慢速平臺SAR 系統設計與仿真分析?

(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

在信息化條件下的局部戰爭中,需要使用遠程精確打擊武器進行防區外打擊,實施這一戰略戰術必須有能實時提供遠距離戰場動態圖像情報的全天時、全天候成像偵察監視裝備。目前用于遠距離圖像情報偵察的平臺主要有天基平臺和航空平臺兩大類。天基偵察監視系統具有搜索范圍廣、覆蓋面積寬、偵察區域不受限等優點,但機動性差、重訪時間長。航空機載偵察監視系統機動性好,可實現快速部署、響應時間短,但也存在容易被對方發現而受到攻擊的危險、不能對重點地區實施不間斷連續偵察和費用較高等缺點。

與人造衛星和航空器相比,慢速飛艇平臺具有滯空時間長、安全性高和成本低等特點,在高效能、高強度和高消耗的現代戰爭中,慢速平臺偵察監視系統在戰場生存能力、覆蓋范圍、持續監視等方面都具有非常顯著的優勢,越來越受到各國軍方的重視。本文針對慢速飛艇平臺的特點,開展了慢速平臺SAR系統設計技術研究,并對慢速平臺SAR系統主要參數進行了仿真分析。通過采用脈沖推掃成像模式,可在飛艇等慢速平臺上實現同時高分辨率、寬觀測帶SAR成像。

1 慢速平臺特點及其對SAR系統影響

合成孔徑雷達(SAR)借助平臺運動增加方位帶寬以實現對地面靜止目標高分辨率成像,慢速飛艇平臺的最大特點就是平臺速度慢,因此其對SAR系統的影響主要表現在以下幾個方面:

1)平臺速度慢,采用脈沖推掃工作模式,即脈間變波位、變脈寬、循環掃描、分時覆蓋的方式,可以解決同時高分辨率、寬觀測帶SAR成像時對脈沖重復頻率(PRF)要求的矛盾[1]。

2)平臺速度慢,限制了SAR系統在方位向的觀測范圍,可以采用方位向擺掃工作模式實現方位向的寬觀測帶,提高慢速平臺SAR系統的偵察時間分辨率,提升系統的觀測效能。

3)平臺速度慢,采用運動目標顯示(MTI)工作模式,可以提高對慢速運動目標的檢測能力,采用同時SAR/MTI模式,可以實現對戰場態勢(靜止和運動目標)的綜合監視。

4)平臺速度慢,合成孔徑時間長,且平臺飛行不平穩,對運動補償的要求高[2-5]。

5)平臺速度慢,合成孔徑時間長,對頻率穩定度的要求高。

此外,慢速飛艇平臺滯空時間長,可以對熱點地區實施長期不間斷的偵察監視,且平臺費用低、效率高、安全性好。

2 慢速平臺SAR系統設計

2.1 雷達體制選擇

如前所述,由于平臺速度慢,可采用“脈間變波位、變脈寬、循環掃描、分時覆蓋”的方式,實現同時高分辨率、寬觀測帶SAR成像。考慮最大作用距離和距離向不模糊等因素,一般PRF為k Hz量級,即脈沖重復周期為毫秒級,為了實現脈沖推掃成像,這就要求距離向波位切換速度達到毫秒級。

由于平臺速度慢,需采用方位向擺掃的方式彌補方位向觀測范圍窄的缺陷,這就要求雷達在方位向具有快速波束掃描功能,同時,方位向波束掃描也可以實現聚束SAR以及MTI等多種工作模式。

考慮到慢速平臺SAR需要具備二維波束掃描能力,因此,選擇二維有源相控陣雷達體制。該雷達體制不僅可實現脈沖推掃、方位向擺掃、聚束SAR、MTI等多種工作模式,還可與高精度慣導結合,隔離慢速平臺姿態擾動,保證波束指向穩定。

2.2 工作模式設計

為了充分發揮慢速平臺SAR系統的偵察效能,應根據不同作戰需求完成多種工作模式,針對慢速平臺特點,主要工作模式有條帶SAR、聚束SAR、脈沖推掃、方位向擺掃和MTI。

1)條帶SAR模式

條帶SAR模式是最基本的SAR工作模式,在條帶SAR模式下,隨著雷達平臺的移動,天線波束指向保持不變,波束基本上均勻地掃過地面,條帶SAR模式的工作示意圖如圖1所示。理想情況下,條帶SAR模式的方位向分辨率為La/2,其中La為雷達天線方位向孔徑長度。而條帶SAR模式的觀測帶寬度與距離向波束寬度、天線視角、平臺高度和雷達接收回波窗大小等相關。

圖1 條帶SAR模式工作示意圖

2)聚束SAR模式

聚束SAR模式是一種精細高分辨率成像模式,是實現小區域高分辨率成像的主要手段[6]。它通過控制雷達方位向天線波束指向,使其對目標區域連續照射來獲得較長的合成孔徑時間,從而獲取一小塊區域內條帶SAR模式無法達到的高分辨率圖像,聚束SAR模式的工作示意圖如圖2所示。在整個合成孔徑時間里,雷達不斷調整天線波束指向,始終照射地面同一區域,從而克服條帶SAR模式中天線方位向孔徑長度決定的方位分辨率限制,獲取更長的合成孔徑長度,得到更高的方位向分辨率。

圖2 聚束SAR模式工作示意圖

3)脈沖推掃模式

慢速平臺SAR系統平臺速度慢、多普勒帶寬窄,采用脈沖推掃模式可解決同時高分辨率、寬觀測帶成像時對PRF要求的矛盾。脈沖推掃模式的工作示意圖如圖3所示,天線波束在距離向相互交疊的波位間從低視角向高視角順序掃描,并在每一個波位駐留時間內完成一次脈沖發射和目標回波接收,所有波位掃描和信號收發時間之和小于方位向多普勒帶寬對應的脈沖重復周期,這樣每個波位采集的數據均能滿足方位向采樣率要求,可實現全孔徑高分辨率成像。各波位SAR數據分別進行成像處理后,對不同視角相互交疊波位SAR圖像進行拼接,可形成高分辨率、寬觀測帶SAR圖像。

圖3 脈沖推掃模式工作示意圖

4)方位向擺掃模式

為了提高慢速平臺SAR系統的偵察效能,采用方位向擺掃成像模式,結合天線波束方位向的寬角掃描能力,擴大探測范圍,方位向擺掃模式的工作示意圖如圖4所示。在條帶SAR模式中,天線波束指向與平臺的飛行航線垂直,即傳統的正側視模式。天線的波束指向也可以向前或向后,通常稱之為斜視模式。方位向擺掃模式即是通過改變天線波束的斜視角,對前方的目標預先成像或對后方的目標再次成像,從而提高系統的靈活性和平臺的隱蔽性。譬如,在斜距100 km和15°的前斜視角時,SAR可在方位向提前探測到大約27 km處的目標,對慢速平臺20 m/s的速度,即可提前大約22 min探測到目標,因此,該工作模式對慢速平臺SAR系統來說具有非常重要的意義。

圖4 方位向擺掃模式工作示意圖

5)MTI模式

除了上面提及的條帶SAR、聚束SAR、脈沖推掃、方位向擺掃等成像模式外,MTI模式也是慢速平臺SAR系統的一個重要模式,目前MTI模式主要有3種處理方法:偏置相位中心天線(DPCA)、沿航跡多通道干涉測量(ATI)、空時自適應處理(STAP)。針對慢速平臺的特點,MTI模式選擇ATI方法,在沿運動方向采用兩個偏置相位中心的天線孔徑,分別對兩路信號進行SAR成像處理,然后將其中一個通道的復圖像與另一通道的復圖像共軛相乘,計算兩路信號的干涉相位。

2.3 系統組成及功能

慢速平臺SAR系統主要由天線單元、綜合射頻單元、綜合處理單元以及一些輔助設備等組成,如圖5所示。

圖5 慢速平臺SAR系統組成框圖

天線單元完成射頻信號的放大/移相、分配/合成,以及射頻信號的導波與空間電磁波之間轉化。就相控陣天線而言,在發射態,天線單元將激勵信號放大后分配到天線陣面,經天線陣面輻射后在空間形成所需的發射波束。在接收態,天線陣面將接收到的目標回波信號經過天線單元接收放大合成后,送至綜合射頻單元。因此,天線單元主要包括天線陣面、T/R組件、饋線網絡、校正網絡、陣面波控、陣面電源等。

綜合射頻單元主要包括激勵與波形產生、頻率綜合器、多通道接收與采集等。激勵與波形產生為天線單元提供不同工作模式所需的功率電平射頻信號,同時為天線單元提供校正信號。頻率綜合器以高穩定低相噪的恒溫晶體振蕩器為基準,產生系統所需的各種高穩定、低相噪、低雜散的相干信號、本振信號和時鐘信號。接收通道是將來自天線單元的回波信號進行低噪聲放大,并與本振信號進行混頻,產生中頻信號,經中頻放大及開關濾波器組對信號進行匹配濾波,由解調器進行數據解調后送數據采集。數據采集是將接收通道接收、放大、濾波且正交解調后的SAR回波數據進行模數變換,并將多路通道數據與監控(任務管理)送來的輔助數據進行整合。

綜合處理單元主要包括信號處理和任務管理兩部分。任務管理完成雷達系統波束控制(與天線單元陣面波控一起)和整機監控的功能,即接收終端控制送來的SAR工作模式,產生整機時序,控制各單元的工作狀態和工作參數;計算SAR工作模式下的波位參數,將移相值、衰減值等信息送給陣面波控;采集SAR工作狀態和參數送終端控制。信號處理完成不同工作模式下的成像處理,含脈沖推掃模式下的圖像拼接,以及MTI模式下的運動目標顯示。

對慢速平臺SAR系統來說,雷達輔助設備一般包括電源系統、環控系統、INS/GPS、終端控制等。電源系統是為雷達整機提供供電;環控系統是為了滿足雷達設備的冷卻需求,確保雷達設備始終處于良好的工作溫度條件下;INS/GPS是為采集平臺姿態、位置等參數用于雷達天線波束指向穩定,并為成像處理提供運動補償信息;終端控制是針對飛艇等無人平臺,由地面操作人員根據任務控制雷達工作模式,并監測雷達工作狀態。

3 慢速平臺SAR系統參數仿真分析

SAR系統采用小口徑雷達天線沿一直線軌跡勻速前進,進行雷達回波的空間合成(相干積累),可獲得極高的方位向分辨率且與目標距離無關,并通過脈沖壓縮技術實現距離向高分辨率,從而獲取地面場景的二維高分辨率圖像。除圖像分辨率、觀測帶寬度外,系統靈敏度是衡量SAR圖像質量的關鍵指標之一。對SAR系統而言,常用噪聲等效散射系數(NESZ)來表征系統靈敏度,定義為SNR=0 dB時的平均地面后向散射系數,即

式中,k為玻耳茲曼常數,T0為接收機溫度,Fn為接收機噪聲系數,R為雷達與目標間的距離,L為系統損耗,v為平臺運動速度,Pav為發射信號的平均功率,Gt為發射天線增益,Gr為接收天線增益,λ為雷達工作波長,ρrg為地距分辨率。

為仿真需要,首先設置平臺及雷達參數,如表1所示。其中,發射平均功率=峰值功率×占空比;天線增益η為天線效率,A為天線面積;地距分辨率ρrg=ρr/sinθ,θ為入射角。慢速平臺SAR系統可采用脈沖推掃模式實現同時高分辨率、寬觀測帶SAR成像,因此,以下仿真分析以脈沖推掃模式為例,并分別考慮兩種分辨率模式。

表1 平臺與雷達仿真參數

在0.3 m分辨率模式下,取信號帶寬為700 MHz,計算脈沖推掃模式下系統靈敏度。從中心入射角45°開始,采用6個子波位循環地對距離向6個子觀測帶進行脈沖推掃。成像時每個子波位的數據分別進行處理,因此相對于每個子波位,PRF降低為原來的1/6,而每個子波位的有效平均功率下降為原來的1/6,即下降7.78 dB。6個子波位分別成像處理后進行圖像拼接,可實現優于30 km的觀測帶寬。從中心入射角75°開始,只要一個波位,即能實現優于30 km的觀測帶寬。采用“功率平均分配”方式,即每個子波位的占空比取5%,在整個觀測帶范圍內,NESZ優于-30 dB,如圖6(a)所示。對慢速平臺SAR系統而言,雷達入射角范圍大,各個波位NESZ相差較大,成像時會出現不同波位的SAR圖像灰度不一致的情況。從后處理角度,可采用相對輻射定標進行校正;從系統設計角度,可采用“功率不平均分配”方式從根本上解決此問題。各個子波位的占空比不同,取[1%,1.5%,2%,3%,5%,10%,5%],各個波位的NESZ計算結果如圖6(b)所示,相對于各波位“功率平均分配”,各波位的NESZ大小比較平均,沒有較大的起伏,有利于脈沖推掃模式下的子觀測帶圖像拼接。0.3 m分辨率脈沖推掃模式下的波位設計如表2所示。

表2 0.3 m分辨率脈沖推掃波位設計

圖6 0.3 m分辨率脈沖推掃NESZ

在1 m分辨率模式下,取信號帶寬200 MHz,計算脈沖推掃模式下系統靈敏度。從中心入射角38°開始,采用3個子波位循環地對距離向3個子觀測帶進行脈沖推掃。成像時每個子波位的數據分別進行處理,因此相對于每個子波位,PRF降低為原來的1/3,而每個子波位的有效平均功率下降為原來的1/3,即下降4.77 d B。3個子波位分別成像處理后進行圖像拼接,可實現優于60 km的觀測帶寬。采用“功率平均分配”方式,即每個子波位的占空比取5%;采用“功率不平均分配”方式,各個子波位占空比取[1%,3%,10%]。在整個觀測帶范圍內,NESZ優于-30 dB,如圖7所示。1 m分辨率脈沖推掃模式下的波位設計如表3所示。

4 結束語

本文針對飛艇平臺飛行速度慢的特點,從充分發揮慢速平臺SAR系統的偵察效能出發,采用脈沖推掃模式,即以“脈間變波位、變脈寬、循環掃描、分時覆蓋”的方式,實現同時高分辨率、寬觀測帶SAR成像,并對脈沖推掃模式下的慢速平臺SAR系統參數進行了仿真分析。后續可將脈沖推掃模式應用于慢速平臺SAR系統的設計與研制,并可通過慢速平臺飛行試驗進行功能驗證。

圖7 1 m分辨率脈沖推掃NESZ

表3 1 m分辨率脈沖推掃波位設計

[1]SUN B,CHEN J,LI C,et al.Fa-Scansar:Full Aperture Scanning Pulse by Pulse for the Nearspace Slow-Moving Platform Borne SAR[J].Progress In Electromagnetics Research B,2010,25(1):23-37.

[2]YANG H,LI Z,WU J,et al.Near-Space Slow SAR High-Resolution and Wide-Swath Imaging Concepts[C]∥IEEE Radar Conference,Ottawa,ON:IEEE,2013:1-5.

[3]WANG Xiao-feng,DONG Zhen,LIANG Dian-nong.SCFT Processing Algorithm Based on Motion Compensation for Near Space Slow Platform SAR[J].Systems Engineering and Electronics,2008,30(10):1869-1873.

[4]HU Qing-rong,WU Yu-gang,WU Jing-wei,et al.Design of a Slow SAR System Based on Stratospheric Airships[C]∥IET International Radar Conference,Guilin:IET,2009:1-4.

[5]王曉峰,董臻,梁甸農.臨近空間慢速平臺SAR基于RD算法的運動補償[J].雷達科學與技術,2007,5(4):258-264.WANG Xiao-feng,DONG Zhen,LIANG Dian-nong.Motion Compensation Based on RD Algorithm for Near Space Slow Platform SAR[J].Radar Science and Technology,2007,5(4):258-264.(in Chinese)

[6]鄭平.臨近空間高分辨率SAR成像技術研究[D].北京:北京郵電大學,2013:23-27.