無人機載微型SAR系統設計與實現?

高許崗,雍延梅

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

無人機是一種有效的遙感、監視、偵察和環境監測手段,在軍民科研領域越來越受到重視。而合成孔徑雷達(SAR)是具有全天時、全天候工作特點的高分辨成像雷達,已被廣泛應用到軍事和民用領域[1-3]。隨著微電子技術、微波技術及計算機技術的快速發展,SAR得到了快速發展,但通常SAR雷達系統比較復雜,成本高,體積和重量也較大,無法安裝于輕小型飛機和無人機、小衛星、小型彈等平臺上,這限制了SAR的大規模應用。研制體積小、重量輕、功耗低的微型SAR是輕小型無人機等平臺對SAR提出的新要求。當前,國內外文獻[4-8]已公開了微型SAR的研究成果及試驗結果。

本文首先給出微型SAR系統設計思路及系統的主要組成單元的設計方法;接著分析了線性調頻連續波SAR成像算法及GMTI處理技術;最后給出了在無人機平臺上外場飛行試驗的條帶成像和GMTI結果,結果表明了微型SAR系統的有效性和可靠性。

1 微型SAR系統設計

為了實現小體積、輕重量、低功耗的SAR系統,本系統采用調頻連續波體制,連續波體制相比脈沖體制具有以下幾個優點:(1)發射峰值功率低、截獲概率低,同時也降低了設備的復雜度;(2)系統結構相對簡單、成本低,減少了系統設備量;(3)易于采用去調頻處理,降低了采樣率,利于實現大寬帶信號;但需要利用輕型微帶雙天線實現收發隔離,同時由于連續波體制,傳統的SAR成像算法“停-走-停”近似處理方式不再適用,需要對已有成像算法和GMTI處理技術進行修正,下一節將給出連續波體制的SAR成像及GMTI處理的詳細分析。伺服平臺的結構設計、電路器件選型和電路設計上按照小尺寸、輕重量的原則,并將伺服與監控/信號處理一體化設計,降低了伺服平臺的重量和體積。接收系統采用寬帶線性調頻信號產生、去調頻方式、射頻直接調制及解調技術、SoC芯片設計等,簡化射頻通道的電路結構、實現頻率合成器一體化和高速波形與數據采集一體化設計,降低了收發設備體積、重量和功耗。圖1給出了微型SAR系統的實物圖。

圖1 微型SAR系統實物圖

綜合實時成像處理采用DSP與FPGA混合處理技術、改進RD算法、二維頻域補償多普勒頻移項的方法和方位脈沖特征提取并進行補償方式,提高了信號處理性能,解決調頻連續波的包絡距離徙動和收發天線易干擾的問題,實現適用于輕型無人機平臺的調頻連續波體制的實時運動補償與成像。

2 線性調頻連續波SAR成像及GMTI處理

2.1 線性調頻連續波SAR成像分析

由于脈沖體制SAR系統,脈沖持續時間遠小于脈沖重復周期,而調頻連續波SAR連續不間斷地發射信號,接收信號時的運動和發射與接收信號之間的運動不能忽略[8],因此不能再采用通常的“停-走-停”近似,這樣在回波信號描述飛機橫坐標的變量中就會引入距離向“快”時間變量。距離向“快”時間變量在回波信號中表現為距離向與方位向的再次耦合以及距離向高次相位信息,這對回波信號的處理形成干擾,在成像算法中需要對其進行補償。因而調頻連續波SAR的成像算法要考慮到對采用“停-走-?！苯乒烙嬕氲亩嗥绽照`差進行補償的處理。

對線性調頻連續波SAR回波信號進行處理,采取Dechirp方式。假設發射信號為矩形包絡的鋸齒形線性調頻信號,表示為

式中,μ為發射信號的調頻斜率;fc為載頻;PRI為發射信號重復周期?；夭ㄐ盘柨梢员硎緸?/p>

式中,T為進行Dechirp的時間,T＜PRI;為回波Dechirp之后的殘留相位誤差(RVP),通常該項對成像影響比較小,可以忽略?？紤]采用脈沖SAR中的處理方法,對調頻連續波SAR的差頻信號進行采樣,并通過將回波差頻信號變換到方位多普勒域,對回波信號的多普勒相位誤差進行補償,補償后的成像處理可以采用近似“停-走-?！蹦Ｐ汀：罄m的具體成像處理不再進行詳細分析,完整的SAR成像算法流程如圖2所示。

圖2 調頻連續波的改進RD成像算法流程

2.2 GMTI研究分析

對于動目標檢測來說,通常采用雙通道或多通道方法。采用多通道接收的方案使SAR系統硬件復雜,體積重量較大,無法滿足微型SAR系統的要求;而傳統的單通道SAR一般采用頻域濾波法進行動目標檢測,其要求很高的脈沖重復頻率,而且對于速度模糊的情況一般很難檢測且動目標檢測性能變差。這里基于三角波調制的FMCW信號進行單通道動目標檢測。

圖3給出了GMTI處理流程。首先,對SAR接收的回波數據進行距離向分段,提取正、負調頻數據。然后利用改進的RD成像算法分別對正、負調頻的回波信號進行成像,得到復圖像1,2。復圖像1,2之間由于回波接收時間相差Tp/2(Tp為調制周期)的時間,導致兩者在方位向位置上偏移v Tp/2的距離。該偏移是一個常量,易于消除。只需要將復圖像2在方位向頻域乘上線性相位因子exp(-jπfaTp)即可。然后將圖像1,2相減,靜止目標相互抵消,動目標得以保留。但在實際處理時,還存在沿距離向呈線性的相位變化。該變化量在參考距離處為零,遠離參考距離處逐漸變大。由于該線性相位的存在,使得靜止目標無法對消。實際處理時,由于圖像中動目標較少,可以利用兩幅圖像分布式目標在全圖范圍內的相位差,沿距離向進行線性擬合,求得該線性因子。然后對其中一幅圖像補償該線性相位因子,就可以完全消除靜止目標,保留運動目標信息。最后,對差圖像進行簡單的閾值處理就可以檢測出圖像中的動目標。

圖3 GMTI處理流程圖

3 無人機飛行試驗結果

為了驗證調頻連續波體制的微型SAR系統性能以及在輕小型無人機平臺飛行的可行性,在某近程輕小型無人機平臺上進行了微型SAR掛飛試驗。試驗中,載機按預定直線航線飛行,飛行高度為2 000 m,飛行速度為180 km/h,進行了條帶式成像和動目標檢測功能試驗驗證。在載機上采用調頻連續波SAR改進的RD算法實時成像,結果如圖4所示,分辨率為0.5 m×0.5 m。圖5給出了GMTI濾除主雜波后成像結果。由圖可見,該系統能夠在輕小型無人機上獲取實時圖像,并能實現動目標檢測,說明系統有效可行。

圖4 SAR實時成像結果

圖5 GMTI濾除主雜波后成像結果

4 結束語

為了滿足無人機載SAR的微型化要求,該系統通過采用連續波體制、射頻直接調制及解調接收和收發系統部分芯片化設計,簡化了發射通道結構及電路,且易于進行預失真補償來提高信號品質,保障成像質量;通過采用伺服、監控和綜合實時信號處理一體化設計打破傳統模塊化設計思路,減少了系統重量和體積。并針對連續波體制,給出了SAR成像算法及GMTI處理方式。目前,該系統已通過在輕小型無人機飛行試驗驗證,證明了系統在工程化方面的可靠和可行性。這對無人機載微型SAR成像技術研究和系統發展將具有重要推動作用。

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