星載DPC MAB SAR系統(tǒng)主要性能指標(biāo)分析

摘 要：星載分離相位中心方位多波束合成孔徑雷達(dá)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)方位向高分辨率和寬測(cè)繪帶成像。分辨率、測(cè)繪帶寬度、模糊度和作用距離等性能指標(biāo)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，同時(shí)也是用戶最為關(guān)心的指標(biāo)。通過(guò)對(duì)這種新體制SAR技術(shù)原理進(jìn)行分析，并參照常規(guī)SAR上述指標(biāo)的定義，給出了DPC MAB SAR系統(tǒng)的分辨率、測(cè)繪帶寬度、模糊度和作用距離等性能指標(biāo)的計(jì)算公式，可用于系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。同時(shí)計(jì)算結(jié)果與常規(guī)SAR對(duì)照，進(jìn)一步體現(xiàn)了DPC MAB技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：星載SAR; 分離相位中心; 方位多波束; 合成孔徑雷達(dá); 性能指標(biāo)分析

中圖分類號(hào)：TN958-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)17-0031-05

Analysis of Main Performance Indexes for Spaceborne DPC MAB SAR

FAN Qiang， LIU Shu-li

(China Academy of Electronics and Information Technology， Beijing 100041， China)

Abstract： The spaceborne displaced phase centre multiple azimuth beam (DPCMAB) synthetic aperture radar (SAR) can realize the high-resolution wide swath imaging. The performance indexes including resolution， swath width， ambiguity and effective ranging are the goal of system design and what the users concern mostly with. According to the definition of the above performance， the computational formula for the performance indexes is presented by analyzing the principle of the DPC MAB SAR in this paper， which is considered in engineering design. The calculated results are contrasted with that of conventional SAR. The technique advantages of DPC MAB SAR are embodied.

Keywords： spaceborne SAR; displaced phase centre; multiple azimuth beam; SAR; performance index analysis

0 引 言

星載合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)通常是以人造衛(wèi)星和航天飛機(jī)等為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)的。相對(duì)于機(jī)載SAR來(lái)說(shuō)，星載SAR可以在更短的時(shí)間內(nèi)測(cè)繪更大的地域面積。這一優(yōu)點(diǎn)使它在災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋觀測(cè)、資源勘察、農(nóng)作物估產(chǎn)、森林調(diào)查、測(cè)繪和軍事等方面得到廣泛應(yīng)用，并日益受到人們的重視。在實(shí)際的遙感應(yīng)用中，常常需要較寬的測(cè)繪帶，只作業(yè)一次，即完成大面積寬測(cè)繪帶監(jiān)測(cè)地區(qū)的成像，以便于即時(shí)分析情況，解決問(wèn)題。另外，為了提高對(duì)成像區(qū)域目標(biāo)的識(shí)別率，還要求SAR具有高分辨率。對(duì)于常規(guī)星載SAR來(lái)說(shuō)，寬測(cè)繪帶與方位向高分辨率之間是矛盾的［1］，其無(wú)法獲得連續(xù)條帶的寬測(cè)繪帶、高分辨率圖像。

英國(guó)的A.Currie和C.D.Hall提出，采用分離相位中心(Displaced Phase Centre，DPC)方位向多波束(Multiple Azimuth Beams，MAB)技術(shù)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率、寬測(cè)繪帶成像［2-4］。本文將從工程實(shí)現(xiàn)角度，對(duì)采用DPC MAB技術(shù)的星載SAR的主要性能指標(biāo)進(jìn)行分析。

1 分辨率

分析分辨率［5-6］首先要給出DPC MAB SAR的信號(hào)模型。SAR工作時(shí)，在飛行過(guò)程中不斷發(fā)射和接收脈沖，因此總的發(fā)射信號(hào)f(t)可表示為一脈沖串，即:

與式(13)比較得，若DPC MAB系統(tǒng)相鄰子天線接收相位中心的間隔為常規(guī)條帶SAR(天線方位向長(zhǎng)度與DPC MAB SAR子天線長(zhǎng)度相同)采樣間隔的兩倍時(shí)，一個(gè)N波束的DPC MAB系統(tǒng)各個(gè)接收通道的回波相位變化與常規(guī)條帶SAR在相應(yīng)連續(xù)的N個(gè)接收位置的回波相位變化基本上是相同的。

綜上，假設(shè)一DPC MAB系統(tǒng)的子天線方位向長(zhǎng)度為D，則其與天線方位長(zhǎng)度也為D的常規(guī)SAR合成孔徑時(shí)間和多普勒調(diào)頻率相同，所以DPC MAB SAR的方位分辨率為：

2 測(cè)繪帶寬度

DPC MAB SAR測(cè)繪帶寬度的計(jì)算方法與常規(guī)SAR一致。圖1給出了星載SAR的幾何關(guān)系。其中，Wg為測(cè)繪帶寬度;Wa為天線寬度;Re為等效地球半徑;H為平臺(tái)高度;α為天線距離向波束主瓣寬度;β為下視角。假設(shè)地球?yàn)檎蝮w，則測(cè)繪帶寬度為：

3 模糊度［7-10］

模糊問(wèn)題是影響星載SAR圖像質(zhì)量與測(cè)繪帶寬度的關(guān)鍵因素之一，因此模糊特性分析是星載SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。衡量SAR系統(tǒng)模糊特性的指標(biāo)是模糊比，即模糊信號(hào)功率與有用信號(hào)功率之比。雷達(dá)輸出功率在模糊信號(hào)和有用信號(hào)間的比值等于兩種信號(hào)在（G2/R3）σ上的比值。其中，G為天線功率方向圖；R為目標(biāo)距離；σ是目標(biāo)后向散射系數(shù)。因此對(duì)于多普勒頻率為fd，時(shí)延為τ0的回波，其模糊度比為［1］:

在工程中分析系統(tǒng)模糊特性和計(jì)算模糊比指標(biāo)時(shí)，通常忽略距離向和方位向模糊信號(hào)之間的耦合，這樣可分別對(duì)方位模糊和距離模糊進(jìn)行分析和計(jì)算。下面將分別分析這兩種模糊。

3.1 方位模糊度

假定在回波窗內(nèi)，實(shí)際星載SAR系統(tǒng)中每個(gè)方位方向圖的目標(biāo)后向散射特性是均勻的，并且每個(gè)下視角的方位方向圖主瓣形狀也是相似的。這樣，方位模糊度可定義為：圖像處理帶寬內(nèi)不模糊多普勒能譜與由相鄰模糊區(qū)產(chǎn)生并折疊到圖像處理帶寬內(nèi)的總模糊能量之比:

式中:Bp為多普勒帶寬;fd為多普勒頻率。

對(duì)于DPC MAB系統(tǒng)，各接收通道的回波在成像處理前按距離門(mén)分別經(jīng)過(guò)方位向相位補(bǔ)償后合成一路信號(hào)。合成后信號(hào)的方位向采樣率即系統(tǒng)等效脈沖重復(fù)頻率fep為系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)脈沖重復(fù)頻率fp的NB倍(接收通道數(shù)目)，所以在DPC MAB系統(tǒng)中只有與成像點(diǎn)多普勒頻率相差NB#8226;fp的整數(shù)倍的點(diǎn)才能成為方位模糊點(diǎn)。

另外，在計(jì)算方位模糊度時(shí)，還需要考慮天線雙程方位向方向圖。對(duì)于DPC MAB系統(tǒng)，一般發(fā)射和接收天線并不是同一天線，且在方位向上有一定間隔，因此對(duì)于同一目標(biāo)發(fā)射和接收時(shí)的天線增益并不相同，需要計(jì)算等效的天線雙程方位方向圖。式(26)給出一均勻加權(quán)天線的增益:

式中:La為天線的長(zhǎng)度;φ為偏離天線法線的角度。從式(26)可看出，當(dāng)信號(hào)波長(zhǎng)一定時(shí)，天線的增益將由天線的長(zhǎng)度和偏離天線法線的角度決定。由于在DPC MAB系統(tǒng)中發(fā)射天線和接收天線的尺寸是完全相同的，因此發(fā)射和接收增益的差異將取決于偏離天線法線的角度。實(shí)際上系統(tǒng)中子天線的間隔為米量級(jí)，而在星載情況下目標(biāo)與天線的距離為百千米量級(jí)，因此同一目標(biāo)與不同子天線法線的角度差異為10－5 rad量級(jí)。一般情況下，天線的主波束角寬為10－2 rad量級(jí)。因此在DPC MAB系統(tǒng)中，對(duì)于同一目標(biāo)，其發(fā)射和接收天線增益可認(rèn)為是相同的，以發(fā)射子天線方位向增益的平方表示天線雙程方位向增益。由以上分析可以得出，DPC MAB系統(tǒng)方位模糊度計(jì)算公式為：

3.2 距離模糊度

距離模糊來(lái)自于天線俯仰波束的旁瓣。當(dāng)旁瓣照射區(qū)回波的雙程時(shí)延與測(cè)繪帶內(nèi)回波的雙程時(shí)延之差等于脈沖重復(fù)頻率的整數(shù)倍時(shí)，這些回波信號(hào)就會(huì)混疊起來(lái)，從而產(chǎn)生響應(yīng)的模糊性。由于星載SAR作用距離遠(yuǎn)，且脈沖重復(fù)頻率較高，雷達(dá)發(fā)射脈沖后往往要經(jīng)過(guò)若干個(gè)脈沖重復(fù)周期才能收到該脈沖的回波，因此距離模糊較為嚴(yán)重。

DPC MAB系統(tǒng)與常規(guī)條帶SAR相比，特殊性也僅表現(xiàn)在方位向，距離向并無(wú)區(qū)別。所以在距離模糊度的計(jì)算上，DPCMAB系統(tǒng)與常規(guī)條帶SAR一樣。

為了獲得距離模糊度(RASR)的精確值，考慮在數(shù)據(jù)記錄窗口內(nèi)給定時(shí)刻ti處，模糊信號(hào)從以下距離到達(dá):

這里脈沖數(shù)j(對(duì)期望脈沖，j=0)對(duì)先前干擾脈沖而言為正，而對(duì)后來(lái)的脈沖為負(fù)。值j=nh是到地平線的脈沖數(shù)。為了確定每個(gè)模糊脈沖的貢獻(xiàn)，需要確定數(shù)據(jù)記錄窗口內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)(i)中每個(gè)脈沖(j)的入射角和后向散射系數(shù)。將所有前后脈沖到達(dá)數(shù)據(jù)記錄窗內(nèi)的模糊信號(hào)進(jìn)行積分求和，再將該數(shù)據(jù)窗內(nèi)所有所期望的信號(hào)積分，取兩個(gè)積分和之比即得到距離模糊度:

DPC MAB系統(tǒng)的成像處理過(guò)程是：首先對(duì)不同的通道分別進(jìn)行相位校正，并按不同的距離門(mén)分別存儲(chǔ)，然后合成一路信號(hào)，最后按照常規(guī)條帶SAR模式進(jìn)行處理。因此在計(jì)算作用距離時(shí)，DPC MAB系統(tǒng)與常規(guī)SAR系統(tǒng)的惟一不同就是方位向的樣本數(shù)。

下面分析中為了便于區(qū)分，DPC MAB系統(tǒng)的部分參數(shù)增加上標(biāo)m。假設(shè)一N通道的DPC MAB系統(tǒng)，則其方位向樣本數(shù)nma為:

對(duì)比式(32)和式(34)得，作用距離相同時(shí)，且DPC MAB系統(tǒng)與常規(guī)SAR系統(tǒng)對(duì)相同距離的區(qū)域成像時(shí)，實(shí)現(xiàn)相同的分辨率DPC MAB系統(tǒng)將需要更低的發(fā)射功率，為常規(guī)SAR的1/N；而發(fā)射功率相同時(shí)，對(duì)同樣大小的分辨單元成像DPC MAB系統(tǒng)具有更大的作用距離。

6 結(jié) 語(yǔ)

常規(guī)SAR與DPC MAB SAR的區(qū)別主要體現(xiàn)在方位向上。對(duì)于距離分辨率、測(cè)繪帶寬度和距離模糊度，兩者是一致；對(duì)于方位分辨率，DPC MAB系統(tǒng)僅與子天線長(zhǎng)度有關(guān)。考慮到DPC MAB系統(tǒng)工作在較低的脈沖重復(fù)頻率下可以獲得方位向高的等效采樣率原理，實(shí)現(xiàn)相同分辨率，DPC MAB系統(tǒng)具有較低的方位模糊度；同時(shí)對(duì)距離相同的區(qū)域測(cè)繪，DPC MAB系統(tǒng)具有更低的功耗。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

范 強(qiáng) 男，1976年出生，山東煙臺(tái)人，工程師，博士。主要研究方向?yàn)榫C合信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和SAR信號(hào)處理。