基于高速數字相關器的太赫茲干涉儀系統研究

韓東浩 劉 浩 吳 季 吳瓊之 張德海 陸 浩 張 穎

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①②劉 浩*①吳 季①吳瓊之③張德海①陸 浩①張 穎①②

①(中國科學院國家空間科學中心微波遙感重點實驗室 北京 100190)②(中國科學院大學 北京 100049)③(北京理工大學 北京 100081)

干涉儀利用通道間的相關運算進行測量，是干涉式成像的基本單元。太赫茲成像在安全檢查、軍事偵查等方面有著廣泛的應用前景。將干涉成像測量引入太赫茲領域后，為解決相關運算中高速信號的相位同步問題，該文提出基于低速FPGA控制的交叉同步方案，用低硬件代價解決高速采樣信號的相位同步問題，并完成了一套多通道高速數字相關系統。系統的最高采樣速率為5 GHz, ADC有效位數大于等于6位，相關器積分時間可調。最后，利用該數字相關器和相應的太赫茲微波元器件搭建了中心頻率為0.44 THz的干涉儀，并得到了清晰的干涉條紋，其線性相位誤差小于。該研究

太赫茲；干涉成像；高速數字相關器；相位同步

1 引言

太赫茲頻段介于微波與紅外線之間，由于太赫茲頻段電磁波對大多數非金屬和無極媒介具有很好的穿透性，被動太赫茲成像技術在反恐安全檢查及軍事偵察等方面有著巨大的應用前景[1]。尤其是在軍事偵察中，和傳統的光學紅外成像相比，被動太赫茲成像可以適用于諸多惡劣天氣環境。另一方面，與主動式雷達相比，被動成像手段無需發射電磁波，隱蔽性更好[2]。

按照成像制式的不同進行劃分，目前毫米波亞毫米波段太赫茲成像主要有機械掃描、焦平面成像、干涉式綜合孔徑成像以及相控陣波束形成等技術手段。其中相控陣技術受器件水平，系統成本及功耗等因素的限制，其工程實現難度較大，目前應用不多。實孔徑機械掃描體制[3]原理簡單，成本低，但成像速率低，且機械平臺穩定性對系統性能有很大影響。焦平面陣列成像體制[4]是目前采用的最多的被動式毫米波成像體制，這主要是由于用于該體制系統的天線、饋源、微波集成電路(MMIC)接收機等部件的加工精度及性能在近些年得到了很大的提高，該體制主要缺點是接收機系統數目繁多，系統復雜，成本高。干涉式綜合孔徑技術[5]則是利用有效稀疏天線陣列進行頻域測量來取代時域測量。該項技術首先在射電天文領域獲得成功應用[6]，隨后拓展到微波遙感領域，在對地遙感中發揮了重要作用，例如在NASA的ESTAR機載輻射計[7]、歐空局SMOS衛星的MIRAS微波輻射計[8]、中國科學院國家空間科學中心的GIMS地球同步軌道微波輻射計樣機中，均利用干涉式綜合孔徑技術進行成像，并取得了成功。干涉成像與其他成像方式相比最大的優點是：無需機械掃描，無需高精度的拋面天線，通過對散布的小天線的輸出數據的合成就可以得到高空間分辨力和高靈敏度的圖像，并且可通過基線的優化設計最大限度減少天線陣列的單元數。

太赫茲干涉式成像的難點在于如何保持太赫茲信號的相位信息從而對其進行復相關運算。本文提出的高速數字相關器，直接在中頻波段進行數字采樣，利用交叉同步的方案保證高速信號的相位同步性。根據系統邏輯資源及處理速度需求，選型利用Xilinx公司的V6系列FPGA對數據進行實時相關運算[11]，從而完成了整個大帶寬高速數字相關器的構架。然后利用中國科學院國家空間科學中心自主研發的太赫茲天線和接收機[12]以及本數字相關器搭建了0.44 THz的二元干涉儀，并得到了點源干涉條紋，該太赫茲干涉儀可作為今后設計太赫茲干涉成像儀的基本單元。

2 干涉式成像原理

二元干涉儀是干涉式成像的基本單元[6]，其基本模型如圖1所示。設入射波為平行入射。傾斜角度為處單頻點源的系統Q路輸出為

圖1 二元干涉儀示意圖

3 太赫茲干涉儀系統構成

太赫茲干涉儀主要由天線、亞毫米波前端、數字相關器等3個子系統構成。其系統框圖如圖2所示。

圖2 THz干涉儀系統結構框圖

天線負責信號的采集接收。由于喇叭天線技術比較成熟，具有增益高，駐波比低，工作頻帶寬的優點，并且結構簡單，容易制造，可靠性較高，所以本系統選擇喇叭天線。天線模塊經加工測試后，天線增益為25.6 dB, 3 dB波瓣寬度為10°，副瓣電平為-30 dB。滿足設計要求。

亞毫米波前端采用二次諧波混頻方案，主要包括公共本振、功分器、三倍頻器、混頻器等結構。其中，三倍頻器在獲得功率足夠的同相太赫茲源中有著重要作用[12]。亞毫米波前端經諧波混頻后的中頻信號將直接饋入高速數字相關器進行下一步的處理。

4 太赫茲干涉儀中高速數字相關器的設計與實現

輸入到數字相關器的中頻信號將通過模數轉換、數字正交下變頻、復相關運算得到原始干涉測量結果，然后將此結果進行存儲或上傳到PC機進行數據實時處理。

從結構上劃分，數字相關器主要包含模數轉換、數字正交下變頻、數字復相關、數據存儲處理等單元，其具體結構框圖如圖3所示。

時鐘生成分發模塊負責為多個模數裝換模塊提供同步的采樣時鐘源，模數轉換模塊負責中頻信號數字化，數據處理模塊負責對中頻數字信號進行處理從而得到相關輸出，控制及數據接口模塊負責以上各模塊的參數配置及數據的導出。

4.1時鐘生成及分發模塊

時鐘生成模塊采用ADF4350鎖相環芯片對10 MHz有源晶振進行倍頻，ADCLK944芯片進行時鐘分發。數字采樣時鐘網絡的時鐘質量對系統性能有著很大的影響，時鐘質量評估的一個重

圖3 太赫茲干涉儀相關器結構框圖

要指標就是時鐘相位的抖動，采樣時鐘的抖動會造成采樣點的偏離，其對性能指標的影響主要表現在ADC轉換信噪比的惡化和ADC有效位數的降低[14]。

通常，通道信噪比SNR和時鐘信號的均方根RMS抖動值關系為

ADC通道信噪比和ADC通道的有效位數(ENOB)的關系為

對于本相關器中的ADC模塊，其系統采樣速率最高為5 GHz，轉換位數為8 bit，系統指標要求模數轉換有效位數為6 bit，則可以得到時鐘抖動需要小于7.82 ps。對于ADF4350，其RMS抖動典型值為0.5 ps, ADCLK944的RMS值為0.05 ps。實際完成后，時鐘生成分發系統的RMS抖動測試滿足系統性能要求。

4.2高速模數轉換模塊

高速模數轉換是實現高速相關的前提。較高的模數轉換速率可以保證系統的相關運算帶寬和相關運算的靈敏度。

模數轉換模塊的核心芯片是e2v公司的系列芯片。一片芯片內有4個ADC核，可配置為5 GHz1通道、2.5 GHz2通道、1.25 GHz4通道3種工作模式。另外，可通過配置時鐘生成及分發模塊的ADF4350微調的值，得到不同的數字采樣頻率。系統完成后，經測試，ADC位數6 bit，滿足系統要求[14]。

4.3數據處理模塊

數據處理模塊負責中頻數字信號的處理，包括數字正交下變頻子模塊和相關處理子模塊。

每個通道的模數轉換后接一個數字正交下變頻模塊[15]，數字正交下變頻依次包含帶通濾波器、正交混頻器和低通濾波器，其中信號通過濾波器及乘法器時，bit位展寬現象嚴重，需要進行有效位數的截斷，具體截斷方案應根據輸入信號的幅值范圍和輸入信號的頻譜成分特性等具體情況進行特殊優化。對于本系統高速采樣形成的并行數據，可用并行FIR濾波器的設計來實現對并行信號的濾波[15]。

相關處理模塊包含自相關運算模塊、自累加運算模塊、互相關運算模塊。自相關運算相當于全功率檢波測量，用于估計該路的測量功率。自累加運算用來估計ADC量化的門限誤差及ADC偏置[16]，互相關運算可得到原始的干涉測量值。每個通道均接一個自相關自累加模塊，所有通道兩兩進行互相關，互相關運算對資源量消耗最大，為節省資源，每個通道的數據經三階重量化后再進行互相關運算[17]。三階重量化協方差系數和模擬相關系數存在固定的轉換關系，其影響相當于積分時間的損失[17,18]。

4.4控制及數據接口模塊

上述系統中時鐘模塊倍頻系數、ADC工作模式、相關運算積分時間等參數可通過上位機對系統進行配置，控制器通過FPGA內的AXI_lite總線主機進行控制，系統各單元均作為AXI_lite總線上的從機接受主機的控制。相關模塊的數據以AXI_stream總線的格式輸送到通信接口轉換模塊，經轉換后通過USB數據口上傳至PC機。

5 太赫茲干涉儀各接收通道的相位同步問題分析

5.1相位同步誤差來源分析

干涉儀的多個接收機通道通常需要多個進行同步采樣，因此高速AD間的協同工作問題亟待解決。對于常用高速模數轉換芯片ev8aq來說，其片間ADC采樣相位差主要可分為兩部分：分頻模糊引入的相位差；。

本系統中ev8aq芯片中的4個AD核的采樣時鐘是由外部輸入采樣時鐘經分頻得到，芯片間會存在分頻模糊問題。另外，受實際系統精度影響，ADF4350到多片ev8aq的路徑延時存在差別，必然會導致實際輸入到不同芯片的存在相位差。

5.2 ADC采樣時鐘相位誤差的校正

對于分頻模糊導致的相位差，其根本原因是多個ev8aq芯片的工作不同步導致的。ev8aq芯片有專門的同步管腳用于芯片間的同步，并且其數據輸出時鐘和時鐘是同源的。基于芯片的這一功能，本文提出了所謂的交叉同步方案。其具體實現方法是：先給其中一片ev8aq：編號a，一個任意的同步信號，從而得到a的輸出數據時鐘；而后利用這個輸出數據時鐘去同步另外的一片ev8aq：編號b，從而b片工作在了一個確定模式；最后利用b的輸出數據時鐘去同步其它所有的ev8aq，使所有的ev8aq芯片全部工作在和b同步的模式下。其控制邏輯如圖4所示。

對于通道延時線不同引入的相位差，其情況非常復雜：既有時鐘網絡延時差，又有模擬信號網絡延時差，且這兩種延時差影響效果可疊加。Ev8aq

圖4 多通道交叉同步及同步監控邏輯圖

5.3 ADC同步狀態的監控

每個芯片的數據時鐘均是由ADC的實際采樣時鐘經分頻得到，通過監控這些數據時鐘的相位差能夠對各ADC的同步工作狀態進行評估。利用蒙特卡洛分析法，將數據時鐘間的相位差轉換為一個隨機事件的概率，然后通過大量的實驗去統計，具體實現邏輯如圖4所示。

利用一個和數據時鐘不相關的時鐘對這兩個時鐘進行采樣，通過大量采樣結果的統計，可以估算出。實際應用中，經交叉同步后，<0.004,<0.72°，該值含有測試方法、FPGA內部布線等誤差，因此有理由相信此時ev8aq模塊已實現同步工作。未進行交叉同步時，>0.1，此時ev8aq不工作在同步狀態。

5.4 ADC一致性測試

根據上述交叉同步方案完成ADC同步后，對ADC的一致性進行了測試。ADC一致性和采樣時鐘網絡、ADC性能、模擬信號網絡有關，對干涉儀的相位提取至關重要。ADC一致性測試時選用單頻測試信號，將該信號輸入到各ADC的模擬輸入端，而后對ADC的采樣量化結果進行分析。

實際應用中，在時域中很難直接比較通道間的不一致性。將各ADC采樣量化結果分別經傅里葉變換后，在頻域中，通過峰值頻點處的相位差來估算通道間的時延誤差。經測試，芯片內通道一致性優于芯片間的AD通道，芯片間通道一致性20 ps，芯片內通道一致性10 ps，滿足系統性能要求。

6 太赫茲干涉儀點源干涉實驗

6.1 實驗系統構成

利用上文所述的太赫茲干涉儀及相應的點噪聲源完成了點源干涉實驗。本實驗將干涉測量技術引入太赫茲研究領域，獲得了清晰的太赫茲干涉條紋和線性干涉相位，對今后太赫茲干涉式測量成像提供了重要的參考價值。

對于太赫茲成像而言，探測頻段的選擇需要考慮多方面的影響。頻率較低時，受天線孔徑的限制，成像分辨率會較低，而頻率較高時，雖然較小的天線孔徑即可得到比較理想的圖像分辨率，但是在安檢、偵察等應用中，衣服等遮蔽物帶來的散射衰減會導致探測質量的下降[4]。同時，為了更好地發揮太赫茲探測優勢，應根據安檢偵察中金屬、陶瓷等敏感對象的太赫茲輻射譜進行頻段設計。綜合各方面影響，作為今后太赫茲干涉成像儀的基本單元，本干涉儀選定440 GHz作為工作頻段。

實驗系統包括如本文所述的太赫茲干涉儀，控制及數據處理上位機，點噪聲源以及為噪聲源移動時應用的滑軌機械架。實驗框圖如圖5所示，滑軌與干涉儀基線平行，通過滑軌控制，點源可沿基線平行方向進行移動。

實際測量時，通過滑軌控制噪聲源的精確移動，滑軌位置精度小于3 μm，兩個天線接收機工作在440 GHz頻段，干涉儀基線59.52 mm，基線與滑軌垂直距離1100 mm，經一次下變頻后進入數字相關器，經數字正交下變頻、數字相關后產生相關結果傳送至上位機上。當噪聲源分別處于不同位置時，得到不同的測量數據并在上位機上進行分析。

6.2實驗數據分析

將得到的相關數據經定標校正后，其實部虛部

圖5 太赫茲干涉實驗框圖

分別以噪聲源的位置為橫坐標畫出干涉條紋如圖6(a)中兩條曲線所示。由于點噪聲源距離遠遠大于太赫茲信號波長，由式(1)可得，干涉結果相位和點源的位移有線性關系。將圖6(a)中各點的相位提出，即可得到干涉儀的線性相位圖，如圖6(b)所示。

根據式(1)，可得距離為1100 mm外的相位中心處的一周期干涉條紋對應的位移為12.6 mm，實測值為12.4 mm，其精度達到預期要求。線性相位誤差小于。結果顯示，干涉儀可在預期精度內正常工作。

7 結束語

本文利用多片高速模數轉換芯片間的交叉同步方法解決了高速數字采樣同步工作問題，實現了一種高速數字相關系統，將模數轉換，正交下變頻，相關運算功能集成在了同一塊數字后端。并且利用一種新穎簡便的方法對各ADC通道進行了一致性工作狀態監控。經測試，芯片間通道一致性20 ps，芯片內通道一致性10 ps，可滿足GHz頻段的直接采樣要求。

同時，本文提出了一種基于該高速數字相關系統及相應的毫米波器件的太赫茲干涉儀，在0.44 THz頻段對點噪聲源進行了干涉測量，獲得了清晰的干涉條紋和線性相位，如圖6所示，其線性相位誤差小于。該干涉儀為今后設計太赫茲干涉成像儀提供了基本單元。

圖6 太赫茲干涉儀輸出結果圖

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韓東浩： 男，1990年生，博士生，研究方向為毫米波被動遙感干涉式成像系統設計.

劉 浩： 男，1978年生，研究員，主要從事微波遙感器系統研制及信號處理方法研究.

Investigation on THz Interferometer System Based onDigital Correlator

HAN Donghao①②LIU Hao①WU Ji①WU Qiongzhi③ZHANG Dehai①LU Hao①Zhang Ying①②

①(Key Laboratory of Microwave Remote Sensing, National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)②(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)③(Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

As a conventional unit in interferometric imager, correlator has a wide range of applications to get visibility functions. THz imager has more and more applied to security check and military scouting area. To solve the phase synchronization problem in high speed digital correlator, which is designed for THz interferometer, this paper presents a cross synchronization scheme based on low hardware cost FPGA controller. A high speed multichannel digital correlator is presented under this scheme. In this correlator, sampling rate can reach as high as 5 GHz, effective number of ADC is greater than or equal to 6 bit, integration time is adjustable. Interference fringes are presented by constructing a 0.44 THz interferometer out of this correlator and related THz microwave devices. The fringe’s linear phase error is better than. The research could provide important reference value about the design of THz interferometric imager in future.

Terahertz; Interferometric imager; High speed digital correlator; Phase synchronization

A

1009-5896(2016)04-0964-06

10.11999/JEIT150841

2015-07-13；改回日期：2015-11-13；網絡出版：2016-01-04

劉浩 liuhao@mirslab.cn