一種基于DRFM的數字PARC設計

朱耿尚 楊星

摘 要：傳統的定標器已不能滿足對多極化SAR雷達的標定需求，迫切需要采用一種新型的標定方法對多極化SAR雷達的極化特性及精度進行標定。該文首先對極化定標器進行了系統級的概述，并對現有極化定標器的局限與不足進行了定性分析。在此基礎上，提出了一種基于DRFM的數字化極化有源定標器（Polarimetric Active Radar calibrator，PARC）的設計，對設備組成、功能與原理進行了詳細論述，為未來PARC的設計提供了一種新的思路。

關鍵詞：多極化SAR雷達 DRFM 極化有源定標器（PARC）

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）05（c）-0025-02

合成孔徑雷達（SAR）具有高分辨率、寬測繪成像等優勢，并具有全天時、全天候等特點，在農業、地質、林業、測繪及軍事偵察等領域發揮了巨大作用。隨著SAR系統的不斷開發與完善，SAR系統也由單模式、單極化向多模式、全極化的方向發展，采集的數據也具有多樣性，應用范圍和用途也有了急速的擴展[1]。由于全極化信息可以完整的解譯地物目標的多種物理特征和后向散射特性，且具備垂直分布信息的解譯能力，因此為了使得到的極化數據具有可融合性和通用性，極化定標成為不可或缺的處理步驟[2-3]。為了獲取真實的極化信息，多極化SAR 系統必需進行極化定標，校正天線與收發通道誤差造成的信號失真。

1 極化定標概述

多極化SAR能夠測量出完整的散射矩陣，為目標區域提供豐富的雷達散射信息。多極化SAR定標包括串擾定標、通道不平衡定標，以及絕對輻射定標等。Whitt等[4]提出了利用點目標進行極化定標的算法，它對于點目標的性能要求非常低，可選擇的點目標范圍非常大，適用性更廣泛，實驗室條件和野外條件下都可以使用。Sarabandi等[5]提出利用分布目標進行極化合成孔徑雷達極化定標算法，它需要微波散射計對分布目標的散射特性進行測量，獲取高精度數據作為標準數據。利用3個已知散射矩陣目標的極化定標方法，最大的優點是可以完全測量目標的散射矩陣，并可適用于任何多極化SAR系統，但這種技術對點目標的指向和已知目標散射矩陣的精度比較敏感。另外，還有利用雜波統計特性、SAR 系統特性等定標方法。實際應用中，選取那種定標算法滿足應用需求，需要大量的理論推導和實驗分析。

多極化SAR的定標是通過測量各種定標器的已知散射特性來實現的。早期的定標體主要為金屬球、多角反射器及金屬平板等無源定標器，，然而采用無源定標器方法來對多極化SAR定標是存在很多缺陷，其缺陷具體表現為：（1）RCS值比較小，并且很容易受到地雜波的影響。（2）隨著觀測角度變化，無源定標器的RCS變化很大。（3）需要在測繪帶擺放大量定標器，成本較高，而且布置復雜[6]。有源定標器能夠解決上述問題，因此，有源定標器逐漸成為當前多極化SAR定標的研究熱點。

有源極化定標技術是利用PARC系統接收雷達信號并經驗遲等處理后轉發回雷達接收機，由于PARC系統轉發信號的幅度、相位和極化信息是己知的，極化雷達獲取該轉發信號井進行處理后，即可得到極化雷達自身的系統誤差矩陣。與無源校準技術相比，有源極化定標技術具有以下優點：（1）通過控制轉發時延，能有效抑制地物雜波和氣象雜波等環境干擾。（2）PARC的收/發大線增益和系統鏈路增益可使轉發信號具有較大功率，從而模擬具有較大RCS的目標，并能根據實際需求靈活改變其數值。（3）設計的PARC大線一般具有較寬的波束寬度，便于遠距離情形下波束對準。（4）若采用數字轉發模塊，可實現對轉發時延和多普勒頻移的精確調制，從而模擬距離和速度可變的目標。

2 數字式極化有源定標器設計

傳統PARC系統實質是一個轉發器，由一段光纖延遲線連接接收和發射天線形成物理時延，PARC系統內部包括放大器和帶通濾波器等元器件對信號進行放大、濾波。有源反射器主要具有如下功能。

（1）通過增益控制，可調節雷達截面積。

（2）通過脈沖延時，可改變該反射器在雷達圖像中距離向的成像位置。

（3）通過校準信號可完成系統的自檢，以保證系統穩定、可靠的工作。

傳統的有源定標器系統無法實現連續可變的時延和多普勒調制，其模擬的極化散射矩陣在每次測量中也是固定的。

該文擬采用一種基于數字射頻存儲器（DRFM）的極化有源定標器系統的總體設計方案，組成及原理如圖1所示。基于DRFM的PARC系統具有采集、存儲、轉發等功能，可獨立工作于3種基本模式：信號轉發模式、發射標準信號模式以及接收機模式。

為提高系統極化隔離度，擬采用雙接收天線、雙發射天線方案。系統框圖如圖2所示，系統采用兩個接收天線，兩個發射天線，天線為單極化天線，分別為H極化和V極化，天線之間放置極化隔離板提高天線極化隔離度。

系統共3個接收通道，包括兩個極化接收通道和一個單極化寬帶接收通道，另外在射頻發射單元含有兩個發射通道，為水平極化發射通道和垂直極化發射通道，兩個發射通道采用定向耦合器進行耦合，以實現極化通道轉換功能。通過切換通道開關再輔以高速信號處理單元的功能，系統可實現有源轉發、自主發射、信號接收以及自校正的功能。

當有源定標器工作在有源轉發模式時，根據任務要求，當轉發任務為寬帶信號時，開關2和開關4閉合，通過雙向開關控制，信號經天線接收、濾波后進入寬帶接收通道進行濾波、下變頻、增益控制和AD轉換后進入高速數字處理分機，通過DRFM對接收信號進行保存后延時轉發。發射信號依次經過D/A轉換進入發射通道進行發射；當工作模式為極化定標模式時，信號通過單極化天線接收后送往2個極化接收通道，通過A/D形成數字信號送入數字處理分機進行信號處理，數字信號通過D/A 后送入極化發射通道進行增益控制、上變頻、濾波處理后，根據任務要求信號通過定向耦合器送入相應單極化天線進行發射完成極化散射矩陣系數的確定。

當有源定標器在接收機模式時，根據任務要求，發射通道開關關閉，根據接收信號的不同進行接收通道開關切換，信號通過天線的接收進入相應的接收通道，在接收通道內進行濾波、下變頻、增益控制等處理，通過A/D后數字信號進入信號處理分機進行信號采集及存儲。

當有源定標器在自主發射模式時，根據任務要求，接收通道開關關閉。信號處理分機產生數字波形，通過D/A轉換后送入發射通道，發射通道內對信號進行放大、濾波、增益控制處理后送入天線進行微波發射。可控衰減器和放大器對發射功率進行精準控制。

3 結語

傳統的極化定標技術在實際場景中遇到了新的難題，因此有必要擴展思路，研究新體制多極化SAR的有源定標理論和技術，以滿足多極化SAR雷達理論和系統不斷發展的需求。PARC的設計是一個同時具有很強科學性和工程性的課題，涉及雷達系統硬件、信號處理、天線設計和數據處理等多個方面，對提高SAR雷達對極化信息的獲取能力具有十分重要的意義。

參考文獻

[1] Giuli D. Polarization Diversity in Radars[J].Proceedings of the IEEE，1986，74（2）：245-269.

[2] 曾清平，董天臨，萬山虎.極化雷達的發展動態與極化信息的應用前景[J].系統工程與電子技術，2003，25（6）：669-673.

[3] 王超，張紅，劉智.全極化合成孔徑雷達圖像處理[M].北京：科學出版社，2008.

[4] Whitt M W， Ulaby F T， Polatin P， et al. A General Polarimetric RadarCalibration Technique [J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation，1991，39（1）：62-67.

[5] Sarabandi K， Ulaby F T， Tassoudji M A. Calibration of Polarimetric RadarSystems with Good Polarization Isolation [J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，1990，28（1）：70-75.

[6] 何密.同時極化測量體制雷達的校準方法研究[D].長沙：國防科學技術大學，2012.