適應慢速平臺的雙波段全極化SAR系統

摘 要：文章介紹了一種能適應慢速平臺的雙波段全極化SAR系統，著重介紹了為適應慢速平臺采用的成像算法選擇和伺服狀態運動補償算法的改進，最后給出了初步的實際飛行試驗結果，可為同類型輕小平臺SAR系統設計提供借鑒和思路。

關鍵詞：慢速平臺；伺服補償；系統設計

1 概述

相對于傳統的信息獲取手段，SAR成像系統不僅可以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。作為衛星數據的有效補充，SAR雷達在地形測繪、災害監測評估、環境與國土資源監測等領域具有廣泛的應用價值。特別是在災害應急處理方面，SAR雷達系統能及時為災害應急處理提供信息豐富、清晰準確的圖像，對及時開展救援、進行受災評估、減輕災害損失具有重要意義。

目前常見的無人飛行平臺，包括小型無人機和無人飛艇，由于成本適中，安全性高等優點被用于SAR系統的裝載平臺。由于這類平臺存在飛行高度低、飛行速度慢、飛行姿態不平穩等特點，對SAR系統成像質量帶來了挑戰。

文章將介紹基于小型無人機和無人飛艇這類平臺的全極化SAR系統的設計思想，并給出實際飛行結果，可以提供同類型SAR系統設計思路。

2 系統設計

2.1 慢速平臺成像算法

目前常用的SAR成像算法有改進RD、CSA、波束域WK等。對算法處理能力分析，主要考慮算法處理特點，距離徙動校正和方位相位補償能力。對改進RD、CSA、波束域WK這三種算法成像特性進行對比分析，如表1所示。

從表1可以看出，改進RD算法難以實現高分辨寬測繪帶處理。CS算法處理性能和WK相當，但由于CS算法的處理需要保留測繪帶寬加回波寬度，而WK處理可通過脈間先距離壓縮處理，截取有效測繪帶寬度，大大降低數據存儲量。此外，當波束存在一定斜視時，CS算法在高分辨下距離-方位耦合特性較為明顯，而波束域WK算法可有效克服耦合問題。

平臺速度慢、姿態控制精度低、分辨力高、數據存儲量大，因此鑒于波束域WK算法的優勢，成像模式中選擇波束域WK算法。

2.2 伺服轉臺補償算法

為了在載機姿態變化的情況下，能夠實現天線在慣性空間中的指向穩定，伺服轉臺運補控制系統需要對載機的運動進行補償解算，并輸出補償控制量，以隔離載機姿態變化對天線指向的影響。

根據慣性坐標系中的目標方位角、俯仰角，結合載機的各姿態角，解算出平臺坐標系中對應的方位角與俯仰角作為控制指令角度，通過雙閉環回路控制方位、俯仰電機的轉動，實現天線俯仰的補償。當載機的姿態發生變化時，平臺坐標系中的方位、俯仰指令角也隨之不斷更新，以達到隔離載機運動的目的。

目前的伺服補償算法采用的過程為，初始化伺服航跡角=當前的慣導航跡角；伺服航跡角-當前慣導航跡角≤某一角度時，伺服航跡角保持不變；伺服航跡角-當前慣導航跡角>某一角度時，伺服航跡角=當前慣導航跡角；伺服方位角指向始終垂直于伺服航跡角。詳見圖1所示。

圖1 常見的伺服補償算法

上述伺服補償算法在慢速平臺下，將由于姿態變化幅度大，導致伺服不斷處于調整和更新中，導致波束指向地面時在孔徑時間內發生擺動，因此為適應慢速平臺，將算法進行改進，采用滑窗平均的辦法進行解算，具體過程為：初始化伺服航跡角=當前的慣導航跡角；伺服航跡角=之前10s內（進入航跡內）的航跡角的平均值（如慣導的數據更新率為100Hz，可取前1000個周期內，每隔10個周期抽取1個航跡角，共100個數據組成滑窗）；伺服航跡角量化精度取0.2～0.5度；伺服方位角指向始終垂直于伺服航跡角。祥見圖2。

2.3 系統組成及特點

機載雷達裝入平臺中，在地面通過顯示控制軟件對雷達進行遙控遙測，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3所示，分為艙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。

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；分時實現雷達兩個波段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

該系統于2016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，飛行試驗結果如圖4所示。圖4分別為同一地物獲得的4種極化SAR圖像，可以看到不同的極化圖像對相同地物場景得到不同的結果。在圖4a）和圖4d）同極化圖像中可以清晰看到馬路旁的路燈，而在圖4b）和圖4c）交叉極化中不可見。

4 結束語

文章介紹了一種能適應慢速平臺的雙波段全極化SAR系統，著重介紹了為適應慢速平臺采用的成像算法選擇和伺服狀態運動補償算法的改進，最后給出了初步的實際飛行試驗結果，可為同類型輕小平臺SAR系統設計提供借鑒和思路。

參考文獻

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作者簡介：鐘小艷（1983-），女，安徽阜陽人，漢族，碩士研究生，工程師，主要研究方向為SAR系統總體技術。