張 倩,江 凱,盛 磊（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088）

基于慢速平臺的高分寬幅SAR雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

張 倩,江 凱,盛 磊
（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088）

對流層、平流層飛艇等慢速平臺在戰(zhàn)場存留時(shí)間、生存能力、覆蓋地區(qū)等方面都具有非常顯著的優(yōu)勢，已成為近年來各國研究的熱點(diǎn)。本文針對慢速平臺的特點(diǎn)，提出一種基于脈沖推掃體制的高分寬幅SAR雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并通過實(shí)例仿真，分析了相關(guān)技術(shù)的可行性。

慢速平臺；高分辨率寬測繪帶；SAR

1 引言

合成孔徑雷達(dá)作為一種主動式微波成像系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、土地資源管理等軍事及國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域。高分辨率和寬測繪帶是各項(xiàng)軍事需求和民事需求中不可缺少的兩個(gè)方面，同時(shí)滿足這兩種要求既有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，也是SAR的發(fā)展趨勢之一。而在SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中這是一個(gè)矛盾的問題。這一矛盾來源于它們對系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率（PRF）的不同要求。對傳統(tǒng)SAR而言，增大測繪帶寬度，要求系統(tǒng)采用較低的PRF以克服距離模糊，但高分辨率帶來的方位向大帶寬要求較高的PRF，否則會造成方位模糊，在技術(shù)上如何更好地同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率和寬測繪帶是一個(gè)需要深入研究的問題，對它的研究也是SAR技術(shù)進(jìn)步的需要。

對流層、平流層飛艇等慢速平臺留空時(shí)間長，發(fā)射和運(yùn)行成本低廉，一直受到人們的關(guān)注。本文針對慢速平臺的特點(diǎn)，提出一種基于脈沖推掃體制的高分寬幅SAR雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并通過實(shí)例仿真，對脈沖推掃體制進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 慢速平臺SAR雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 雷達(dá)體制選擇與工作模式設(shè)計(jì)

飛艇等慢速平臺SAR與其它機(jī)載或星載平臺SAR在實(shí)現(xiàn)高分辨率的方法上有著很多顯著的不同：

平臺速度慢，PRF低。因?yàn)槁倨脚_飛行速度很低，SAR的方位向多普勒帶寬也很小，因而SAR系統(tǒng)使用很低的PRF就可以滿足方位向的采樣率；

平臺速度慢，NESZ指標(biāo)好。根據(jù)合成孔徑雷達(dá)方程式，SAR系統(tǒng)的NESZ（等效噪聲系數(shù)）正比于平臺飛行速度，速度越小，NESZ指標(biāo)越好；

平臺速度慢，PRF小，易于實(shí)現(xiàn)寬觀測帶，不存在距離模糊問題。低速引起的低PRF，能夠得到很長的無模糊回波信號時(shí)窗，因而易于實(shí)現(xiàn)距離向很寬的觀測帶，并且不存在距離模糊的問題。

“脈沖推掃成像”合成孔徑雷達(dá)成像體制是非常適合于慢速平臺特性的方案，即采用脈間變波位，變脈沖寬度，循環(huán)掃描寬觀測內(nèi)的多個(gè)子觀測帶，在信號處理中合成整個(gè)寬觀測帶。

在脈沖推掃成像體制中，在距離向整個(gè)觀測帶分成N個(gè)子觀測帶，在每個(gè)子觀測帶的回波信號被采集之后，再照射下一個(gè)子觀測帶，N個(gè)子觀測帶能夠組合成一個(gè)寬的觀測帶。

由于一個(gè)長脈沖被分裂為N個(gè)短脈沖，使得每個(gè)子觀測帶的發(fā)射功率下降N倍，這對遠(yuǎn)區(qū)子觀測帶的NESZ指標(biāo)產(chǎn)生較大的影響，而小視角的子觀測帶，因?yàn)樾本嗪苄?，NESZ指標(biāo)非常好，降低之后，NESZ仍然很好。針對這一特點(diǎn)，在方案中采用不平均分配功率的方法來解決這個(gè)問題。

在脈沖推掃SAR模式下，天線處于正側(cè)視狀態(tài)，根據(jù)任務(wù)設(shè)定指向某一側(cè)。其特點(diǎn)是：利用二維有源相控陣天線距離向波束快速電掃功能，實(shí)現(xiàn)波束在不同視角下的切換，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)波位上的一次大范圍成像。這種偵察方式獲取的信息量大，信息豐富。脈沖推掃SAR模式工作示意圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)組成與工作原理設(shè)計(jì)

慢速平臺高分寬幅SAR系統(tǒng)基本組成如圖2所示。本系統(tǒng)采用二維寬帶有源相控陣體制，以實(shí)現(xiàn)距離向的寬觀測帶要求。雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備主要由二維寬帶有源相控陣天線、接收單元、綜合電子單元、數(shù)據(jù)記錄儀、環(huán)控系統(tǒng)、穩(wěn)定平臺等組成。

該散熱器主體尺寸為：520×445×220mm，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 000r/min，仿真分析液壓模型，系統(tǒng)最終平衡時(shí)油箱溫度為71℃。此時(shí)散熱器的冷卻功率為8.6kW(圖11)。

天線采用寬帶有源可擴(kuò)充陣列形式，包括可擴(kuò)充陣列天線模塊、功分及合成網(wǎng)絡(luò)、電源、波控等；

接收單元包括接收通道、頻率源、數(shù)字波形產(chǎn)生等；

綜合電子單元包括全機(jī)控制和時(shí)序、多路高速A/D等；

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面包括結(jié)構(gòu)框架、環(huán)控系統(tǒng)、穩(wěn)定平臺等。

3 仿真實(shí)例

仿真計(jì)算的工作頻段為X，平臺高度為4000m，平臺速度為10m/ s，擬實(shí)現(xiàn)的脈沖推掃模式分辨率0.3m×0.3m，觀測帶寬30km。

仿真計(jì)算時(shí)，考慮SAR圖像信噪比指標(biāo)與系統(tǒng)靈敏度有關(guān)。SAR系統(tǒng)靈敏度通常以等效噪聲后向散射系數(shù)（NEσ°）表示，圖像信噪比要求越高，NEσ°值越低：

其中，k為波爾茲曼常數(shù)，T為等效噪聲溫度，F(xiàn)n為系統(tǒng)噪聲系數(shù)，Ls為系統(tǒng)損耗，Vst為平臺與目標(biāo)間相對速度，R為雷達(dá)斜距，Pav為系統(tǒng)平均發(fā)射功率，G為天線增益，λ為雷達(dá)工作波長，Ka為方位脈壓加窗損失，Kr為距離脈壓加窗損失，ρr為距離向分辨率。

當(dāng)功率增益積設(shè)計(jì)為75.3dBW、距離向波束寬度設(shè)計(jì)為12.5度時(shí)，進(jìn)行波位參數(shù)與系統(tǒng)靈敏度（NEσ°）指標(biāo)仿真，其結(jié)果如圖3所示?？梢?，NEσ°優(yōu)于-25dB，完全滿足成像質(zhì)量指標(biāo)要求。同時(shí)實(shí)現(xiàn)分辨率0.3m，觀測帶寬30km。

考慮到各個(gè)波位NESZ相差較大，成像時(shí)會出現(xiàn)圖像不同波位的平均亮度期望值不一致的情況，從后處理角度，可以采用相對輻射定標(biāo)進(jìn)行校正。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度采用“不平均分配功率”的方法能從根本上解決此問題。各個(gè)波位的NESZ計(jì)算結(jié)果如圖4所示，波位交疊處的NESZ指標(biāo)都能優(yōu)于-30dB；而且相對于各波位“平均分配功率”，各波位的NESZ指標(biāo)數(shù)值大小比較平均，沒有過大的起伏，有利于脈沖推掃的子觀測帶圖像拼接。

4 結(jié)束語

飛艇等慢速平臺滯空時(shí)間長，便于連續(xù)觀測，從而實(shí)現(xiàn)對特定區(qū)域的長期監(jiān)視，其有效性和經(jīng)濟(jì)性是其它平臺無法替代的。本文針對慢速平臺的特點(diǎn)，提出一種基于脈沖推掃體制的高分寬幅SAR雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。最后給出仿真實(shí)例，在一定范圍內(nèi)為此類SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供了參考。

張倩（1982-），女，安徽鳳陽人，博士，工程師，雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。