毫米波FMCW SAR系統設計與成像研究

蔡永俊，張祥坤，姜景山

(1. 中國科學院微波遙感技術重點實驗室 國家空間科學中心，　北京 100190)

(2. 中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，　北京 100049)

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毫米波FMCW SAR系統設計與成像研究

蔡永俊1,2，張祥坤1，姜景山1

(1. 中國科學院微波遙感技術重點實驗室 國家空間科學中心，北京 100190)

(2. 中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，北京 100049)

摘要：首先，詳細分析了調頻連續波合成孔徑雷達(FMCW SAR)機載試驗系統，深入闡述了系統各部分的設計方法和主要原理，基于此系統進行首次校飛試驗以驗證系統性能；其次，深入分析了FMCW SAR回波信號特點和圖像重建方法，揭示了其脈沖發射期間雷達的連續運動對回波信號的影響，定量地指出了其對圖像重建的影響，并采用改進的距離多普勒算法對其補償從而對場景進行聚焦；最后，通過實際航空校飛試驗數據驗證了系統分析設計和圖像重建算法的有效性。

關鍵詞：線性調頻連續波；合成孔徑雷達；系統設計；成像研究

0引言

傳統脈沖體制合成孔徑雷達(SAR)由于設備復雜、成本昂貴、體積大、質量大和抗干擾能力不足等缺點使得其無法裝載于輕小型飛機、無人機或精確制導武器等平臺上完成一些緊急任務，也不適用于低成本要求的民用項目，這大大限制了SAR技術的大規模應用。然而，隨著近年來無人機技術的快速發展及在軍民領域不斷深入的應用，其對SAR的小型化提出了越來越迫切的需求。

調頻連續波合成孔徑雷達(FMCW SAR)將合成孔徑技術與調頻連續波雷達相結合，這種新體制的合成孔徑雷達不僅具有調頻連續波雷達體積小、質量輕、造價低和抗干擾能力強等特點，同時又具有傳統SAR的高分辨率的特點，非常適合精確制導武器或無人機等小型平臺，成為SAR小型化發展的重要方向，在環境監測、目標識別、軍事偵察、農作物評估、地形測繪等眾多領域具有廣泛的應用前景[1-4]。

由于FMCW SAR發射大時寬大帶寬線性調頻信號，信號持續時長一般為1 ms～10 ms，而在脈沖SAR中該時長一般在微秒量級，所以FMCW SAR在系統結構和信號處理方法等方面與脈沖SAR具有本質區別。比如，由于大時寬帶寬信號導致接收的數據量非常大，就不能采用傳統脈沖SAR的接收方法，從而也會引起數據處理方法的不同；由于信號時寬較長，必須考慮在脈沖發射期間雷達的連續運動引起的目標與雷達瞬時斜距的改變，而在脈沖體制SAR中，該斜距的變化可以忽略，所以對于FMCW SAR，必須分析雷達的脈內運動對接收信號及圖像創建算法的影響，即必須判別“停走停”假設是否成立。

本文首先給出了機載FMCW SAR系統分析設計思路和主要組成單元的設計方法，并分析其工作原理；然后，分析FMCW SAR回波接收方式及其對系統構成和圖像重構的影響；其次，對FMCW SAR信號特征和圖像重建方法進行研究，重點剖析由于脈內雷達的連續運動對接收信號的影響及其解決方法；最后，通過實際飛行試驗和數據來驗證本文系統分析設計和成像方法的有效性。

1FMCW SAR系統設計

由于毫米波段SAR系統體積小、質量輕和抗干擾能力強等優勢突出，非常適用于無人機等小型平臺應用，而且對于短程應用毫米波在大氣中的衰減就顯得不特別重要[5]，因此本文系統采用Ka波段。

為了減小天線的體積和質量實現小型化，天線采用E面矩形透鏡喇叭天線；同時，由于采用FMCW體制，必須使用收發分置的雙天線方法來避免連續波體制帶來的收發信號泄露問題，隔離度一般能達到60 dB。

1.1射頻單元設計

圖1為系統射頻單元組成部分，包含發射鏈路和接收鏈路。發射鏈路中信號輸入為直接數字頻率合成(DDS)產生的750 MHz±150MHz的線性調頻掃描連續波信號，幅度約為0 dBm；來自頻率綜合器的本振信號為9.2 GHz的單頻信號。在圖1中，混頻器1首先進行四倍諧波混頻產生36.8 GHz的單頻信號；然后與DDS產生的信號進行混頻得到36.05 GHz±150 MHz的線性調頻信號，帶寬為300 MHz。此信號經過功放產生功率為25 dBm的線性調頻信號，然后通過定向耦合器分為兩路：一部分輸出至天線，到達天線的平均功率約為23 dBm；另一部分輸出至接收機，到達接收機的平均功率約為10 dBm。在接收鏈路中，信號輸入為天線接收的36.05 GHz±150 MHz的線性調頻連續波信號，功率約為-90 dBm～-30 dBm，以及來自發射鏈路的本振信號，功率為10 dBm。輸出至數據采集部分的功率小于10dBm，頻率為4 kHz～10 MHz，以及來自系統控制的5位自動增益控制(AGC)的控制信號。接收鏈路采用對數放大的形式：輸入信號功率在-90 dBm～-60 dBm區間段，信號增益為60 dB；輸入功率在-60 dBm～-30 dBm區間段，信號增益隨著信號幅度的增加而減小，最大功率-30 dBm時的增益為40 dB。

圖1　射頻部分組成框圖

1.2頻率綜合器單元設計

頻率綜合器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。其主要完成以下功能：

1)輸出給發射鏈路的9.2 GHz連續波信號，功率約為13 dBm，發射鏈路對該信號進行4倍倍頻再由DDS輸出信號混頻；

2)輸出給DDS的本振信號，頻率為1 GHz，幅度為3 dBm，DDS接收該信號再生成系統所需掃頻信號；

3)輸出給數據采集系統的是功率為13 dBm的100 MHz中頻信號，用于對接收信號進行采樣；

4)輸出給儀器參考用的功率為10 dBm的10 MHz的參考信號。

其結構框圖如圖2所示。

圖2　頻率綜合器構成框圖

1.3頻率合成單元

該單元采用基于DDS的方案生成系統所需掃頻信號，具有體積小、控制靈活和功耗小等優勢，完成在系統外觸發或內觸發控制下產生掃頻信號的功能。在本系統中，DDS采用1 GHz時鐘的芯片，產生帶寬為300 MHz的掃頻信號，掃描起始點頻率600 MHz，終止點頻率900 MHz。其結構框圖如圖 3所示。

圖3　頻率合成單元結構框圖

1.4數據采集存儲單元設計

數據采集存儲單元實現對系統中雷達連續回波信號數據采集及存儲、全球定位導航(GPS)與慣導數據的接收、DDS的觸發控制、以及接收機的AGC調整。由于采用去調頻接收方式，接收信號與發射信號進行混頻之后再進入采樣單元，使得采樣單元的輸入信號是帶寬很小的中頻信號，這大大降低了系統對采樣單元的要求，使得采樣單元能夠具有體積小、質量輕、成本低和便于集成等優點，非常適合于小型SAR的需求。其結構框圖如圖4所示。

圖4　數據采集存儲單元結構框圖

圖5給出了本文FMCW SAR射頻組件與天線實物圖。

圖5　FMCW SAR射頻組件與天線

2FMCW SAR成像處理

2.1去調頻

FMCW SAR一般采用去調頻(Dechirp)方式接收回波信號，Dechirp原理是將接收信號與發射信號或發射信號的延遲信號進行共軛相乘[6]。同時，FMCW SAR系統回波延遲一般很短且遠小于發射信號時寬，所以常采用發射信號作為參考信號。經過Dechirp后，接收信號的相位變為

(1)

將接收信號相位對距離時間t求導，可得到距離頻率為

(2)

由式(2)可知，Dechirp將所有目標的回波信號變為一個單頻的信號，頻率瞬時值與信號回波延時有關。其過程如圖6所示。由此可見，Dechirp使信號帶寬大大降低，從而降低了對系統A/D采樣模塊的要求，從而能減輕系統質量和節約系統成本。

圖6　發射/接收信號時頻關系與去調頻原理

2.2FMCW SAR回波信號模型及圖像重建

圖7　FMCW SAR成像幾何關系圖

由于FMCW SAR發射信號時長較大，對于一個脈沖周期內的信號回波延遲是變化的，與某脈沖發射期間內雷達至某點目標的瞬時斜距有關[7-10]，該瞬時斜距可以表示成如下

(3)

對式(3)在距離時間t=0處進行泰勒級數展開，由于是在極短的脈沖持續時間Tp內，所以可忽略其二次及更高次項的影響，展開后瞬時斜距可表示為

(4)

式中：R(ta)為方位時間ta時刻雷達與目標的斜距。所以，在脈沖發射期間雷達與目標的瞬時斜距不僅與方位時間ta有關，還與距離時間t有關，且可近似地認為與距離時間只成線性關系，即瞬時斜距的變化量近似不變。將式(4)對距離時間t求導，可得到由雷達連續運動引起的附加距離頻率偏移

(5)

式中：λ為雷達中心頻率對應的波長；fd為多普勒頻率。由式(5)可知，附加頻率偏移等于方位多普勒頻率，因此稱之為多普勒偏移。所以，式(4)可以表示為

(6)

將式(6)代入式(1)可得到Dechirp之后的回波信號相位表達式，因此，接收信號的完整表達式(以復數形式表示)可以表示如下

(7)

式中：A為回波信號的幅度；第一個相位項為Dechirp之后距離向的一次相位；第二個相位項是方位聚焦所需的相位，包含了在合成孔徑時間內方位向信號的相干性；第三個相位項為剩余視頻相位(RVP)，是經Dechirp后產生的，該項不用單獨去除，可以合并入方位匹配濾波器中在方位壓縮中一并去除，從而可以簡化成像步驟。

為了進行距離徙動校正(RCMC)以及方位壓縮，需要將該信號變換到距離多普勒域。與脈沖SAR不同的是，對于FMCW SAR，直接對去斜接收信號進行方位向傅里葉變換就可以很方便地得到距離多普勒域信號形式。對于小斜視角情形，去斜接收信號在距離多普勒域具有以下形式

(8)

(9)

式中：v為雷達運行速度。由于經過去斜接收后，距離向信號變成一個單頻信號。由于在時域存在一次相位變換到頻域就為sinc型的函數，直接對接收信號進行距離傅里葉變換即可完成距離壓縮，距離頻域的信號位置由距離調制系數決定，將式(8)變換到距離頻域即可完成距離壓縮。距離頻域的信號表達式為

(10)

式(10)為FMCW SAR目標回波距離壓縮完后的信號表達式。其中，Tp為脈沖持續長度，由式(10)可知，FMCW SAR在距離多普勒域的距離徙動表達式為

(11)

FMCW SAR信號時寬較大，使不同方位時刻接收的點目標回波在距離向產生了一個附加距離遷移，通過式(11)可以將其校正。

最后，用于方位壓縮的匹配濾波器可以由式(10)得到，濾波器的頻域形式為

(12)

所以，經過上述步驟，FMCW SAR圖像重建完成，最終的信號形式為

(13)

式中：A2為幅度及常數相位；Ba為方位多普勒帶寬。

3航空校飛試驗

為了驗證本文FMCW SAR系統設計與成像方法的有效性，在某輕小型飛行平臺上進行了校飛試驗。試驗中，載機平臺飛行高度約為300 m，速度約為55 m/s，進行了條帶式成像試驗。采用本文改進的距離多普勒成像方法進行成像，圖8顯示了某區域的成像結果。圖中矩形區域標注的為兩條道路的岔路口，主要散射為面散射，表現在成像結果中為散射較弱的目標，橢圓形區域標注的為房屋建筑物，主要散射來自地面及墻壁構成的二次散射，所以表現在成像結果中為散射較強的目標。

圖8　某區域成像結果與光學圖像對比

4結束語

本文詳細地分析設計了FMCW SAR試驗系統及其成像方法，通過對線性調頻連續波和去調頻體制信號處理的過程和特性分析，采用收發分置的雙天線方式以提高收發隔離度，采用毫米波段頻段和透鏡喇叭天線以進一步減小系統的體積和重量，采用Dechirp方式接收信號以降低對系統A/D采樣單元的要求，分析FMCW體制對接收信號和成像的影響，揭示其與“停走停”假設下的成像方法的區別，對理解FMCW SAR系統工作原理和模式具有重要意義，并通過實際飛行試驗結果驗證了本文分析設計的有效性。校飛結果表明，本文設計的FMCW SAR試驗系統性能良好，達到此次設計和試驗要求，為之后進一步的完善和提高系統性能奠定了良好的基礎。

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蔡永俊男，1989年生，博士研究生。研究方向為合成孔徑雷達信號處理與系統研究、全極化合成孔徑雷達信息處理。

張祥坤男，1972年生，研究員。研究方向為合成孔徑雷達信號處理與系統研究、微波遙感理論與技術。

姜景山男，1936年生，院士，博士生導師。研究方向為微波遙感理論與技術。

聲明

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《現代雷達》編輯部

A Study on System Design and Imaging of Millimeter Wave FMCW SAR

CAI Yongjun1,2，ZHANG Xiangkun1，JIANG Jingshan1

(1. Key Laboratory of Microwave Remote Sensing, Chinese Academy of Sciences,National Space Science Center,Beijing 100190, China)(2. School of Electronic, Electrical and Communication Engineering,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049, China)

Abstract：Firstly, an airborne FMCW SAR test system is designed and analyzed, and the design methods and main principles of all parts of the system are explained in-depth. Based on the system, a flight test to validate the performance was conducted. Then，the characteristics of echo signal and imaging method of FMCW SAR are analyzed, and the influence on echo signal owing to the constant movement during the pulse sweep time was revealed, and the influence on imaging was quantitatively pointed out, and the revised range Doppler imaging algorithm is used to compensated this effect. At last, the performance and validity of the system and the image reconstruction algorithm designed in this paper are verified by the real flight experiment data.

Key words：frequency modulated continuous wave; synthetic aperture radar; system design; imaging research

中圖分類號：TN958

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)02-0001-05

收稿日期：2015-10-23

修訂日期：2015-12-30

通信作者：蔡永俊Email：caiyongjun89@gmail.com

DOI：·總體工程· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.02.001