一種基于單通道收發的機載全極化SAR系統

鐘小艷,俞育新

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088;2.海軍舟山地區裝備修理監修室,浙江 舟山316000)

一種基于單通道收發的機載全極化SAR系統

鐘小艷1,俞育新2

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088;2.海軍舟山地區裝備修理監修室,浙江 舟山316000)

摘要：介紹了一種基于單通道收發的機載全極化SAR系統,著重介紹了極化實現方式和系統組成。本系統具有設備量少、質量輕的特點,適合小型無人機載平臺。給出了實際飛行試驗結果。

關鍵詞:機載SAR;全極化;單通道;無人機載平臺

0引言

現代戰爭更強調非接觸式的遠程精確打擊,實施這一戰略戰術必須有能實時提供動態、高效、準確圖像情報的遠距離偵察裝備。目前,用于遠距離圖像情報偵察的平臺可分為空載平臺(衛星、航天飛機等)和機載平臺(有人駕駛飛機和無人駕駛飛機等)兩大類。衛星和航天飛機偵察系統具有搜索區域廣、獲取的圖像面積大、偵察區域不受任何限制等優點,但若要對某一局部地區進行長時間連續不斷的偵察,則需要數十顆衛星才能滿足要求,其實現難度非常大,費用也將是天文數字。機載偵察系統可以彌補空載偵察系統的這一不足,由于其飛行路徑靈活可變,可循環對某一區域進行連續偵察。無論是空載偵察系統還是機載偵察系統,其裝載的圖像傳感器主要有光電傳感器(可見光和紅外)和合成孔徑雷達(SAR)兩大類。光電傳感器的優點是可獲得高分辨率、高清晰度的圖像,并且設備比較簡單,但其易受煙塵、云霧等環境的影響,無法實現全天候、全天時工作。SAR成像系統也可獲取高分辨率的圖像,并且不受白天、黑夜、煙塵、云霧等環境因素的影響,具有全天候、全天時工作的特點。

多極化SAR圖像比起單極化SAR圖像能獲取更多的信息,提供更多的目標后向散射系數屬性,利用目標幾何圖像信息(如取向、對稱性),提高對目標的鑒別和分類的能力。多極化SAR中,可采用四極化(HH/HV、VV/VH)和雙極化(HH、VV)。多極化信息的融合技術是目標識別的又一方法,也是獲取定量遙感的一種手段。圖1是不同極化偵察效果比較。

2系統設計

2．1全極化實現方式

多極化實現方式有3種:變極化發射與變極化接收、同時雙極化發射與同時雙極化接收、變極化發射與同時雙極化接收。

圖1　不同極化偵察效果比較

在變極化發射與變極化接收工作方式下,通過極化開關可以實現發射水平極化波(H)或垂直極化波(V),接收水平極化波(H)或垂直極化波(V),如圖2所示。這種工作方式對系統設備的要求最低,只需要一個接收通道,但不能同時獲取目標的4種極化信息,可分時(間隔4個PRT周期)獲取4個極化信息。

圖2　變極化發射與變極化接收工作方式

在同時雙極化發射與同時雙極化接收工作方式下,SAR系統可同時獲取目標的4種極化信息(如圖 3所示),可以實現好的多極化SAR成像性能,但會大大增加系統的復雜性和成本。

圖3　同時雙極化發射與同時雙極化接收工作方式

在變極化發射與同時雙極化接收工作方式下,SAR系統可準實時獲取目標的4種極化信息,可以實現較好的多極化SAR成像性能,但會降低系統的復雜性和成本。國外的多極化SAR方案一般多采用這種工作方式。圖4為變極化發射與同時雙極化接收工作方式。

圖4　變極化發射與同時雙極化接收工作方式

考慮到系統設備質量及功耗的限制,本系統采用變極化發射和變極化接收的方式實現。

2.2系統組成及特點

機載雷達裝入無人機平臺,通過遙控遙測,實現空中數據采集、機上數據實時記錄、存儲,并下傳快視圖像;返回地面后讀取數據,進行圖像回放、圖像信息分析。

機載雷達組成框圖如圖 5所示,分為機場外設備和艙內設備兩部分。機艙外設備為機腹下的天線罩內的雷達天線與穩定平臺單元,機艙內設備包括低功率射頻單元和綜合電子單元。雷達工作時,低功率射頻單元的頻率源產生基準頻率,由波形產生模塊根據工作指令生成寬帶LFM信號,由激勵輸出形成射頻信號,放大后送入天線及穩定平臺單元的收發模塊進行放大,通過雙極化共口徑的天線陣面進行輻射。通過收發極化開關交替發射/接收時序控制,順序獲取HH、HV、VV、VH極化的回波。通過導前觸發準確進行標識,順序存入綜合電子單元中的記錄儀中。

圖5　星載SAR模擬設備系統組成框圖

天線及穩定平臺單元的主要功能為:根據控制指令接收組合導航提供的航姿數據實現天線空間指向的穩定與跟蹤,實現雷達射頻激勵信號的放大與輻射,并獲取目標返回的后向散射信號。低功率射頻單元主要實現雷達整機的基準頻率產生、各相參頻率的輸出,根據指令產生各種雷達寬帶波形信號、射頻信號調制與解調,以及解調后視頻信號的量化。綜合電子單元負責整機對外的測控通信、指令解譯、時序輸出,以及對低功率射頻單元輸出的數字基帶回波信號進行處理、快視圖像實時下傳等功能。

3系統飛行試驗結果

雷達工作于條帶成像模式時,天線處于正側視狀態,根據任務設定指向某一側。當進入航線時,天線的指向角(與正北的夾角)將保持固定,即當無人直升機的運動軌跡非理想時,仍保持天線的指向角恒定不變。

該系統于2014年進行了飛行試驗驗證工作,獲得了不同視角以及極化下的圖像數據。圖6為同時四極化圖像,分辨率為0.3 m時的圖像。圖7為多幅條帶圖像拼接圖像,極化為HH,分辨率為0.3 m。圖8為4種極化下拼接圖像的極化融化后的全極化圖像結果,分辨率為0.3 m。

圖6　同時四極化圖像結果(分辨率0.3 m)

圖7　HH極化圖像拼接結果(分辨率0.3 m)

圖8　全極化融合圖像結果(分辨率0.3 m)

4結束語

多極化SAR圖像比單極化SAR圖像能獲取更多的幾何特征信息,進而提高對目標的鑒別和分類能力。實現全極化SAR系統的方式很多,本文介紹了一種采用一個通道實現全極化收發的SAR系統。該系統設備量最少,質量輕,可適裝于小型無人機平臺。通過實際飛行試驗,獲取了4個極化的圖像,驗證了系統設計的可行性和正確性,為下一階段實現多波段、多極化、高分辨SAR系統積累了技術基礎。

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A full-polarization airborne SAR system based on a single T/R channel

ZHONG Xiao-yan1, YU Yu-xin2

(1.No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088; 2.Equipment service and supervision unit of the PLA Navy in Zhoushan, Zhoushan 316000, China)

Abstract:A full-polarization airborne SAR system is introduced based on a single T/R channel, with an emphasis on the implementation methods of polarization and the system composition. The system is suitable for miniature unmanned airborne platforms, featuring less equipment and light weight. Finally, the results of actual flight test are given.

Keywords:airborne SAR; full polarization; single channel; unmanned airborne platform

收稿日期:2016-03-02;修回日期:2016-03-10

作者簡介:鐘小艷(1983-),女,工程師,碩士,研究方向:SAR系統總體技術;俞育新(1966-),男,高級工程師,研究方向:艦載武器系統。

中圖分類號:TN958

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0009-03