張佳佳+姚佰棟+孫龍+江凱

摘要：低頻圓周SAR能夠獲取目標(biāo)在各方向的散射特征，實(shí)現(xiàn)高于條帶SAR的分辨率，從而顯著提高對(duì)葉簇下掩蔽目標(biāo)的檢測(cè)、識(shí)別能力。本文首先分析了低頻圓周SAR系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，從多個(gè)方面開(kāi)展了低頻圓周SAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，最后給出了低頻圓周SAR系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證情況及典型試驗(yàn)結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】低頻圓周合成孔徑雷達(dá) 葉簇穿透全極化 數(shù)字陣列

低頻超寬帶合成孔徑雷達(dá)（SAR）既具備較強(qiáng)的葉簇、偽裝網(wǎng)、沙土穿透能力，又可實(shí)現(xiàn)較高分辨率成像，成為了實(shí)現(xiàn)各類低可觀測(cè)性目標(biāo)探測(cè)的重要手段。然而當(dāng)前VHF、P等低頻段SAR應(yīng)用一直遭受檢測(cè)識(shí)別瓶頸的限制：一方而，由于絕對(duì)帶寬、天線尺寸的限制，低頻超寬帶SAR難以實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)的高分辨率，造成目標(biāo)分類、識(shí)別難度大：另一方而，由于觀測(cè)目標(biāo)所處背景環(huán)境復(fù)雜，樹(shù)干雜波、地物雜波影響嚴(yán)重，目標(biāo)信雜比較低，嚴(yán)重影響目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別。

將低頻段超寬帶SAR與圓周成像模式相結(jié)合，能夠獲取目標(biāo)在各方向的散射特征，提高隱蔽目標(biāo)識(shí)別和地物分類精度；同時(shí)，圓周成像模式能夠拓寬波數(shù)域有效帶寬，理論分辨率達(dá)亞波長(zhǎng)量級(jí)，使低頻段SAR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高分辨，可獲取目標(biāo)的3維信息，有效減小甚至消除迭掩、陰影等現(xiàn)象。實(shí)際上，許多低頻圓周SAR的試驗(yàn)工作已經(jīng)進(jìn)行，并且取得了一些結(jié)果。

本文首先分析了低頻圓周SAR系統(tǒng)而臨的關(guān)鍵問(wèn)題；并針對(duì)這些關(guān)鍵問(wèn)題從多個(gè)方而開(kāi)展了低頻圓周SAR的系統(tǒng)設(shè)計(jì)；最后給出了低頻圓周SAR系統(tǒng)的試驗(yàn)情況和典型的試驗(yàn)結(jié)果。

1 低頻圓周SAR系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題

低頻圓周SAR系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方而：

1.1 極化方式選擇與實(shí)現(xiàn)

目標(biāo)對(duì)入射的電磁波有著特定的極化變換作用，其變換關(guān)系由入射波的頻率、目標(biāo)形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)和取向等因素綜合決定，極化方式的選擇直接影響目標(biāo)的回波特性。極化方式的選擇對(duì)目標(biāo)檢測(cè)、分類及識(shí)別有著重要影響。

1.2 空變射頻干擾抑制

VHF和P兩個(gè)頻段中擁擠著大量社會(huì)公共服務(wù)體系的無(wú)線電信號(hào)，這些信號(hào)對(duì)UWBSAR來(lái)講都是射頻干擾（RFI），對(duì)其正常工作構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。此外，由于圓周SAR運(yùn)動(dòng)路徑的特殊性，觀測(cè)帶周邊的干擾源將一直存在于回波信號(hào)內(nèi).且呈現(xiàn)出明顯的全向空變特征，因此，如何針對(duì)上述類型干擾的抑制手段是低頻圓周SAR系統(tǒng)而臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

2 低頻圓周SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 雷達(dá)體制選擇

當(dāng)前低頻超寬帶圓周SAR系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)方式有傳統(tǒng)的模擬相控陣?yán)走_(dá)體制和數(shù)字陣列相控陣?yán)走_(dá)體制。相比模擬相控陣?yán)走_(dá)，采用數(shù)字波束形成技術(shù)后，低頻超寬帶圓周SAR系統(tǒng)工作能力將顯著提升，具體如下：

2.1.1 圓/線全極化實(shí)現(xiàn)靈活

基于單元級(jí)數(shù)字陣列特點(diǎn)，在不增加設(shè)備量情況下，通過(guò)兩個(gè)發(fā)射通道同時(shí)發(fā)射兩個(gè)正交的信號(hào)實(shí)現(xiàn)雙圓極化雷達(dá)波發(fā)射，采用數(shù)字3dB電橋?qū)崿F(xiàn)雙圓極化雷達(dá)波的接收，提高相位控制精度、降低極化通道之問(wèn)的耦合度。此外，除了實(shí)現(xiàn)全圓極化外，單元級(jí)數(shù)字陣列系統(tǒng)還具備實(shí)現(xiàn)全線極化、簡(jiǎn)縮極化實(shí)現(xiàn)能力，可根據(jù)需求應(yīng)用于不同方向，且具有較高的極化捷變抗干擾能力。

2.1.2 抗干擾性能提升

P波段存在大量的廣播信號(hào)干擾，干擾源通過(guò)接收波束主瓣或副瓣進(jìn)入雷達(dá)系統(tǒng)，通常會(huì)大大影響SAR獲取的圖像質(zhì)量或生成虛假情報(bào)。因此圓周SAR成像工作時(shí)必須伴隨著足夠有效地抗干擾手段。

傳統(tǒng)模擬體制的合成孔徑雷達(dá)抗干擾性能的措施往往是以犧牲其他性能為代價(jià)，同時(shí)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。數(shù)字陣列體制雷達(dá)自由度高，幅相控制精度高，擁有更多、更靈活的抗干擾手段，具體如下：

（1）可產(chǎn)生任意波形，并實(shí)現(xiàn)波形捷變，抗截獲效果好；

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)零點(diǎn)，可根據(jù)干擾源位置，在載機(jī)成像過(guò)程中，自適應(yīng)合成接收波束方向圖，使主波束對(duì)準(zhǔn)成像區(qū)域，同時(shí)在干擾方向形成零陷可對(duì)干擾進(jìn)行有效抑制；

（3）幅相精度高副瓣性能好，有效抑制副瓣區(qū)干擾；

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)多種極化（全圓極化、全線極化等），且具有較高的極化捷變能力，極化抗干擾能力強(qiáng)。

2.2 極化方式選擇與實(shí)現(xiàn)

對(duì)于穿透葉簇UWB圓周SAR的極化方式進(jìn)行選擇時(shí)，既要考慮極化方式對(duì)葉簇穿透衰減和后向散射系數(shù)的影響，又要考慮抗干擾能力等方而。

通過(guò)機(jī)載掛飛進(jìn)行的葉簇穿透成像試驗(yàn)表明，相對(duì)于線極化，圓極化葉簇背景雜波弱于線極化，目標(biāo)信雜噪比更高，且圓極化人造目標(biāo)特征更加明顯，非常有利于目標(biāo)的檢測(cè)、分類與識(shí)別。另外采用線極化融合濾波可有效降低葉簇雜波的影響，同時(shí)具備圓全極化、線全極化可增強(qiáng)抗壓制、有源欺騙干擾能力。因此綜合考慮不同葉簇類型、葉簇下目標(biāo)檢測(cè)概率、抗干擾需求，結(jié)合數(shù)字陣列體制優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備圓全極化和線全極化。優(yōu)先采用左旋、右旋全圓極化方式；同時(shí)針對(duì)某些特殊應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，可通過(guò)在線調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全線極化方式。

以圓全極化為例，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圓全極化時(shí)，天線采用雙極化天線，發(fā)射時(shí)，通過(guò)發(fā)射通道的數(shù)字波形產(chǎn)生器產(chǎn)生兩個(gè)相位相差90度或-90度的信號(hào)，經(jīng)放大輸出至每個(gè)雙極化天線的兩個(gè)端口，輻射至空中形成左旋或右旋圓極化波。通過(guò)調(diào)整兩個(gè)波形產(chǎn)生器之問(wèn)的相位差，即可實(shí)現(xiàn)左旋、右旋極化信號(hào)交替發(fā)射。

接收時(shí)，若空中入射電磁波E= E_ncos（ωt），其方向與水平方向成θ角，則天線接收到的水平極化分量E_H和垂直極化分量E_V為：

E_H=Ecosθ

Ev=Esinθ

（1）

如圖1所示，在接收端，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字波束形成處理后，在數(shù)字域?qū)⑺綐O化信號(hào)和垂直極化信號(hào)合成左圓極化信號(hào)EL、右圓極化信號(hào)ER：endprint

E_L=E_H·exp（-j.*π/2+E_v

E_R= E_H+ E_v·exp-j.*π/2） （2）

2.3分辨率分析

圓周SAR的成像幾何如圖1所示。雷達(dá)平臺(tái)A在距地而高度為H的平而作半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)圓周合成孔徑。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，雷達(dá)視線方向始終指向場(chǎng)景區(qū)域中心，場(chǎng)景中心波束入射角為α。

根據(jù)圖2的幾何關(guān)系，圓周SAR水平和垂直分辨率為

其中，λ為工作波長(zhǎng)，α為場(chǎng)景中心入射角，C為光速，B為發(fā)射信號(hào)帶寬。

而根據(jù)式（3）可知，可以看出，圓周SAR平而二維分辨率與波長(zhǎng)和入射角相關(guān)；而根據(jù)式（4）可知，圓周SAR高程分辨率與信號(hào)帶寬、入射角密切相關(guān)。

在30～70 0入射角下，中心頻率在390MHz，工作帶寬200MHz情況下，通過(guò)計(jì)算，P波段平而分辨率最高可達(dá)到0.205m×0.205m，高程分辨率最高可達(dá)到1.274m。

2.4 觀測(cè)區(qū)域半徑分析

根據(jù)圖3所示的幾何關(guān)系可知，圓周SAR的觀測(cè)半徑與載機(jī)飛行高度H、載機(jī)轉(zhuǎn)彎飛行半徑、雷達(dá)入射角相關(guān)。而為了實(shí)現(xiàn)圓周SAR成像，載機(jī)的轉(zhuǎn)彎飛行半徑應(yīng)在雷達(dá)波束最小入射角amm、最大入射角amax所對(duì)應(yīng)的地距[Rmin，Rmax]范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)彎半徑在這個(gè)范圍之外時(shí)觀測(cè)帶形成一個(gè)圓環(huán)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)圓周SAR成像。

可以看出，圓周SAR測(cè)繪半徑與載機(jī)轉(zhuǎn)彎飛行半徑密切相關(guān)，當(dāng)載機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑為載機(jī)在地而上的垂直投影點(diǎn)與條帶模式測(cè)繪帶中心點(diǎn)之問(wèn)連線所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度時(shí)，圓周SAR實(shí)現(xiàn)最大測(cè)繪半徑（Rmax-Rmin）/2。因此，圓周SAR模式成像時(shí)，應(yīng)根據(jù)載機(jī)性能、雷達(dá)波束覆蓋范圍、任務(wù)需求等因素充分做好飛行任務(wù)規(guī)劃，以使系統(tǒng)的性能發(fā)揮到最優(yōu)。

3 低頻圓周SAR試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)機(jī)載掛飛試驗(yàn)，我們對(duì)線極化P波段圓周SAR葉簇穿透成像進(jìn)行了驗(yàn)證。觀測(cè)場(chǎng)景選擇2000畝林場(chǎng)，葉簇高度15m、樹(shù)問(wèn)距2m×4m。在林中設(shè)置了卡車10輛，吊車1輛，成箱式隊(duì)形，距離問(wèn)隔40m×20m，如圖4所示。進(jìn)行條帶SAR和圓周SAR葉簇穿透目標(biāo)成像與檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)的主要系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5和圖6的成像結(jié)果表明，相比條帶SAR模式，圓周SAR葉簇下卡車目標(biāo)信雜噪比明顯提升，檢測(cè)概率顯著提高：同時(shí)受益于多角度積累，分辨率有所提高，且地物輪廓更為清晰、明顯，有利于目標(biāo)分類、識(shí)別。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了低頻圓周SAR系統(tǒng)而臨的關(guān)鍵問(wèn)題；從雷達(dá)體制選擇、極化方式選擇、系統(tǒng)組成與功能和系統(tǒng)典型指標(biāo)分析等方而開(kāi)展了低頻圓周SAR的系統(tǒng)設(shè)計(jì)：最后給出了低頻圓周SAR系統(tǒng)的試驗(yàn)情況和典型的試驗(yàn)結(jié)果。低頻圓周SAR能夠有效提升探測(cè)掩蔽目標(biāo)所需的高信雜噪比、降低虛警概率，從而進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)葉簇下目標(biāo)的探測(cè)能力。

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