機載SAR變采樣開啟波門技術研究

賀彩琴，李敏慧，朱 力

(南京電子技術研究所, 南京 210039)

?

·數據處理·

機載SAR變采樣開啟波門技術研究

賀彩琴，李敏慧，朱 力

(南京電子技術研究所, 南京 210039)

對于方位大斜視角、寬觀測帶、高分辨率機載合成孔徑雷達(SAR)系統，由于距離徙動量巨大，若采用固定波門采樣技術，將導致無效數據量過大。針對這一技術問題，提出一種在雷達回波窗不跨脈沖重復周期的情形下連續變采樣開啟波門技術方法，根據距離徙動變化曲線，連續變化采樣開啟波門位置，以此對距離徙動進行校正，可解決固定采樣開啟波門存在的無效數據量過大的技術問題。通過SAR系統仿真、機載飛行試驗獲得的高質量成像結果，驗證了此方法的有效性。

變采樣開啟波門；距離徙動；機載合成孔徑雷達

0 引 言

目前，國際上各種列裝的星載成像雷達均采用“固定波門”采樣技術。這種“固定波門”采樣技術在大斜視角、大幅寬、高分辨率成像的工作條件下，由于距離徙動量巨大, 將使系統產生大量的無效數據[1-3]。距離線上這部分原始數據除了增加系統記錄和數傳的負擔外，在距離脈沖壓縮后進行距離徙動校正時，對成像觀測帶寬并無貢獻。

在方位大斜視角、大觀測帶、高分辨率機載合成孔徑雷達(SAR)系統中，分辨率達到0.1 m，因距離徙動量大，若采用固定波門采樣技術，同樣會導致無效數據量過大。本文介紹一種變采樣開啟波門技術，根據距離徙動變化曲線，連續變化采樣開啟波門位置，可以減少因距離徙動帶來的大量無效錄取數據，從而減少SAR的數據率，大幅減小記錄設備和數傳設備的壓力，極大地提高了系統的實時響應時間，從而提高系統的效率和質量。

1 工作原理

左側視前斜視聚束模式幾何圖如圖1所示。

圖1 斜視聚束模式幾何圖示

圖1中，A點為切入點，θd為方位角，即波束軸線與速度方向的夾角，R0為飛行航跡與地面目標的最短距離，Δθ為聚束角(波束軸線的轉角)，則有[4-5]

(1)

式中：Ka為方位展寬系數，即天線幅度和相位誤差、成像加權等引起的展寬因子；ρa為方位分辨率；λ為雷達波長。

切入點的斜距為

R切入=R0/sinθa

(2)

設飛機巡航速度為Vs，則合成孔徑時間為

(3)

根據切入點的θs、R0、Vs和波束軸線轉動角Δθ，可得到離開點到地面目標的斜距為

(4)

最大距離徙動量對應的時間長度為

(5)

根據距離徙動曲線，變化開啟采樣波門位置[6-8]，如圖2所示。

圖2 變采樣開啟波門示意圖

設采樣開啟波門一次變化一個步進δt，則采樣開啟波門變化次數M為

M=Δt/δt

(6)

設脈沖重復頻率為fp，則合成孔徑時間內發射的脈沖總數為N總=Tafp。采用一組脈沖變化一次采樣開啟波門位置，則脈沖組中脈沖數目N為

N=N總/M=Tafp/M

(7)

根據切入點斜距R切入和觀測帶寬W，確定切入點開啟波門斜距，然后根據距離徙動曲線，連續變化采樣開啟波門斜距。

2 仿真與成像處理

表1為仿真所用的參數，由此得到的機載SAR系統仿真計算結果如表2所示。

表1 仿真所用參數

表2 SAR系統仿真結果

在顯控計算機界面上，設置波束軸線轉動角Δθ、飛行航跡與地面目標的最短距離R0，由數據處理根據工作方式和實時慣導信息，計算出每組中脈沖數目N、開啟波門變化次數M等參數，實時控制定時器，每N個脈沖一組，從一個脈沖組切換到下一個脈沖組，開啟波門變換一個δt時間間隔，雷達參數處理流程如圖3所示。

圖3 變采樣開啟波門計算流程

若固定開啟波門，距離向壓縮后，強散射點的距離徙動曲線為一條亮的曲線(看似直線)。由于變開啟波門，徙動曲線變成若干條折線，每變一次波門，徙動曲線就形成一條折線，如圖4所示。

圖4 距離壓縮后某一強散射點的距離徙動曲線(變采樣開啟波門)

成像處理先把距離徙動折線平移，拼接起來，形成連續的曲線，然后進行距離徙動校正和成像處理，三角形分布樹林的SAR成像結果如圖5所示，飛機垂直向下飛行，孔徑中心的方位斜視角為45°。

圖5 0.1 m分辨率聚束工作模式SAR圖像

3 結束語

對于方位大斜視高分辨率SAR的聚束模式，采用沿距離徙動曲線變采樣開啟波門技術，可解決經典固定波門方法因距離徙動而帶來的大量無效數據問題。本文分析了采樣開啟波門的變化規律，給出了每組脈沖的脈沖數目和孔徑時間內波門的變化次數實時控制算法，試飛時同時在雷達系統中采用高穩定度基準源和高精度定時技術，高精度確定每個采樣波門位置，便于距離徙動校正和成像處理。試飛實驗獲得了如圖5所示的高質量圖像，驗證了所提方法的有效性和正確性。該方法用于如星載雷達SAR這樣有巨量數傳需求的系統中，可以大大降低衛星天線的數傳壓力，提高系統的實時性和效率。

[1] 魏鐘銓. 合成孔徑雷達衛星[M]. 北京: 科學出版社，2001. WEI Zhongquan. Synthetic aperture radar satellite[M].Beijing: Science Press, 2001.

[2] 林幼權. 星載高分辨率寬幅成像技術分析[J]. 現代雷達，2011， 33(1): 1-4. LIN Youquan. Analysis of high resolution wide swath technology for the spaceboren SAR[J]. Modern Radar, 2011, 33(1): 1-4.

[3] 蔣 為，李敏慧. 星載SAR滑動聚束模式研究[J]. 現代雷達，2011， 33(3): 17-19.JIANG Wei, LI Minhui. A study on sliding spotlight mode of spaceboren SAR system[J]. Modern Radar, 2011, 33(3): 17-19.

[4] MITTERMAYER J, WOLLSTADT S, PRATS P, et al. Staring spotlight imaging with TerraSAR-X[C]// 2012 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Munich: IEEE Press, 2012: 1606-1609.

[5] GEBERT N，KRIEGER G. Ultra-wide swath SAR imaging with continuous PRF variation[C]// 2010 8th European Conference on Synthetic Aperture Radar. Aachen, Germany: IEEE Press, 2010: 1-4.

[6] AN D X, HUANG X T, JIN T, et al. Extended nonlinear chip scaling algorithm for high-resolution highly squint SAR data focusing[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2012,50(9): 3959-3609.

[7] 韓 冰，丁赤飚, 梁興東, 等. 超高分辨率機載聚束SAR空變運動誤差校正[J]. 電子與信息學報，2009，31(5): 1249-1252. HAN Bing, DING Chibiao, LIANG Xingdong, et al. Space-variant motion compensation in ultra-high resolution airborne spotlight SAR[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2009, 31(5): 1249-1252.

[8] 左偉華, 皮亦鳴, 閔 銳. 大斜視機載聚束SAR時域校正距離走動的頻率尺度成像算法[J]. 電子學報，2013，41(9): 1716-1723. ZUO Weihua, PI Yiming，MIN Rui. Improved frequency scaling algorithm based on the range walk correction in time domain for high squint spotlight airborne SAR[J].Acta Electronica Sinica,2013,41(9): 1716-1723.

賀彩琴 女，1967年生，高級工程師。研究方向為雷達軟件總體技術和雷達數據處理。

李敏慧 女，1980年生，高級工程師。研究方向為雷達系統仿真和設計。

朱 力 男，1964年生，博士，研究員級高級工程師。研究方向為雷達系統仿真和設計。

A Study on Variable Sampling Wave Gate Technology of Airborne SAR

HE Caiqin，LI Minhui，ZHU Li

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

For large squint azimuth and high resolution wide swath imaging airborne synthetic aperture radar (SAR), there is much useless data caused by range cell migration using solid sampling wave gate. A method of using variable sampling wave gate to deal with the problem is introduced in this paper. Under the condition of none range ambiguity,the cell migration is calibrated by changing sampling wave gate.The effectiveness of this method is testified by the results from the SAR simulation and flight test from high resolution profiles.

variable sampling wave gate; range cell migration; airborne SAR

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.011

賀彩琴 Email：janehoe@126.com

2015-10-16

2015-12-18

TN911.7

A

1004-7859(2016)03-0051-03