摘 要：星載合成孔徑雷達(dá)中，脈沖重復(fù)頻率(PRF)是非常重要的參數(shù)。它的選擇受到很多因素的影響，尤其是受到發(fā)射干擾、星下點(diǎn)回波、距離模糊以及方位模糊的影響，也正是受到這些因素的影響，導(dǎo)致在不同的工作模式下，PRF的選取有很大的差異。這里在研究常用的條帶工作模式下PRF選取的基礎(chǔ)上，討論了聚束和滑動聚束模式下PRF選取的特殊性，給出了這兩種工作模式下PRF選取的方法，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證其有效性。



關(guān)鍵詞：脈沖重復(fù)頻率； 工作模式； 方位模糊; 孔徑雷達(dá)

中圖分類號：

TN95834

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004373X(2012)05

0025

04



Optimal selection of PRF for spaceborne synthetic aperture radar in different working mode



CHEN Yingying， GAO Yang， HE Yonghua

(Department of Optical and Electrical Equipment， Academy of Equipment， Beijing 101416， China)



Abstract：

PRF is an important parameter in spaceborne synthetic aperture radar， which is affected by many factors， especially by emission interference， substellar point echo wave， range ambiguity and azimuth ambiguity. For these factors， the choice of the PRF is variant. On the basis of selecting PRF in common working mode， the selection of PRF in spotlight mode and sliding spotlight mode is discussed. The selection method of the PRF is proposed. At last， the simulation presents the method′s effectiveness.



Keywords： pulse repetition frequency; working mode; azimuth ambiguity; aperture radar





收稿日期：20111021

0 引 言

脈沖重復(fù)頻率(PRF)是合成孔徑雷達(dá)最重要的幾個參數(shù)之一。它的大小將影響到其他雷達(dá)參數(shù)的選擇，并直接影響雷達(dá)的性能，它與許多參數(shù)都有著密切的關(guān)系。其中影響PRF選擇的參數(shù)有雷達(dá)速度、天線長度、測繪帶寬、入射角度、脈沖寬度、飛行高度等；PRF的值也會影響到發(fā)射信號峰值功率、數(shù)據(jù)率等參數(shù)值，并左右雷達(dá)距離模糊和方位模糊地大小。所以選擇合適的PRF是雷達(dá)設(shè)計中極為關(guān)鍵的部分。

在合成孔徑雷達(dá)的一些硬性參數(shù)固定后，例如雷達(dá)速度、天線長度、飛行高度等已經(jīng)確定的情況下，不同工作模式下，脈沖重復(fù)頻率的選擇也是不同的。

1 基本原理

當(dāng)衛(wèi)星軌道高度較高時，在任一時刻不僅有多個被觀測區(qū)域的回波信號在空間傳播，而且，還有多個星下點(diǎn)回波信號在空間傳播。因此，回波窗(對應(yīng)測繪帶)的位置一定要避開發(fā)射信號和星下點(diǎn)信號的干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，往往要先畫出一個PRF與入射角或地距的平面圖，以使測繪帶和PRF的選擇避開發(fā)射信號和星下點(diǎn)的干擾［1］。

1.1 避開星下點(diǎn)回波的影響?yīng)?/p>

如圖1所示，假設(shè)星下點(diǎn)回波是在第k個發(fā)射脈沖之后Δ1時間到達(dá)接收端的，其寬度取為發(fā)射脈沖寬度的2倍，即2τr。觀測帶的有用回波信號是在第i個發(fā)射脈沖之后Δ2時間開始到達(dá)接收端的，其時間散布為Tw=2Rfc－2Rnc。其中Rf和Rn分別為SAR到觀測帶遠(yuǎn)距端和近距端的距離。也就是說，下列關(guān)系式成立：

1.2 避開發(fā)射脈沖的遮掩

星載SAR一般采用收發(fā)共用天線。當(dāng)天線發(fā)射信號時，無法接收觀測帶內(nèi)的有用回波信號，因此需要合理選擇脈沖重復(fù)頻率，使觀測帶內(nèi)回波信號的接收時間與脈沖發(fā)射時間錯開，并使觀測帶回波信號錄取窗口限于一個脈沖重復(fù)周期內(nèi)。為了避免發(fā)射脈沖干擾，要求觀測帶內(nèi)所有的回波能夠在同一脈沖重復(fù)周期Tr內(nèi)到達(dá)接收機(jī)。發(fā)射脈沖不落入回波接收窗的條件是:

距離向模糊和方位向模糊取決于脈沖重復(fù)頻率(PRF)的選擇和測繪帶(或稱數(shù)據(jù)窗)的位置。較低的PRF會使方位向模糊增加；較高的PRF會增加距離向模糊，或者使測繪帶寬度受限。因此，PRF的選取還受到距離向和方位向模糊的影響。

1.3 避開距離模糊和方位模糊

(1) 避免距離模糊

對于星載聚束模式SAR而言，由于軌道高度較大，收發(fā)脈沖不在同一脈沖重復(fù)周期內(nèi)。若脈沖重復(fù)頻率過大，使得觀測帶內(nèi)有用回波超出一個脈沖重復(fù)周期，就會產(chǎn)生有用回波信號的混疊，使圖像質(zhì)量下降或無法成像。由于聚束模式SAR、滑動聚束SAR和條帶模式SAR的工作原理可以知道，聚束模式和滑動聚束模式的距離向照射方式與條帶模式一樣，所以脈沖重復(fù)頻率的上限制約條件為：

fr≤1/Tw

(10)



式中：Tw=2Wsin θfc，θf為觀測帶遠(yuǎn)距端的波束入射角，W為合成孔徑雷達(dá)的觀測帶寬度，c為光速。

(2) 避免方位向模糊

由天線方位向和俯仰向的約束關(guān)系，根據(jù)Naquist采樣定理，方位向采樣頻率(PRF)應(yīng)該大于方位向多普勒帶寬，即可以得出下列約束關(guān)系:

1.4 不同工作模式下PRF選取的差異

隨著星載合成孔徑雷達(dá)的蓬勃興起，星載合成孔徑雷達(dá)也呈現(xiàn)出多模式的發(fā)展趨勢。在此以條帶模式、聚束模式和滑動聚束模式為例，討論這幾種工作模式下PRF選取的差異。

由上面的分析可以得出，影響PRF選取的三個方面，星下點(diǎn)回波和發(fā)射脈沖干擾的影響對于三種工作模式來說是一致的，而對于方位模糊和距離模糊的影響則是有差異的，具體表現(xiàn)在，距離模糊上，由于不同工作模式下，合成孔徑雷達(dá)的觀測帶寬度是不一樣的，因此也就影響到了PRF的上限制約條件。對于方位模糊，影響的主要因素在三種工作模式的方位向多普勒頻率歷程上，由于三種工作模式的方位向多普勒頻率歷程差異很大，因而PRF的下限約束條件也就有了明顯的差異。這里不做公式推導(dǎo)，為分析方便，這里只給出三種工作模式下的方位多普勒頻率表達(dá)式［2］。

2 仿真分析

2.1 避開發(fā)射脈沖干擾和星下點(diǎn)回波干擾的仿真分析

假設(shè)星載SAR運(yùn)行在太陽同步軌道上，其軌道平均高度h=792 km，并假設(shè)地球?yàn)榫鶆驁A球體，地球半徑Re=6.378 14×106 m，脈沖寬度Tp=42 μs，保護(hù)時間設(shè)為0.5Tp，另外所選擇的最小和最大可能的脈沖重復(fù)頻率fpmin=1 000 Hz，fpmax=3 000 Hz，可視觀測帶對應(yīng)的最小和最大入射角分別為θmin=15°，θmax=50°。根據(jù)這些參數(shù)，得到的仿真\\[34\\]斑馬圖如圖2，圖3所示。

菱形區(qū)域?yàn)槊}沖重復(fù)頻率可選擇的區(qū)域。由仿真結(jié)果可看出，保護(hù)時間越短，“斑馬圖”看起來越稀疏，也就是說可選擇的脈沖重復(fù)頻率相對較多。這個結(jié)果不難理解，保護(hù)時間長了，相應(yīng)的回波可選擇余地就小了，因而可選擇的脈沖重復(fù)頻率就相對較小，“斑馬圖”看起來也就較密集。

2.2 方位模糊對PRF選取的影響?yīng)?/p>

由第1節(jié)的理論分析可以看出，不同工作模式下，方位向多普勒帶寬差異很大，因此這就對PRF的優(yōu)化選取產(chǎn)生很大的影響。這里采用表1所示的仿真參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)給定的仿真參數(shù)和方位向多普勒帶寬的公式，可以計算出表2所示的參數(shù)值。

針對不同的工作模式，采用表1和表2的仿真參數(shù)，根據(jù)模糊度的公式［56］，可以得到圖4~圖6所示的不同工作模式的方位模糊度優(yōu)化曲線，根據(jù)曲線和成像對模糊度的要求，可選擇出需要的PRF取值。

從圖中可以看出，不同的方位位置下，條帶模式的方位模糊度是不變的，而對于滑動聚束模式和聚束模式下，它的方位模糊度是隨方位向位置的不同而發(fā)生變化。同時，可以發(fā)現(xiàn)，如果脈沖重復(fù)頻率直接采用方位向多普勒帶寬，方位模糊度不滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求，尤其是滑動聚束模式，直接采用方位向多普勒帶寬，方位模糊度會發(fā)生很大的變異。致使無法滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。這也就體現(xiàn)了方位去斜的重要性了。另外，單從方位模糊度優(yōu)化PRF的選取的角度，可以從仿真圖形中明顯地分析出，同樣地參數(shù)條件下，滑動聚束模式下，PRF可選擇的范圍要比聚束模式下的可選擇范圍小。

圖4 條帶模式的方位模糊度

通過進(jìn)一步分析可以看出，在測繪帶范圍內(nèi)，測繪帶中心位置附近，方位模糊度的變化較平穩(wěn)，而邊緣就相對較大?；瑒泳凼Ｊ较?，測繪帶中心位置附近方位模糊度的變化范圍要比聚束模式的變化范圍平穩(wěn)一些，出現(xiàn)這種情況的原因在于，滑動聚束模式的測繪帶范圍較聚束模式的大，某種情況下，趨向于條帶模式，因此方位向多普勒帶寬的變化也就相對平滑很多。通過進(jìn)一步分析，從繪制的斑馬圖以及方位模糊度函數(shù)圖中，可以初步確定出三種不同工作模式下的PRF，如表3所示。

根據(jù)確定的PRF取值可以看出，滑動聚束模式的

取值更趨向于選擇與條帶模式相當(dāng)?shù)闹?，而與聚束模式的取值差距較大。當(dāng)然這種取值并不是惟一確定的，只是在可允許的取值范圍內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求以及硬件的要求進(jìn)行選擇。只要符合理論要求的取值，都是正確的。

3 結(jié) 語

通過上面的理論推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，星載合成孔徑雷達(dá)不同工作模式下的脈沖重復(fù)頻率是不一樣的，也就是說，星載合成孔徑雷達(dá)在不同工作模式的轉(zhuǎn)換過程中，不僅天線和發(fā)射脈沖寬度等參數(shù)發(fā)生變化以適應(yīng)合成孔徑雷達(dá)的工作模式的要求，它的脈沖重復(fù)頻率也要隨工作模式的變化而變化。這也為以后對星載合成孔徑雷達(dá)工作模式的偵察提供了一個有力的判定標(biāo)準(zhǔn)，對星載合成孔徑雷達(dá)的偵察具有一定的參考意義。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］袁孝康.星載合成孔徑雷達(dá)導(dǎo)論［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.



［2］劉寒艷，宋紅軍，程增菊.條帶模式、聚束模式和滑動聚束模式的比較［J］.中國科學(xué)院研究生院學(xué)報，2011，28(3):410417.



［3］劉永坦.雷達(dá)成像技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999.



［4］魏鐘詮.合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.



［5］張澄波.綜合孔徑雷達(dá)原理、系統(tǒng)分析與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，1989.



［6］程增菊，宋紅軍，徐海勝.去斜滑動聚束模式SAR方位模糊度分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(10):22152219.



作者簡介：

陳穎穎 女，1982年出生，山東威海人，在讀博士研究生。主要研究方向?yàn)榭臻g信息對抗、雷達(dá)信號處理。

高 陽 男，1988年出生，河南杞縣人，在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)殡娮訉埂?/p>