新型Chirp变换光谱仪,可用于高分率光谱的检测!

   电子分析员        

Chirp变换光谱仪(CTS)已成为当今光谱分析中广泛使用的一种有力工具。本文研制了一种新型的单通道Chirp变换光谱仪,用于高分辨率光谱检测。通过增加信号源、混频器、功率分配器和合成器,取代了传统CTS的一个通道,避免了两个通道之间的匹配问题。介绍了这种新型单通道结构的电路原理和特点。针对经典的双通道CTS结构和改进的单通道CTS结构分别建立了理想器件和非理想器件的仿真模型,验证了新结构的有效性。仿真结果表明,改进结构得到的压缩脉冲的时间分布与传统双通道CTS相同。在理想器件条件下,两种结构的振幅和光谱分辨率几乎相同。引入的非理想器件主要影响输出脉冲的幅值。并在实际链上进行了硬件实现的实验验证。对非理想器件的影响进行了测量和分析。与传统的CTS双通道结构相比,改进的单通道结构避免了不同通道之间的匹配问题,节省了器件。


相关论文以题为“A Novel Single-Channel Arrangement in Chirp Transform Spectrometer for High-Resolution Spectrum Detection”发表在《Applied Sciences》上。


新型Chirp变换光谱仪,可用于高分率光谱的检测!


在有源雷达系统中,目标识别能力与平均传输功率密切相关。受峰值功率有限的限制,目标识别能力的提高通常依赖于传输脉冲带宽的增加。然而,传输脉冲带宽的增加会降低距离分辨率。为了解决识别能力与距离分辨力之间的矛盾,采用了在发射端扩宽脉冲带宽、在接收端压缩脉冲带宽的方法。这种技术称为脉冲压缩,其原理图如图1所示。将被测信号与Chirp调制信号混合以扩展其带宽,然后利用数字脉冲压缩方法或模拟色散器件将调制信号压缩成脉冲。脉冲压缩采用模拟声表面波(SAW)滤波器色散装置;目前常用数字脉冲压缩方法来代替声表面波滤波器进行信号扩展和脉冲压缩。


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图1.雷达系统脉冲压缩过程原理图。


CTS的经典双通道结构


一般来说,有两种类似的结构可以应用于CTS系统。一种是M(s)−C(l)排列,其中调制Chirp信号的时间周期比SAW匹配滤波器的时间周期短。另一种是M(l)−C(s)排列,其中调制Chirp信号的持续时间很长。所用符号M表示用于带宽扩展的信号乘法;C为匹配滤波信号卷积;(l)和(s)分别表示长持续时间和短持续时间。在本文中,研究人员给出了如图2所示的经典M(l)−C(s)排列。


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图2.chirp变换谱仪的经典M(l)−C(s)排列。


图3是CTS中信号扩展压缩过程的原理图。最大值点和第一零交点之间的时间点的输出脉冲的振幅包络公元前约等于1 /,因此,频率分辨率Δf = |μ| /公元前= 1 / Tc,公元前在哪里看到过滤和Tc的操作带宽滤波器的脉冲响应的时间长度。当Tc大于10 us时,频率分辨率Δf小于100 KHz。这就意味着压缩机时频宽积(TcBc)的特性决定了压缩机时频宽高分辨率的特性。由于处理技术的原因,通常建议使用扩展器时间带宽乘积(TcBc)的最小可能值。结果表明,扩展器带宽是压缩器带宽的两倍。


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图3.原理图描述Chirp变换光谱仪(CTS)的原理。左侧所示的输入信号通过与输入的Chirp信号混合,扩展为宽带Chirp信号。随后,调制后的Chirp信号通过声表面波滤波器压缩成脉冲,声表面波滤波器在右侧所示的时域上分布。


由于膨胀机和压缩机的带宽不同,适当采用两均匀通道的推挽布置来弥补膨胀机和压缩机的带宽不匹配,最终可以提高系统的灵敏度。同时推挽结构在处理非平稳信号时避免了频谱泄漏。图4为经典双通道结构的时频原理图。输入信号的频率范围为1.9 GHz至2.3 GHz, LO输入Chirp信号的频率范围为2.7 GHz至3.5 GHz。线性调频信号的时间周期为20 us,声表面波滤波器的脉冲响应时间为10 us,工作带宽为0.8-1.2 GHz。本文以三种固定频率的输入信号(1.9 GHz、2.1 GHz和2.3 GHz)为例,阐明了CTS经典双通道结构的工作原理。这三个输入信号将首先转换为三个Chirp信号,20 us的时间持续时间和800 mhz的带宽。然后,从三个Chirp信号中滤出一个400 MHz带宽(0.8 ~ 1.2 GHz)的公共部分作为SAW滤波器的输入进行脉冲压缩。由于三个Chirp信号的输入时间不同,输出脉冲的时间也会不同,这表明输入信号的频率不同。双通道结构,弥补了膨胀机与锯片压缩机时间周期不匹配的问题。显然,推挽双通道结构可以避免频谱泄漏,保证在整个测量时间内都能获得输出脉冲。


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图4.双通道结构输入频率和输出脉冲的时频关系示意图。


CTS新型单通道结构设计


为了解决匹配问题和简化结构,研究人员提出了一种单通道布置。所研制的新型单通道装置的电路框图如图5所示。在新的结构中,一个通道被替换为只增加少量的设备。用于信号扩展的前端部分与经典CTS结构相同,然后利用功率分压器将扩展信号分成两部分。一个用于信号混合,输出既有上下转换信号。然后将此部分与另一部分结合,以获得整个测量时间内的完整信号分布。最后,将合成器产生的完整调制Chirp信号送至SAW器件进行脉冲压缩。发送到混频器的LO端口的信号是一个固定频率等于压缩带宽的正弦信号。通过增加匹配网络来调整线时延的微小差异,消除加入混频器的影响。通常在实际的硬件实现中,混频器、功率分配器和合成器的色散很小,引入的失配可以忽略不计。


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图5.新型单通道布置的框图。


结论


本文介绍了一种用于CTS系统的单通道结构的新设计。通过增加一个额外的源,一个混频器,和一个分配器合成器,取代了经典CTS系统的一个通道。采用理想器件的两种仿真模型的输出脉冲吻合较好。考虑到引入了混频器和功率分流器的非理想器件,主要的影响是输出脉冲幅值之间存在差异,这在非理想器件的仿真模型和实际硬件电路实验中都得到了观察。在后期的数字信号处理中,一般可以补偿输出脉冲的幅度差。引入的混频器、功率分配器和合成器的色散通常非常小,它对信号分辨率的影响可以忽略。此外,实验结果表明,反演仪器的光谱分辨率特别接近膨胀-压缩装置的最大可达光谱分辨率。


与传统的双通道结构CTS相比,新型单通道结构节省了三个放大器、两个滤波器、一个SAW滤波器和一个开关。由于节省了有源器件,简化了CTS系统的结构。该方法忽略了两个通道之间的匹配问题,简化了顺序控制系统。这表明新型单通道CTS系统具有实际应用的潜在可行性。然而,随着模拟和实验只关注信号检测和基本光谱分析没有真正看到过滤器和后续的信号处理,仍然存在一些主要特征(如系统线性和功率谱密度精度)的CTS系统需要进一步调查。虽然单通道结构简单,但引入的混频器和功率分配器可能会造成不确定信号干扰,影响系统性能,这在经典的双通道结构中不会发生。在后续的信号处理中还需要一个额外的数据补偿程序,这将增加额外的功耗。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/14/4896/htm



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