小型SAR系統設計

劉 闖 洪香茹 張 濤

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

合成孔徑雷達(synthetic aperture radar，SAR)是一種可以進行二維高分辨成像的雷達系統，可以全天時、全天候的工作，被廣泛用于戰場偵察、目標識別、著陸導航、地形測繪、地質探測、海洋監測及自然災害監控等領域［1，2］。傳統的SAR系統通常工作在脈沖體制下，系統復雜、體積大、重量重、成本高［3，4］，通常用在較大的搭載平臺，如運輸機、直升機、大型無人機上。為了降低SAR系統的應用條件和成本，需要研制小型化、低成本、可搭載在小型無人機上的SAR系統。思路有兩種:一種是針對脈沖體制的SAR系統，采用更加先進的集成技術，研制高度集成的小型化前端和高性能的信處單元;另一種是采用新的成像體制，如基于調頻連續波的去調頻接收體制(Dechirp)［1，5］。對于第一種方法，由于技術條件的限制，其實現難度和風險較大，而且降低成本的空間很小;對于第二種方法，由于調頻連續波技術已經很成熟，而且其系統具有結構簡單、體積小、重量輕、成本低、易于集成、功耗低、可靠性高、隱蔽性好等優點［6，7］，通過去調頻處理后，還可以大大降低對后端采樣系統的要求，因而成為小型化SAR系統發展的首選方案，得到了廣泛的應用。

2 線性調頻連續波SAR成像處理分析

線性調頻連續波Dechirp原理為:將SAR回波信號和具有固定延時的發射信號做差頻處理，在頻域獲得距離高分辨能力。假設發射信號為鋸齒形線性調頻信號，信號形式如下:

其中:A0為信號幅度，由于對后續分析影響不大，可令其為1;fc為發射信號載頻;kr為信號調頻率，若信號帶寬為B，掃頻周期為T，則為以掃頻周期起始時刻為起點的時間，稱為快時間。

那么位于Ri處的目標回波為:

設參考距離為Rref，參考時間為，那么參考信號為:

將參考信號和目標回波信號做差頻處理，如圖1所示，忽略幅度影響后，可得基帶回波信號為:

其中:ΔRi=Ri-Rref。

通過以上分析可知，通過去調頻處理后，回波變為單頻信號，且其頻率與回波和參考信號的距離差成正比，且。因此，對去調頻后的信號做傅里葉變換，便可在頻域得到對應的sinc狀的窄脈沖，脈沖寬度為，Tp為調頻周期，而脈沖在頻率軸上的位置與ΔRi成正比，如圖1b所示。由于變換到頻域后的窄脈沖寬度為可得距離分辨率為，與匹配濾波的結果相同。

圖1 去調頻脈壓示意圖

式(4)中，第一項為距離項，第二項為多普勒項，第三項為去調頻處理獨有的，稱為剩余視頻相位項(RVP)，它會使多普勒有少許的改變。由圖1可見，不同距離的目標回波在時間上是錯開的，稱為斜置，它并不帶來有用信息，還會給后續處理帶來不便，應設法將其去除，稱為去斜處理，去斜后的同時RVP項也隨之消失。為了完成上述工作，將(4)式的差頻信號以參考點的時間為基準對快時間做傅里葉變換，可得:

其中:第一項為多普勒項，第二項為RVP項，第三項為包絡斜置項。除了第一項外，后兩項均應去除。由于，因此后兩項相位項可變為:

令

給式(5)乘以(7)式就可將RVP項和包絡斜置項都去除掉。

通過以上處理，距離向壓縮就已經完成，后續的方位向處理和脈沖體制的SAR處理過程相似，在此不再進行分析，完整的SAR成像處理過程如圖2所示。

圖2 SAR成像處理框圖

3 小型合成孔徑雷達系統設計

根據小型合成孔徑雷達體積小、重量輕、成本低的要求，結合調頻連續波去調頻體制的特點，在保證系統技術指標的前提下，采用以下設計方案。

天線系統設計:由于系統采用調頻連續波體制，因此必須采用收發分置的雙天線結構，為了減小天線的體積和重量，結合調頻連續波體制的雷達作用距離近、發射功率較小的特點，可采用微帶天線。

波束穩定系統設計:波束穩定一般通過伺服系統進行控制，它往往占據系統相當份額的體積和重量，很難進行優化。為了控制系統的體積和重量，本設計采用常平架結構的自穩定方案，將雷達系統集成在一個常平架結構的機箱內，靠整個系統的自重和特別的重心設計，結合很寬的俯仰波束(如:40°)，保證波束始終照射到成像測繪帶內，這樣就可以省去伺服系統。常平架結構示意圖如圖3所示。

圖3 常平架穩定結構示意圖

收發前端設計:為了減小系統的體積和重量，將發射機、接收機和頻綜集成為一個綜合的收發前端。頻綜負責整個系統各種頻率源的產生，并為發射模塊提供發射激勵信號，為接收模塊提供參考本振信號;發射模塊將發射激勵信號進行放大，接收模塊進行去調頻接收。由于采用連續波體制工作，并且發射信號功率不是很大(一般為幾十瓦)，因而不需要高壓和調制電路，可采用固態發射模塊，一方面可以降低發射模塊的體積和重量，另一方面還可以提高系統的可靠性。收發系統采用不同的通道，通過收發控制脈沖控制通道的工作切換，易于提高收發通道的隔離度和系統的可控性。集成化收發前端結構示意圖如圖4所示。

圖4 集成化收發前端結構示意圖

預失真的寬帶信號產生模塊:預失真的寬帶信號產生模塊用于產生預失真的寬帶發射信號。為了提高距離向分辨率，需要發射大帶寬時寬積的線性調頻信號，由于目前技術水平的限制，系統帶寬達到一定程度時容易引起信號畸變，嚴重影響成像質量。為了降低系統設計難度，保證成像質量，可采用預失真的信號產生技術，具體方法是通過儀器測出系統對信號的失真特性，通過數字的方法對發射信號進行反向的預失真，然后將預失真的信號進行數模變換，供前端產生發射激勵信號，這樣就能通過數字的方法校正系統誤差，保證信號質量。預失真的寬帶信號產生模塊結構示意圖如圖5所示。

圖5 預失真的寬帶信號產生模塊結構示意圖

高速AD采樣模塊:高速AD采樣模塊負責對來自接收機的去調頻信號進行采樣。采用去調頻接收技術，雖然沒有降低對信號采樣率的要求，但是卻大大降低了對信號采樣帶寬的要求，因而大大降低了AD采樣模塊的設計成本。AD采樣模塊可采用高速AD芯片+高性能FPGA芯片的方法，一方面實現高速AD采樣功能，另一方面還可以實現信號預處理功能，減小信處的處理壓力，如圖2的去斜和距離向FFT運算就可以在此進行。高速AD采樣模塊結構示意圖如圖6所示。

圖6 高速AD采樣模塊結構示意圖

實時成像處理模塊:實時成像處理模塊用于進行SAR實時成像處理，主要包括距離向FFT運算、去斜處理、方位向FFT運算、距離走動和距離彎曲校正、方位向頻域匹配函數產生、方位脈壓等。實時成像處理模塊可采用高速DSP芯片+FPGA的方案，其中FPGA主要負責數據的接收和分發，并實現和無人機數據鏈的接口，DSP主要負責成像運算和圖像壓縮。實時成像處理模塊結構示意圖如圖7所示。

在以上設計中，可以將預失真的寬帶信號產生模塊和高速AD采樣模塊合并為一個模塊，這樣可以進一步提高系統的集成度，但是應該注意電磁兼容問題，防止信號間的相互干擾。此外，后端的信號產生模塊、AD采樣模塊、信號處理模塊采用PC104-Plus架構，可進一步提高系統的集成度。按照上述方案設計的小型合成孔徑雷達的總體結構框圖如圖8所示，其中的顯控計算機用于系統調試。

4 試驗驗證

為了驗證系統性能，以運-5飛機為平臺對該雷達進行了掛飛驗證。實驗時，載機沿直線飛行，飛行高度1800m，飛行速度180km/h，采用距離多普勒算法(RDM)，利用慣導數據進行運動補償，成像結果如圖9所示，分辨率1m×1m。由圖可見，該系統成像結果聚焦很好，能夠獲得清晰的地面SAR圖像，說明系統方案有效可行。

圖9 SAR成像結果，分辨率1m×1m

5 結論

通過對線性調頻連續波去調頻體制的信號處理過程和特性進行分析，針對其特點，采用收發分置的雙天線方式，通過收發通道可控的切換工作方法來提高收發隔離度;采用俯仰向寬波束和總體常平架結構，省去了伺服系統，減小了系統的體積和重量;采用去調頻接收的方法降低了對后端數據采樣帶寬的要求，簡化了后續的成像處理過程;采用數字化寬帶信號產生及預失真方法，來補償系統通道的非理想因素，提高信號品質，保證成像質量;采用集成化射頻前端和集成化數字信號處理后端，在減小系統體積和重量的基礎上，提高了系統的可靠性、耐沖擊和震動性，使系統更適合于無人機的使用條件。上述方案已用于某小型無人機載SAR系統的設計，目前已經完成實驗室的總裝總調工作，試驗結果證明該方案完全可行。

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