明 婧 張曉玲 蒲 羚 師 君

(電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 成都 611731)

1 引言

隨著對雷達(dá)技術(shù)的深入理解，3維合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar， SAR)成像技術(shù)已成為雷達(dá)成像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]。傳統(tǒng)SAR成像技術(shù)將3維成像空間投影到2維(距離-方位)平面空間，目標(biāo)的高度向信息與距離向信息產(chǎn)生混疊，將影響后續(xù)基于目標(biāo)散射信息的分析研究。而3維SAR成像技術(shù)則通過具體的成像技術(shù)直接獲取目標(biāo)的3維散射信息。為克服2維SAR成像技術(shù)的固有缺陷，發(fā)展新型3維SAR成像技術(shù)成為未來發(fā)展的必然趨勢。目前，3維SAR技術(shù)主要包括層析SAR[2]、曲線SAR[3，4]以及陣列SAR[5，6]，且具有廣闊的應(yīng)用前景[7]。

圓周SAR(Circular Synthetic Aperture Radar，CSAR)是一種曲線SAR成像體制，其天線沿圓周軌跡移動(dòng)并在掃描路徑中持續(xù)照射目標(biāo)[4]。在該體制下，雷達(dá)平臺360°圓周運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)圓形的2維孔徑，結(jié)合脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的3維重建。與傳統(tǒng)的2維SAR成像體制相比，CSAR可以提供多角度測量，獲得更高的SAR圖像分辨率和更豐富的目標(biāo)信息。同時(shí)，CSAR體制具有3維成像能力。然而，CSAR在圓周平面的稀疏采樣導(dǎo)致圖像旁瓣增大，其3維成像質(zhì)量遠(yuǎn)不如其他3維SAR成像體制。

線陣SAR(Linear Array Synthetic Aperture Radar， LASAR)作為另一種3維陣列SAR體制，因其在陣列方向上的充分采樣，與CSAR體制相比擁有更好的旁瓣抑制能力[6]。然而，若要實(shí)現(xiàn)高分辨率3維成像，傳統(tǒng)LASAR需要滿足大尺寸線陣和高采樣率的條件，而這將引起高成本和運(yùn)算量大的問題。

結(jié)合LASAR在旁瓣抑制方面和CSAR在高分辨率成像方面的優(yōu)勢是解決上述問題的一種可行方案。本文提出一種新型圓跡陣列SAR(Circular Array Synthetic Aperture Radar， CASAR)體制來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的3維成像。CASAR陣列平面呈環(huán)狀，可由線陣天線通過圓周運(yùn)動(dòng)合成，也可由單個(gè)天線通過螺旋運(yùn)動(dòng)合成。與傳統(tǒng)的LASAR體制相比，CASAR在相同線陣尺寸和采樣率下可擴(kuò)展有效孔徑，增大在陣列平面上的圖像分辨率；與CSAR相比，CASAR通過在垂直于距離向的平面上用陣列天線代替單個(gè)天線的方式，增大陣列平面上的采樣點(diǎn)數(shù)，從而抑制圖像旁瓣。

本文由4部分組成：第2節(jié)研究CASAR的基本模型和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；第3節(jié)進(jìn)行原型CASAR系統(tǒng)的地面實(shí)測實(shí)驗(yàn)；第4節(jié)為結(jié)論。

2 基本模型與理論推導(dǎo)

2.1 CASAR基本模型

圖1(c)是CASAR的基本模型，其陣列天線的排列近似為環(huán)狀，由線陣單元沿觀測中心作圓周運(yùn)動(dòng)以合成更大的虛擬孔徑。，軸構(gòu)成CASAR的陣列平面。同樣地，在極坐標(biāo)系下，CASAR模型的切航跡向合成孔徑長度等于圖1(c)中的A，沿航跡向孔徑長度為。當(dāng)圖1(a)和圖1(c)中的孔徑相同時(shí)，CASAR的切航跡向孔徑將大于LASAR的切航跡向孔徑。因此，CASAR模型相較于傳統(tǒng)LASAR模型增大了陣列方向的合成孔徑，進(jìn)而在相同線陣尺寸下陣列向分辨率將得到改善。另外，CASAR成像模型相較于傳統(tǒng)SAR成像擴(kuò)展了視角，可從多個(gè)視線方向獲取3維目標(biāo)場景豐富的散射信息，與CSAR模型類似。CASAR模型在陣列平面上的布型為環(huán)狀線性陣列，與CSAR模型相比，提高了垂直于距離向的平面上的采樣點(diǎn)數(shù)，達(dá)到抑制高旁瓣的目的。

2.2 CASAR的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)分析

由于距離向分辨率僅由雷達(dá)信號帶寬決定，本文將主要分析陣列方向的2維分辨率。將直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)系，圖1(c)中CASAR的天線相位中心(Antenna Phase Centers， APC)可表示為

其中

2.3 點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖像仿真

為直觀反映多種3維SAR成像體制下陣列向分辨率的差異。本文通過仿真LASAR模型、單航過CSAR模型以及CASAR模型在相同尺寸線陣天線條件下的PSF，利用3維后向投影(Back Projection，BP)成像算法對成像結(jié)果進(jìn)行對比分析。天線與目標(biāo)相對位置如圖1模型所示。仿真參數(shù)如表1所示，投影的場景大小為4 m×4 m，仿真成像結(jié)果如圖2所示，證明了CASAR 3維成像的可實(shí)施性。

表1 仿真參數(shù)Tab. 1 Simulation parameters

表2 切航跡向性能比較Tab. 2 Cross-track performance comparison

3 地面實(shí)測結(jié)果

3.1 地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4(a)為基于上述理論設(shè)計(jì)的原型CASAR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于實(shí)際測量驗(yàn)證，圖4(b)為由4個(gè)金屬球構(gòu)造的室外目標(biāo)場景。為驗(yàn)證CASAR系統(tǒng)3維成像的可行性，將發(fā)射天線作為強(qiáng)散射源，對目標(biāo)場景進(jìn)行近距離成像實(shí)驗(yàn)。

通過使用圖4(a)所示原型CASAR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，安裝在導(dǎo)軌中的單天線進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)形成陣列天線并連續(xù)照射目標(biāo)場景，再通過導(dǎo)軌的旋轉(zhuǎn)合成本文所提CASAR模型中的圓跡陣列，如圖5(a)所示。圖5(b)為實(shí)驗(yàn)場景的3維圖，圓跡陣列處于-平面。為了便于實(shí)現(xiàn)地面實(shí)測實(shí)驗(yàn)，本文采用單天線螺旋運(yùn)動(dòng)形成圓跡陣列，等效為由多個(gè)天線單元構(gòu)成的直線陣列天線進(jìn)行1次圓周運(yùn)動(dòng)。

選擇步進(jìn)頻率(Step Frequency， SF)信號[9]作為CASAR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)射信號。CASAR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本框圖如圖6所示。SF信號從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector Network Analyzer， VNA)的1端口產(chǎn)生，經(jīng)發(fā)射機(jī)預(yù)處理(如功率放大)后通過發(fā)射設(shè)備(如固定發(fā)射天線)進(jìn)行發(fā)射。散射信號由接收設(shè)備進(jìn)行接收及預(yù)處理，之后傳輸?shù)絍NA的2端口，經(jīng)VNA的“S21”測量功能獲得目標(biāo)場景的散射信息。通過使用高分辨率距離像(High Resolution Rang Profile，HRRP)技術(shù)[10]和3維BP成像算法[4，7，11]，可以重建3維目標(biāo)場景。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

3.2 地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)1 陣列天線移動(dòng)軌跡近似傳統(tǒng)的CSAR模型，如圖7(a)所示。此時(shí)，，軸構(gòu)成CSAR的圓周平面。經(jīng)CSAR模型得到的3維成像結(jié)果如圖7(b)，球1在圓周平面的2維切片圖像如圖7(c)?？梢奀SAR 3維成像存在旁瓣高成像質(zhì)量差的問題。

實(shí)驗(yàn)2 采用本文所提的CASAR模型，利用單個(gè)天線進(jìn)行8周螺旋運(yùn)動(dòng)形成圓跡陣列，如圖8(a)所示，等效為8個(gè)天線構(gòu)成的直線陣列天線進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，陣列長為0.5 m，圓跡陣列最大/最小半徑由表3所示。此時(shí)，，軸構(gòu)成CASAR的陣列平面。經(jīng)CASAR模型得到的3維成像結(jié)果如圖8(b)，球1在陣列平面的2維切片圖像如圖8(c)。

觀察圖8(b)和圖7(b)，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)2中的CASAR 3維成像結(jié)果比實(shí)驗(yàn)1中的傳統(tǒng)CSAR 3維成像結(jié)果更清晰，4個(gè)目標(biāo)大部分的旁瓣得到了明顯的抑制。比較圖8(c)和圖7(c)所示的陣列平面2維切片示意圖，CASAR的單目標(biāo)圖像旁瓣明顯下降。CSAR模型和CASAR模型的成像性能比較如表4所示，CASAR模型的ISLR明顯優(yōu)于CSAR模型，而PSLR沒有得到明顯改善，與2.3節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似。因此可驗(yàn)證CASAR模型具有有效的積分旁瓣抑制能力，且能保持CSAR所具有的高分辨成像能力。

4 結(jié)論

本文所提新體制CASAR模型可應(yīng)用于高質(zhì)量3維雷達(dá)成像。陣列平面呈環(huán)狀，可由線陣天線通過圓周運(yùn)動(dòng)合成，也可由單個(gè)天線通過螺旋運(yùn)動(dòng)合成。在圖像分辨率方面，CASAR模型近似于多軌跡CSAR模型，因此與CSAR模型具備同樣的高分辨率。在垂直于距離向的平面上使用圓跡陣列的布局相較于單航過CSAR，可以增加在2維平面上的采樣率，從而有效地抑制3維SAR圖像的旁瓣。綜上，CASAR模型擁有高分辨率成像能力以及有效的旁瓣抑制能力，可以明顯提高3維SAR成像質(zhì)量。通過理論分析和地面實(shí)測，證明了3維CASAR成像的有效性。

表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab. 3 Experiment parameters

表4 性能比較Tab. 4 Performance comparison