Chirp變換光譜儀(CTS)已成為當今光譜分析中廣泛使用的一種有力工具。本文研制了一種新型的單通道Chirp變換光譜儀,用于高分辨率光譜檢測。通過增加信號源、混頻器、功率分配器和合成器,取代了傳統CTS的一個通道,避免了兩個通道之間的匹配問題。介紹了這種新型單通道結構的電路原理和特點。針對經典的雙通道CTS結構和改進的單通道CTS結構分別建立了理想器件和非理想器件的仿真模型,驗證了新結構的有效性。仿真結果表明,改進結構得到的壓縮脈沖的時間分布與傳統雙通道CTS相同。在理想器件條件下,兩種結構的振幅和光譜分辨率幾乎相同。引入的非理想器件主要影響輸出脈沖的幅值。并在實際鏈上進行了硬件實現的實驗驗證。對非理想器件的影響進行了測量和分析。與傳統的CTS雙通道結構相比,改進的單通道結構避免了不同通道之間的匹配問題,節省了器件。


相關論文以題為“A Novel Single-Channel Arrangement in Chirp Transform Spectrometer for High-Resolution Spectrum Detection”發表在《Applied Sciences》上。


新型Chirp變換光譜儀,可用于高分率光譜的檢測!


在有源雷達系統中,目標識別能力與平均傳輸功率密切相關。受峰值功率有限的限制,目標識別能力的提高通常依賴于傳輸脈沖帶寬的增加。然而,傳輸脈沖帶寬的增加會降低距離分辨率。為了解決識別能力與距離分辨力之間的矛盾,采用了在發射端擴寬脈沖帶寬、在接收端壓縮脈沖帶寬的方法。這種技術稱為脈沖壓縮,其原理圖如圖1所示。將被測信號與Chirp調制信號混合以擴展其帶寬,然后利用數字脈沖壓縮方法或模擬色散器件將調制信號壓縮成脈沖。脈沖壓縮采用模擬聲表面波(SAW)濾波器色散裝置;目前常用數字脈沖壓縮方法來代替聲表面波濾波器進行信號擴展和脈沖壓縮。


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圖1.雷達系統脈沖壓縮過程原理圖。


CTS的經典雙通道結構


一般來說,有兩種類似的結構可以應用于CTS系統。一種是M(s)?C(l)排列,其中調制Chirp信號的時間周期比SAW匹配濾波器的時間周期短。另一種是M(l)?C(s)排列,其中調制Chirp信號的持續時間很長。所用符號M表示用于帶寬擴展的信號乘法;C為匹配濾波信號卷積;(l)和(s)分別表示長持續時間和短持續時間。在本文中,研究人員給出了如圖2所示的經典M(l)?C(s)排列。


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圖2.chirp變換譜儀的經典M(l)?C(s)排列。


圖3是CTS中信號擴展壓縮過程的原理圖。最大值點和第一零交點之間的時間點的輸出脈沖的振幅包絡公元前約等于1 /,因此,頻率分辨率Δf = |μ| /公元前= 1 / Tc,公元前在哪里看到過濾和Tc的操作帶寬濾波器的脈沖響應的時間長度。當Tc大于10 us時,頻率分辨率Δf小于100 KHz。這就意味著壓縮機時頻寬積(TcBc)的特性決定了壓縮機時頻寬高分辨率的特性。由于處理技術的原因,通常建議使用擴展器時間帶寬乘積(TcBc)的最小可能值。結果表明,擴展器帶寬是壓縮器帶寬的兩倍。


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圖3.原理圖描述Chirp變換光譜儀(CTS)的原理。左側所示的輸入信號通過與輸入的Chirp信號混合,擴展為寬帶Chirp信號。隨后,調制后的Chirp信號通過聲表面波濾波器壓縮成脈沖,聲表面波濾波器在右側所示的時域上分布。


由于膨脹機和壓縮機的帶寬不同,適當采用兩均勻通道的推挽布置來彌補膨脹機和壓縮機的帶寬不匹配,最終可以提高系統的靈敏度。同時推挽結構在處理非平穩信號時避免了頻譜泄漏。圖4為經典雙通道結構的時頻原理圖。輸入信號的頻率范圍為1.9 GHz至2.3 GHz, LO輸入Chirp信號的頻率范圍為2.7 GHz至3.5 GHz。線性調頻信號的時間周期為20 us,聲表面波濾波器的脈沖響應時間為10 us,工作帶寬為0.8-1.2 GHz。本文以三種固定頻率的輸入信號(1.9 GHz、2.1 GHz和2.3 GHz)為例,闡明了CTS經典雙通道結構的工作原理。這三個輸入信號將首先轉換為三個Chirp信號,20 us的時間持續時間和800 mhz的帶寬。然后,從三個Chirp信號中濾出一個400 MHz帶寬(0.8 ~ 1.2 GHz)的公共部分作為SAW濾波器的輸入進行脈沖壓縮。由于三個Chirp信號的輸入時間不同,輸出脈沖的時間也會不同,這表明輸入信號的頻率不同。雙通道結構,彌補了膨脹機與鋸片壓縮機時間周期不匹配的問題。顯然,推挽雙通道結構可以避免頻譜泄漏,保證在整個測量時間內都能獲得輸出脈沖。


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圖4.雙通道結構輸入頻率和輸出脈沖的時頻關系示意圖。


CTS新型單通道結構設計


為了解決匹配問題和簡化結構,研究人員提出了一種單通道布置。所研制的新型單通道裝置的電路框圖如圖5所示。在新的結構中,一個通道被替換為只增加少量的設備。用于信號擴展的前端部分與經典CTS結構相同,然后利用功率分壓器將擴展信號分成兩部分。一個用于信號混合,輸出既有上下轉換信號。然后將此部分與另一部分結合,以獲得整個測量時間內的完整信號分布。最后,將合成器產生的完整調制Chirp信號送至SAW器件進行脈沖壓縮。發送到混頻器的LO端口的信號是一個固定頻率等于壓縮帶寬的正弦信號。通過增加匹配網絡來調整線時延的微小差異,消除加入混頻器的影響。通常在實際的硬件實現中,混頻器、功率分配器和合成器的色散很小,引入的失配可以忽略不計。


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圖5.新型單通道布置的框圖。


結論


本文介紹了一種用于CTS系統的單通道結構的新設計。通過增加一個額外的源,一個混頻器,和一個分配器合成器,取代了經典CTS系統的一個通道。采用理想器件的兩種仿真模型的輸出脈沖吻合較好??紤]到引入了混頻器和功率分流器的非理想器件,主要的影響是輸出脈沖幅值之間存在差異,這在非理想器件的仿真模型和實際硬件電路實驗中都得到了觀察。在后期的數字信號處理中,一般可以補償輸出脈沖的幅度差。引入的混頻器、功率分配器和合成器的色散通常非常小,它對信號分辨率的影響可以忽略。此外,實驗結果表明,反演儀器的光譜分辨率特別接近膨脹-壓縮裝置的最大可達光譜分辨率。


與傳統的雙通道結構CTS相比,新型單通道結構節省了三個放大器、兩個濾波器、一個SAW濾波器和一個開關。由于節省了有源器件,簡化了CTS系統的結構。該方法忽略了兩個通道之間的匹配問題,簡化了順序控制系統。這表明新型單通道CTS系統具有實際應用的潛在可行性。然而,隨著模擬和實驗只關注信號檢測和基本光譜分析沒有真正看到過濾器和后續的信號處理,仍然存在一些主要特征(如系統線性和功率譜密度精度)的CTS系統需要進一步調查。雖然單通道結構簡單,但引入的混頻器和功率分配器可能會造成不確定信號干擾,影響系統性能,這在經典的雙通道結構中不會發生。在后續的信號處理中還需要一個額外的數據補償程序,這將增加額外的功耗。


論文鏈接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/14/4896/htm



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