高稳微波合成与频率传递及其在双基地SAR雷达中的应用

发布时间：2020-07-22 09:21

【摘要】：高精度、高稳定度微波频率源是束型原子钟系统重要组成部分。束型原子钟将电振荡信号锁定到原子基态超精细能级跃迁频率上,实现高稳定度的频率信号输出。高稳频率源是通讯、导航、计量、深空探测、基础科学研究等领域的基础,更是国防和国家安全的重要保证。目前包括商用铯束原子钟在内的原子频标系统国外对我国保持禁运,高稳微波频率源的研究意义在于突破国外在原子频标领域对我国的技术封锁,为商用原子频标领域的国产化进程做出贡献。将产生于实验室中的高稳微波频率信号,通过激光在大气或者水下实现高精度频率传递,为构建大气或水下原子频标信号的传递链路提供理论和实验支撑,具有重要的科学意义与应用价值。基于原子频标的微波频率产生和基于激光的大气高精度频率传递相结合,应用于双基地合成孔径雷达(Synthetic-Aperture Radar,SAR)本振信号同步中,可在GPS受到人为干扰或切断时,提供一种新的相位同步方式,对国家安全和自然灾害的应急处置具有重要意义。本论文针对基于原子频标的高稳微波频率合成,高精度大气及水下频率传递和双基地SAR雷达本振信号同步等问题展开深入研究和分析,旨在打破国外对我国在相关技术领域的禁运和封锁,主要内容分为四部分。(1)基于原子频标的高稳微波频率产生技术研究。重点研究高微波频率源的产生,使其准确激发铯原子基态超精细能级跃迁。首先对高稳微波频率合成进行理论分析和仿真,设计了倍频器与双锁相环相结合的结构,实现微波信号的产生,并对输出信号的相位噪声和相位跟踪时间进行了详细的测试和分析。测试结果显示,在偏移载波频点1 Hz和10 Hz处,绝对相位噪声与理论值保持一致。同时,对基于光电振荡器(Opto-Electronic Oscillator,OEO)的原子频标产生技术进行了研究和分析,设计和搭建了单环结构OEO频率产生装置,并进行了相位噪声指标的测试,为基于OEO结构的高稳频率产生技术做了探索性研究。设计并实现了一种可同时激发Rb和Cs两种原子跃迁的双模Ramsey微波谐振腔。最后,将高稳微波频率综合器与Ramsey微波谐振腔结合到原子钟系统中,测试了原子钟的不稳定度,测试结果与高稳微波频率信号的不稳定度保持一致。(2)基于激光的大气频率传递技术研究。重点研究和分析频率传递链路中由大气湍流引入的时延波动,并研究消除或降低时延波动的方法。首先深入研究了基于激光的大气频率传递理论,详细分析了大气湍流对频率传递带来的影响,并建立了大气频率传递的理论模型。提出了基于单路电学相位补偿的自由空间大气频率传递技术。实验结果表明:该电学补偿技术有效抑制了时延波动,经补偿后,1 GHz频率信号在l00m传递链路中,不稳定度指标为2×10-13@1 s和2×l0-16@ 1000s,优于商用铯束原子钟(5071A)2～3个数量级,为在大气中搭建原子频标传递链路提供了理论和实验支撑。(3)基于激光的水下频率传递技术研究。重点研究和分析频率传递链路中由水下湍流引入的时延波动以及消除或降低时延波动的方法。首先研究了不同水体环境对水下频率传递的影响,分析了水下频率传递面临的问题,并借鉴大气湍流理论模型,评估水下湍流对频率传递的影响。同时,设计了水下频率传递实验装置,在传递距离为3 m、6 m和9 m时,进行100 MHz频率传递实验。在此基础上,提出了基于电学相位补偿的水下频率传递技术,实现由水下湍流引入的时延波动的抑制。100 MHz频率信号在传递距离为5 m时,补偿后5000 s内时延波动均方根值为2.1 ps,频率不稳定度为5×l0-13@1 s和7×l0-16@ 1000 s。相比无补偿状态降低了约1个数量级,有效地抑制了时延波动,为搭建原子频标水下传递链路做了探索性工作。(4)基于高稳微波源与高精度频率传递技术实现双基地SAR相位同步研究。双基地SAR发射机和接收机本振信号相位同步是其研究领域中的基础性内容。本文详细分析了双基地SAR系统对相位同步的需求,以及同步误差对成像的影响。结合高稳微波频率产生技术,设计了基于大气频率传递技术实现双基地SAR本振信号相位同步方案;同时采用大气频率传递实验中测量得到的真实数据,对同步后的双基地SAR做了同步仿真分析。研究结果证明了高稳微波频率产生技术和高精度大气频率传递技术应用于同步双基地SAR本振信号的可行性。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN958
【图文】：

时间测试,跳变,相位

相位跳变约犷时跟踪时间测试

相位噪声,综合器

CEO综合器相位噪声侧试结果

【参考文献】