摘 要：文章介紹了一種能適應(yīng)慢速平臺(tái)的雙波段全極化SAR系統(tǒng)，著重介紹了為適應(yīng)慢速平臺(tái)采用的成像算法選擇和伺服狀態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法的改進(jìn)，最后給出了初步的實(shí)際飛行試驗(yàn)結(jié)果，可為同類型輕小平臺(tái)SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒和思路。

關(guān)鍵詞：慢速平臺(tái)；伺服補(bǔ)償；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 概述

相對(duì)于傳統(tǒng)的信息獲取手段，SAR成像系統(tǒng)不僅可以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)。作為衛(wèi)星數(shù)據(jù)的有效補(bǔ)充，SAR雷達(dá)在地形測(cè)繪、災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估、環(huán)境與國(guó)土資源監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。特別是在災(zāi)害應(yīng)急處理方面，SAR雷達(dá)系統(tǒng)能及時(shí)為災(zāi)害應(yīng)急處理提供信息豐富、清晰準(zhǔn)確的圖像，對(duì)及時(shí)開展救援、進(jìn)行受災(zāi)評(píng)估、減輕災(zāi)害損失具有重要意義。

目前常見的無人飛行平臺(tái)，包括小型無人機(jī)和無人飛艇，由于成本適中，安全性高等優(yōu)點(diǎn)被用于SAR系統(tǒng)的裝載平臺(tái)。由于這類平臺(tái)存在飛行高度低、飛行速度慢、飛行姿態(tài)不平穩(wěn)等特點(diǎn)，對(duì)SAR系統(tǒng)成像質(zhì)量帶來了挑戰(zhàn)。

文章將介紹基于小型無人機(jī)和無人飛艇這類平臺(tái)的全極化SAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，并給出實(shí)際飛行結(jié)果，可以提供同類型SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 慢速平臺(tái)成像算法

目前常用的SAR成像算法有改進(jìn)RD、CSA、波束域WK等。對(duì)算法處理能力分析，主要考慮算法處理特點(diǎn)，距離徙動(dòng)校正和方位相位補(bǔ)償能力。對(duì)改進(jìn)RD、CSA、波束域WK這三種算法成像特性進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。

從表1可以看出，改進(jìn)RD算法難以實(shí)現(xiàn)高分辨寬測(cè)繪帶處理。CS算法處理性能和WK相當(dāng)，但由于CS算法的處理需要保留測(cè)繪帶寬加回波寬度，而WK處理可通過脈間先距離壓縮處理，截取有效測(cè)繪帶寬度，大大降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。此外，當(dāng)波束存在一定斜視時(shí)，CS算法在高分辨下距離-方位耦合特性較為明顯，而波束域WK算法可有效克服耦合問題。

平臺(tái)速度慢、姿態(tài)控制精度低、分辨力高、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，因此鑒于波束域WK算法的優(yōu)勢(shì)，成像模式中選擇波束域WK算法。

2.2 伺服轉(zhuǎn)臺(tái)補(bǔ)償算法

為了在載機(jī)姿態(tài)變化的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)天線在慣性空間中的指向穩(wěn)定，伺服轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)補(bǔ)控制系統(tǒng)需要對(duì)載機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償解算，并輸出補(bǔ)償控制量，以隔離載機(jī)姿態(tài)變化對(duì)天線指向的影響。

根據(jù)慣性坐標(biāo)系中的目標(biāo)方位角、俯仰角，結(jié)合載機(jī)的各姿態(tài)角，解算出平臺(tái)坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的方位角與俯仰角作為控制指令角度，通過雙閉環(huán)回路控制方位、俯仰電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)天線俯仰的補(bǔ)償。當(dāng)載機(jī)的姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，平臺(tái)坐標(biāo)系中的方位、俯仰指令角也隨之不斷更新，以達(dá)到隔離載機(jī)運(yùn)動(dòng)的目的。

目前的伺服補(bǔ)償算法采用的過程為，初始化伺服航跡角=當(dāng)前的慣導(dǎo)航跡角；伺服航跡角-當(dāng)前慣導(dǎo)航跡角≤某一角度時(shí)，伺服航跡角保持不變；伺服航跡角-當(dāng)前慣導(dǎo)航跡角>某一角度時(shí)，伺服航跡角=當(dāng)前慣導(dǎo)航跡角；伺服方位角指向始終垂直于伺服航跡角。詳見圖1所示。

圖1 常見的伺服補(bǔ)償算法

上述伺服補(bǔ)償算法在慢速平臺(tái)下，將由于姿態(tài)變化幅度大，導(dǎo)致伺服不斷處于調(diào)整和更新中，導(dǎo)致波束指向地面時(shí)在孔徑時(shí)間內(nèi)發(fā)生擺動(dòng)，因此為適應(yīng)慢速平臺(tái)，將算法進(jìn)行改進(jìn)，采用滑窗平均的辦法進(jìn)行解算，具體過程為：初始化伺服航跡角=當(dāng)前的慣導(dǎo)航跡角；伺服航跡角=之前10s內(nèi)（進(jìn)入航跡內(nèi)）的航跡角的平均值（如慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)更新率為100Hz，可取前1000個(gè)周期內(nèi)，每隔10個(gè)周期抽取1個(gè)航跡角，共100個(gè)數(shù)據(jù)組成滑窗）；伺服航跡角量化精度取0.2～0.5度；伺服方位角指向始終垂直于伺服航跡角。祥見圖2。

2.3 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

機(jī)載雷達(dá)裝入平臺(tái)中，在地面通過顯示控制軟件對(duì)雷達(dá)進(jìn)行遙控遙測(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3所示，分為艙外設(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，通過雙極化共口徑的天線陣面進(jìn)行輻射。通過收發(fā)極化開關(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。

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；分時(shí)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)兩個(gè)波段射頻激勵(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

該系統(tǒng)于2016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)，飛行試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4分別為同一地物獲得的4種極化SAR圖像，可以看到不同的極化圖像對(duì)相同地物場(chǎng)景得到不同的結(jié)果。在圖4a）和圖4d）同極化圖像中可以清晰看到馬路旁的路燈，而在圖4b）和圖4c）交叉極化中不可見。

4 結(jié)束語

文章介紹了一種能適應(yīng)慢速平臺(tái)的雙波段全極化SAR系統(tǒng)，著重介紹了為適應(yīng)慢速平臺(tái)采用的成像算法選擇和伺服狀態(tài)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法的改進(jìn)，最后給出了初步的實(shí)際飛行試驗(yàn)結(jié)果，可為同類型輕小平臺(tái)SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒和思路。

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作者簡(jiǎn)介：鐘小艷（1983-），女，安徽阜陽人，漢族，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)镾AR系統(tǒng)總體技術(shù)。