低頻圓周SAR系統設計與試驗驗證

張佳佳+姚佰棟+孫龍+江凱

摘要：低頻圓周SAR能夠獲取目標在各方向的散射特征，實現高于條帶SAR的分辨率，從而顯著提高對葉簇下掩蔽目標的檢測、識別能力。本文首先分析了低頻圓周SAR系統面臨的關鍵問題，從多個方面開展了低頻圓周SAR系統的設計分析，最后給出了低頻圓周SAR系統的試驗驗證情況及典型試驗結果。

【關鍵詞】低頻圓周合成孔徑雷達 葉簇穿透全極化 數字陣列

低頻超寬帶合成孔徑雷達（SAR）既具備較強的葉簇、偽裝網、沙土穿透能力，又可實現較高分辨率成像，成為了實現各類低可觀測性目標探測的重要手段。然而當前VHF、P等低頻段SAR應用一直遭受檢測識別瓶頸的限制：一方而，由于絕對帶寬、天線尺寸的限制，低頻超寬帶SAR難以實現亞米級的高分辨率，造成目標分類、識別難度大：另一方而，由于觀測目標所處背景環境復雜，樹干雜波、地物雜波影響嚴重，目標信雜比較低，嚴重影響目標的檢測和識別。

將低頻段超寬帶SAR與圓周成像模式相結合，能夠獲取目標在各方向的散射特征，提高隱蔽目標識別和地物分類精度；同時，圓周成像模式能夠拓寬波數域有效帶寬，理論分辨率達亞波長量級，使低頻段SAR系統實現高分辨，可獲取目標的3維信息，有效減小甚至消除迭掩、陰影等現象。實際上，許多低頻圓周SAR的試驗工作已經進行，并且取得了一些結果。

本文首先分析了低頻圓周SAR系統而臨的關鍵問題；并針對這些關鍵問題從多個方而開展了低頻圓周SAR的系統設計；最后給出了低頻圓周SAR系統的試驗情況和典型的試驗結果。

1 低頻圓周SAR系統的關鍵問題

低頻圓周SAR系統的關鍵問題，主要體現在以下2個方而：

1.1 極化方式選擇與實現

目標對入射的電磁波有著特定的極化變換作用，其變換關系由入射波的頻率、目標形狀、尺寸、結構和取向等因素綜合決定，極化方式的選擇直接影響目標的回波特性。極化方式的選擇對目標檢測、分類及識別有著重要影響。

1.2 空變射頻干擾抑制

VHF和P兩個頻段中擁擠著大量社會公共服務體系的無線電信號，這些信號對UWBSAR來講都是射頻干擾（RFI），對其正常工作構成嚴重的威脅。此外，由于圓周SAR運動路徑的特殊性，觀測帶周邊的干擾源將一直存在于回波信號內.且呈現出明顯的全向空變特征，因此，如何針對上述類型干擾的抑制手段是低頻圓周SAR系統而臨的關鍵問題之一。

2 低頻圓周SAR系統設計

2.1 雷達體制選擇

當前低頻超寬帶圓周SAR系統主要實現方式有傳統的模擬相控陣雷達體制和數字陣列相控陣雷達體制。相比模擬相控陣雷達，采用數字波束形成技術后，低頻超寬帶圓周SAR系統工作能力將顯著提升，具體如下：

2.1.1 圓/線全極化實現靈活

基于單元級數字陣列特點，在不增加設備量情況下，通過兩個發射通道同時發射兩個正交的信號實現雙圓極化雷達波發射，采用數字3dB電橋實現雙圓極化雷達波的接收，提高相位控制精度、降低極化通道之問的耦合度。此外，除了實現全圓極化外，單元級數字陣列系統還具備實現全線極化、簡縮極化實現能力，可根據需求應用于不同方向，且具有較高的極化捷變抗干擾能力。

2.1.2 抗干擾性能提升

P波段存在大量的廣播信號干擾，干擾源通過接收波束主瓣或副瓣進入雷達系統，通常會大大影響SAR獲取的圖像質量或生成虛假情報。因此圓周SAR成像工作時必須伴隨著足夠有效地抗干擾手段。

傳統模擬體制的合成孔徑雷達抗干擾性能的措施往往是以犧牲其他性能為代價，同時增加了系統的復雜度。數字陣列體制雷達自由度高，幅相控制精度高，擁有更多、更靈活的抗干擾手段，具體如下：

（1）可產生任意波形，并實現波形捷變，抗截獲效果好；

（2）能夠實現自適應零點，可根據干擾源位置，在載機成像過程中，自適應合成接收波束方向圖，使主波束對準成像區域，同時在干擾方向形成零陷可對干擾進行有效抑制；

（3）幅相精度高副瓣性能好，有效抑制副瓣區干擾；

（4）能夠實現多種極化（全圓極化、全線極化等），且具有較高的極化捷變能力，極化抗干擾能力強。

2.2 極化方式選擇與實現

對于穿透葉簇UWB圓周SAR的極化方式進行選擇時，既要考慮極化方式對葉簇穿透衰減和后向散射系數的影響，又要考慮抗干擾能力等方而。

通過機載掛飛進行的葉簇穿透成像試驗表明，相對于線極化，圓極化葉簇背景雜波弱于線極化，目標信雜噪比更高，且圓極化人造目標特征更加明顯，非常有利于目標的檢測、分類與識別。另外采用線極化融合濾波可有效降低葉簇雜波的影響，同時具備圓全極化、線全極化可增強抗壓制、有源欺騙干擾能力。因此綜合考慮不同葉簇類型、葉簇下目標檢測概率、抗干擾需求，結合數字陣列體制優勢，設計系統具備圓全極化和線全極化。優先采用左旋、右旋全圓極化方式；同時針對某些特殊應用場景時，可通過在線調整系統參數，實現全線極化方式。

以圓全極化為例，系統實現圓全極化時，天線采用雙極化天線，發射時，通過發射通道的數字波形產生器產生兩個相位相差90度或-90度的信號，經放大輸出至每個雙極化天線的兩個端口，輻射至空中形成左旋或右旋圓極化波。通過調整兩個波形產生器之問的相位差，即可實現左旋、右旋極化信號交替發射。

接收時，若空中入射電磁波E= E_ncos（ωt），其方向與水平方向成θ角，則天線接收到的水平極化分量E_H和垂直極化分量E_V為：

E_H=Ecosθ

Ev=Esinθ

（1）

如圖1所示，在接收端，通過AD轉換、數字波束形成處理后，在數字域將水平極化信號和垂直極化信號合成左圓極化信號EL、右圓極化信號ER：endprint

E_L=E_H·exp（-j.*π/2+E_v

E_R= E_H+ E_v·exp-j.*π/2） （2）

2.3分辨率分析

圓周SAR的成像幾何如圖1所示。雷達平臺A在距地而高度為H的平而作半徑為R的圓周運動，形成一個圓周合成孔徑。平臺運動過程中，雷達視線方向始終指向場景區域中心，場景中心波束入射角為α。

根據圖2的幾何關系，圓周SAR水平和垂直分辨率為

其中，λ為工作波長，α為場景中心入射角，C為光速，B為發射信號帶寬。

而根據式（3）可知，可以看出，圓周SAR平而二維分辨率與波長和入射角相關；而根據式（4）可知，圓周SAR高程分辨率與信號帶寬、入射角密切相關。

在30～70 0入射角下，中心頻率在390MHz，工作帶寬200MHz情況下，通過計算，P波段平而分辨率最高可達到0.205m×0.205m，高程分辨率最高可達到1.274m。

2.4 觀測區域半徑分析

根據圖3所示的幾何關系可知，圓周SAR的觀測半徑與載機飛行高度H、載機轉彎飛行半徑、雷達入射角相關。而為了實現圓周SAR成像，載機的轉彎飛行半徑應在雷達波束最小入射角amm、最大入射角amax所對應的地距[Rmin，Rmax]范圍內，轉彎半徑在這個范圍之外時觀測帶形成一個圓環，無法實現圓周SAR成像。

可以看出，圓周SAR測繪半徑與載機轉彎飛行半徑密切相關，當載機轉彎半徑為載機在地而上的垂直投影點與條帶模式測繪帶中心點之問連線所對應的長度時，圓周SAR實現最大測繪半徑（Rmax-Rmin）/2。因此，圓周SAR模式成像時，應根據載機性能、雷達波束覆蓋范圍、任務需求等因素充分做好飛行任務規劃，以使系統的性能發揮到最優。

3 低頻圓周SAR試驗驗證

通過機載掛飛試驗，我們對線極化P波段圓周SAR葉簇穿透成像進行了驗證。觀測場景選擇2000畝林場，葉簇高度15m、樹問距2m×4m。在林中設置了卡車10輛，吊車1輛，成箱式隊形，距離問隔40m×20m，如圖4所示。進行條帶SAR和圓周SAR葉簇穿透目標成像與檢測對比試驗。試驗系統的主要系統參數見表1。

圖5和圖6的成像結果表明，相比條帶SAR模式，圓周SAR葉簇下卡車目標信雜噪比明顯提升，檢測概率顯著提高：同時受益于多角度積累，分辨率有所提高，且地物輪廓更為清晰、明顯，有利于目標分類、識別。

4 結束語

本文闡述了低頻圓周SAR系統而臨的關鍵問題；從雷達體制選擇、極化方式選擇、系統組成與功能和系統典型指標分析等方而開展了低頻圓周SAR的系統設計：最后給出了低頻圓周SAR系統的試驗情況和典型的試驗結果。低頻圓周SAR能夠有效提升探測掩蔽目標所需的高信雜噪比、降低虛警概率，從而進一步增強對葉簇下目標的探測能力。

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