劉 闖 洪香茹 張 濤

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)是一種可以進(jìn)行二維高分辨成像的雷達(dá)系統(tǒng)，可以全天時(shí)、全天候的工作，被廣泛用于戰(zhàn)場偵察、目標(biāo)識別、著陸導(dǎo)航、地形測繪、地質(zhì)探測、海洋監(jiān)測及自然災(zāi)害監(jiān)控等領(lǐng)域［1，2］。傳統(tǒng)的SAR系統(tǒng)通常工作在脈沖體制下，系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、重量重、成本高［3，4］，通常用在較大的搭載平臺，如運(yùn)輸機(jī)、直升機(jī)、大型無人機(jī)上。為了降低SAR系統(tǒng)的應(yīng)用條件和成本，需要研制小型化、低成本、可搭載在小型無人機(jī)上的SAR系統(tǒng)。思路有兩種:一種是針對脈沖體制的SAR系統(tǒng)，采用更加先進(jìn)的集成技術(shù)，研制高度集成的小型化前端和高性能的信處單元;另一種是采用新的成像體制，如基于調(diào)頻連續(xù)波的去調(diào)頻接收體制(Dechirp)［1，5］。對于第一種方法，由于技術(shù)條件的限制，其實(shí)現(xiàn)難度和風(fēng)險(xiǎn)較大，而且降低成本的空間很小;對于第二種方法，由于調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)已經(jīng)很成熟，而且其系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低、易于集成、功耗低、可靠性高、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)［6，7］，通過去調(diào)頻處理后，還可以大大降低對后端采樣系統(tǒng)的要求，因而成為小型化SAR系統(tǒng)發(fā)展的首選方案，得到了廣泛的應(yīng)用。

2 線性調(diào)頻連續(xù)波SAR成像處理分析

線性調(diào)頻連續(xù)波Dechirp原理為:將SAR回波信號和具有固定延時(shí)的發(fā)射信號做差頻處理，在頻域獲得距離高分辨能力。假設(shè)發(fā)射信號為鋸齒形線性調(diào)頻信號，信號形式如下:

其中:A0為信號幅度，由于對后續(xù)分析影響不大，可令其為1;fc為發(fā)射信號載頻;kr為信號調(diào)頻率，若信號帶寬為B，掃頻周期為T，則為以掃頻周期起始時(shí)刻為起點(diǎn)的時(shí)間，稱為快時(shí)間。

那么位于Ri處的目標(biāo)回波為:

設(shè)參考距離為Rref，參考時(shí)間為，那么參考信號為:

將參考信號和目標(biāo)回波信號做差頻處理，如圖1所示，忽略幅度影響后，可得基帶回波信號為:

其中:ΔRi=Ri-Rref。

通過以上分析可知，通過去調(diào)頻處理后，回波變?yōu)閱晤l信號，且其頻率與回波和參考信號的距離差成正比，且。因此，對去調(diào)頻后的信號做傅里葉變換，便可在頻域得到對應(yīng)的sinc狀的窄脈沖，脈沖寬度為，Tp為調(diào)頻周期，而脈沖在頻率軸上的位置與ΔRi成正比，如圖1b所示。由于變換到頻域后的窄脈沖寬度為可得距離分辨率為，與匹配濾波的結(jié)果相同。

圖1 去調(diào)頻脈壓示意圖

式(4)中，第一項(xiàng)為距離項(xiàng)，第二項(xiàng)為多普勒項(xiàng)，第三項(xiàng)為去調(diào)頻處理獨(dú)有的，稱為剩余視頻相位項(xiàng)(RVP)，它會使多普勒有少許的改變。由圖1可見，不同距離的目標(biāo)回波在時(shí)間上是錯(cuò)開的，稱為斜置，它并不帶來有用信息，還會給后續(xù)處理帶來不便，應(yīng)設(shè)法將其去除，稱為去斜處理，去斜后的同時(shí)RVP項(xiàng)也隨之消失。為了完成上述工作，將(4)式的差頻信號以參考點(diǎn)的時(shí)間為基準(zhǔn)對快時(shí)間做傅里葉變換，可得:

其中:第一項(xiàng)為多普勒項(xiàng)，第二項(xiàng)為RVP項(xiàng)，第三項(xiàng)為包絡(luò)斜置項(xiàng)。除了第一項(xiàng)外，后兩項(xiàng)均應(yīng)去除。由于，因此后兩項(xiàng)相位項(xiàng)可變?yōu)?

令

給式(5)乘以(7)式就可將RVP項(xiàng)和包絡(luò)斜置項(xiàng)都去除掉。

通過以上處理，距離向壓縮就已經(jīng)完成，后續(xù)的方位向處理和脈沖體制的SAR處理過程相似，在此不再進(jìn)行分析，完整的SAR成像處理過程如圖2所示。

圖2 SAR成像處理框圖

3 小型合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)小型合成孔徑雷達(dá)體積小、重量輕、成本低的要求，結(jié)合調(diào)頻連續(xù)波去調(diào)頻體制的特點(diǎn)，在保證系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的前提下，采用以下設(shè)計(jì)方案。

天線系統(tǒng)設(shè)計(jì):由于系統(tǒng)采用調(diào)頻連續(xù)波體制，因此必須采用收發(fā)分置的雙天線結(jié)構(gòu)，為了減小天線的體積和重量，結(jié)合調(diào)頻連續(xù)波體制的雷達(dá)作用距離近、發(fā)射功率較小的特點(diǎn)，可采用微帶天線。

波束穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計(jì):波束穩(wěn)定一般通過伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，它往往占據(jù)系統(tǒng)相當(dāng)份額的體積和重量，很難進(jìn)行優(yōu)化。為了控制系統(tǒng)的體積和重量，本設(shè)計(jì)采用常平架結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)定方案，將雷達(dá)系統(tǒng)集成在一個(gè)常平架結(jié)構(gòu)的機(jī)箱內(nèi)，靠整個(gè)系統(tǒng)的自重和特別的重心設(shè)計(jì)，結(jié)合很寬的俯仰波束(如:40°)，保證波束始終照射到成像測繪帶內(nèi)，這樣就可以省去伺服系統(tǒng)。常平架結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 常平架穩(wěn)定結(jié)構(gòu)示意圖

收發(fā)前端設(shè)計(jì):為了減小系統(tǒng)的體積和重量，將發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和頻綜集成為一個(gè)綜合的收發(fā)前端。頻綜負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)各種頻率源的產(chǎn)生，并為發(fā)射模塊提供發(fā)射激勵(lì)信號，為接收模塊提供參考本振信號;發(fā)射模塊將發(fā)射激勵(lì)信號進(jìn)行放大，接收模塊進(jìn)行去調(diào)頻接收。由于采用連續(xù)波體制工作，并且發(fā)射信號功率不是很大(一般為幾十瓦)，因而不需要高壓和調(diào)制電路，可采用固態(tài)發(fā)射模塊，一方面可以降低發(fā)射模塊的體積和重量，另一方面還可以提高系統(tǒng)的可靠性。收發(fā)系統(tǒng)采用不同的通道，通過收發(fā)控制脈沖控制通道的工作切換，易于提高收發(fā)通道的隔離度和系統(tǒng)的可控性。集成化收發(fā)前端結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 集成化收發(fā)前端結(jié)構(gòu)示意圖

預(yù)失真的寬帶信號產(chǎn)生模塊:預(yù)失真的寬帶信號產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生預(yù)失真的寬帶發(fā)射信號。為了提高距離向分辨率，需要發(fā)射大帶寬時(shí)寬積的線性調(diào)頻信號，由于目前技術(shù)水平的限制，系統(tǒng)帶寬達(dá)到一定程度時(shí)容易引起信號畸變，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。為了降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，保證成像質(zhì)量，可采用預(yù)失真的信號產(chǎn)生技術(shù)，具體方法是通過儀器測出系統(tǒng)對信號的失真特性，通過數(shù)字的方法對發(fā)射信號進(jìn)行反向的預(yù)失真，然后將預(yù)失真的信號進(jìn)行數(shù)模變換，供前端產(chǎn)生發(fā)射激勵(lì)信號，這樣就能通過數(shù)字的方法校正系統(tǒng)誤差，保證信號質(zhì)量。預(yù)失真的寬帶信號產(chǎn)生模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 預(yù)失真的寬帶信號產(chǎn)生模塊結(jié)構(gòu)示意圖

高速AD采樣模塊:高速AD采樣模塊負(fù)責(zé)對來自接收機(jī)的去調(diào)頻信號進(jìn)行采樣。采用去調(diào)頻接收技術(shù)，雖然沒有降低對信號采樣率的要求，但是卻大大降低了對信號采樣帶寬的要求，因而大大降低了AD采樣模塊的設(shè)計(jì)成本。AD采樣模塊可采用高速AD芯片+高性能FPGA芯片的方法，一方面實(shí)現(xiàn)高速AD采樣功能，另一方面還可以實(shí)現(xiàn)信號預(yù)處理功能，減小信處的處理壓力，如圖2的去斜和距離向FFT運(yùn)算就可以在此進(jìn)行。高速AD采樣模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 高速AD采樣模塊結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)時(shí)成像處理模塊:實(shí)時(shí)成像處理模塊用于進(jìn)行SAR實(shí)時(shí)成像處理，主要包括距離向FFT運(yùn)算、去斜處理、方位向FFT運(yùn)算、距離走動(dòng)和距離彎曲校正、方位向頻域匹配函數(shù)產(chǎn)生、方位脈壓等。實(shí)時(shí)成像處理模塊可采用高速DSP芯片+FPGA的方案，其中FPGA主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和分發(fā)，并實(shí)現(xiàn)和無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的接口，DSP主要負(fù)責(zé)成像運(yùn)算和圖像壓縮。實(shí)時(shí)成像處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

在以上設(shè)計(jì)中，可以將預(yù)失真的寬帶信號產(chǎn)生模塊和高速AD采樣模塊合并為一個(gè)模塊，這樣可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的集成度，但是應(yīng)該注意電磁兼容問題，防止信號間的相互干擾。此外，后端的信號產(chǎn)生模塊、AD采樣模塊、信號處理模塊采用PC104-Plus架構(gòu)，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的集成度。按照上述方案設(shè)計(jì)的小型合成孔徑雷達(dá)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示，其中的顯控計(jì)算機(jī)用于系統(tǒng)調(diào)試。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)性能，以運(yùn)-5飛機(jī)為平臺對該雷達(dá)進(jìn)行了掛飛驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)時(shí)，載機(jī)沿直線飛行，飛行高度1800m，飛行速度180km/h，采用距離多普勒算法(RDM)，利用慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，成像結(jié)果如圖9所示，分辨率1m×1m。由圖可見，該系統(tǒng)成像結(jié)果聚焦很好，能夠獲得清晰的地面SAR圖像，說明系統(tǒng)方案有效可行。

圖9 SAR成像結(jié)果，分辨率1m×1m

5 結(jié)論

通過對線性調(diào)頻連續(xù)波去調(diào)頻體制的信號處理過程和特性進(jìn)行分析，針對其特點(diǎn)，采用收發(fā)分置的雙天線方式，通過收發(fā)通道可控的切換工作方法來提高收發(fā)隔離度;采用俯仰向?qū)挷ㄊ涂傮w常平架結(jié)構(gòu)，省去了伺服系統(tǒng)，減小了系統(tǒng)的體積和重量;采用去調(diào)頻接收的方法降低了對后端數(shù)據(jù)采樣帶寬的要求，簡化了后續(xù)的成像處理過程;采用數(shù)字化寬帶信號產(chǎn)生及預(yù)失真方法，來補(bǔ)償系統(tǒng)通道的非理想因素，提高信號品質(zhì)，保證成像質(zhì)量;采用集成化射頻前端和集成化數(shù)字信號處理后端，在減小系統(tǒng)體積和重量的基礎(chǔ)上，提高了系統(tǒng)的可靠性、耐沖擊和震動(dòng)性，使系統(tǒng)更適合于無人機(jī)的使用條件。上述方案已用于某小型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)室的總裝總調(diào)工作，試驗(yàn)結(jié)果證明該方案完全可行。

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