武警工程大學(xué)信息工程系　付凱城　曲　毅

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FMCW SAR發(fā)展概述

武警工程大學(xué)信息工程系付凱城曲毅

【摘要】調(diào)頻連續(xù)波（FMCW)合成孔徑雷達(dá)（SAR）是一種新體制的成像雷達(dá)，具有體積小、重量輕、耗電少、造價(jià)低、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)各領(lǐng)域中具有很高應(yīng)用價(jià)值。文中綜述了國(guó)內(nèi)外FMCW SAR的研究情況，討論了其發(fā)展趨勢(shì)，分析了進(jìn)一步發(fā)展所面臨的主要技術(shù)問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】調(diào)頻連續(xù)波；合成孔徑雷達(dá)；發(fā)展趨勢(shì)

1　引言

從1951年美國(guó)古德依爾(Goodyear)宇航公司的威利首先提出用頻率分析方法改善雷達(dá)的角分辨率發(fā)展到今[1]，合成孔徑雷達(dá)已有60多年的發(fā)展歷史，在軍用和民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)SAR是脈沖體制的，但其質(zhì)量體積過(guò)大、能耗過(guò)高使得脈沖SAR 無(wú)法應(yīng)用在小型飛機(jī)、無(wú)人機(jī)等小型載體。調(diào)頻連續(xù)波SAR是由英國(guó)的倫敦大學(xué)于1988年首次提出的[2]，兩種技術(shù)的結(jié)合使得FMCW SAR 獲得了體積小、重量輕、耗電少、造價(jià)低、分辨率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，解決了脈沖SAR無(wú)法應(yīng)用在小型載體上的問(wèn)題，成為SAR技術(shù)一個(gè)重要的發(fā)展方向。

2　FMCW SAR的發(fā)展歷程

SAR起源于20世紀(jì)50年代初期。1951年，美國(guó)古德伊爾公司的 Carl Wiley提出用多普勒銳化的方法來(lái)改善天線的角分辨力。

1953年7月，伊利諾斯大學(xué)的一個(gè)工作小組采用非聚焦孔徑綜合的方法得到了第一副SAR圖像。

早期的脈沖SAR質(zhì)量體積過(guò)大、能耗較高，計(jì)算數(shù)據(jù)量極大，限制了其應(yīng)用范圍。80年代以來(lái)，隨著毫米波、微波信號(hào)源技術(shù)上的革新、低噪器件和大規(guī)模集成電路技術(shù)等的發(fā)展，調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)以其不可替代的性能優(yōu)勢(shì)而倍受重視。

1988年，SAR技術(shù)和調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)的可兼容性由英國(guó)的倫敦大學(xué)在雷達(dá)高度計(jì)上首次得到證實(shí)，并于1997年將其應(yīng)用于海洋內(nèi)波成像。

1991年，日本利用 FMCW SAR對(duì)隱藏在積雪場(chǎng)中物體實(shí)現(xiàn)了探測(cè)。

1997年，瑞典研制出的用于反艦導(dǎo)彈的調(diào)頻連續(xù)波SAR導(dǎo)引頭。

2003年德國(guó)ENDS(European Aeronautic Defense System)研制出了超輕重量FMCW SAR樣機(jī)MISAR在MiniUAV LUNA平臺(tái)進(jìn)行飛行試驗(yàn)，將原始數(shù)據(jù)傳送到地面進(jìn)行處理。

2004年，法國(guó)研制了一個(gè)低成本的三維成像FMCW SA系統(tǒng)DRIVE。

2008年，德國(guó)研制出用于三維成像的調(diào)頻連續(xù)波SAR樣機(jī)ARTINO，獲得了0.2×0.2×0.2m的三維高分辨率。

近幾年來(lái)，美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室G.L.Charvat等人也進(jìn)行了調(diào)頻連續(xù)波 SAR的軌道型穿透性成像實(shí)驗(yàn)。

我國(guó)對(duì)SAR的研究起步較晚，起源于20世紀(jì)70年代后期，并于1979年獲得了我國(guó)第一幅SAR圖像。

1996年，南京航空航天大學(xué)首先建立了FMCW SAR試驗(yàn)系統(tǒng)。

2007 開(kāi)始，西安電子科技大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)雷達(dá)信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)室在FMCW SAR成像的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)上取得了大量的研究成果。

2011年，中科院電子研究所設(shè)計(jì)研制的 CARMSAR成功地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。此次試驗(yàn)是我國(guó)首次公開(kāi)發(fā)表的調(diào)頻連續(xù)波SAR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)試驗(yàn)，標(biāo)志著在我國(guó)在 FMCW SAR上已經(jīng)邁出了重要的一步。

3　FMCW SAR的優(yōu)勢(shì)

FMCW SAR與脈沖SAR體制不同，應(yīng)用背景不同，兼具連續(xù)波雷達(dá)和SAR的特點(diǎn),具有以下優(yōu)勢(shì):

1)重量輕、成本低、功耗小、集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2)低截獲概率性能。由于脈沖發(fā)射持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，具有較低的發(fā)射機(jī)平均功率，使得被截獲的概率大為下降。

3)在接收機(jī)前端完成差頻處理，得到差頻信號(hào)。

4)采樣頻率降低。FMCW SAR是對(duì)差頻后的信號(hào)進(jìn)行采樣，信號(hào)處理實(shí)際帶寬大大降低，對(duì)信號(hào)高速采集與處理的要求也大為降低。

5)無(wú)距離盲區(qū)。在FMCW SAR中，收發(fā)天線分離，發(fā)射信號(hào)和接收回波信號(hào)同時(shí)進(jìn)行，不會(huì)形成距離盲區(qū)。

4　FMCW SAR的發(fā)展趨勢(shì)

4.1三維成像

一般的合成孔徑雷達(dá)只能獲得目標(biāo)的二維信息，無(wú)法獲得目標(biāo)高度維信息。而在具體的實(shí)踐中，存在很多應(yīng)用需要利用到目標(biāo)的三維特征信息。曲線調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)(FMCW CLSAR)平臺(tái)在方位-高度平面內(nèi)作曲線飛行，在這兩個(gè)方向同時(shí)形成分辨力，構(gòu)成三維分辨能力，是解決三維成像問(wèn)題的重要途徑。

4.2實(shí)時(shí)成像

SAR平臺(tái)接收回波數(shù)據(jù)傳送給地面控制站，進(jìn)而達(dá)到近似實(shí)時(shí)成像，成為FMCW SAR的研究重點(diǎn)。實(shí)時(shí)成像無(wú)論在軍用還是民用領(lǐng)域都具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。但由于SAR數(shù)據(jù)量非常大，對(duì)系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量和處理速度提出了更高的要求。實(shí)時(shí)成像有利于SAR操作員實(shí)時(shí)掌握、調(diào)整成像區(qū)域,對(duì)精確成像是非常必要的。

4.3動(dòng)目標(biāo)成像

動(dòng)目標(biāo)成像是SAR在軍用領(lǐng)域必須要解決的問(wèn)題。SAR已成為戰(zhàn)術(shù)偵查的重要組成部分，對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)上大量存在的動(dòng)目標(biāo)，不能采用靜止目標(biāo)成像的方法對(duì)其進(jìn)行成像，否則會(huì)產(chǎn)生失真。目前對(duì)動(dòng)目標(biāo)成像技術(shù)的研究大都是基于脈沖體制的，而FMCW SAR以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)將成為動(dòng)目標(biāo)成像研究的熱點(diǎn)。

4.4FMCW SAR多輸入多輸出技術(shù)

將多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)引入SAR 體制中，能夠有效緩解高分辨率和大測(cè)繪帶寬的矛盾。對(duì)于調(diào)頻連續(xù)波SAR來(lái)

說(shuō)，作用距離一般較短，如果將MIMO技術(shù)與調(diào)頻連續(xù)波SAR技術(shù)結(jié)合，不僅能夠解決測(cè)繪帶寬與成像精度的矛盾，還能夠解決最大作用距離與成像分辨率的矛盾，成為FMCW SAR發(fā)展的一個(gè)重要方向。目前，MIMO-SAR的重要性已得到了廣泛的關(guān)注，F(xiàn)MCW SAR與MIMO相結(jié)合的研究工作也已經(jīng)展開(kāi)。

5　FMCW SAR面臨的主要問(wèn)題

5.1收發(fā)隔離

脈沖SAR用收發(fā)開(kāi)關(guān)來(lái)控制發(fā)射和接收過(guò)程，而FMCW SAR通過(guò)兩個(gè)天線，收發(fā)同時(shí)進(jìn)行，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)泄露信號(hào)，會(huì)對(duì)接收造成很大的影響，因此兩者之間的完全隔離有待消除。

5.2“停-走-?！蹦Ｊ讲贿m用

與脈沖體制不同，F(xiàn)MCW SAR不斷地發(fā)射信號(hào)，且信號(hào)掃描周期較長(zhǎng)，雷達(dá)平臺(tái)在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)射和接收信號(hào)過(guò)程中不能視為靜止，即“停-走-?！蹦Ｊ讲贿m用。而雷達(dá)平臺(tái)在調(diào)頻周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)，則會(huì)在發(fā)射信號(hào)和接收相應(yīng)回波的過(guò)程中產(chǎn)生多普勒頻移，在成像時(shí)對(duì)此多普勒頻移要加以考慮。

5.3掃頻非線性

實(shí)際系統(tǒng)中難以產(chǎn)生嚴(yán)格的線性調(diào)頻信號(hào)，而掃頻的非線性會(huì)影響系統(tǒng)的距離向分辨率，特別是對(duì)調(diào)頻連續(xù)波系統(tǒng)，其時(shí)寬帶寬積較大，線性度對(duì)雷達(dá)距離分辨率有決定性的影響。因此，非線性估計(jì)和校正也是急需解決的問(wèn)題。

5.4相位噪聲

在實(shí)際的SAR系統(tǒng)中，相位噪聲是不可避免的。但在FMCW SAR系統(tǒng)中,由于收發(fā)隔離，相位噪聲的影響特別突出。在FMCW SAR系統(tǒng)中，頻率合成器相位噪聲的影響已經(jīng)超過(guò)熱噪聲的影響，成為限制FMCW SAR系統(tǒng)靈敏度提高的主要因素。

6　結(jié)語(yǔ)

FMCW SAR是一種體積小、重量輕、功耗小、造價(jià)低的高分辨率成像雷達(dá)，與脈沖SAR相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)。在未來(lái)的發(fā)展中，如能解決好小型平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和掃頻非線性等問(wèn)題，F(xiàn)MCW SAR將會(huì)在小型無(wú)人機(jī)等小型載體上獲得更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]Shcrwin C W,Ruina J P,Raweliffe R D.Some Early Developments in Synthetic Aperture Radar System[J].IRE Transac-tions on MIL,1962,6(2):111-115.

[2]Griffiths H D.Synthetic aperture processing for full deramp radar altimeters[J].Electronics Letters,1988,24(7):371 -373.

付凱城（1993—），男，河南周口人，武警工程大學(xué)信息工程系在讀碩士研究生，主要研究方向：SAR圖像處理。

作者簡(jiǎn)介：