FPGA development for measuring differential phase in real time

Abstract

Technology assessment and proof of concept prototypes are necessary first step before any new concept and idea can be deployed as a fully proved on-board system. In this approach a radar cross-track interferometer has been constructed along with an integrated digital processing system capable of monitoring temperature and other operating conditions in order to design and test a new generation of radar systems with higher resolution level and a wider swath. Cross-track interferometry is a remote sensing technique that relays on the measurement of phase difference between two data channels to infer characteristics about the target being observed. This type of radars are primarily sensitive to phase and changes in the transmitter characteristics where small differences in temperature can affect the overall performance of the system. Particularly, this thesis is based on the RF receive system of a radar that operates at a frequency of 35.75 GHz (wavelength of 8.4 mm). High frequency means that small fluctuations on the temperature in the two receive channels will manifest themselves as changes in the electrical path length. In this instance, phase differences not related with the measured topographic height will appear, possibly lading to significantly- increased error in the overall system. To address the thermally-induced phase error issue, an adaptive digital receive system have been implemented into a Filed-Programmable Gate Array (FPGA) capable, not just, of measuring and monitoring continuously the phase but also identifying the accuracy of the RF front-end's performance as a function of temperature and compensate these thermally-induced errors in real time. The complete system, the combination of RF and the adaptive digital receive system has been designed and constructed as part of the National Aeronautics and Space Administration (NASA) Surface Water Ocean Topography (SWOT) initiative.

L'avaluació tecnològica i la prova de prototips conceptuals és el pas previ necessari per l'implementació final del disseny en un sistema. Seguint aquest enfocament s'ha dissenyat una primera versió d'un radar cross-track interferometer, el qual incorpora un sistema de processat digital integrat capaç de controlar les fluctuacions de temperatura sobre el hardware del sistema de recepció RF i altres condicions de funcionament del sistema. Cross-track interferometry és una tècnica de teledetecció basada en la mesura de la difer ència de fase entre dos canals de dades per inferir característiques de l'objectiu. Aquest tipus de tècnica és principalment sensible a la tempreatura, on petites variacions d'aquesta en l'etapa de transmissió o recepció poden provocar canvis en la mesura de fase i el rendiment global del sistema. En particular, aquesta tesi es basa en l'etapa de recepció RF d'un radar que opera a freqüència 35,75 GHz (longitud d'ona de 8,4 mm). El funcionament a freqüències elevades provoca que, petites fluctuacions de temperatura en l'etapa de recepció del senyal, es manifestin com canvis en la longitud del camí elèctric. En aquest cas, la diferència de fase no és deguda a l'açada topogràfica del terreny, provocant un increment significatiu en l'error sobre tot el sistema global. Per abordar aquest problema s'ha dissenyat un sistema adaptatiu digital implementat sobre una Filed-Programmable Gate Array (FPGA) capaç, no tant sols de mesurar i monitoritzar la fase sinò també de compensar en temps real els errors sobre aquesta produïts per les fluctuacions de temperatura. El sistema complet, la combinació del subsistema RF i el subsistema de recepciò digital adaptable ha estat dissenyat i construït com a part del projecte Surface Water Ocean Topography (SWOT) iniciativa de la National Aeronautics and Space Administration (NASA).