基于聲表面波色散延遲線的頻譜探測(cè)系統(tǒng)

茹鵬磊，劉夢(mèng)偉，宮俊杰，王 文(.中國(guó)科學(xué)院 聲學(xué)研究所,北京 0090;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 00049)

0 引言

隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究者越來(lái)越關(guān)注對(duì)深空星際物質(zhì)及大氣分子等的探測(cè)。深空探測(cè)對(duì)研究太陽(yáng)系及宇宙的起源、演變和現(xiàn)狀，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地球環(huán)境的形成和演變，以及認(rèn)識(shí)空間現(xiàn)象和地球自然系統(tǒng)之間的關(guān)系提供了參考[1]。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究需要對(duì)超精細(xì)譜線、微弱譜線和大帶寬譜線進(jìn)行觀測(cè)。因此有必要研發(fā)一款超大帶寬、高分辨率及大動(dòng)態(tài)范圍的太赫茲頻譜探測(cè)儀[2]。

利用聲表面波(SAW)技術(shù)設(shè)計(jì)的Chirp變換太赫茲頻譜探測(cè)器不僅可滿足對(duì)超精細(xì)譜線、微弱譜線和大帶寬譜線的觀測(cè)需求，同時(shí)還具有低功耗、抗輻射和高穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢(shì)，適用于深空探測(cè)[3]。目前，國(guó)內(nèi)的Chirp變換頻譜探測(cè)器尚處于起步階段，此研究對(duì)我國(guó)建立完善的深空探測(cè)系統(tǒng)具有重要意義[4]。

1 Chirp變換譜測(cè)量原理

20世紀(jì)60年代,Chirp變換理論最早被提出用以證明脈沖壓縮法可用于頻譜分析，隨后此技術(shù)廣泛應(yīng)用于對(duì)大氣分子譜線的探測(cè)。Chirp變換譜分析原理由傅里葉變換推導(dǎo)而來(lái)。被測(cè)信號(hào)先與一個(gè)Chirp信號(hào)相乘，再和第二個(gè)Chirp信號(hào)卷積，最后與第三個(gè)Chirp信號(hào)相乘得到輸入信號(hào)的傅里葉變換。由于只實(shí)現(xiàn)頻譜分析功能，故第三個(gè)作用于相位的Chirp信號(hào)可省去。通常把用于產(chǎn)生第一個(gè)Chirp信號(hào)的器件稱為展寬線，用于卷積的器件稱為壓縮線。

目前，在Chirp變換頻譜儀(CTS)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路以展寬線-壓縮線方式連接，其原理如圖1所示。近年來(lái),CTS的設(shè)計(jì)方案普遍采用數(shù)字電路作為壓縮線，能產(chǎn)生更大帶寬及可調(diào)節(jié)斜率的Chirp信號(hào)，以精確匹配壓縮線，實(shí)現(xiàn)頻譜測(cè)量功能。

圖1 Chirp變換譜分析原理圖

本文CTS系統(tǒng)使用聲表面波技術(shù)，其譜計(jì)算(卷積)過(guò)程在聲表面波色散延遲線中完成。與其他太赫茲頻譜儀相比，CTS系統(tǒng)具有更低的功耗和更高的穩(wěn)定性[5]。CTS系統(tǒng)的性能與聲表面波色散延遲線的性能參數(shù)直接相關(guān)，其色散時(shí)間、帶寬及插入損耗直接影響CTS系統(tǒng)的頻率分辨率、帶寬和動(dòng)態(tài)范圍等參數(shù)。本文使用的聲表面波色散延遲線的中心頻率為1.6 GHz，帶寬為1 GHz，色散時(shí)間為10 μs，調(diào)頻斜率為100 MHz/μs[6]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)加倍頻的方法產(chǎn)生2 GHz帶寬展寬線。圖2為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。PC端產(chǎn)生調(diào)頻斜率為25 MHz/μs、帶寬為500 MHz的Chirp信號(hào)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)， 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)控制DAC讀取數(shù)據(jù)，生成Chirp信號(hào)。倍頻器使展寬線信號(hào)帶寬達(dá)到2 GHz，調(diào)頻斜率為100 MHz/μs。被測(cè)信號(hào)與展寬線混頻后，通過(guò)壓縮線——聲表面波色散延遲線，生成被測(cè)信號(hào)的壓縮脈沖譜。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采集壓縮脈沖譜，通過(guò)FPGA傳輸?shù)絇C端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和分析。

圖2 CTS系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.2 展寬線設(shè)計(jì)

展寬線產(chǎn)生的Chirp信號(hào)質(zhì)量將直接影響CTS系統(tǒng)對(duì)被測(cè)信號(hào)頻譜的測(cè)量。通常評(píng)估Chirp信號(hào)質(zhì)量主要從小通帶波紋、較高信噪比(SNR)、小相位偏差、群延遲和調(diào)頻斜率等方面考慮[7]。

使用采集裝置采集DAC產(chǎn)生的Chirp信號(hào)與輸入到壓縮線中的信號(hào)，使用Matlab計(jì)算信號(hào)質(zhì)量，包括信號(hào)的幅頻響應(yīng)、在期望頻率范圍內(nèi)的相位擬合函數(shù)、相位偏差曲線、均方根誤差及調(diào)頻斜率。圖3、4分別為500 MHz帶寬理想的Chirp信號(hào)和DAC實(shí)際產(chǎn)生的Chirp信號(hào)分析結(jié)果。

圖3 理想Chirp信號(hào)分析結(jié)果

圖4 DAC實(shí)際產(chǎn)生的Chirp信號(hào)分析結(jié)果

圖3,4中，C0、C1、C2分別為二次相位擬合曲線的常數(shù)項(xiàng)、一次項(xiàng)及二次項(xiàng)的值。通過(guò)對(duì)比圖3、4可知，DAC產(chǎn)生的Chirp信號(hào)接近理論值。

2.3 壓縮線設(shè)計(jì)

本文使用的聲表面波色散延遲線，采用反射柵(RAC)陣列色散延遲線結(jié)構(gòu)，可達(dá)到更高的中心頻率和更大的時(shí)寬帶寬積。其脈沖響應(yīng)為Chirp信號(hào)，圖5為 SAW色散延遲線的分析結(jié)果。

圖5 SAW色散延遲線的分析結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 脈沖壓縮結(jié)果

本文設(shè)計(jì)了可分析1 GHz帶寬(2.5～3.5 GHz)信號(hào)的CTS譜分析系統(tǒng)，采集了1 GHz帶寬內(nèi)3個(gè)典型輸入頻率下被測(cè)信號(hào)的壓縮結(jié)果(見(jiàn)圖6)，輸入信號(hào)分別為2.5 GHz、3 GHz和3.5 GHz。為了清晰展現(xiàn)壓縮脈沖波形的主瓣及旁瓣參數(shù)，繪制了輸入信號(hào)為3 GHz時(shí)CTS壓縮脈沖結(jié)果的疊加圖(見(jiàn)圖7)，圖中將壓縮波形中心設(shè)為時(shí)間軸的0時(shí)刻。CTS壓縮脈沖主瓣寬度和系統(tǒng)分辨率由聲表面波色散延遲線的調(diào)頻斜率及色散時(shí)間決定[8]。根據(jù)本文設(shè)計(jì)聲表面波色散延遲線色散時(shí)間為10 μs，調(diào)頻斜率為-100 MHz/μs，則對(duì)應(yīng)的理想壓縮脈沖主瓣寬度為2 ns。

圖6 脈沖壓縮結(jié)果

圖7 脈沖壓縮結(jié)果疊加圖

由圖6可看出，與輸入被測(cè)信號(hào)頻率為3 GHz和3.5 GHz相比，輸入被測(cè)信號(hào)頻率為2.5 GHz時(shí)壓縮脈沖主瓣較寬。下面將進(jìn)一步測(cè)試與分析，找出影響CTS系統(tǒng)響應(yīng)不均衡的原因。

3.2 頻率分辨率

作為頻譜分析儀，CTS系統(tǒng)的頻率分辨率和帶寬較關(guān)鍵。系統(tǒng)的頻率分辨率由壓縮線的色散時(shí)間寬度決定[7]，理想頻率分辨率為100 kHz。本文使用半峰全寬法對(duì)系統(tǒng)的頻率分辨率進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍用峰值旁瓣比進(jìn)行表征，CTS系統(tǒng)的峰值旁瓣比理論最大值為13.26 dB[9]，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。系統(tǒng)在1 GHz帶寬下，頻率分辨率均值為115.512 kHz，接近理想頻率分辨率。但在測(cè)量頻帶內(nèi)，不同被測(cè)頻率下分辨率波動(dòng)較大。在測(cè)量頻帶內(nèi)峰值旁瓣比起伏較大，最大值點(diǎn)與最小值點(diǎn)相差約4.8 dB。在1 GHz頻帶內(nèi)系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)的波動(dòng)，是系統(tǒng)脈沖壓縮結(jié)果在不同被測(cè)頻率下響應(yīng)不一致的表現(xiàn)。

圖8 系統(tǒng)頻率分辨率和峰值旁瓣比的測(cè)試結(jié)果

3.3 測(cè)試分析

展寬線與壓縮線的匹配主要為調(diào)頻斜率的一致性。調(diào)頻斜率的微小偏差將嚴(yán)重影響CTS系統(tǒng)性能，造成頻率分辨率降低，動(dòng)態(tài)范圍下降等。本設(shè)計(jì)使用了倍頻器、混頻器等影響Chirp信號(hào)時(shí)頻特性的模擬器件[10]，且展寬線為超大帶寬2 GHz，易使Chirp信號(hào)在帶內(nèi)調(diào)頻斜率不一致，不同頻段具有不同的調(diào)頻斜率，形成整個(gè)被測(cè)頻帶內(nèi)系統(tǒng)性能差異較大的現(xiàn)象。在整個(gè)頻帶內(nèi)，展寬線與不同被測(cè)信號(hào)下變頻后輸入到壓縮線中的Chirp信號(hào)調(diào)頻斜率的變化，如圖9(a)所示。

圖9 不同輸入頻率下，輸入到壓縮線中的Chirp信號(hào)調(diào)頻斜率及相位均方根誤差變化曲線

由圖9(a)可看出，展寬線在2 GHz帶寬內(nèi)調(diào)頻斜率具有不均衡性，即調(diào)頻斜率約99.67 MHz/μ處起伏較大，偏差為±0.01 MHz/μs。調(diào)頻斜率在頻帶內(nèi)的波動(dòng)，使CTS系統(tǒng)在不同被測(cè)頻率下響應(yīng)不一致，形成頻率分辨率和峰值旁瓣比在帶內(nèi)不均衡現(xiàn)象(見(jiàn)圖8)。

相位均方根誤差為Chirp信號(hào)相位與理想信號(hào)相位的偏差程度，反映了信號(hào)在固定調(diào)頻斜率下，不同頻率點(diǎn)相位偏差的平均值。相位均方根誤差越大，Chirp信號(hào)的相位誤差在頻帶內(nèi)波動(dòng)越大，線性度越差。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了在不同輸入被測(cè)信號(hào)下，Chirp信號(hào)的相位均方根誤差如圖9(b)所示。輸入信號(hào)在中心頻率附近均方根誤差較小，系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于Chirp變換譜分析原理，圍繞1 GHz帶寬的聲表面波色散延遲線，結(jié)合數(shù)字與模擬技術(shù)設(shè)計(jì)了可用于深空探測(cè)的太赫茲頻譜探測(cè)器后端設(shè)備——Chirp變換頻譜分析儀。其帶寬可達(dá)1 GHz，頻率分辨率為115.512 kHz，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求。進(jìn)一步討論了通帶內(nèi)響應(yīng)的不均衡，通過(guò)分析展寬線可知，系統(tǒng)在頻帶內(nèi)不均衡主要是由展寬線調(diào)頻斜率線性度變差導(dǎo)致。