機載超高分辨率SAR內定標技術研究

賀彩琴，李敏慧，雷萬明，朱　力

(南京電子技術研究所，　南京 210039)

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機載超高分辨率SAR內定標技術研究

賀彩琴，李敏慧，雷萬明，朱力

(南京電子技術研究所，南京 210039)

摘要：首先，研究了合成孔徑雷達的內定標工作原理，分析了發射定標實測信號；然后，給出了誤差補償前后的一維距離圖像性能指標，提出了利用發射定標數據作為參考函數進行實際數據成像處理的方法；最后，成功應用于機載試飛中，獲得了高質量合成孔徑雷達圖像，并證明了該方法的有效性。

關鍵詞：內定標；脈沖壓縮；機載合成孔徑雷達；線性調頻信號

0引言

超高分辨率合成孔徑雷達(SAR)成像中的二維超高分辨率，一般是通過發射超寬帶線性調頻信號(LFM)和方位維的大角度聚束掃描來實現的。由于分辨率極高，發射LFM信號的帶寬大，LFM信號經過雷達系統的通道鏈路會對信號的幅度和相位產生調制，從而影響信號聚焦壓縮的效果，帶寬越大其調制影響越大。SAR發射的寬帶信號經歷發射機(固放)、饋電網絡、T/R組件發射通道、天線陣面想外輻射；回波信號經天線陣面接收、T/R組件接收通道、饋電網絡、環形器，進入接收前端，到達接收機，經模數(AD)采樣后形成回波原始數據，用于成像處理。由此可見，整個通道鏈路的任何一部分都會對信號產生影響。對于寬帶LFM信號來說，由于雷達系統的非線性影響，帶寬內每個頻點的幅度和相位因受到調制而產生誤差，引起脈沖壓縮后成對回波的出現，從而使脈沖響應的主瓣展寬，旁瓣電平升高，出現不對稱分布旁瓣現象。

如何補償通道對信號的影響，是高分辨SAR成像必須解決的一個難題。目前，工程上一種切實可行的方法是通過內定標技術[1-2]來實現。由于發射的寬帶線性調頻信號經過了定標鏈路(包括發射鏈路、接收鏈路或參考鏈路等)，信號受到通道鏈路的影響已包含在定標信號之中，通過對定標信號的分析可以提取出用于補償的幅度和相位信息，也可以得到與真實信號高度相干的脈沖壓縮參考信號，從而實現對高分辨SAR系統的幅相誤差補償和高質量的聚焦壓縮，得到高質量的高分辨率SAR圖像。

本文給出了內定標系統一般工作原理、定標模式和定標信號的分析方法，針對超高分辨SAR系統，介紹了其定標系統的組成和采用的定標方案、定標處理試驗流程與誤差補償分析實驗。利用提取出的誤差補償所需的幅相誤差數據來進行試飛數據成像處理，獲得了高質量超高分辨率SAR圖像。

1工作原理

雷達系統的定標[3-4]包括外定標和內定標。外定標一般利用雷達系統自身以外資源,通過使用輔助設備,如定制放飛的金屬球、專門的外定標器等，進行目標的外定標。外定標時一般對定標場景有一定的要求，如要求電磁環境干凈、放飛的金屬球要近似為點目標；雷達波束照射到定標器上，其雷達回波應盡量避免多徑效應等。這在實際工作中，有一定的難度。內定標一般利用雷達自身的電子設備，通過增加內定標器來形成發射、接收等定標回路，利用定標信號經過與真實回波信號盡可能相同的雷達發射通道和接收通道鏈路，形成內定標網絡或定標回路，實現內定標功能，得到經過定標通道鏈路的回路信號，提取出SAR成像處理所需的誤差信號或成像距離壓縮所需的參考信號，實現對真實回波信號的成像處理。

SAR系統中內定標信號流程一般有三個，分別是發射信號定標、接收信號定標和參考信號定標。發射定標有兩種方式，即非延時定標和延時定標。非延時定標方式的優點是內定標器內無放大器等有源器件，只含有微波開關、衰減器和環形器等無源器件，定標器的傳遞函數穩定性高，內定標精度高；缺點是由于發射脈沖脈內定標，對內定標鏈路與雷達正常工作鏈路之間電磁泄漏的隔離度要求很高，即雷達工作時，發射和接收信號不能通過定標鏈路形成“多徑效應”，影響發射信號和接收信號質量；雷達定標時，定標信號不能經歷雷達通道形成“多徑效應”，影響定標信號質量。延時定標方案的優點是回避了脈內定標的信號相互干擾問題，缺點是由于內定標器的光纖延遲線部分是有源器件，內定標器為了保證傳遞函數穩定，必須加增益補償措施，以防止內定標器自身的增益不穩定引入的定標精度誤差。

考慮工程實施的可行性，在機載超高分辨率SAR雷達試飛時，我們采用非延時內定標方法，實現定標數據的錄取和處理。系統設計中，內定標網絡位于有源相控陣天線陣面內，T/R組件射頻信號耦合進入該網絡，用于提取雷達發射信號。內定標器位于雷達中央電子設備中，為一個三端口單元，端口A與激勵源副路端口相連，端口B與陣面內定標網絡總口相連，端口C與接收機副路端口相連，如圖1所示。發射信號定標、接收信號定標皆可分為全陣面定標和單個T/R組件定標。全陣面定標時，天線陣面所有T/R組件工作,分別對雷達進行發射信號定標和接收信號定標。

圖1　內定標器與雷達各接口連接示意圖

1)發射定標流程[1]：激勵源產生的線性調頻信號經固態發射機送至天線陣面饋電網絡和T/R組件，通過T/R組件耦合口，耦合信號依次經歷內定標網絡和內定標器送至接收前端副路，進入接收通道、A/D變換器和信號處理單元/記錄設備。發射定標信號沒有經歷天線陣面的輻射單元。

2)接收定標流程[2]：激勵源通過其副路口輸出線性調頻信號，送至內定標器端口A，通過內定標器內部組合開關選通，定標信號從端口B流出，送至陣面的內定標網絡總口，耦合進入T/R組件接收支路，通過耦合口進入陣面饋電網絡到達其總口，經環形器從接收前端主路依次進入接收前端、A/D變換器和信號處理單元/記錄設備。

3)參考定標流程[3]：激勵源通過其副路口輸出線性調頻信號，送至內定標器端口A，通過內定標器內部組合開關選通，定標信號從端口C輸出，從接收前端副路依次進入接收前端、A/D變換器和信號處理單元/記錄設備。

從上述定標流程可以看出，定標信號應用時，應去除內定標器、內定標網絡、插頭、插座和連接電纜等對定標信號的影響。

2定標信號分析

在雷達地面聯試或是空中成像飛行試驗時，利用記錄的發射定標信號或接收定標信號或參考定標信號，綜合分析雷達信號質量、距離壓縮后一維圖像性能，包括信噪比、斜距分辨率、峰值旁瓣比和積分旁瓣比等，來及時判斷雷達設備是否正常。在某成像模式工作前，開啟該模式的定標方式，記錄若干個定標信號，送記錄設備，用作事后處理；或實時送成像處理機，用作準實時距離壓縮處理。

設發射線性調頻信號為

(1)

式中：f0為發射信號載頻；a(τ)為發射脈沖的包絡，通常為矩形；k為線性調頻斜率；T為脈沖寬度；τ為距離向快時間。

雷達接收到地面靜止點目標P(xi,yi)的回波信號經混頻處理后，可表示為

Sri(t,τ)=σiw(t,Ri)a(t-τi(t))·

(2)

式中：σi為該點目標的后向散射系數，與點目標散射特性有關；t和τ分別為方位慢時間和距離快時間。對式(2)進行距離脈沖壓縮，即

Sri1(t,τ)=Sri(t,τ)*hr(τ)

(3)

式中：hr(τ)為距離參考函數；*表示卷積運算。理論上

hr(τ)=a(τ)exp(-jπKτ2)

(4)

設天線雙程方向圖為矩形，可得到距離脈沖壓縮結果

sinc[πBd(t-tc)]

(5)

式中：C為復常數；Bd為多普勒帶寬；Br為信號瞬時帶寬；Ric為航線與目標間最短斜距。

上述為經典的距離壓縮處理算法。實際上，雷達回波信號是受雷達發射和接收通道的調制，受雷達工作時的周邊電磁環境、溫度等因素影響。距離參考函數hr(τ)不再滿足式(4)，要比式(4)復雜得多。同樣受周邊電磁環境、溫度、雷達整個信號鏈路(包括發射和接收支路)等因素影響，相對于窄瞬時帶寬雷達系統，寬帶雷達系統收發支路產生的幅度相位誤差會更大，特別是相位誤差，會直接影響到SAR 圖像的質量，在成像處理中不能忽略。因此，對于寬帶或超寬帶信號，若用式(4)進行脈沖壓縮處理，距離脈沖壓縮效果不理想。

采用準實時發射定標、接收定標或參考定標數據，來替代距離參考函數hr(τ)，可改善距離脈沖壓縮效果。

3定標處理與誤差補償分析實驗

機載超高分辨率雷達系統中，幅相誤差補償分析驗證包括定標和回波數據的錄取、定標數據分析、誤差補償分析驗證。

3.1定標和回波數據錄取

在該雷達系統中，定標數據錄取由三部分軟件控制完成，分別是顯控軟件、雷達數據處理軟件和試飛實時記錄分析軟件。

雷達顯控軟件完成定標模式選擇(如噪聲定標、參考定標、全陣面發射定標、全陣面接收定標、單T/R組件發射定標、單T/R組件接收定標)，和該模式下雷達相應工作參數的輸入和設定。

雷達數據處理軟件完成定標方式下雷達相應工作參數的接收和控制以及定標數據的實時傳輸和記錄控制。

試飛實時記錄分析軟件，通過對定標數據實時記錄和分析，快速監測雷達系統狀態，判斷天線T/R組件工作是否正常(包括T/R組件是否發射信號、是否正常接收等)，整個接收鏈路、A/D數據采集、全鏈路接收噪聲電平等是否正常，實時判斷雷達工作是否正常，同時通過分析回波數據的信噪比、斜距分辨率、峰值旁瓣比和積分旁瓣比等指標，對試飛作出實時調控，如當回波信號的信噪比過小時，實時調整雷達作用斜距，以滿足信噪比要求，以此有效錄取定標數據和原始回波數據。

3.2定標數據分析

機載超高分辨率雷達工作于X頻段[5-6]，采用寬帶發射四個子頻帶接收方案，使分辨率達到了0.1 m。在空中成像試飛中，通過發射定標鏈路獲取的發射定標信號，用理想距離參考函數對每個通道接收的子頻帶進行距離壓縮，其結果如圖2所示，壓縮后一維圖像質量性能見表1中對應數據。由圖2可看到，每個通道接收的子頻帶信號的壓縮脈沖形狀不同，壓縮脈沖的峰值旁瓣不對稱分布并且高達-5.35 dB～ -10.89 dB,這主要是雷達全鏈路幅度和相位誤差造成的。

圖2　寬帶發射四子頻帶接收的發射定標信號

對發射定標數據進行幅度和相位誤差補償、4路信號合成寬帶信號的脈沖壓縮結果如圖3所示，其圖像質量性能見表1中對應數據。由圖3可看出，峰值旁瓣對稱分布并且降低至-13.47 dB，與理想值基本一致。

圖3　寬帶發射四子頻帶接收合成高分辨率結果

斜距分辨率/m積分旁瓣比ISLRr/dB峰值旁瓣比PSLRr/dB寬帶發射第1子帶接收(未補償)0.300-6.70-10.890寬帶發射第2子帶接收(未補償)0.297-5.91-8.214寬帶發射第3子帶接收(未補償)0.298-4.05-5.350寬帶發射第4子帶接收(未補償)0.310-4.28-6.780合成信號(補償)0.077-9.70-13.470

3.3誤差補償驗證

在該型雷達試飛中，把實時記錄下來的發射定標數據作為參考函數，用于數據成像處理中，進行距離脈沖壓縮，處理結果如圖4所示的雙回路鼓型塔架的SAR圖像?？梢钥闯?，0.10 m分辨率SAR圖像中塔架的精細結構。

圖4　用發射定標數據補償后的SAR圖像及其光學圖像

4結束語

把內定標技術應用于超高分辨率機載SAR中，用內定標數據可補償雷達全鏈路的幅度和相位誤差，得到高質量的距離維圖像。本文研究了內定標技術工作原理、對發射定標實測信號進行了分析，給出了誤差補償前后的一維距離圖像性能指標，通過飛行試驗和成像處理，證明了所提方法的有效性。

參 考 文 獻

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賀彩琴女，1967年生，高級工程師。研究方向為雷達數據處理。

李敏慧女，1980年生，高級工程師。研究方向為雷達總體工程。

雷萬明男，1964年生，研究員。研究方向為雷達信號處理。

朱力男，1964年生，研究員。研究方向為雷達總體工程。

薩博公司公布“海上長頸鹿”4A有源相控陣雷達研制進展

據每日雷達網2016年1月13日報道，瑞典薩博公司近日公布了其“海上長頸鹿”4A雷達的最新進展?！昂Ｉ祥L頸鹿”4A雷達是一種中/遠程有源相控陣監視雷達，裝備了火箭、火炮以及定位器等，可對空中目標實施探測，支持地空導彈系統作戰。2011年，美海軍向薩博公司提供了“海上長頸鹿”雷達的研究合同，該公司于2015年11月對雷達進行了首次測試。該型雷達可以每分鐘60轉的速度對70°范圍內目標進行搜索，可為作戰人員提供目標三維數據，對直升機等靜態和動態目標進行分辨，為美軍武器系統提供目標識別能力。

(張昊編譯)

A Study on Internal Calibration Techniquefor Airborne Super-resolution SAR

HE Caiqin，LI Minhui，LEI Wanming，ZHU Li

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：Firstly, principles of internal calibration technique are introduced in airborne synthetic aperture radar (SAR), and the real-time transmission signal data of SAR send calibration is analysed. Then, the performance indicators of one dimensional range image are given with and without the systematic errors compensation， meanwhile, a method is proposed using the real-time calibration data as reference functions in SAR image processing. Finally, the successful radar flight test and the high resolution range profiles have proved the feasibility of this method.

Key words：internal calibration；pulse compression；airborne synthetic aperture radar；linear frequency modulation

中圖分類號：TN958

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)02-0015-04

收稿日期：2015-10-22

修訂日期：2015-12-14

通信作者：賀彩琴Email：janehoe@126.com

DOI：·總體工程· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.02.004