鐘小艷,俞育新

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088;2.海軍舟山地區(qū)裝備修理監(jiān)修室,浙江 舟山316000)

一種基于單通道收發(fā)的機(jī)載全極化SAR系統(tǒng)

鐘小艷1,俞育新2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088;2.海軍舟山地區(qū)裝備修理監(jiān)修室,浙江 舟山316000)

摘要：介紹了一種基于單通道收發(fā)的機(jī)載全極化SAR系統(tǒng),著重介紹了極化實(shí)現(xiàn)方式和系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)具有設(shè)備量少、質(zhì)量輕的特點(diǎn),適合小型無(wú)人機(jī)載平臺(tái)。給出了實(shí)際飛行試驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞:機(jī)載SAR;全極化;單通道;無(wú)人機(jī)載平臺(tái)

0引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)更強(qiáng)調(diào)非接觸式的遠(yuǎn)程精確打擊,實(shí)施這一戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)必須有能實(shí)時(shí)提供動(dòng)態(tài)、高效、準(zhǔn)確圖像情報(bào)的遠(yuǎn)距離偵察裝備。目前,用于遠(yuǎn)距離圖像情報(bào)偵察的平臺(tái)可分為空載平臺(tái)(衛(wèi)星、航天飛機(jī)等)和機(jī)載平臺(tái)(有人駕駛飛機(jī)和無(wú)人駕駛飛機(jī)等)兩大類。衛(wèi)星和航天飛機(jī)偵察系統(tǒng)具有搜索區(qū)域廣、獲取的圖像面積大、偵察區(qū)域不受任何限制等優(yōu)點(diǎn),但若要對(duì)某一局部地區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)不斷的偵察,則需要數(shù)十顆衛(wèi)星才能滿足要求,其實(shí)現(xiàn)難度非常大,費(fèi)用也將是天文數(shù)字。機(jī)載偵察系統(tǒng)可以彌補(bǔ)空載偵察系統(tǒng)的這一不足,由于其飛行路徑靈活可變,可循環(huán)對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行連續(xù)偵察。無(wú)論是空載偵察系統(tǒng)還是機(jī)載偵察系統(tǒng),其裝載的圖像傳感器主要有光電傳感器(可見(jiàn)光和紅外)和合成孔徑雷達(dá)(SAR)兩大類。光電傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可獲得高分辨率、高清晰度的圖像,并且設(shè)備比較簡(jiǎn)單,但其易受煙塵、云霧等環(huán)境的影響,無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)工作。SAR成像系統(tǒng)也可獲取高分辨率的圖像,并且不受白天、黑夜、煙塵、云霧等環(huán)境因素的影響,具有全天候、全天時(shí)工作的特點(diǎn)。

多極化SAR圖像比起單極化SAR圖像能獲取更多的信息,提供更多的目標(biāo)后向散射系數(shù)屬性,利用目標(biāo)幾何圖像信息(如取向、對(duì)稱性),提高對(duì)目標(biāo)的鑒別和分類的能力。多極化SAR中,可采用四極化(HH/HV、VV/VH)和雙極化(HH、VV)。多極化信息的融合技術(shù)是目標(biāo)識(shí)別的又一方法,也是獲取定量遙感的一種手段。圖1是不同極化偵察效果比較。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1全極化實(shí)現(xiàn)方式

多極化實(shí)現(xiàn)方式有3種:變極化發(fā)射與變極化接收、同時(shí)雙極化發(fā)射與同時(shí)雙極化接收、變極化發(fā)射與同時(shí)雙極化接收。

圖1　不同極化偵察效果比較

在變極化發(fā)射與變極化接收工作方式下,通過(guò)極化開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射水平極化波(H)或垂直極化波(V),接收水平極化波(H)或垂直極化波(V),如圖2所示。這種工作方式對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的要求最低,只需要一個(gè)接收通道,但不能同時(shí)獲取目標(biāo)的4種極化信息,可分時(shí)(間隔4個(gè)PRT周期)獲取4個(gè)極化信息。

圖2　變極化發(fā)射與變極化接收工作方式

在同時(shí)雙極化發(fā)射與同時(shí)雙極化接收工作方式下,SAR系統(tǒng)可同時(shí)獲取目標(biāo)的4種極化信息(如圖 3所示),可以實(shí)現(xiàn)好的多極化SAR成像性能,但會(huì)大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

圖3　同時(shí)雙極化發(fā)射與同時(shí)雙極化接收工作方式

在變極化發(fā)射與同時(shí)雙極化接收工作方式下,SAR系統(tǒng)可準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)的4種極化信息,可以實(shí)現(xiàn)較好的多極化SAR成像性能,但會(huì)降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。國(guó)外的多極化SAR方案一般多采用這種工作方式。圖4為變極化發(fā)射與同時(shí)雙極化接收工作方式。

圖4　變極化發(fā)射與同時(shí)雙極化接收工作方式

考慮到系統(tǒng)設(shè)備質(zhì)量及功耗的限制,本系統(tǒng)采用變極化發(fā)射和變極化接收的方式實(shí)現(xiàn)。

2.2系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

機(jī)載雷達(dá)裝入無(wú)人機(jī)平臺(tái),通過(guò)遙控遙測(cè),實(shí)現(xiàn)空中數(shù)據(jù)采集、機(jī)上數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄、存儲(chǔ),并下傳快視圖像;返回地面后讀取數(shù)據(jù),進(jìn)行圖像回放、圖像信息分析。

機(jī)載雷達(dá)組成框圖如圖 5所示,分為機(jī)場(chǎng)外設(shè)備和艙內(nèi)設(shè)備兩部分。機(jī)艙外設(shè)備為機(jī)腹下的天線罩內(nèi)的雷達(dá)天線與穩(wěn)定平臺(tái)單元,機(jī)艙內(nèi)設(shè)備包括低功率射頻單元和綜合電子單元。雷達(dá)工作時(shí),低功率射頻單元的頻率源產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率,由波形產(chǎn)生模塊根據(jù)工作指令生成寬帶LFM信號(hào),由激勵(lì)輸出形成射頻信號(hào),放大后送入天線及穩(wěn)定平臺(tái)單元的收發(fā)模塊進(jìn)行放大,通過(guò)雙極化共口徑的天線陣面進(jìn)行輻射。通過(guò)收發(fā)極化開(kāi)關(guān)交替發(fā)射/接收時(shí)序控制,順序獲取HH、HV、VV、VH極化的回波。通過(guò)導(dǎo)前觸發(fā)準(zhǔn)確進(jìn)行標(biāo)識(shí),順序存入綜合電子單元中的記錄儀中。

圖5　星載SAR模擬設(shè)備系統(tǒng)組成框圖

天線及穩(wěn)定平臺(tái)單元的主要功能為:根據(jù)控制指令接收組合導(dǎo)航提供的航姿數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)天線空間指向的穩(wěn)定與跟蹤,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)射頻激勵(lì)信號(hào)的放大與輻射,并獲取目標(biāo)返回的后向散射信號(hào)。低功率射頻單元主要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)整機(jī)的基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生、各相參頻率的輸出,根據(jù)指令產(chǎn)生各種雷達(dá)寬帶波形信號(hào)、射頻信號(hào)調(diào)制與解調(diào),以及解調(diào)后視頻信號(hào)的量化。綜合電子單元負(fù)責(zé)整機(jī)對(duì)外的測(cè)控通信、指令解譯、時(shí)序輸出,以及對(duì)低功率射頻單元輸出的數(shù)字基帶回波信號(hào)進(jìn)行處理、快視圖像實(shí)時(shí)下傳等功能。

3系統(tǒng)飛行試驗(yàn)結(jié)果

雷達(dá)工作于條帶成像模式時(shí),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)。當(dāng)進(jìn)入航線時(shí),天線的指向角(與正北的夾角)將保持固定,即當(dāng)無(wú)人直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡非理想時(shí),仍保持天線的指向角恒定不變。

該系統(tǒng)于2014年進(jìn)行了飛行試驗(yàn)驗(yàn)證工作,獲得了不同視角以及極化下的圖像數(shù)據(jù)。圖6為同時(shí)四極化圖像,分辨率為0.3 m時(shí)的圖像。圖7為多幅條帶圖像拼接圖像,極化為HH,分辨率為0.3 m。圖8為4種極化下拼接圖像的極化融化后的全極化圖像結(jié)果,分辨率為0.3 m。

圖6　同時(shí)四極化圖像結(jié)果(分辨率0.3 m)

圖7　HH極化圖像拼接結(jié)果(分辨率0.3 m)

圖8　全極化融合圖像結(jié)果(分辨率0.3 m)

4結(jié)束語(yǔ)

多極化SAR圖像比單極化SAR圖像能獲取更多的幾何特征信息,進(jìn)而提高對(duì)目標(biāo)的鑒別和分類能力。實(shí)現(xiàn)全極化SAR系統(tǒng)的方式很多,本文介紹了一種采用一個(gè)通道實(shí)現(xiàn)全極化收發(fā)的SAR系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)備量最少,質(zhì)量輕,可適裝于小型無(wú)人機(jī)平臺(tái)。通過(guò)實(shí)際飛行試驗(yàn),獲取了4個(gè)極化的圖像,驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和正確性,為下一階段實(shí)現(xiàn)多波段、多極化、高分辨SAR系統(tǒng)積累了技術(shù)基礎(chǔ)。

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A full-polarization airborne SAR system based on a single T/R channel

ZHONG Xiao-yan1, YU Yu-xin2

(1.No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088; 2.Equipment service and supervision unit of the PLA Navy in Zhoushan, Zhoushan 316000, China)

Abstract:A full-polarization airborne SAR system is introduced based on a single T/R channel, with an emphasis on the implementation methods of polarization and the system composition. The system is suitable for miniature unmanned airborne platforms, featuring less equipment and light weight. Finally, the results of actual flight test are given.

Keywords:airborne SAR; full polarization; single channel; unmanned airborne platform

收稿日期:2016-03-02;修回日期:2016-03-10

作者簡(jiǎn)介:鐘小艷(1983-),女,工程師,碩士,研究方向:SAR系統(tǒng)總體技術(shù);俞育新(1966-),男,高級(jí)工程師,研究方向:艦載武器系統(tǒng)。

中圖分類號(hào):TN958

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1009-0401(2016)02-0009-03