星載合成孔徑雷達不同工作模式下的PRF優化選取研究
2012-04-12 00:00:00陳穎穎高陽何永華
現代電子技術 2012年5期
摘 要：星載合成孔徑雷達中，脈沖重復頻率(PRF)是非常重要的參數。它的選擇受到很多因素的影響，尤其是受到發射干擾、星下點回波、距離模糊以及方位模糊的影響，也正是受到這些因素的影響，導致在不同的工作模式下，PRF的選取有很大的差異。這里在研究常用的條帶工作模式下PRF選取的基礎上，討論了聚束和滑動聚束模式下PRF選取的特殊性，給出了這兩種工作模式下PRF選取的方法，并進行了仿真驗證其有效性。
關鍵詞：脈沖重復頻率； 工作模式； 方位模糊; 孔徑雷達
中圖分類號：
TN95834
文獻標識碼：A
文章編號：1004373X(2012)05
0025
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Optimal selection of PRF for spaceborne synthetic aperture radar in different working mode
CHEN Yingying， GAO Yang， HE Yonghua
(Department of Optical and Electrical Equipment， Academy of Equipment， Beijing 101416， China)
Abstract：
PRF is an important parameter in spaceborne synthetic aperture radar， which is affected by many factors， especially by emission interference， substellar point echo wave， range ambiguity and azimuth ambiguity. For these factors， the choice of the PRF is variant. On the basis of selecting PRF in common working mode， the selection of PRF in spotlight mode and sliding spotlight mode is discussed. The selection method of the PRF is proposed. At last， the simulation presents the method′s effectiveness.
Keywords： pulse repetition frequency; working mode; azimuth ambiguity; aperture radar
收稿日期：20111021
0 引 言
脈沖重復頻率(PRF)是合成孔徑雷達最重要的幾個參數之一。它的大小將影響到其他雷達參數的選擇，并直接影響雷達的性能，它與許多參數都有著密切的關系。其中影響PRF選擇的參數有雷達速度、天線長度、測繪帶寬、入射角度、脈沖寬度、飛行高度等；PRF的值也會影響到發射信號峰值功率、數據率等參數值，并左右雷達距離模糊和方位模糊地大小。所以選擇合適的PRF是雷達設計中極為關鍵的部分。
在合成孔徑雷達的一些硬性參數固定后，例如雷達速度、天線長度、飛行高度等已經確定的情況下，不同工作模式下，脈沖重復頻率的選擇也是不同的。
1 基本原理
當衛星軌道高度較高時，在任一時刻不僅有多個被觀測區域的回波信號在空間傳播，而且，還有多個星下點回波信號在空間傳播。因此，回波窗(對應測繪帶)的位置一定要避開發射信號和星下點信號的干擾。在實際應用中，往往要先畫出一個PRF與入射角或地距的平面圖，以使測繪帶和PRF的選擇避開發射信號和星下點的干擾［1］。
1.1 避開星下點回波的影響
如圖1所示，假設星下點回波是在第k個發射脈沖之后Δ1時間到達接收端的，其寬度取為發射脈沖寬度的2倍，即2τr。觀測帶的有用回波信號是在第i個發射脈沖之后Δ2時間開始到達接收端的，其時間散布為Tw=2Rfc－2Rnc。其中Rf和Rn分別為SAR到觀測帶遠距端和近距端的距離。也就是說，下列關系式成立：
1.2 避開發射脈沖的遮掩
星載SAR一般采用收發共用天線。當天線發射信號時，無法接收觀測帶內的有用回波信號，因此需要合理選擇脈沖重復頻率，使觀測帶內回波信號的接收時間與脈沖發射時間錯開，并使觀測帶回波信號錄取窗口限于一個脈沖重復周期內。為了避免發射脈沖干擾，要求觀測帶內所有的回波能夠在同一脈沖重復周期Tr內到達接收機。發射脈沖不落入回波接收窗的條件是:
距離向模糊和方位向模糊取決于脈沖重復頻率(PRF)的選擇和測繪帶(或稱數據窗)的位置。較低的PRF會使方位向模糊增加；較高的PRF會增加距離向模糊，或者使測繪帶寬度受限。因此，PRF的選取還受到距離向和方位向模糊的影響。
1.3 避開距離模糊和方位模糊
(1) 避免距離模糊
對于星載聚束模式SAR而言，由于軌道高度較大，收發脈沖不在同一脈沖重復周期內。若脈沖重復頻率過大，使得觀測帶內有用回波超出一個脈沖重復周期，就會產生有用回波信號的混疊，使圖像質量下降或無法成像。由于聚束模式SAR、滑動聚束SAR和條帶模式SAR的工作原理可以知道，聚束模式和滑動聚束模式的距離向照射方式與條帶模式一樣，所以脈沖重復頻率的上限制約條件為：
fr≤1/Tw
(10)
式中：Tw=2Wsin θfc，θf為觀測帶遠距端的波束入射角，W為合成孔徑雷達的觀測帶寬度，c為光速。
(2) 避免方位向模糊
由天線方位向和俯仰向的約束關系，根據Naquist采樣定理，方位向采樣頻率(PRF)應該大于方位向多普勒帶寬，即可以得出下列約束關系:
1.4 不同工作模式下PRF選取的差異
隨著星載合成孔徑雷達的蓬勃興起，星載合成孔徑雷達也呈現出多模式的發展趨勢。在此以條帶模式、聚束模式和滑動聚束模式為例，討論這幾種工作模式下PRF選取的差異。
由上面的分析可以得出，影響PRF選取的三個方面，星下點回波和發射脈沖干擾的影響對于三種工作模式來說是一致的，而對于方位模糊和距離模糊的影響則是有差異的，具體表現在，距離模糊上，由于不同工作模式下，合成孔徑雷達的觀測帶寬度是不一樣的，因此也就影響到了PRF的上限制約條件。對于方位模糊，影響的主要因素在三種工作模式的方位向多普勒頻率歷程上，由于三種工作模式的方位向多普勒頻率歷程差異很大，因而PRF的下限約束條件也就有了明顯的差異。這里不做公式推導，為分析方便，這里只給出三種工作模式下的方位多普勒頻率表達式［2］。
2 仿真分析
2.1 避開發射脈沖干擾和星下點回波干擾的仿真分析
假設星載SAR運行在太陽同步軌道上，其軌道平均高度h=792 km，并假設地球為均勻圓球體，地球半徑Re=6.378 14×106 m，脈沖寬度Tp=42 μs，保護時間設為0.5Tp，另外所選擇的最小和最大可能的脈沖重復頻率fpmin=1 000 Hz，fpmax=3 000 Hz，可視觀測帶對應的最小和最大入射角分別為θmin=15°，θmax=50°。根據這些參數，得到的仿真\\[34\\]斑馬圖如圖2，圖3所示。
菱形區域為脈沖重復頻率可選擇的區域。由仿真結果可看出，保護時間越短，“斑馬圖”看起來越稀疏，也就是說可選擇的脈沖重復頻率相對較多。這個結果不難理解，保護時間長了，相應的回波可選擇余地就小了，因而可選擇的脈沖重復頻率就相對較小，“斑馬圖”看起來也就較密集。
2.2 方位模糊對PRF選取的影響
由第1節的理論分析可以看出，不同工作模式下，方位向多普勒帶寬差異很大，因此這就對PRF的優化選取產生很大的影響。這里采用表1所示的仿真參數進行實驗。
根據給定的仿真參數和方位向多普勒帶寬的公式，可以計算出表2所示的參數值。
針對不同的工作模式，采用表1和表2的仿真參數，根據模糊度的公式［56］，可以得到圖4~圖6所示的不同工作模式的方位模糊度優化曲線，根據曲線和成像對模糊度的要求，可選擇出需要的PRF取值。
從圖中可以看出，不同的方位位置下，條帶模式的方位模糊度是不變的，而對于滑動聚束模式和聚束模式下，它的方位模糊度是隨方位向位置的不同而發生變化。同時，可以發現，如果脈沖重復頻率直接采用方位向多普勒帶寬，方位模糊度不滿足系統設計的要求，尤其是滑動聚束模式，直接采用方位向多普勒帶寬，方位模糊度會發生很大的變異。致使無法滿足系統設計要求。這也就體現了方位去斜的重要性了。另外，單從方位模糊度優化PRF的選取的角度，可以從仿真圖形中明顯地分析出，同樣地參數條件下，滑動聚束模式下，PRF可選擇的范圍要比聚束模式下的可選擇范圍小。
圖4 條帶模式的方位模糊度
通過進一步分析可以看出，在測繪帶范圍內，測繪帶中心位置附近，方位模糊度的變化較平穩，而邊緣就相對較大?；瑒泳凼Ｊ较?，測繪帶中心位置附近方位模糊度的變化范圍要比聚束模式的變化范圍平穩一些，出現這種情況的原因在于，滑動聚束模式的測繪帶范圍較聚束模式的大，某種情況下，趨向于條帶模式，因此方位向多普勒帶寬的變化也就相對平滑很多。通過進一步分析，從繪制的斑馬圖以及方位模糊度函數圖中，可以初步確定出三種不同工作模式下的PRF，如表3所示。
根據確定的PRF取值可以看出，滑動聚束模式的
取值更趨向于選擇與條帶模式相當的值，而與聚束模式的取值差距較大。當然這種取值并不是惟一確定的，只是在可允許的取值范圍內，根據系統設計的要求以及硬件的要求進行選擇。只要符合理論要求的取值，都是正確的。
3 結 語
通過上面的理論推導和仿真實驗可以看出，星載合成孔徑雷達不同工作模式下的脈沖重復頻率是不一樣的，也就是說，星載合成孔徑雷達在不同工作模式的轉換過程中，不僅天線和發射脈沖寬度等參數發生變化以適應合成孔徑雷達的工作模式的要求，它的脈沖重復頻率也要隨工作模式的變化而變化。這也為以后對星載合成孔徑雷達工作模式的偵察提供了一個有力的判定標準，對星載合成孔徑雷達的偵察具有一定的參考意義。
參 考 文 獻
［1］袁孝康.星載合成孔徑雷達導論［M］.北京:國防工業出版社，2003.
［2］劉寒艷，宋紅軍，程增菊.條帶模式、聚束模式和滑動聚束模式的比較［J］.中國科學院研究生院學報，2011，28(3):410417.
［3］劉永坦.雷達成像技術［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1999.
［4］魏鐘詮.合成孔徑雷達衛星［M］.北京:科學出版社，2001.
［5］張澄波.綜合孔徑雷達原理、系統分析與應用［M］.北京:科學出版社，1989.
［6］程增菊，宋紅軍，徐海勝.去斜滑動聚束模式SAR方位模糊度分析［J］.科學技術與工程，2011，11(10):22152219.
作者簡介：
陳穎穎 女，1982年出生，山東威海人，在讀博士研究生。主要研究方向為空間信息對抗、雷達信號處理。
高 陽 男，1988年出生，河南杞縣人，在讀碩士研究生。主要研究方向為電子對抗。
