陣列三維SAR系統技術研究?

孫 龍,江 凱,施晉生

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.空軍駐安徽地區軍事代表室,安徽合肥230022)

0 引言

近年來,國外在三維合成孔徑雷達(SAR)新體制的研究方面開展了積極的探索,干涉SAR(InSAR)技術發展較快,但是InSAR在高程向欠采樣不具備高程向的分辨率;曲線SAR(CSAR)的載機軌跡控制精度較低,會對三維成像帶來不可避免的誤差,這是對曲線SAR系統的一個束縛[1-2];陣列三維SAR(LASAR)技術還處于探索階段[3]。

為了進行有效且平臺簡單的三維SAR成像,美國Mahafza和Sajjadi早在1992年就提出了一種基于切運動方向放置的陣列三維SAR系統,但他們所提出的平臺仍然是基于側視照射的情況,沒有考慮地形的遮擋效應。1999年,德國FGAN的Gierull開始對機載下視成像雷達進行二維成像,該系統在沿航跡向安裝一線性陣列,發射的是單一載頻的脈沖信號,利用載機運動合成的虛擬陣列實現沿航跡向的分辨,利用陣列的波束形成技術實現切航跡的分辨,利用3個點的仿真結果證明了該系統對二維成像的可行性[4]。2004年,法國的Giret等在Mahafza和Sajjadi的基礎上提出了一種無人機上的三維毫米波成像雷達系統,該系統利用下視波束來進行三維SAR成像,從而克服了因地形遮擋而帶來的陰影效應[5]。2005年,德國FGAN的FHR-ARB研究所在Gierull研究成果的基礎上開始從事利用Ka波段調頻連續波雷達進行三維SAR成像的技術研究,該系統也是在無人機的機翼上安裝一個線性陣列,陣列垂直照射成像區域[6-8]。作為一種新型合成孔徑雷達體制,陣列三維SAR系統從概念提出至今只有十幾年,其相應的原理、系統設計(包括陣列設計和發射機接收機的標準)及信號處理等問題的研究尚屬于起步階段,需要對陣列三維SAR的原理、成像算法和各種誤差對成像的影響進行更為深入的研究。

本文提出了一種基于子陣級MIMO DBF體制的陣列三維SAR系統的設計方法,系統采用稀疏相控陣列天線體制,在交軌方向上布置多個稀疏排列的子孔徑;系統采用兩端交替時分發射、全陣面接收MIMO陣列實現陣列稀疏化設計。每個子陣配置相應子陣級數字接收機,采用子陣級DBF實現切航跡向虛擬波束形成。該方案可以獲得最大的等效孔徑實現高的切航跡向分辨率,并通過陣列稀疏化有效緩解系統脈沖重復頻率(PRF)設計壓力,滿足距離模糊與方位模糊的要求;同時采用時分正交發射的方案,避免因為發射正交信號而帶來的系統復雜度,具有工程可實現性。本文首先簡述了陣列三維成像SAR系統的工作原理和關鍵技術,然后從發射方式/波形設計、稀疏化布陣設計、系統組成與功能三個主要方面進行了系統設計的描述;最后進行了系統的仿真分析。

1 工作原理

陣列三維SAR系統將通過陣列下視波束形成獲得交軌向(距離向)分辨率,通過合成孔徑技術獲得運動向(方位向)分辨率,通過脈沖壓縮技術實現高度向分辨率,從而實現正下方區域的三維成像。陣列三維成像SAR系統典型的幾何結構如圖1所示。其中x方向為雷達運動方向(方位向),y方向垂直于方位向(切航跡向),z方向為高度方向,坐標原點為目標區域中心到XZ平面上的垂直點;ξ(ξx,ξy,ξz)為目標位置;x(T)為雷達在x軸上的位置;Ω0為目標方向上的到達角;θ為目標與天線波束中心線的夾角(方位角);v為雷達運動速度;R為目標點到第i個虛擬陣元的距離;Ri0為目標點到第i個虛擬陣元的最短距離;R0為目標點到虛擬陣元中心的最短距離;d為虛擬陣元間距。

圖1 陣列三維成像SAR系統幾何關系圖

根據圖1中的幾何關系,有

式中,Ωm為雷達陣列沿切航跡向方向上可觀測的最大到達角。

理論上陣列三維SAR系統的高程分辨率由雷達發射信號帶寬決定,切向分辨率由虛擬陣列天線的長度、載波波長和雷達斜距共同決定,方位向分辨率由合成孔徑長度決定[8]。陣列三維SAR系統圖像分辨率包括3個方向分辨率:方位向分辨率d x、切航跡向分辨率dy和高程向分辨率dz。

方位向分辨率為

切航跡向分辨率為

高程向分辨率為

式中:kr為距離向加權系數,c為光的傳播速度,B為發射信號帶寬;λ為載波波長,R為雷達到成像區域中心的斜距,Lvirtual為虛擬陣列的長度;ka為方位向展寬系數(由于飛行過程中載機非理想勻速直線飛行等因素的影響),θa為方位向波束寬度。

2 關鍵技術

目前,國內外針對陣列三維SAR技術的研究尚處于理論與關鍵技術攻關階段,開展了一些原理驗證試驗,但尚未研制出實際運行的系統。陣列三維SAR系統需要突破的關鍵技術有:陣列天線稀疏化設計技術、陣列形變高精度誤差測量和補償技術、多收發通道幅相一致性技術、三維成像技術等。

1)陣列天線稀疏化設計技術

陣列三維SAR系統的主要思想是通過在垂直于飛行方向的機翼上分布一組天線陣列來實現切航跡向上的高分辨率。因而陣列設計是整個系統設計的關鍵。陣列的設計主要包括陣列的長度、天線陣元之間的間距、天線陣元的數目,以及陣列構型設計等。陣列的長度決定系統在切航向上的分辨率。隨著線性天線陣列增長,切航向上分辨率不斷提高。為了獲得盡可能高的切航跡向分辨率,陣列應盡可能長。

然而隨著線性天線陣列增長,系統的復雜性也在不斷增加。陣列的長度設計需要綜合考慮分辨率和系統復雜性等因素進行折中選擇。天線陣元之間的間距對整個系統的性能至關重要。為滿足Nyquist空間采樣定理,一個孔徑內的空間采樣間隔必須小于等于工作波長的一半。在下視成像雷達系統實現裝置中,切航跡向上的采樣率由天線陣陣元間距決定。為了避免在最終圖像中出現空間模糊問題,天線陣元之間應盡可能地靠近。然而隨陣元間距減小,系統所需的天線陣元數目也會隨之增加,而且天線陣元之間的相互耦合問題也會很嚴重。陣列構型設計是線陣設計的關鍵。當陣元間距滿足Nyquist空間采樣定理時,陣列所需的陣元數目硬件實現非常困難,需要采用稀疏化的陣列,陣列稀疏化是陣列構型設計的重要內容之一。

2)陣列形變高精度誤差測量和補償技術

陣列抖動誤差主要是由于陣列在載荷平臺的運動過程中,載荷平臺的機械振動所引起的陣列天線相位中心的偏離;陣列抖動誤差也是陣列三維成像系統所獨有的特征。某個陣元的抖動誤差在每個慢時刻是不同的,而且在同一個慢時刻每個陣元的抖動也是不同的,因此,陣列抖動誤差不但會影響沿航跡的聚焦也會影響切航跡的聚焦,陣列抖動誤差也是關系到陣列三維成像系統設計的關鍵因素之一。通過解決陣列形變高精度誤差測量和補償技術問題可以極大地提高陣列天線SAR高程測量精度和陣列天線SAR三維聚焦成像的精度。

3)多收發通道幅相一致性技術

陣列三維SAR系統采用DBF技術形成接收波束,因此接收機幅相穩定性及多路之間增益一致性是決定雷達整機性能的重要因素,尤其對形成接收波束的副瓣電平和波束指向精度至關重要。影響多路接收機之間幅度一致性和相位穩定性的因素主要有:(1)元器件的離散性;(2)器件溫度不穩定性,如鐵氧體隔離器等;(3)不良的電路設計和工藝裝配造成的輸入駐波比惡化等。

寬溫穩定性、可靠性主要取決于所選用元器件和介質基片的溫度適應性,當然合理的電路設計、工藝裝配也是提高其可靠性、穩定性的重要方面,因此必須優化電路、殼體結構設計。除此之外,實時的幅相校正也是十分必須的。接收系統產生寬帶校正信號,經過功分網絡饋入接收機,在數字域中完成多通道間的幅相校正。

4)三維成像技術

與傳統二維SAR成像系統不同,陣列三維SAR系統的成像空間為三維空間,這大大增加了成像系統的開銷和數據運算量;另一方面,傳統的二維成像算法已經不適用于三維成像,這就需要探索新的成像算法,并在此基礎上降低成像算法的運算量。

3 系統設計

本文提出了一種基于子陣級MIMO DBF體制的陣列三維SAR系統的設計方法,以下從發射方式/波形設計、稀疏化布陣設計、系統組成與功能三個主要方面進行系統設計的描述。

3.1 發射方式/波形設計

一般陣列三維SAR系統采用全陣元接收,其距離歷史的差異主要體現在不同的發射模式上,典型的發射模式包括固定發射模式、隨機發射模式、雙端發射模式和正交發射模式[8]。從實現更高的切航跡向分辨率來考慮,系統選擇正交發射模式。正交發射模式是指把發射信號的陣列陣元密集地置于陣列的兩端,接收陣元稀疏地置于陣列中間,發射陣元同時相互獨立地發射信號,所有陣元同時接收場景回波。該模式的幾何結構示意圖如圖2所示。

圖2 正交發射模式工作原理圖

正交發射模式為避免通道間串擾,各發射陣元需發射相互正交的相位編碼信號。其切航跡向分辨率為

式中,L為陣列天線的地長度。考慮到目前相位編碼技術存在通道間的串擾,本系統采用時間正交、兩端發射的MIMO模式。該方法的優點在于:(1)多個脈沖重復周期(PRT)時間內虛擬陣列孔徑大、切航跡向分辨率高;(2)分時發射線性調頻信號,避免因為發射正交信號而帶來的系統復雜度;(3)可進行陣列稀疏化設計,大大減少陣元數量。

3.2 稀疏化布陣設計

確定了發射方式/波形選擇方案后,需要進行稀疏化布陣的設計。稀疏化布陣的設計選擇主要包括發射陣元個數、子陣個數(大小和間隔)等,需要綜合考慮以下因素:(1)如何獲取足夠大的等效虛擬口徑,即足夠高的切航跡向分辨率;(2)如何進行有效的稀疏化設計,減小系統復雜度;(3)如何兼顧系統PRF設計,滿足距離模糊與方位模糊的要求。

相位中心近似(PCA)的基本原理為:一定條件下,一對發射和接收分置的陣元,可以由位于它們中心位置的一個收發共用的相位中心來替代。在遠場條件下,當L2TR/(4r)?λ時(其中,LTR為接收陣元和發射陣元之間的間距,r為發射陣元和接收陣元的中間位置到散射點的距離),相位中心近似原理成立。根據PCA原理,隨著相隔最遠的兩個發射陣元的距離增加,等效的虛擬陣列長度也隨之增加。因此,從MIMO陣列原理上考慮,發射陣元(密陣)布設于整個陣列的兩側時獲得的等效孔徑最大。為了獲取足夠大的等效口徑,把發射陣元密集地置于陣列的兩端,接收陣元稀疏地置于陣列中間,發射陣元循環發射信號所有的接收陣元同步接收場景回波。

與一發多收模式下的陣列三維SAR系統相比,基于時間正交發射的MIMO DBF體制的陣列三維SAR系統需要更高的系統PRF。假定系統的PRF表示為PRFall,每個虛擬陣元的有效PRF為

因此為了避免等效后的每個虛擬陣元的數據在沿航跡方向出現欠采樣的現象,基于MIMO DBF體制的陣列三維SAR系統需要較高的系統PRF。但是系統的PRF又不能設置得太高,除了硬件實現上的困難外,過高的PRF還會造成距離向的模糊。

從上述分析可以看出,基于時間正交發射的MIMO DBF體制的陣列三維SAR成像系統發射陣元個數選擇存在一對矛盾:發射陣元個數越多,接收陣元的稀疏化程度越高;發射陣元個數越多,系統PRF設計壓力越大。綜上分析,子陣級MIMO DBF體制的稀疏化布陣方案設計為:發射子陣密集地分布于機翼兩端,接收子陣稀疏分布于陣列中間;發射子陣循環發射信號,全部子陣同步接收信號;發射子陣的個數根據系統的模糊選擇盡可能多的子陣個數。此方案可以獲得最大的等效虛擬孔徑實現盡可能高切航跡向分辨率,并通過陣列稀疏化有效緩解系統PRF設計壓力,滿足距離模糊與方位模糊的要求。

3.3 系統組成與功能

陣列三維SAR系統主要由天線與測量單元、低功率射頻單元、綜合處理單元,以及一些輔助設備等組成,如圖3所示。

天線與測量單元主要包括有源子陣、數字接收機和相位中心測量系統。其中有源子陣又分為布設在機翼兩端的收發子陣及分布式布設在機翼中間的接收子陣。每個有源子陣對應一個數字接收機,將采集的數字信號送給綜合處理單元進行數據存儲和子陣級DBF信號處理。相位中心測量系統可以采用Laser/CCD組合的方案,主要用于陣列天線子陣相位中心的精確測量,該測量過程將通過激光掃描儀Laser與CCD相機結合進行,為陣列天線SAR切航跡向的成像提供精確的天線相位中心信息。

低功率射頻單元主要包括波形/激勵產生、頻率合成器等。波形/激勵產生為有源子陣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天線校正信號(完成多通道之間的幅相校正)。頻率合成器以高穩定、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。

綜合處理單元主要包括任務管理、信號處理和數據記錄儀等部分。任務管理完成系統控制、資源調度和狀態監測的功能,即接收控制終端送來的工作模式等指令,產生整機時序,控制各單元的工作狀態和工作參數;同時根據不同模式及故障信息進行動態的資源調度,采集工作狀態、參數和故障信息送控制終端。信號處理完成各種不同工作模式的實時信號處理。數據記錄儀記錄雷達系統的原始回報數據和信號處理結果。

對陣列三維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系統等。電源系統為雷達整機提供供電;環控系統是為了滿足雷達設備的環控需求,確保雷達時鐘處在良好的工作溫度條件下;INS/GPS系統是為了采集當前的位置、姿態等信息。

圖3 系統組成框圖

4 仿真分析

以下針對陣列三維SAR的原理驗證系統進行仿真分析。理論上切航跡向分辨率隨著頻率提高而提高,本原理驗證系統采用較為成熟的X波段,表1給出了陣列三維SAR系統的相關參數。

系統采用8×8的子陣,考慮到二維掃描的能力,單元間距設計為0.022 m(方位向)及0.016 8 m(切航跡向),子陣的大小為0.176 m×0.134 4 m(方位向×切航跡向)。采用子陣級DBF體制一是在高頻段可以大幅緩解后端的數據傳輸、存儲和處理的壓力;二是可以通過二維子陣提高功率口徑積,提高雷達的威力。為了滿足沿航跡方向不模糊,需滿足PRF＞2V/D,其中V為載機速度,D為子陣向尺寸。本系統等效PRF要求為PRFeff＞1 500 Hz。另外,PRF還需要考慮距離模糊和系統復雜度,由于該系統作用距離近,距離模糊的影響可以忽略不考慮,考慮到系統復雜度,要求PRFall＜6 000 Hz。那么,本系統收/發子陣個數可選擇為4個(機翼兩端各分布兩個收/發子陣)。

MIMO陣列設置和等效虛擬陣列示意圖如圖4所示,系統采用兩端交替時分發射、全陣列接收的方案,收發子陣設計為4個,考慮到子陣的尺寸和15 m的全陣面長度。全陣面由93個子陣(虛擬形成所有子陣個數)組成。為了保證每個單元間距內都有一個相位中心,子陣的排列方式是:第1,3,99,101個單元間距內擺放收/發子陣;第7,11,15,19,23,27,31,35,39,43,47,51,55,59,63,67,71,75,79,83,87,91,95個單元間距內擺放接收子陣,共23個接收子陣、4個收/發子陣,其中接收子陣的個數可以根據機翼的長度進行調整。4個PRT等效形成101個虛擬相位中心,虛擬相位中心的長度為15 m,理論上在450 m的作用距離下可以實現1.0 m的切航跡向分辨率。沿航跡向的天線尺寸176 mm,通過合成孔徑可以實現優于0.3 m的方位向分辨率,通過發射800 MHz寬帶線性調頻信號可以實現優于0.3 m的高程向分辨率。

針對切航跡向方向圖進行了仿真分析,如圖5所示。圖5(a)為子陣切航跡向方向圖,切航跡向的波束寬度為13.0°;圖5(b)為虛擬形成陣列的切航跡向方向圖,切航跡向的波束寬度為0.09°。

表1 陣列三維SAR系統參數

圖4 MIMO陣列設置和等效虛擬陣列示意圖

圖5 切航跡向方向圖仿真分析

5 結束語

陣列三維SAR系統可以克服陰影效應,對城區建筑物、街區和山區中的峽谷等地形變化劇烈區域進行成像,它將為全天候全天時的軍事偵察、地形測繪、目標定位等領域提供更強有力的工具。本文提出了一種基于子陣級MIMO DBF體制的陣列三維SAR系統的設計方法,該方法可以獲得最大的等效孔徑實現高的切航跡向分辨率,并通過陣列稀疏化有效緩解系統脈沖重復頻率(PRF)設計壓力;同時采用時分正交發射的方案,避免因為發射正交信號而帶來的系統復雜度,具有工程可實現性。本文針對陣列三維SAR成像系統的工作原理和系統設計作了一定的研究,取得了一些有意義的結果。但是由于陣列三維SAR理論仍處于初期的發展階段,在系統設計、信號處理等方面還有許多值得進一步研究的工作。

[1]CANTALLOUBE H M J,KOENIGUER E C,ORIOT H.High Resolution SAR Imaging Along Circular Trajectories[C]∥2007 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium,Barcelona:IEEE,2007:850-853.

[2]何峰,楊陽,董臻,等.曲線合成孔徑雷達三維成像研究進展與展望[J].雷達學報,2015,4(2):130-135.

[3]李小珍,吳玉峰,郭亮,等.合成孔徑激光雷達下視三維成像構型及算法[J].紅外與激光工程,2014,43(10):3276-3281.

[4]GIERULL C H.On a Concept for an Airborne Downward-Looking Imaging Radar[J].International Journal of Electronics and Communications,2009,53(6):295-304.

[5]GIRET R,JEULAND H,ENERT P.A Study of a 3D-SAR Concept for a Millimeter-Wave Imaging Radar Onboard an UAV[C]∥First European Radar Conference,Amsterdam:IEEE,2004:201-204.

[6]鄔伯才,施晉生,孫龍,等.寬帶DBF SAR/MTI雷達典型工作模式設計[J].雷達科學與技術,2014,12(1):20-28.

[7]吳子斌,朱宇濤,粟毅,等.用于機載線陣三維SAR成像的MIMO陣列構型設計[J].電子與信息學報,2013,35(11):2672-2677.

[8]李偉華.基于PCA原理的線陣三維SAR成像原理與算法研究[M].成都:電子科技大學,2009:18-38.