个频段的SAR成像近场测试。
本发明的多通道SAR测量雷达可以为三条通道，以下的附图以三通道为示例进行图释。但本发明不以此为限，也可以是其它的多个通道。
具体的，参见图3-图5，多通道SAR测量雷达的每个通道采用脉间变频测量体质，在带宽B上发射一系列脉间变频的射频脉冲串，如果其变频频率间隔的倒数大于目标距离延时，且每个频率上脉冲的持续时间能够得到近似的稳态响应，测得回波序列中每一个脉冲的幅度和相位信息并进行离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)就可得到目标的一维散射源分布曲线，即一维成像，该曲线等价于使用带宽B的短射频脉冲入射所得到的结果。
图3是脉间变频工作原理，其中发射信号可以表示为Xi(t)，接收信号表示为Yi(t)，参考信号表示为Zi(t)。射频信号经过硬件门单元进行脉冲调制后，其时域波形如图4所示。此信号经过功率放大后输出到发射天线。在接收端，经过放大、混频(测量仪表内部)等处理后，信号的频谱如图5所示，这是典型调幅信号的频谱。在此频谱图中，只有中心频率的信号是需要的有用信号，其他频谱都是由于进行脉冲测量而产生的附加信号。
所谓窄带测量就是在有附加信号的情况下，通过窄带滤波，提取出有用信号，有用信号的时域波形如图5所示(即中间曲线)。
综上，使用脉间变频方法获得一维成像的步骤为：
1)发射一系列窄带脉冲簇，每一簇内包含有n个载频以间隔为Δf递增的脉冲；
2)设置一组距离延时采样门，对每个回波脉冲采集其正交解调后的基带信号；
3)对于每一簇脉冲，存储每个回波脉冲的正交分量，存储的回波脉冲的采样数据近似等价于目标的瞬时离散频域响应；
4)对每一簇采样数据进行频率加权，并对目标速度，幅相波动和正交解调不平衡进行校正；
5)对补偿后的数据进行离散逆傅里叶变换(Inverse Discrete FourierTransform，IDFT)，得到一簇脉冲所测得的目标一维像曲线。重复以上过程，即可获得每一簇脉冲所对应的一维像曲线。
每个脉冲测量单元中集成了发射通道的功率放大、发射时序控制以及接收信号的低噪声放大和接收时序控制，通过控制各通道信号的开通和关断时间，使多频段信号在一个扫频周期内分时完成信号的发射接收和信号采集，从而实现硬件门测量功能。
进一步的，参见图6，所述脉冲测量单元对发射信号进行发射硬件门脉冲调制、高通滤波和功率放大，对接收信号进行接收硬件门脉冲调制、电调衰减、低噪声放大和高通滤波。图中T1和T2分别是发射硬件门开关和接收硬件门开关的脉冲调制信号，由板载逻辑电路产生，可以通过网络进行上位机通信，对调制脉冲的周期、脉宽、延时等进行设置。
参见图7，示出了所述脉冲测量单元的脉冲时序，每个跳频周期内有n个收发调制脉冲，其中Tbw是脉冲的重复周期，Tt是发射脉冲宽度、Tr是接收脉冲宽度，收发脉冲宽度决定了发射和接收信号的时间长度。Td是发射脉冲相对于重复周期开始时间的延时，Rd是接收脉冲相对于发射脉冲的延时，通过设置Td和Tr时间，能够调整收发脉冲的相对时间，从而适应不同的测试距离。
在一个可选的实施例中，脉冲重复周期Tbw设置的范围是200ns～2000ns，最小步进时间5ns，对应的周期不模糊距离是30～300m；收发脉冲时间的设置范围是20～200ns，最小步进时间5ns，对应的可测长度为6～60m。
本发明的多通道SAR成像系统中，多个通道之间的时钟关系是严格相参，因此各个通道的测量脉冲时序是同步的。
多通道采集时序控制中，多通道雷达采集触发可以选择内触发模式或者外触发模式。所述内触发模式通过RTC单元的板载FPGA逻辑芯片生成触发脉冲，触发脉冲的周期个数可设置；所述外触发模式由外部设备(例如横移扫描模组)提供精准的步进位置触发脉冲到RTC单元的触发输入接口。
图8示出了多通道采集触发时序说明，基础触发信号即为内触发或者外触发信号，通道1、2、3触发信号分别用于三个测量通道的采集触发；每个通道的采集触发相对于基础触发信号的延时时间可以通过上位机进行独立设置，通过严格规定各个通道的触发采集时间，可以降低各个通道之间信号耦合干扰。
实施例：
在该实施例中，多通道SAR成像近场测试系统将多通道SAR测量雷达挂载于横向移动的扫描架之上，通过横移扫描模块带动多通测量雷达对被测目标进行横向SAR成像近场扫描测试。横向扫描行程为1.8m，多通道SAR成像近场测试距离为3m～10m。其中3m距离成像最大尺寸为1.5m×1.5m。三个测量通道配备有三组不同工作频段的测量天线，分别是1～4GHz、4～8GHz以及8～18GHz，三个通道的PXIe板卡矢量网络分析仪分别进行1～4GHz、4～8GHz以及8～18GHz频段的测试，从而实现单次横向扫描对完整1～18GHz频段的测试。
综上，本发明具有如下优点：
本发明所采用的基于板卡矢量网络分析仪的多通道SAR成像测试方法，相比于传统的测量系统具有系统集成度高、测量频段更宽、测试效率更更高的特点，其具备的软、硬件门技术使其适用于狭小空间、负载背景环境下对目标进行多频段同步SAR成像测试。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (10)

1.一种基于板卡矢网的多通道SAR成像近场测试系统，其特征在于，包括：
横向扫描模块、多通道SAR测量雷达，该多通道SAR测量雷达的每条通道包括依次连接的PXIe板卡矢量网络分析仪、脉冲测量单元、发射天线和接收天线；
所述PXIe板卡矢量网络分析仪，通过频率步进体制完成发射微波信号的产生、输出，回波信号的输入以及中频信号的产生和采集处理，每条通道的PXIe板卡工作于不同频段；
所述脉冲测量单元用于连接不同工作频段的板卡矢量网络分析仪和收发天线；
所述多通道SAR测量雷达固定在所述横向扫描模块上，随着横向扫描模块的横向移动，进行横向SAR成像测试。
2.根据权利要求1所述的多通道SAR成像近场测试系统，其特征在于：
所述多通道SAR成像近场测试系统还包括主控制器和RTC单元，
所述主控制器通过网络与上位机电脑进行通信和数据传输，完成对RTC单元的参数控制以及多个矢量网络分析仪的参数控制、数据采集；
RTC单元，用于接收外部触发信号，并产生各通道的采集触发脉冲信号。
3.根据权利要求1或2所述的多通道SAR成像近场测试系统，其特征在于：
每个脉冲测量单元中集成了发射通道的功率放大、发射时序控制以及接收信号的低噪声放大和接收时序控制，通过控制各通道信号的开通和关断时间，使多频段信号在一个扫频周期内分时完成信号的发射接收和信号采集，从而实现硬件门测量功能。
4.根据权利要求3所述的多通道SAR成像近场测试系统，其特征在于：
所述横向扫描模块带动多通道SAR测量雷达按照设定距离长度和步进精准进行横向移动，每步进移动一次，就使用多通道SAR测量雷达进行一次多频段的扫频测试采集，对所得到的多通道多频段测试数据分别进行快速逆傅里叶变换得到单个位置多个通道不同频段的一维时域像，并以矩阵的形式存储各个位置的测试数据，直至完成整个量程的多频段多通道测试采集；
对步进测试完成后的多频段矩阵数据分别进行SAR二维成像算法处理，进而实现一次横向扫描移动完成多个频段的SAR成像近场测试。
5.根据权利要求4所述的多通道SAR成像近场测试系统，其特征在于：
多通道SAR测量雷达的每个通道采用脉间变频测量体质，
使用脉间变频方法获得一维成像的步骤为：
1)发射一系列窄带脉冲簇，每一簇内包含有n个载频以间隔为Δf递增的脉冲；
2)设置一组距离延时采样门，对每个回波脉冲采集其正交解调后的基带信号；
3)对于每一簇脉冲，存储每个回波脉冲的正交分量，存储的回波脉冲的采样数据近似等价于目标的瞬时离散频域响应；
4)对每一簇采样数据进行频率加权，并对目标速度，幅相波动和正交解调不平衡进行校正；
5)对补偿后的数据进行离散逆傅里叶变换得到一簇脉冲所测得的目标一维像曲线；
重复以上过程，即可获得每一簇脉冲所对应的一维像曲线。
6.根据权利要求5所述的多通道SAR成像近场测试系统，其特征在于：
所述脉冲测量单元的脉冲时序，每个跳频周期内有n个收发调制脉冲，其中Tbw是脉冲的重复周期，Tt是发射脉冲宽度、Tr是接收脉冲宽度，收发脉冲宽度决定了发射和接收信号的时间长度；
Td是发射脉冲相对于重复周期开始时间的延时，Rd是接收脉冲相对于发射脉冲的延时，通过设置Td和Tr时间，能够调整收发脉冲的相对时间，从而适应不同的测试距离。
7.根据权利要求6所述的多通道SAR成像近场测试系统，其特征在于：
脉冲重复周期Tbw设置的范围是200ns～2000ns，最小步进时间5ns，对应的周期不模糊距离是30～300m；收发脉冲时间的设置范围是20～200ns，最小步进时间5ns，对应的可测长度为6～60m。
8.根据权利要求3所述的多通道SAR成像近场测试系统，其特征在于：
所述横向扫描模块包括横向机械扫描架和滑块，所述多通道SAR测量雷达通过所述滑块固定在所述横向机械扫描架，从而实现横向移动。
9.根据权利要求3所述的多通道SAR成像近场测试系统，其特征在于：
多通道雷达采集触发选择内触发模式；
所述内触发模式通过RTC单元生成触发脉冲，触发脉冲的周期个数可设置。
10.根据权利要求3所述的多通道SAR成像近场测试系统，其特征在于：
多通道雷达采集触发选择外触发模式；
所述外触发模式由外部设备提供精准的步进位置触发脉冲到RTC单元的触发输入接口。
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