賀彩琴，李敏慧，雷萬明，朱　力

(南京電子技術(shù)研究所，　南京 210039)

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機(jī)載超高分辨率SAR內(nèi)定標(biāo)技術(shù)研究

賀彩琴，李敏慧，雷萬明，朱力

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

摘要：首先，研究了合成孔徑雷達(dá)的內(nèi)定標(biāo)工作原理，分析了發(fā)射定標(biāo)實(shí)測信號；然后，給出了誤差補(bǔ)償前后的一維距離圖像性能指標(biāo)，提出了利用發(fā)射定標(biāo)數(shù)據(jù)作為參考函數(shù)進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)成像處理的方法；最后，成功應(yīng)用于機(jī)載試飛中，獲得了高質(zhì)量合成孔徑雷達(dá)圖像，并證明了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：內(nèi)定標(biāo)；脈沖壓縮；機(jī)載合成孔徑雷達(dá)；線性調(diào)頻信號

0引言

超高分辨率合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像中的二維超高分辨率，一般是通過發(fā)射超寬帶線性調(diào)頻信號(LFM)和方位維的大角度聚束掃描來實(shí)現(xiàn)的。由于分辨率極高，發(fā)射LFM信號的帶寬大，LFM信號經(jīng)過雷達(dá)系統(tǒng)的通道鏈路會對信號的幅度和相位產(chǎn)生調(diào)制，從而影響信號聚焦壓縮的效果，帶寬越大其調(diào)制影響越大。SAR發(fā)射的寬帶信號經(jīng)歷發(fā)射機(jī)(固放)、饋電網(wǎng)絡(luò)、T/R組件發(fā)射通道、天線陣面想外輻射；回波信號經(jīng)天線陣面接收、T/R組件接收通道、饋電網(wǎng)絡(luò)、環(huán)形器，進(jìn)入接收前端，到達(dá)接收機(jī)，經(jīng)模數(shù)(AD)采樣后形成回波原始數(shù)據(jù)，用于成像處理。由此可見，整個通道鏈路的任何一部分都會對信號產(chǎn)生影響。對于寬帶LFM信號來說，由于雷達(dá)系統(tǒng)的非線性影響，帶寬內(nèi)每個頻點(diǎn)的幅度和相位因受到調(diào)制而產(chǎn)生誤差，引起脈沖壓縮后成對回波的出現(xiàn)，從而使脈沖響應(yīng)的主瓣展寬，旁瓣電平升高，出現(xiàn)不對稱分布旁瓣現(xiàn)象。

如何補(bǔ)償通道對信號的影響，是高分辨SAR成像必須解決的一個難題。目前，工程上一種切實(shí)可行的方法是通過內(nèi)定標(biāo)技術(shù)[1-2]來實(shí)現(xiàn)。由于發(fā)射的寬帶線性調(diào)頻信號經(jīng)過了定標(biāo)鏈路(包括發(fā)射鏈路、接收鏈路或參考鏈路等)，信號受到通道鏈路的影響已包含在定標(biāo)信號之中，通過對定標(biāo)信號的分析可以提取出用于補(bǔ)償?shù)姆群拖辔恍畔?，也可以得到與真實(shí)信號高度相干的脈沖壓縮參考信號，從而實(shí)現(xiàn)對高分辨SAR系統(tǒng)的幅相誤差補(bǔ)償和高質(zhì)量的聚焦壓縮，得到高質(zhì)量的高分辨率SAR圖像。

本文給出了內(nèi)定標(biāo)系統(tǒng)一般工作原理、定標(biāo)模式和定標(biāo)信號的分析方法，針對超高分辨SAR系統(tǒng)，介紹了其定標(biāo)系統(tǒng)的組成和采用的定標(biāo)方案、定標(biāo)處理試驗(yàn)流程與誤差補(bǔ)償分析實(shí)驗(yàn)。利用提取出的誤差補(bǔ)償所需的幅相誤差數(shù)據(jù)來進(jìn)行試飛數(shù)據(jù)成像處理，獲得了高質(zhì)量超高分辨率SAR圖像。

1工作原理

雷達(dá)系統(tǒng)的定標(biāo)[3-4]包括外定標(biāo)和內(nèi)定標(biāo)。外定標(biāo)一般利用雷達(dá)系統(tǒng)自身以外資源,通過使用輔助設(shè)備,如定制放飛的金屬球、專門的外定標(biāo)器等，進(jìn)行目標(biāo)的外定標(biāo)。外定標(biāo)時一般對定標(biāo)場景有一定的要求，如要求電磁環(huán)境干凈、放飛的金屬球要近似為點(diǎn)目標(biāo)；雷達(dá)波束照射到定標(biāo)器上，其雷達(dá)回波應(yīng)盡量避免多徑效應(yīng)等。這在實(shí)際工作中，有一定的難度。內(nèi)定標(biāo)一般利用雷達(dá)自身的電子設(shè)備，通過增加內(nèi)定標(biāo)器來形成發(fā)射、接收等定標(biāo)回路，利用定標(biāo)信號經(jīng)過與真實(shí)回波信號盡可能相同的雷達(dá)發(fā)射通道和接收通道鏈路，形成內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)或定標(biāo)回路，實(shí)現(xiàn)內(nèi)定標(biāo)功能，得到經(jīng)過定標(biāo)通道鏈路的回路信號，提取出SAR成像處理所需的誤差信號或成像距離壓縮所需的參考信號，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)回波信號的成像處理。

SAR系統(tǒng)中內(nèi)定標(biāo)信號流程一般有三個，分別是發(fā)射信號定標(biāo)、接收信號定標(biāo)和參考信號定標(biāo)。發(fā)射定標(biāo)有兩種方式，即非延時定標(biāo)和延時定標(biāo)。非延時定標(biāo)方式的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)定標(biāo)器內(nèi)無放大器等有源器件，只含有微波開關(guān)、衰減器和環(huán)形器等無源器件，定標(biāo)器的傳遞函數(shù)穩(wěn)定性高，內(nèi)定標(biāo)精度高；缺點(diǎn)是由于發(fā)射脈沖脈內(nèi)定標(biāo)，對內(nèi)定標(biāo)鏈路與雷達(dá)正常工作鏈路之間電磁泄漏的隔離度要求很高，即雷達(dá)工作時，發(fā)射和接收信號不能通過定標(biāo)鏈路形成“多徑效應(yīng)”，影響發(fā)射信號和接收信號質(zhì)量；雷達(dá)定標(biāo)時，定標(biāo)信號不能經(jīng)歷雷達(dá)通道形成“多徑效應(yīng)”，影響定標(biāo)信號質(zhì)量。延時定標(biāo)方案的優(yōu)點(diǎn)是回避了脈內(nèi)定標(biāo)的信號相互干擾問題，缺點(diǎn)是由于內(nèi)定標(biāo)器的光纖延遲線部分是有源器件，內(nèi)定標(biāo)器為了保證傳遞函數(shù)穩(wěn)定，必須加增益補(bǔ)償措施，以防止內(nèi)定標(biāo)器自身的增益不穩(wěn)定引入的定標(biāo)精度誤差。

考慮工程實(shí)施的可行性，在機(jī)載超高分辨率SAR雷達(dá)試飛時，我們采用非延時內(nèi)定標(biāo)方法，實(shí)現(xiàn)定標(biāo)數(shù)據(jù)的錄取和處理。系統(tǒng)設(shè)計中，內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)位于有源相控陣天線陣面內(nèi)，T/R組件射頻信號耦合進(jìn)入該網(wǎng)絡(luò)，用于提取雷達(dá)發(fā)射信號。內(nèi)定標(biāo)器位于雷達(dá)中央電子設(shè)備中，為一個三端口單元，端口A與激勵源副路端口相連，端口B與陣面內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)總口相連，端口C與接收機(jī)副路端口相連，如圖1所示。發(fā)射信號定標(biāo)、接收信號定標(biāo)皆可分為全陣面定標(biāo)和單個T/R組件定標(biāo)。全陣面定標(biāo)時，天線陣面所有T/R組件工作,分別對雷達(dá)進(jìn)行發(fā)射信號定標(biāo)和接收信號定標(biāo)。

圖1　內(nèi)定標(biāo)器與雷達(dá)各接口連接示意圖

1)發(fā)射定標(biāo)流程[1]：激勵源產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號經(jīng)固態(tài)發(fā)射機(jī)送至天線陣面饋電網(wǎng)絡(luò)和T/R組件，通過T/R組件耦合口，耦合信號依次經(jīng)歷內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)定標(biāo)器送至接收前端副路，進(jìn)入接收通道、A/D變換器和信號處理單元/記錄設(shè)備。發(fā)射定標(biāo)信號沒有經(jīng)歷天線陣面的輻射單元。

2)接收定標(biāo)流程[2]：激勵源通過其副路口輸出線性調(diào)頻信號，送至內(nèi)定標(biāo)器端口A，通過內(nèi)定標(biāo)器內(nèi)部組合開關(guān)選通，定標(biāo)信號從端口B流出，送至陣面的內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)總口，耦合進(jìn)入T/R組件接收支路，通過耦合口進(jìn)入陣面饋電網(wǎng)絡(luò)到達(dá)其總口，經(jīng)環(huán)形器從接收前端主路依次進(jìn)入接收前端、A/D變換器和信號處理單元/記錄設(shè)備。

3)參考定標(biāo)流程[3]：激勵源通過其副路口輸出線性調(diào)頻信號，送至內(nèi)定標(biāo)器端口A，通過內(nèi)定標(biāo)器內(nèi)部組合開關(guān)選通，定標(biāo)信號從端口C輸出，從接收前端副路依次進(jìn)入接收前端、A/D變換器和信號處理單元/記錄設(shè)備。

從上述定標(biāo)流程可以看出，定標(biāo)信號應(yīng)用時，應(yīng)去除內(nèi)定標(biāo)器、內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)、插頭、插座和連接電纜等對定標(biāo)信號的影響。

2定標(biāo)信號分析

在雷達(dá)地面聯(lián)試或是空中成像飛行試驗(yàn)時，利用記錄的發(fā)射定標(biāo)信號或接收定標(biāo)信號或參考定標(biāo)信號，綜合分析雷達(dá)信號質(zhì)量、距離壓縮后一維圖像性能，包括信噪比、斜距分辨率、峰值旁瓣比和積分旁瓣比等，來及時判斷雷達(dá)設(shè)備是否正常。在某成像模式工作前，開啟該模式的定標(biāo)方式，記錄若干個定標(biāo)信號，送記錄設(shè)備，用作事后處理；或?qū)崟r送成像處理機(jī)，用作準(zhǔn)實(shí)時距離壓縮處理。

設(shè)發(fā)射線性調(diào)頻信號為

(1)

式中：f0為發(fā)射信號載頻；a(τ)為發(fā)射脈沖的包絡(luò)，通常為矩形；k為線性調(diào)頻斜率；T為脈沖寬度；τ為距離向快時間。

雷達(dá)接收到地面靜止點(diǎn)目標(biāo)P(xi,yi)的回波信號經(jīng)混頻處理后，可表示為

Sri(t,τ)=σiw(t,Ri)a(t-τi(t))·

(2)

式中：σi為該點(diǎn)目標(biāo)的后向散射系數(shù)，與點(diǎn)目標(biāo)散射特性有關(guān)；t和τ分別為方位慢時間和距離快時間。對式(2)進(jìn)行距離脈沖壓縮，即

Sri1(t,τ)=Sri(t,τ)*hr(τ)

(3)

式中：hr(τ)為距離參考函數(shù)；*表示卷積運(yùn)算。理論上

hr(τ)=a(τ)exp(-jπKτ2)

(4)

設(shè)天線雙程方向圖為矩形，可得到距離脈沖壓縮結(jié)果

sinc[πBd(t-tc)]

(5)

式中：C為復(fù)常數(shù)；Bd為多普勒帶寬；Br為信號瞬時帶寬；Ric為航線與目標(biāo)間最短斜距。

上述為經(jīng)典的距離壓縮處理算法。實(shí)際上，雷達(dá)回波信號是受雷達(dá)發(fā)射和接收通道的調(diào)制，受雷達(dá)工作時的周邊電磁環(huán)境、溫度等因素影響。距離參考函數(shù)hr(τ)不再滿足式(4)，要比式(4)復(fù)雜得多。同樣受周邊電磁環(huán)境、溫度、雷達(dá)整個信號鏈路(包括發(fā)射和接收支路)等因素影響，相對于窄瞬時帶寬雷達(dá)系統(tǒng)，寬帶雷達(dá)系統(tǒng)收發(fā)支路產(chǎn)生的幅度相位誤差會更大，特別是相位誤差，會直接影響到SAR 圖像的質(zhì)量，在成像處理中不能忽略。因此，對于寬帶或超寬帶信號，若用式(4)進(jìn)行脈沖壓縮處理，距離脈沖壓縮效果不理想。

采用準(zhǔn)實(shí)時發(fā)射定標(biāo)、接收定標(biāo)或參考定標(biāo)數(shù)據(jù)，來替代距離參考函數(shù)hr(τ)，可改善距離脈沖壓縮效果。

3定標(biāo)處理與誤差補(bǔ)償分析實(shí)驗(yàn)

機(jī)載超高分辨率雷達(dá)系統(tǒng)中，幅相誤差補(bǔ)償分析驗(yàn)證包括定標(biāo)和回波數(shù)據(jù)的錄取、定標(biāo)數(shù)據(jù)分析、誤差補(bǔ)償分析驗(yàn)證。

3.1定標(biāo)和回波數(shù)據(jù)錄取

在該雷達(dá)系統(tǒng)中，定標(biāo)數(shù)據(jù)錄取由三部分軟件控制完成，分別是顯控軟件、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件和試飛實(shí)時記錄分析軟件。

雷達(dá)顯控軟件完成定標(biāo)模式選擇(如噪聲定標(biāo)、參考定標(biāo)、全陣面發(fā)射定標(biāo)、全陣面接收定標(biāo)、單T/R組件發(fā)射定標(biāo)、單T/R組件接收定標(biāo))，和該模式下雷達(dá)相應(yīng)工作參數(shù)的輸入和設(shè)定。

雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件完成定標(biāo)方式下雷達(dá)相應(yīng)工作參數(shù)的接收和控制以及定標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸和記錄控制。

試飛實(shí)時記錄分析軟件，通過對定標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時記錄和分析，快速監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)狀態(tài)，判斷天線T/R組件工作是否正常(包括T/R組件是否發(fā)射信號、是否正常接收等)，整個接收鏈路、A/D數(shù)據(jù)采集、全鏈路接收噪聲電平等是否正常，實(shí)時判斷雷達(dá)工作是否正常，同時通過分析回波數(shù)據(jù)的信噪比、斜距分辨率、峰值旁瓣比和積分旁瓣比等指標(biāo)，對試飛作出實(shí)時調(diào)控，如當(dāng)回波信號的信噪比過小時，實(shí)時調(diào)整雷達(dá)作用斜距，以滿足信噪比要求，以此有效錄取定標(biāo)數(shù)據(jù)和原始回波數(shù)據(jù)。

3.2定標(biāo)數(shù)據(jù)分析

機(jī)載超高分辨率雷達(dá)工作于X頻段[5-6]，采用寬帶發(fā)射四個子頻帶接收方案，使分辨率達(dá)到了0.1 m。在空中成像試飛中，通過發(fā)射定標(biāo)鏈路獲取的發(fā)射定標(biāo)信號，用理想距離參考函數(shù)對每個通道接收的子頻帶進(jìn)行距離壓縮，其結(jié)果如圖2所示，壓縮后一維圖像質(zhì)量性能見表1中對應(yīng)數(shù)據(jù)。由圖2可看到，每個通道接收的子頻帶信號的壓縮脈沖形狀不同，壓縮脈沖的峰值旁瓣不對稱分布并且高達(dá)-5.35 dB～ -10.89 dB,這主要是雷達(dá)全鏈路幅度和相位誤差造成的。

圖2　寬帶發(fā)射四子頻帶接收的發(fā)射定標(biāo)信號

對發(fā)射定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度和相位誤差補(bǔ)償、4路信號合成寬帶信號的脈沖壓縮結(jié)果如圖3所示，其圖像質(zhì)量性能見表1中對應(yīng)數(shù)據(jù)。由圖3可看出，峰值旁瓣對稱分布并且降低至-13.47 dB，與理想值基本一致。

圖3　寬帶發(fā)射四子頻帶接收合成高分辨率結(jié)果

斜距分辨率/m積分旁瓣比ISLRr/dB峰值旁瓣比PSLRr/dB寬帶發(fā)射第1子帶接收(未補(bǔ)償)0.300-6.70-10.890寬帶發(fā)射第2子帶接收(未補(bǔ)償)0.297-5.91-8.214寬帶發(fā)射第3子帶接收(未補(bǔ)償)0.298-4.05-5.350寬帶發(fā)射第4子帶接收(未補(bǔ)償)0.310-4.28-6.780合成信號(補(bǔ)償)0.077-9.70-13.470

3.3誤差補(bǔ)償驗(yàn)證

在該型雷達(dá)試飛中，把實(shí)時記錄下來的發(fā)射定標(biāo)數(shù)據(jù)作為參考函數(shù)，用于數(shù)據(jù)成像處理中，進(jìn)行距離脈沖壓縮，處理結(jié)果如圖4所示的雙回路鼓型塔架的SAR圖像?？梢钥闯觯?.10 m分辨率SAR圖像中塔架的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖4　用發(fā)射定標(biāo)數(shù)據(jù)補(bǔ)償后的SAR圖像及其光學(xué)圖像

4結(jié)束語

把內(nèi)定標(biāo)技術(shù)應(yīng)用于超高分辨率機(jī)載SAR中，用內(nèi)定標(biāo)數(shù)據(jù)可補(bǔ)償雷達(dá)全鏈路的幅度和相位誤差，得到高質(zhì)量的距離維圖像。本文研究了內(nèi)定標(biāo)技術(shù)工作原理、對發(fā)射定標(biāo)實(shí)測信號進(jìn)行了分析，給出了誤差補(bǔ)償前后的一維距離圖像性能指標(biāo)，通過飛行試驗(yàn)和成像處理，證明了所提方法的有效性。

參 考 文 獻(xiàn)

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賀彩琴女，1967年生，高級工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)數(shù)據(jù)處理。

李敏慧女，1980年生，高級工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)總體工程。

雷萬明男，1964年生，研究員。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理。

朱力男，1964年生，研究員。研究方向?yàn)槔走_(dá)總體工程。

薩博公司公布“海上長頸鹿”4A有源相控陣?yán)走_(dá)研制進(jìn)展

據(jù)每日雷達(dá)網(wǎng)2016年1月13日報道，瑞典薩博公司近日公布了其“海上長頸鹿”4A雷達(dá)的最新進(jìn)展?！昂Ｉ祥L頸鹿”4A雷達(dá)是一種中/遠(yuǎn)程有源相控陣監(jiān)視雷達(dá)，裝備了火箭、火炮以及定位器等，可對空中目標(biāo)實(shí)施探測，支持地空導(dǎo)彈系統(tǒng)作戰(zhàn)。2011年，美海軍向薩博公司提供了“海上長頸鹿”雷達(dá)的研究合同，該公司于2015年11月對雷達(dá)進(jìn)行了首次測試。該型雷達(dá)可以每分鐘60轉(zhuǎn)的速度對70°范圍內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行搜索，可為作戰(zhàn)人員提供目標(biāo)三維數(shù)據(jù)，對直升機(jī)等靜態(tài)和動態(tài)目標(biāo)進(jìn)行分辨，為美軍武器系統(tǒng)提供目標(biāo)識別能力。

(張昊編譯)

A Study on Internal Calibration Techniquefor Airborne Super-resolution SAR

HE Caiqin，LI Minhui，LEI Wanming，ZHU Li

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：Firstly, principles of internal calibration technique are introduced in airborne synthetic aperture radar (SAR), and the real-time transmission signal data of SAR send calibration is analysed. Then, the performance indicators of one dimensional range image are given with and without the systematic errors compensation， meanwhile, a method is proposed using the real-time calibration data as reference functions in SAR image processing. Finally, the successful radar flight test and the high resolution range profiles have proved the feasibility of this method.

Key words：internal calibration；pulse compression；airborne synthetic aperture radar；linear frequency modulation

中圖分類號：TN958

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)02-0015-04

收稿日期：2015-10-22

修訂日期：2015-12-14

通信作者：賀彩琴Email：janehoe@126.com

DOI：·總體工程· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.02.004