陣列三維SAR系統(tǒng)技術(shù)研究?

孫 龍,江 凱,施晉生

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.空軍駐安徽地區(qū)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(dá)(SAR)新體制的研究方面開展了積極的探索,干涉SAR(InSAR)技術(shù)發(fā)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(jī)軌跡控制精度較低,會(huì)對(duì)三維成像帶來不可避免的誤差,這是對(duì)曲線SAR系統(tǒng)的一個(gè)束縛[1-2];陣列三維SAR(LASAR)技術(shù)還處于探索階段[3]。

為了進(jìn)行有效且平臺(tái)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(yùn)動(dòng)方向放置的陣列三維SAR系統(tǒng),但他們所提出的平臺(tái)仍然是基于側(cè)視照射的情況,沒有考慮地形的遮擋效應(yīng)。1999年,德國FGAN的Gierull開始對(duì)機(jī)載下視成像雷達(dá)進(jìn)行二維成像,該系統(tǒng)在沿航跡向安裝一線性陣列,發(fā)射的是單一載頻的脈沖信號(hào),利用載機(jī)運(yùn)動(dòng)合成的虛擬陣列實(shí)現(xiàn)沿航跡向的分辨,利用陣列的波束形成技術(shù)實(shí)現(xiàn)切航跡的分辨,利用3個(gè)點(diǎn)的仿真結(jié)果證明了該系統(tǒng)對(duì)二維成像的可行性[4]。2004年,法國的Giret等在Mahafza和Sajjadi的基礎(chǔ)上提出了一種無人機(jī)上的三維毫米波成像雷達(dá)系統(tǒng),該系統(tǒng)利用下視波束來進(jìn)行三維SAR成像,從而克服了因地形遮擋而帶來的陰影效應(yīng)[5]。2005年,德國FGAN的FHR-ARB研究所在Gierull研究成果的基礎(chǔ)上開始從事利用Ka波段調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)進(jìn)行三維SAR成像的技術(shù)研究,該系統(tǒng)也是在無人機(jī)的機(jī)翼上安裝一個(gè)線性陣列,陣列垂直照射成像區(qū)域[6-8]。作為一種新型合成孔徑雷達(dá)體制,陣列三維SAR系統(tǒng)從概念提出至今只有十幾年,其相應(yīng)的原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)(包括陣列設(shè)計(jì)和發(fā)射機(jī)接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn))及信號(hào)處理等問題的研究尚屬于起步階段,需要對(duì)陣列三維SAR的原理、成像算法和各種誤差對(duì)成像的影響進(jìn)行更為深入的研究。

本文提出了一種基于子陣級(jí)MIMO DBF體制的陣列三維SAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,系統(tǒng)采用稀疏相控陣列天線體制,在交軌方向上布置多個(gè)稀疏排列的子孔徑;系統(tǒng)采用兩端交替時(shí)分發(fā)射、全陣面接收MIMO陣列實(shí)現(xiàn)陣列稀疏化設(shè)計(jì)。每個(gè)子陣配置相應(yīng)子陣級(jí)數(shù)字接收機(jī),采用子陣級(jí)DBF實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)高的切航跡向分辨率,并通過陣列稀疏化有效緩解系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率(PRF)設(shè)計(jì)壓力,滿足距離模糊與方位模糊的要求;同時(shí)采用時(shí)分正交發(fā)射的方案,避免因?yàn)榘l(fā)射正交信號(hào)而帶來的系統(tǒng)復(fù)雜度,具有工程可實(shí)現(xiàn)性。本文首先簡述了陣列三維成像SAR系統(tǒng)的工作原理和關(guān)鍵技術(shù),然后從發(fā)射方式/波形設(shè)計(jì)、稀疏化布陣設(shè)計(jì)、系統(tǒng)組成與功能三個(gè)主要方面進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的描述;最后進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真分析。

1 工作原理

陣列三維SAR系統(tǒng)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(shù)獲得運(yùn)動(dòng)向(方位向)分辨率,通過脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)高度向分辨率,從而實(shí)現(xiàn)正下方區(qū)域的三維成像。陣列三維成像SAR系統(tǒng)典型的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中x方向?yàn)槔走_(dá)運(yùn)動(dòng)方向(方位向),y方向垂直于方位向(切航跡向),z方向?yàn)楦叨确较?坐標(biāo)原點(diǎn)為目標(biāo)區(qū)域中心到XZ平面上的垂直點(diǎn);ξ(ξx,ξy,ξz)為目標(biāo)位置;x(T)為雷達(dá)在x軸上的位置;Ω0為目標(biāo)方向上的到達(dá)角;θ為目標(biāo)與天線波束中心線的夾角(方位角);v為雷達(dá)運(yùn)動(dòng)速度;R為目標(biāo)點(diǎn)到第i個(gè)虛擬陣元的距離;Ri0為目標(biāo)點(diǎn)到第i個(gè)虛擬陣元的最短距離;R0為目標(biāo)點(diǎn)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(tǒng)幾何關(guān)系圖

根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系,有

式中,Ωm為雷達(dá)陣列沿切航跡向方向上可觀測(cè)的最大到達(dá)角。

理論上陣列三維SAR系統(tǒng)的高程分辨率由雷達(dá)發(fā)射信號(hào)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(dá)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(tǒng)圖像分辨率包括3個(gè)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(quán)系數(shù),c為光的傳播速度,B為發(fā)射信號(hào)帶寬;λ為載波波長,R為雷達(dá)到成像區(qū)域中心的斜距,Lvirtual為虛擬陣列的長度;ka為方位向展寬系數(shù)(由于飛行過程中載機(jī)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(guān)鍵技術(shù)

目前,國內(nèi)外針對(duì)陣列三維SAR技術(shù)的研究尚處于理論與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段,開展了一些原理驗(yàn)證試驗(yàn),但尚未研制出實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)。陣列三維SAR系統(tǒng)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)有:陣列天線稀疏化設(shè)計(jì)技術(shù)、陣列形變高精度誤差測(cè)量和補(bǔ)償技術(shù)、多收發(fā)通道幅相一致性技術(shù)、三維成像技術(shù)等。

1)陣列天線稀疏化設(shè)計(jì)技術(shù)

陣列三維SAR系統(tǒng)的主要思想是通過在垂直于飛行方向的機(jī)翼上分布一組天線陣列來實(shí)現(xiàn)切航跡向上的高分辨率。因而陣列設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。陣列的設(shè)計(jì)主要包括陣列的長度、天線陣元之間的間距、天線陣元的數(shù)目,以及陣列構(gòu)型設(shè)計(jì)等。陣列的長度決定系統(tǒng)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(yīng)盡可能長。

然而隨著線性天線陣列增長,系統(tǒng)的復(fù)雜性也在不斷增加。陣列的長度設(shè)計(jì)需要綜合考慮分辨率和系統(tǒng)復(fù)雜性等因素進(jìn)行折中選擇。天線陣元之間的間距對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。為滿足Nyquist空間采樣定理,一個(gè)孔徑內(nèi)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(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(xiàn)空間模糊問題,天線陣元之間應(yīng)盡可能地靠近。然而隨陣元間距減小,系統(tǒng)所需的天線陣元數(shù)目也會(huì)隨之增加,而且天線陣元之間的相互耦合問題也會(huì)很嚴(yán)重。陣列構(gòu)型設(shè)計(jì)是線陣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。當(dāng)陣元間距滿足Nyquist空間采樣定理時(shí),陣列所需的陣元數(shù)目硬件實(shí)現(xiàn)非常困難,需要采用稀疏化的陣列,陣列稀疏化是陣列構(gòu)型設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。

2)陣列形變高精度誤差測(cè)量和補(bǔ)償技術(shù)

陣列抖動(dòng)誤差主要是由于陣列在載荷平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過程中,載荷平臺(tái)的機(jī)械振動(dòng)所引起的陣列天線相位中心的偏離;陣列抖動(dòng)誤差也是陣列三維成像系統(tǒng)所獨(dú)有的特征。某個(gè)陣元的抖動(dòng)誤差在每個(gè)慢時(shí)刻是不同的,而且在同一個(gè)慢時(shí)刻每個(gè)陣元的抖動(dòng)也是不同的,因此,陣列抖動(dòng)誤差不但會(huì)影響沿航跡的聚焦也會(huì)影響切航跡的聚焦,陣列抖動(dòng)誤差也是關(guān)系到陣列三維成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。通過解決陣列形變高精度誤差測(cè)量和補(bǔ)償技術(shù)問題可以極大地提高陣列天線SAR高程測(cè)量精度和陣列天線SAR三維聚焦成像的精度。

3)多收發(fā)通道幅相一致性技術(shù)

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

寬溫穩(wěn)定性、可靠性主要取決于所選用元器件和介質(zhì)基片的溫度適應(yīng)性,當(dāng)然合理的電路設(shè)計(jì)、工藝裝配也是提高其可靠性、穩(wěn)定性的重要方面,因此必須優(yōu)化電路、殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。除此之外,實(shí)時(shí)的幅相校正也是十分必須的。接收系統(tǒng)產(chǎn)生寬帶校正信號(hào),經(jīng)過功分網(wǎng)絡(luò)饋入接收機(jī),在數(shù)字域中完成多通道間的幅相校正。

4)三維成像技術(shù)

與傳統(tǒng)二維SAR成像系統(tǒng)不同,陣列三維SAR系統(tǒng)的成像空間為三維空間,這大大增加了成像系統(tǒng)的開銷和數(shù)據(jù)運(yùn)算量;另一方面,傳統(tǒng)的二維成像算法已經(jīng)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(chǔ)上降低成像算法的運(yùn)算量。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出了一種基于子陣級(jí)MIMO DBF體制的陣列三維SAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,以下從發(fā)射方式/波形設(shè)計(jì)、稀疏化布陣設(shè)計(jì)、系統(tǒng)組成與功能三個(gè)主要方面進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的描述。

3.1 發(fā)射方式/波形設(shè)計(jì)

一般陣列三維SAR系統(tǒng)采用全陣元接收,其距離歷史的差異主要體現(xiàn)在不同的發(fā)射模式上,典型的發(fā)射模式包括固定發(fā)射模式、隨機(jī)發(fā)射模式、雙端發(fā)射模式和正交發(fā)射模式[8]。從實(shí)現(xiàn)更高的切航跡向分辨率來考慮,系統(tǒng)選擇正交發(fā)射模式。正交發(fā)射模式是指把發(fā)射信號(hào)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(fā)射陣元同時(shí)相互獨(dú)立地發(fā)射信號(hào),所有陣元同時(shí)接收?qǐng)鼍盎夭āＴ撃Ｊ降膸缀谓Y(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 正交發(fā)射模式工作原理圖

正交發(fā)射模式為避免通道間串?dāng)_,各發(fā)射陣元需發(fā)射相互正交的相位編碼信號(hào)。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(shù)存在通道間的串?dāng)_,本系統(tǒng)采用時(shí)間正交、兩端發(fā)射的MIMO模式。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)多個(gè)脈沖重復(fù)周期(PRT)時(shí)間內(nèi)虛擬陣列孔徑大、切航跡向分辨率高;(2)分時(shí)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào),避免因?yàn)榘l(fā)射正交信號(hào)而帶來的系統(tǒng)復(fù)雜度;(3)可進(jìn)行陣列稀疏化設(shè)計(jì),大大減少陣元數(shù)量。

3.2 稀疏化布陣設(shè)計(jì)

確定了發(fā)射方式/波形選擇方案后,需要進(jìn)行稀疏化布陣的設(shè)計(jì)。稀疏化布陣的設(shè)計(jì)選擇主要包括發(fā)射陣元個(gè)數(shù)、子陣個(gè)數(shù)(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(jìn)行有效的稀疏化設(shè)計(jì),減小系統(tǒng)復(fù)雜度;(3)如何兼顧系統(tǒng)PRF設(shè)計(jì),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(duì)發(fā)射和接收分置的陣元,可以由位于它們中心位置的一個(gè)收發(fā)共用的相位中心來替代。在遠(yuǎn)場條件下,當(dāng)L2TR/(4r)?λ時(shí)(其中,LTR為接收陣元和發(fā)射陣元之間的間距,r為發(fā)射陣元和接收陣元的中間位置到散射點(diǎn)的距離),相位中心近似原理成立。根據(jù)PCA原理,隨著相隔最遠(yuǎn)的兩個(gè)發(fā)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(fā)射陣元(密陣)布設(shè)于整個(gè)陣列的兩側(cè)時(shí)獲得的等效孔徑最大。為了獲取足夠大的等效口徑,把發(fā)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(fā)射陣元循環(huán)發(fā)射信號(hào)所有的接收陣元同步接收?qǐng)鼍盎夭ā?/p>

與一發(fā)多收模式下的陣列三維SAR系統(tǒng)相比,基于時(shí)間正交發(fā)射的MIMO DBF體制的陣列三維SAR系統(tǒng)需要更高的系統(tǒng)PRF。假定系統(tǒng)的PRF表示為PRFall,每個(gè)虛擬陣元的有效PRF為

因此為了避免等效后的每個(gè)虛擬陣元的數(shù)據(jù)在沿航跡方向出現(xiàn)欠采樣的現(xiàn)象,基于MIMO DBF體制的陣列三維SAR系統(tǒng)需要較高的系統(tǒng)PRF。但是系統(tǒng)的PRF又不能設(shè)置得太高,除了硬件實(shí)現(xiàn)上的困難外,過高的PRF還會(huì)造成距離向的模糊。

從上述分析可以看出,基于時(shí)間正交發(fā)射的MIMO DBF體制的陣列三維SAR成像系統(tǒng)發(fā)射陣元個(gè)數(shù)選擇存在一對(duì)矛盾:發(fā)射陣元個(gè)數(shù)越多,接收陣元的稀疏化程度越高;發(fā)射陣元個(gè)數(shù)越多,系統(tǒng)PRF設(shè)計(jì)壓力越大。綜上分析,子陣級(jí)MIMO DBF體制的稀疏化布陣方案設(shè)計(jì)為:發(fā)射子陣密集地分布于機(jī)翼兩端,接收子陣稀疏分布于陣列中間;發(fā)射子陣循環(huán)發(fā)射信號(hào),全部子陣同步接收信號(hào);發(fā)射子陣的個(gè)數(shù)根據(jù)系統(tǒng)的模糊選擇盡可能多的子陣個(gè)數(shù)。此方案可以獲得最大的等效虛擬孔徑實(shí)現(xiàn)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(tǒng)PRF設(shè)計(jì)壓力,滿足距離模糊與方位模糊的要求。

3.3 系統(tǒng)組成與功能

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

天線與測(cè)量單元主要包括有源子陣、數(shù)字接收機(jī)和相位中心測(cè)量系統(tǒng)。其中有源子陣又分為布設(shè)在機(jī)翼兩端的收發(fā)子陣及分布式布設(shè)在機(jī)翼中間的接收子陣。每個(gè)有源子陣對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字接收機(jī),將采集的數(shù)字信號(hào)送給綜合處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和子陣級(jí)DBF信號(hào)處理。相位中心測(cè)量系統(tǒng)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(cè)量,該測(cè)量過程將通過激光掃描儀Laser與CCD相機(jī)結(jié)合進(jìn)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(lì)產(chǎn)生、頻率合成器等。波形/激勵(lì)產(chǎn)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(hào),同時(shí)為天線單元提供天線校正信號(hào)(完成多通道之間的幅相校正)。頻率合成器以高穩(wěn)定、低相噪的恒溫晶體振蕩器為基準(zhǔn),產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種高穩(wěn)定、低相噪、低雜散的相干信號(hào)、本振信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。

綜合處理單元主要包括任務(wù)管理、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)記錄儀等部分。任務(wù)管理完成系統(tǒng)控制、資源調(diào)度和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能,即接收控制終端送來的工作模式等指令,產(chǎn)生整機(jī)時(shí)序,控制各單元的工作狀態(tài)和工作參數(shù);同時(shí)根據(jù)不同模式及故障信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)的資源調(diào)度,采集工作狀態(tài)、參數(shù)和故障信息送控制終端。信號(hào)處理完成各種不同工作模式的實(shí)時(shí)信號(hào)處理。數(shù)據(jù)記錄儀記錄雷達(dá)系統(tǒng)的原始回報(bào)數(shù)據(jù)和信號(hào)處理結(jié)果。

對(duì)陣列三維SAR系統(tǒng)來說,雷達(dá)輔助設(shè)備一般包括電源系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、INS/GPS系統(tǒng)等。電源系統(tǒng)為雷達(dá)整機(jī)提供供電;環(huán)控系統(tǒng)是為了滿足雷達(dá)設(shè)備的環(huán)控需求,確保雷達(dá)時(shí)鐘處在良好的工作溫度條件下;INS/GPS系統(tǒng)是為了采集當(dāng)前的位置、姿態(tài)等信息。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

4 仿真分析

以下針對(duì)陣列三維SAR的原理驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)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(yàn)證系統(tǒng)采用較為成熟的X波段,表1給出了陣列三維SAR系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。

系統(tǒng)采用8×8的子陣,考慮到二維掃描的能力,單元間距設(shè)計(jì)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(jí)DBF體制一是在高頻段可以大幅緩解后端的數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)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(dá)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(jī)速度,D為子陣向尺寸。本系統(tǒng)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(tǒng)復(fù)雜度,由于該系統(tǒng)作用距離近,距離模糊的影響可以忽略不考慮,考慮到系統(tǒng)復(fù)雜度,要求PRFall＜6 000 Hz。那么,本系統(tǒng)收/發(fā)子陣個(gè)數(shù)可選擇為4個(gè)(機(jī)翼兩端各分布兩個(gè)收/發(fā)子陣)。

MIMO陣列設(shè)置和等效虛擬陣列示意圖如圖4所示,系統(tǒng)采用兩端交替時(shí)分發(fā)射、全陣列接收的方案,收發(fā)子陣設(shè)計(jì)為4個(gè),考慮到子陣的尺寸和15 m的全陣面長度。全陣面由93個(gè)子陣(虛擬形成所有子陣個(gè)數(shù))組成。為了保證每個(gè)單元間距內(nèi)都有一個(gè)相位中心,子陣的排列方式是:第1,3,99,101個(gè)單元間距內(nèi)擺放收/發(fā)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(gè)單元間距內(nèi)擺放接收子陣,共23個(gè)接收子陣、4個(gè)收/發(fā)子陣,其中接收子陣的個(gè)數(shù)可以根據(jù)機(jī)翼的長度進(jìn)行調(diào)整。4個(gè)PRT等效形成101個(gè)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.3 m的方位向分辨率,通過發(fā)射800 MHz寬帶線性調(diào)頻信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.3 m的高程向分辨率。

針對(duì)切航跡向方向圖進(jìn)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(tǒng)參數(shù)

圖4 MIMO陣列設(shè)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(jié)束語

陣列三維SAR系統(tǒng)可以克服陰影效應(yīng),對(duì)城區(qū)建筑物、街區(qū)和山區(qū)中的峽谷等地形變化劇烈區(qū)域進(jìn)行成像,它將為全天候全天時(shí)的軍事偵察、地形測(cè)繪、目標(biāo)定位等領(lǐng)域提供更強(qiáng)有力的工具。本文提出了一種基于子陣級(jí)MIMO DBF體制的陣列三維SAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,該方法可以獲得最大的等效孔徑實(shí)現(xiàn)高的切航跡向分辨率,并通過陣列稀疏化有效緩解系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率(PRF)設(shè)計(jì)壓力;同時(shí)采用時(shí)分正交發(fā)射的方案,避免因?yàn)榘l(fā)射正交信號(hào)而帶來的系統(tǒng)復(fù)雜度,具有工程可實(shí)現(xiàn)性。本文針對(duì)陣列三維SAR成像系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)作了一定的研究,取得了一些有意義的結(jié)果。但是由于陣列三維SAR理論仍處于初期的發(fā)展階段,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理等方面還有許多值得進(jìn)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(dá)三維成像研究進(jìn)展與展望[J].雷達(dá)學(xué)報(bào),2015,4(2):130-135.

[3]李小珍,吳玉峰,郭亮,等.合成孔徑激光雷達(dá)下視三維成像構(gòu)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(dá)典型工作模式設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2014,12(1):20-28.

[7]吳子斌,朱宇濤,粟毅,等.用于機(jī)載線陣三維SAR成像的MIMO陣列構(gòu)型設(shè)計(jì)[J].電子與信息學(xué)報(bào),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(xué),2009:18-38.