摘 要： 海洋4A散射計(jì)將是世界上首個(gè)采用相控陣數(shù)字波束合成體制的星載微波散射計(jì)。其中，相控陣散射計(jì)高精度測量的實(shí)現(xiàn)依賴于散射計(jì)系統(tǒng)中各通道的一致性，因此需要實(shí)時(shí)對各通道的幅度和相位進(jìn)行校正，以確保陣列能夠正確地合成所需的波束。針對此問題，提出了一種相控陣散射計(jì)通道幅相實(shí)時(shí)校正算法，所提算法采用現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable gate array， FPGA）實(shí)現(xiàn)，利用FPGA的并行處理能力和高速性能，對接收到的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)了通道的幅度和相位校準(zhǔn)。仿真、FPGA硬件調(diào)試以及實(shí)測數(shù)據(jù)分析表明，所提算法能夠有效地對通道進(jìn)行幅相校正，其校正的幅度和相位平均誤差小于1%;所提算法提高了數(shù)字波束合成的性能，為相控陣散射計(jì)的高精度測量提供了可行性。

關(guān)鍵詞： 海洋4A衛(wèi)星; 現(xiàn)場可編程門陣列; 相控陣散射計(jì); 幅相校正算法

中圖分類號： TN 958.92; TN 952

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.12305/j.issn.1001-506X.2024.08.03

FPGA optimization implementation of amplitude and phase correction

algorithm for ocean 4A scatterometer

LIU Yongqing^1，2， LIU Peng¹， YUN Risheng¹， ZHANG Xiangkun^{1，2，*}， WANG Te¹

（1. Key Laboratory of Microwave Remote Sensing， National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China; 2. School of Electronic， Electrical and Communication Engineering，

University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100048， China）

Abstract： The Ocean 4A scatterometer is the world’s first spaceborne microwave scatterometer employing a phased-array digital beamforming system. Achieving high-precision measurements in phased-array scatterometers relies on the consistency of individual channels within the system. Therefore， it necessitates real-time correction of the amplitude and phase of each channel to ensure the array accurately synthesizes the required beams. This paper presents a real-time amplitude and phase correction algorithm for phased-array scatterometer channels. The proposed algorithm is implemented using field-programmable gate array （FPGA）， capitalizing on FPGA’s parallel processing capabilities and high-speed performance to process received signals in real-time， thereby achieving amplitude and phase calibration for the channels. Simulations， FPGA hardware implementation， and analysis of measured data show that the proposed algorithm effectively corrects channel’s amplitudes and phases， with an average error of less than 1%. The proposed algorithm enhances the synthetic performance of digital beamforming， demonstrating the feasibility of high-precision measurements in phased-array scatterometers.

Keywords： ocean 4A satellite; field-programmable gate array （FPGA）; phased-array scatterometer; amplitude and phase correction algorithm

0 引 言

全球海洋鹽度分布及其年內(nèi)、年度變化在海洋系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用，對了解全球降水、蒸發(fā)以及水循環(huán)的變化具有重大意義。海表鹽度是監(jiān)測和模擬全球海洋環(huán)流模式的關(guān)鍵變量，也是氣候變化的重要示蹤因子。海洋4A衛(wèi)星主被動聯(lián)合探測鹽度計(jì)，由主動微波遙感設(shè)備微波散射計(jì)及被動微波遙感設(shè)備微波輻射計(jì)構(gòu)成。其中，微波輻射計(jì)工作在L頻段，該頻段的微波輻射信號對海表鹽度變化非常敏感。然而，海面的粗糙度會對微波輻射計(jì)的鹽度測量精度產(chǎn)生影響。為了消除粗糙度對輻射計(jì)測量精度的影響，需要進(jìn)行微波散射計(jì)的同頻觀測。通過微波散射計(jì)的觀測，可以獲取海面粗糙度的信息，從而對輻射計(jì)的測量結(jié)果進(jìn)行校正，以提高鹽度測量的準(zhǔn)確性和精度^［1-5］。散射計(jì)采用相控陣體制，利用數(shù)字波束形成技術(shù)實(shí)現(xiàn)交軌方向掃描，為了消除相控陣天線各接收通道信號幅相不一致帶來的合成天線方向圖誤差、信號能量誤差，需要計(jì)算相控陣天線各接收通道自身的幅度、相位誤差，用于提高發(fā)射合成波束的質(zhì)量以及利用海面回波處理對回波信號進(jìn)行幅相校正，提高后向散射系數(shù)測量精度。

隨著相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字波束合成已成為一種廣泛使用的技術(shù)，能夠提高雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)檢測性能和探測范圍^［6-9］。然而，在數(shù)字波束合成的過程中，由于各通道之間硬件性能參數(shù)和環(huán)境因素的影響，通道之間存在不同程度的幅相不一致，會使合成的波束發(fā)生畸變，從而降低數(shù)字波束合成的波束質(zhì)量。為了解決這個(gè)問題，需要對每個(gè)通道的幅相進(jìn)行校正，以保證各通道信號的一致性^［10-12］。

幅相校正算法是一種常用的信號處理方法，可以用于消除信號中的幅度和相位失真，提高信號質(zhì)量和可靠性。幅相校正算法在通信、雷達(dá)、測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，基于時(shí)域的幅相校正算法逐漸得到了關(guān)注，這些算法通過對信號進(jìn)行加窗、時(shí)移等操作，在時(shí)域中對信號進(jìn)行處理，能夠同時(shí)消除信號中的幅度和相位失真。代表性算法有基于窗函數(shù)的幅相校正算法、基于自適應(yīng)濾波的算法等。文獻(xiàn)［13］使用了分時(shí)校正源，對幅相誤差和校正源進(jìn)行參數(shù)解耦，以對校正源的方位進(jìn)行估計(jì)，從而可以求出幅相誤差。該方法適用于任意形狀的陣列，且只需要一個(gè)無需已知方位的校正源，但該方法需要輔助設(shè)備，如轉(zhuǎn)臺等的幫助。文獻(xiàn)［14］提出了一種同時(shí)對幅相誤差、陣元位置誤差和陣元互耦誤差進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)的方法。該算法計(jì)算量較大，但在經(jīng)過多種誤差解耦后，參數(shù)估計(jì)精度較高。

除此之外，一些新興的幅相校正算法也在不斷涌現(xiàn)。例如，基于深度學(xué)習(xí)的算法能夠?qū)π盘栠M(jìn)行自動學(xué)習(xí)和處理，適用于復(fù)雜信號的幅相校正;基于小波變換的算法能夠?qū)崿F(xiàn)多尺度分析和幅相校正。

為滿足雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理，本文針對數(shù)字波束合成中的幅相校正問題進(jìn)行研究，提出了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable gate array， FPGA） 的相控陣散射計(jì)通道幅相校正算法。該算法通過在某一頻率上發(fā)送單頻信號，測量各通道相對于參考信號的幅相誤差，并利用誤差信息對各通道的幅相進(jìn)行校正。與傳統(tǒng)的各通道信號自、互相關(guān)幅相校正方法相比，該算法不需要對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行大量的信號處理和計(jì)算，具有計(jì)算復(fù)雜度低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文在仿真實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了該算法的有效性，并在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行測試。結(jié)果表明，該算法能夠有效地校正各通道的幅相誤差，提高相控陣散射計(jì)數(shù)字波束合成的性能，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 相關(guān)工作

在海洋4A衛(wèi)星中，主被動聯(lián)合微波成像儀由L、C、K頻段輻射計(jì)及L波段散射計(jì)組成，用以實(shí)現(xiàn)海洋鹽度高精度觀測。在該系統(tǒng)中，微波散射計(jì)提供海面粗糙度的信息，海面粗糙度是鹽度測量的主要誤差來源之一^［15-20］。

在相控陣散射計(jì)系統(tǒng)中，幅相校正算法的應(yīng)用至關(guān)重要。幅相校正算法的主要目的是消除系統(tǒng)中引入的幅度和相位誤差，從而確保波束合成和信號處理過程中的準(zhǔn)確性和可靠性，這種校正過程對于實(shí)現(xiàn)高精度的測量至關(guān)重要。在實(shí)際應(yīng)用中，信號可能會受到各種因素的影響，如傳輸路徑損耗、器件非線性和溫度環(huán)境等，這些因素可能導(dǎo)致信號幅相發(fā)生變化，進(jìn)而影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過幅相校正算法，可以對發(fā)射/接收信號的幅度和相位進(jìn)行校正，從而消除系統(tǒng)各通道不一致性帶來的誤差，使得相控陣散射計(jì)系統(tǒng)更加可靠。

FPGA作為一種可編程邏輯器件，提供了高速并行的計(jì)算能力和靈活配置的硬件資源，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)^［21-24］。在過去的研究中，已經(jīng)提出了多種FPGA優(yōu)化方法來改進(jìn)幅相校正算法的性能和資源利用率。一種常見的方法是通過優(yōu)化硬件資源分配和并行計(jì)算來提高系統(tǒng)的處理速度和實(shí)時(shí)性。通過合理分配FPGA內(nèi)部資源，如數(shù)字信號處理器（digital signal processor， DSP）模塊和片上存儲器，可以實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理和存儲管理。同時(shí)，通過并行計(jì)算和流水線技術(shù)，可以充分利用FPGA的并行計(jì)算能力，加快幅相校正算法的運(yùn)行速度。另一種方法是時(shí)鐘頻率設(shè)計(jì)和時(shí)序優(yōu)化。通過合理設(shè)計(jì)時(shí)鐘頻率和優(yōu)化時(shí)序路徑，可以確保系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)性要求，并降低功耗。流水線和時(shí)序約束等技術(shù)也可被應(yīng)用于FPGA設(shè)計(jì)中，以提高系統(tǒng)的時(shí)序穩(wěn)定性和可靠性。

2 系統(tǒng)概述及算法原理

2.1 系統(tǒng)概述

在本文的相控陣散射計(jì)系統(tǒng)中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括與輻射計(jì)共用的反射面天線、饋源、微波前端單元、功率放大器單元、發(fā)射器單元、接收器單元、頻率合成器單元和數(shù)字處理單元。陣列由10個(gè)收發(fā)通道構(gòu)成，每個(gè)通道都是相互獨(dú)立的，因此各通道之間存在幅相不一致性，這種不一致性主要是由鏈路上的各單元引起的，系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中包含以下關(guān)鍵組件：模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter， ADC）用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；直接數(shù)字合成（direct digital synthesis， DDS）用于生成高精度的數(shù)字波形信號；低噪聲放大器（low noise amplifier， LNA）用于放大微弱的輸入信號，同時(shí)盡量減少噪聲；放大器（amplifier， AMP）用于進(jìn)一步放大信號；帶通濾波器（band pass filter， BPF）用于過濾掉不需要的頻率成分，只保留所需的頻段信號。

具體而言，以下是一些可能導(dǎo)致幅相不一致性的因素^［25-27］。

微波前端單元：微波前端單元包括環(huán)形器、開關(guān)和耦合器等組件，由于制造誤差、元器件的非線性特性或頻率響應(yīng)的差異，不同通道的幅相可能會有所不同。

發(fā)射機(jī)單元和接收機(jī)單元：發(fā)射機(jī)單元和接收機(jī)單元中的電路和組件，如混頻器、放大器、濾波器等，也可能引入幅相不一致性，這可能是由于工作狀態(tài)（環(huán)境、溫度等）的變化導(dǎo)致的。

功率放大器單元：功率放大器單元用于放大信號功率，在其工作過程中會產(chǎn)生熱量，而溫度的變化會導(dǎo)致電子元件的特性發(fā)生變化。功率放大器單元的溫度變化可能會引起器件參數(shù)的漂移，從而導(dǎo)致各通道的幅相不一致性。

功分網(wǎng)絡(luò)：功分網(wǎng)絡(luò)中的不同通道（如功分器等）在制造過程中可能存在微小的制造偏差，這些偏差會導(dǎo)致通道之間的幅相差異。在運(yùn)行過程中，不同通道的工作狀態(tài)可能會發(fā)生變化，例如溫度變化、功率波動等因素都可能引起通道之間的幅相差異。由于功分網(wǎng)絡(luò)中信號傳輸路徑長度和傳輸介質(zhì)的差異，不同通道之間的信號傳輸延遲可能會不同，這也會導(dǎo)致幅相不一致性。

上文說明了陣列系統(tǒng)中各單元可能造成幅相不一致性的原因，針對這些幅相不一致性的來源，本文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種有效的幅相校正算法，以減小通道之間的幅相差異。通過對各通道鏈路中環(huán)回信號的幅相特性分析，可以計(jì)算出相應(yīng)的幅相校正系數(shù)，并將其應(yīng)用于數(shù)字處理單元中的信號處理算法中。通過這種校正方法，可以顯著降低通道之間的幅相不一致性，提高系統(tǒng)的性能^［28-32］。

幅相校正算法根據(jù)實(shí)際散射計(jì)系統(tǒng)可分為接收通道幅相校正和發(fā)射通道幅相校正，圖2為散射計(jì)系統(tǒng)前端信號通道示意圖。散射計(jì)數(shù)字單元按照工作時(shí)序通過控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)對接收通道校正回路和發(fā)射通道校正回路的切換，同源功分的十路信號為各接收鏈路提供了幅相一致的輸入信號，通過不同的工作時(shí)序，數(shù)字單元先對接收通道進(jìn)行幅相校正，獲取接收通道的幅相校正因子，然后對發(fā)射通道和已校正的接收通道進(jìn)行幅相校正，獲取發(fā)射通道的幅相校正因子。

2.2 算法原理及FPGA實(shí)現(xiàn)

根據(jù)本文散射計(jì)實(shí)際系統(tǒng)將分別介紹接收通道和發(fā)射通道的幅相校正算法，F(xiàn)PGA算法實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示。

步驟 1 接收通道幅相校正算法原理

步驟 1.1 接收通道相位校正

輸入信號為來自定標(biāo)輸入的單頻正弦波信號，可表示為

S_ri（t）=A_iε_icos（2πft+φ_ri）， i={1，2，…，10}（1）

式中：S_ri（t）為由接收定標(biāo)回路環(huán)回至數(shù)字單元的信號;f為信號的頻率；A_i為幅度;φ_ri為i通道產(chǎn)生的相位誤差;ε_i為幅度誤差，φ_ri、ε_i是需要校正的誤差項(xiàng)。

兩路正交解調(diào)本振采用和原信號相同頻率的正交本振源（采用復(fù)數(shù)表示）為

S_LOr（t）=e^－j2πft（2）

將接收信號和參考信號混頻可得到：

S_mixed（t）=S_ri（t）S_LOr（t）=A_iε_i2［e^j（2πft+φ_ri）+e^{－j（2πft+φ}_ri）］·

e^－j2πft=A_iε_i2［e^j（φ_ri）+e^{－j（4πft+φ}_ri）］（3）

因?yàn)樵谝粋€(gè)采樣時(shí)間周期T內(nèi)，有：

∫^T₀e^{－j（4πft+φ}_ri）dt=0（4）

為了提高信噪比，將I、Q兩路進(jìn)行積累，可得I、Q兩路積累值，分別為

AccI=TA_iε_i2cos φ_ri（5）

AccQ=TA_iε_i2sin φ_ri（6）

然后，由式（5）和式（6）求反正切即可得出該通道相位校正值φ_ri：

φ_ri=tan^－1AccQAccI（7）

步驟 1.2 接收通道幅度校正

幅度校正的流程是首先求信號的能量值，然后開平方，求其幅度值：

E_ri（t）=∫^T₀S²_ri（t）dt=T2A²_iε_i²（8）

P_ri（t）=E_ri（t）=T2A_iε_i=kε_i， k=T2A_i（9）

上注因子Δ_ri是一種校正因子，用于消除幅度校正中k的影響。在幅度校正過程中，引入上注因子是為了將不同通道之間的幅度差異歸一化，乘以上注因子Δ_ri以消除k的影響，然后取倒數(shù)，即可得到該通道的幅度誤差補(bǔ)償值：

R_{amp_ri}=1Δ_riP_ri（t）=1ε_i（10）

步驟 2 發(fā)射通道幅相校正算法原理

步驟 2.1 發(fā)射通道相位校正

S_ti（t）=ε_iB_iγ_icos（2πft+φ_ri+φ_ti）， i=1，2，…，10（11）

式中：S_ti（t）為由發(fā)射定標(biāo)回路環(huán)回至數(shù)字單元的信號;B_i為信號幅度;φ_ri和ε_i是需要在校正接收通道后得到的已知項(xiàng);γ_i和φ_ti分別是僅由發(fā)射鏈路引起的幅度和相位誤差，也是校正的誤差項(xiàng)。

與接收通道使用的正交解調(diào)本振不同，在對發(fā)射通道校正時(shí)采用的本振源為

S_LOt（t）=e^{－（j2πft+φ}_ri）（12）

將接收信號S_ti（t）和參考信號S_LOr（t）混頻，可以得到：

S_mixed（t）=S_ti（t）S_LOt（t）=ε_iB_iγ_i2［e^j（φ_ti）+e^{－j（4πft+2φ}_ri+φ_ti）］（13）

在一個(gè)采樣時(shí)間周期T內(nèi)，有：

∫^T₀e^{－j（4πft+2φ}_ri+φ_ti）dt=0（14）

為了提高信噪比，將I、Q兩路進(jìn)行積累，由式（13）和式（14）可得在一個(gè)周期T內(nèi)的I、Q路積累值分別為

AccI=Tε_iB_iγ_i2cos φ_ti（15）

AccQ=Tε_iB_iγ_i2sin φ_ti（16）

然后根據(jù)式（15）和式（16）求反正切，即可得出該通道相位校正值φ_ti：

φ_ti=tan^－1AccQAccI（17）

步驟 2.2 發(fā)射通道幅度校正

在對發(fā)射通道幅度進(jìn)行校正時(shí)，首先需要將接收的信號消除接收通道幅度誤差值的影響，可用下式說明：

S（t）=S_ti（t）R_{amp_i}=B_iγ_icos（2πft+φ_ri+φ_ti）（18）

同理，對發(fā)射通道幅度校正的原理可用下式說明：

E_ti（t）=∫^T₀S（t）²（t）dt=T2B²_iγ_i²（19）

P_ti（t）=E_ti（t）=T2B_iγ_i=kγ_i， k=T2B_i （20）

乘以上注因子Δ_ti，以消除k的影響，然后取倒數(shù)，即可得到該通道的幅度校正值R_{amp_ti}。

R_{amp_ti}=1Δ_tiP_ti（t）=1γ_i（21）

3 幅相校正算法仿真測試

通過仿真軟件測試，驗(yàn)證海洋4A散射計(jì)幅相校正算法的性能，包括幅度校正和相位校正的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。通過仿真測試，可以評估算法在不同誤差場景下的表現(xiàn)，并確定其是否能滿足高精度海洋觀測的要求。幅相校正算法的仿真結(jié)果表明，在預(yù)設(shè)的誤差條件下，如將接收通道相對于參考通道引入30°的相位誤差，經(jīng)過相位校正算法處理后，對通道的相位校正值的均值接近于30°。值得注意的是，因?yàn)楸疚南嗫仃嚿⑸溆?jì)系統(tǒng)的10個(gè)通道相互獨(dú)立，該仿真軟件測試是以1個(gè)通道評估算法的可行性。經(jīng)過2 000多次校正以驗(yàn)證算法的穩(wěn)定性，結(jié)果顯示該算法在相位校正的實(shí)時(shí)估計(jì)誤差方面表現(xiàn)良好，誤差較小。對于幅度校正，仿真實(shí)驗(yàn)獲得了一致有效的幅度校正結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示在圖4和圖5中，在仿真中生成的信號幅度和相位相對于參考信號是有誤差的，預(yù)設(shè)該通道的發(fā)射鏈路和接收鏈路存在30°的相位誤差和相對于參考信號幅度5%的幅度誤差，經(jīng)過校正，相位誤差校正值分布在28.5°～32.5°，幅度相對于參考信號也都在1°左右，表明該算法能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)幅相校正。綜上所述，通過針對單個(gè)通道的仿真評估，驗(yàn)證了算法的可行性，為算法在FPGA上的實(shí)施打下了基礎(chǔ)。

4 FPGA實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

FPGA負(fù)責(zé)將幅相校正算法轉(zhuǎn)化為硬件邏輯，實(shí)現(xiàn)幅度和相位的計(jì)算、誤差校正和校正因子的生成。在實(shí)現(xiàn)過程中，通過以上優(yōu)化方法，獲得了顯著的效果，F(xiàn)PGA充分利用其并行計(jì)算能力，采用流水線和數(shù)據(jù)流等技術(shù)，將算法分解為多個(gè)并行計(jì)算階段，并優(yōu)化資源分配和數(shù)據(jù)流控制，以提高算法的運(yùn)行效率和實(shí)時(shí)性。同時(shí)，F(xiàn)PGA對時(shí)鐘頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，并最小化功耗。在資源管理方面，F(xiàn)PGA合理分配內(nèi)部資源，以滿足算法計(jì)算和資源利用率的需求。如表1所示，散射計(jì)星上FPGA幅相校正算法查找表（look-up table， LUT）資源利用率僅為0.52%，為實(shí)現(xiàn)星上信號處理算法、時(shí)序控制功能以及數(shù)據(jù)打包和數(shù)據(jù)傳輸功能等留下充足資源余量，為程序的三模冗余實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。最后，進(jìn)行FPGA硬件調(diào)試和驗(yàn)證，確保實(shí)現(xiàn)的幅相校正算法在硬件層面具有正確性和穩(wěn)定性。

幅相校正針對的是相控陣散射計(jì)系統(tǒng)中的10個(gè)通道之間存在的幅度和相位不一致性問題。在校正前，不同通道之間存在幅度和相位的差異，這會導(dǎo)致合成波束的形成受到影響，影響系統(tǒng)的性能和準(zhǔn)確性。幅相校正算法的設(shè)計(jì)和實(shí)施旨在消除這些差異，使得每個(gè)通道在幅度和相位上達(dá)到一致。校正后的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)各通道之間幅度和相位的一致性，各通道之間的幅度和相位誤差得到減小。

如圖6和圖7所示，從圖中可以觀察到在不同通道之間存在顯著的幅度和相位差異。這些差異可能由于系統(tǒng)鏈路中發(fā)射機(jī)單元、接收機(jī)單元和微波前端等器件參數(shù)不匹配或工作狀態(tài)的變化所導(dǎo)致。在校正前，可以觀察到10個(gè)通道之間的幅度和相位差異較大。然而，經(jīng)過幅相校正后，各通道的幅度和相位誤差顯著減小，實(shí)現(xiàn)了更好的一致性。圖8和圖9展示了散射計(jì)在正常工作時(shí)校準(zhǔn)時(shí)序所得到的發(fā)射通道和接收通道的幅相校正值。通過對單個(gè)通道的幅相校正精度進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：幅度校正值的穩(wěn)定度在5%之內(nèi)，相位校正值的穩(wěn)定度在5°之內(nèi)。這些結(jié)果證明了所提出的幅相校正算法在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和有效性，具有穩(wěn)定的幅度和相位校正值，為散射計(jì)系統(tǒng)的性能提升和高精度觀測提供了可靠的基礎(chǔ)。

在對海洋4A散射計(jì)系統(tǒng)的測試中，搭建了如圖10所示的測試場景，在測試系統(tǒng)波束合成的性能時(shí)，保持掃描天線在垂直方向固定，通過在水平移動滑軌上等間距地移動掃描架的位置，記錄每個(gè)位置點(diǎn)的合成波束信號功率值。分別在不進(jìn)行幅相校正和進(jìn)行幅相校正的模式下進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖11（a）和圖11（b）所示。從結(jié)果可以看出，未進(jìn)行幅相校正時(shí)，合成的波束主瓣展寬、旁瓣電平提高，波束發(fā)生畸變;在進(jìn)行幅相校正后，數(shù)字波束合成的波束質(zhì)量和理論仿真基本一致。雖然相比于理論仿真結(jié)果，實(shí)測結(jié)果主瓣變窄、副瓣下降，這可能是由在FPGA優(yōu)化實(shí)現(xiàn)過程中采取了一系列優(yōu)化措施，包括并行計(jì)算、流水線技術(shù)和時(shí)序優(yōu)化等而導(dǎo)致的。這些優(yōu)化措施改善了幅相校正算法的性能，并提高了系統(tǒng)的處理速度和實(shí)時(shí)性。通過優(yōu)化硬件資源分配和并行計(jì)算，有效地減少了系統(tǒng)中的幅度和相位誤差，從而導(dǎo)致了實(shí)測結(jié)果主瓣變窄和副瓣下降的現(xiàn)象。但這并不意味著對實(shí)現(xiàn)高精度測量有負(fù)面影響。實(shí)際上，這種現(xiàn)象表明校正算法在改善系統(tǒng)性能的同時(shí)，并未引入額外的誤差或損失。相反，通過減小主瓣寬度和降低副瓣水平，提高了系統(tǒng)的測量精度。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于FPGA的相控陣散射計(jì)通道幅相校正算法。該算法利用單頻信號的頻率穩(wěn)定性和簡單性，對接收到的單頻信號進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了通道的幅度和相位校準(zhǔn)。經(jīng)過仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)分析，得到了以下結(jié)論。

首先，所提出的算法能夠有效地對相控陣散射計(jì)通道進(jìn)行幅相校準(zhǔn)，減小通道之間的幅度和相位差異，提高數(shù)字波束合成的性能。與傳統(tǒng)的基于復(fù)雜信號的幅相校正算法相比，該算法具有更高的實(shí)時(shí)性和簡易性，能夠更快地完成通道幅相校準(zhǔn)，并且不需要對信號進(jìn)行復(fù)雜的處理。其次，經(jīng)過實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)所提出的算法在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的可行性和穩(wěn)定性。在仿真和實(shí)測中，所校準(zhǔn)的相控陣散射計(jì)通道的幅度和相位平均誤差小于1%，這證明了所提出算法的有效性和可靠性。綜上所述，本文提出的基于FPGA的實(shí)時(shí)幅相校正算法為相控陣散射計(jì)數(shù)字波束合成技術(shù)的應(yīng)用提供了一種簡單、實(shí)時(shí)、高效的通道幅相校準(zhǔn)方案，為海洋4A衛(wèi)星散射計(jì)的性能提升和應(yīng)用拓展提供了重要支持。

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作者簡介

劉永慶（1998—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)镕PGA信號處理、新體制雷達(dá)技術(shù)。

劉 鵬（1983—）男，高級工程師，博士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)高度計(jì)系統(tǒng)技術(shù)、微波遙感信號處理技術(shù)。

云日升（1974—），男，副研究員，博士，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄟb感系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)預(yù)處理。

張祥坤（1972—），男，研究員，博士，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄟb感探測與成像理論技術(shù)、新體制雷達(dá)技術(shù)。

王 特（1989—），男，高級工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星有效載荷的定標(biāo)和研制、雷達(dá)高度計(jì)定標(biāo)、微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)相關(guān)技術(shù)。