● 摘要
毫米波成像系统具有较好的穿透力和空间分辨率，已广泛用于电子对抗、目标识别、遥测遥感、地理气象、民航空管、安检安防等领域，成为近年国内外的研究热点。不同体制的毫米波成像系统具有不同的性能极限，如辐射测量精度及成像分辨率等，如何使系统成像性能向这些极限进一步靠拢取决于每个核心部件对系统性能的影响。因此，从系统性能角度分析核心部件的性能需求是提高成像系统性能中亟待解决的问题之一。目前，国内外文献针对部件性能对毫米波成像系统性能的影响分析尚不充分。
频率合成器是毫米波成像系统的核心部件，匹配系统性能分析的频率合成设计方法成为进一步提高成像性能的瓶颈问题之一。在基于综合孔径辐射计的毫米波成像仪（Synthetic Aperture Interferometric Radiometer Imager，SAIR成像仪）系统设计中，频率合成器为数字处理机子系统提供参考时钟，同时为毫米波接收机系统提供相干本振信号。在数字处理机参考时钟网络性能论证中，时钟抖动和歪斜引入的通道响应不稳定性以及通道间不一致性会增大信号量化过程中的误差，导致图像辐射测量精度变差；在接收机本振及分配网络中，多通道本振的绝对、相对相位噪声不一致性会恶化信号相位传递过程，也会导致图像辐射测量精度恶化。由于现有文献对这两个问题仅进行了部分定性分析，本文对SAIR成像仪频率合成器设计方法开展了深入研究，从成像辐射测量性能恶化分析角度对数字参考时钟传输网络性能及本振信号频率合成信号设计提出了详细的性能需求和定量论证方法，并进行了实验验证，为相关系统频率合成器设计提供了理论依据和实验验证方法。本文主要研究内容包括：
1，频率合成技术的详细讨论。从频率合成的分类与应用、主要参数、间接频率合成技术、直接数字频率合成（Direct Digital Synthesis，DDS）技术及混合频率合成技术等方面对各种频率合成技术进行概述，并简述了典型设计与分析方法。
2，基于可视度不确定度分析的频率合成器指标分析研究。北航SAIR成像仪采用干涉式综合孔径被动式辐射测量技术，利用稀疏天线阵列将视场范围内的场景辐射亮温通过相关算法获得可视度函数样本，并对多个样本进行反演，生成亮温图像，实现高灵敏度的24帧/秒实时近场人体隐匿危险品安检成像。
SAIR成像仪频率合成器指标分析研究主要内容包括：（1）通过SAIR成像原理及设计方案，明确了可视度不确定度与图像辐射测量精度的定量关系；（2）针对模拟下变频和数字量化的信号处理过程，给出了可视度样本三种测量值及不确定度分析方法，建立了基于平均测量值的可视度不确定度评价体系；（3）通过条纹洗涤误差分析了数字参考时钟网络的不稳定性及不一致性对可视度不确定度的恶化机制，并具体化为时钟抖动和歪斜约束条件；（4）定量分析高阶采样量化对可视度不确定度的影响，提出了有效量化位数、孔径抖动和歪斜约束条件，并分析了低阶1bit量化结构对可视度不确定度的影响，提出了时钟抖动和歪斜约束条件；（5）定量分析了本振相位噪声对可视度不确定度的恶化机制，对噪声进行了全微分建模并给出了不确定度误差上限，建立了基于实时成像积分时间的偏移频率分区方法，并对各区间内的相位噪声设计了抑制模型。
3，SAIR成像仪数字参考时钟网络设计研究，主要包括：（1）针对高阶采样量化结构，讨论了孔径抖动和时钟抖动的关系，设计了时间间隔误差与相位噪声的等效方法及歪斜校正方法，并对时钟分配网络设计及抖动和歪斜约束条件进行了实验验证；（2）针对直接1bit量化结构，讨论了双通道验证电路模块及时钟网络的设计与实现，并进行了抖动和歪斜约束条件的实验验证。
4，SAIR成像仪本振信号频率合成设计研究，主要包括：（1）按照本振相位噪声抑制模型要求，按照积分相位误差等效方法进行了指标分析；（2）研制了本振信号频率合成单元，对功分网络输出端口的相位噪声按照抑制模型要求进行了频率合成设计，并对多个本振输出信号性能进行了测量；（3）对本振相位噪声对应的可视度不确定度双通道验证实验进行了方案设计及实测验证，证明了相位噪声抑制模型的必要性和有效性。