機載聚束SAR模式波束控制設計與驗證

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

在機載合成孔徑雷達(SAR)系統中，條帶式SAR成像和聚束式SAR成像是合成孔徑雷達最常用的兩種工作模式。條帶式SAR成像模式主要用于連續大面積成像普查，其方位向分辨率為天線方位有效口徑的二分之一[1]，工程設計上通常采用波束展寬的方式實現方位向高分辨條帶成像，即減小了天線方位有效口徑，導致天線增益降低，進而影響到雷達使用威力。為適用遠距離高分辨率成像的需求，后來產生了定點聚束成像模式，該模式通過控制天線方位波束指向，在不縮小天線口徑的前提下，使其在一定的轉角范圍內波束始終指向固定目標場景以提高方位向的積累時間，達到高方位向分辨率。但定點聚束不同于條帶聚束，只能對方位波束照射區域進行成像，成像區域有限。為解決定點聚束方位測繪帶有限的問題，在定點聚束模式的基礎上出現了滑動聚束模式。與定點聚束不同，波束固定照射方式不同，滑動聚束通過控制波束輻射區在地面的運動速度增加方位向相干積累時間，在提高分辨率的同時增加方位向成像區域范圍。

本文首先介紹了定點聚束、滑動聚束兩種聚束工作方式的工作原理，并在此基礎上給出了兩種聚束方式下的分辨率、測繪帶寬、作用距離等方面的指標分析，針對機載合成孔徑雷達常規聚束工作模式戰技指標要求，提出了基于定點、滑動兩種聚束方式的機載合成孔徑雷達聚束SAR模式波束控制設計方法，最后給出了試驗驗證的情況。

1 兩種聚束方式工作原理及關鍵問題

1.1 定點聚束SAR

定點聚束模式為在合成孔徑時間內天線波束始終照射一個感興趣的區域，獲取方位向高分辨率，其工作示意圖如圖1所示，Δθ為天線波束方位向掃描角度范圍。

表1為條帶SAR、定點聚束SAR、滑動聚束SAR三種工作模式下方位分辨率、方位測繪帶寬及作用距離等指標對照情況，可看出定點聚束SAR模式天線波束地面照射區域固定，波束移動速度為0，方位向分辨率與天線波束方位向掃描角度范圍有關，而其方位向測繪帶寬Ls為方位向波束地面照射范圍，Ls=R·θ，其中R為作用距離，θ為方位向波束寬度[2]。

1.2 滑動聚束

如表1所示，在條帶SAR模式中，天線輻照區在地面移動的速度與飛機飛行的速度相等；在聚束SAR模式中，天線輻照區在地面移動的速度為0；當天線輻照區的移動速度介于0和載機飛行速度之間時，這就是滑動聚束模式。換言之，條帶模式和聚束模式可以看成是滑動聚束模式的一種特例。滑動聚束SAR通過控制天線的掃描速度來控制天線輻照區在地面移動的速度，從而增加了相干累積時間，可以得到比條帶SAR方位向更高的分辨率。由于滑動聚束SAR輻照區在地面移動的速度不為0，因此，滑動聚束SAR可以獲得比聚束SAR更大的方位向測繪帶寬，滑動聚束SAR工作模式示意圖如圖2所示。3種工作模式的特性關系如表1所示[3-4]。

表1 3種工作模式特性關系

表1中：va為飛機平臺飛行速度；D為天線方位向口徑尺寸；Δθ為天線波束方位向掃描角度范圍；θmax為方位波束最大指向角，正側視工作下有Δθ=2θmax；λ為雷達工作波長；R為作用距離；Ls為方位向波束地面照射范圍；Rmax為最大作用距離；Pav為發射平均功率；G為收發天線的增益；σ為目標有效反射面積；K為玻耳茲曼常數；T為接收機溫度；Ti為目標駐留時間；η為系統損耗；SNR0為脈沖壓縮后的信噪比。

1.3 關鍵問題

機載合成孔徑雷達常規聚束工作模式戰技指標要求如表2所示。

表2 常規聚束工作模式戰技指標要求

2 波束控制設計

機載合成孔徑雷達聚束SAR模式下，天線在一個波束掃描范圍Δθ內進行照射成像，飛機沿航線直線飛行，天線波束按照掃描步進θv進行調整，使得波束對地面目標照射時間滿足成像所需的積累時間[5]。以下引入掃描幀、波位、波位計數及脈沖計數的概念，如圖3所示。

1) 掃描幀：聚束模式針對一定區域目標進行成像，波束在方位向完成一個掃描范圍Δθ為一掃描幀。一掃描幀的波束范圍掃描范圍為α～β(|α-β|=Δθ)，α為波束起始指向角，β為波束終止指向角。

3) 脈沖計數：雷達按照脈沖重復頻率(PRF)發射脈沖信號，在每個波位駐留時間內發射的脈沖即為脈沖計數，每發射一個脈沖，脈沖計數加一。每個波位下的脈沖總數相等，即波位脈沖駐留數N相同；每更新一個波位計數，脈沖計數清零。

2.1 定點聚束SAR波束控制

通過調節每個波位波束駐留時間來控制天線掃描速度，在雷達發射脈沖重復頻率(PRF)已知的情況下設計每個波位的脈沖計數，當前波位脈沖計數積累到一定值N時，波束掃描一個步進，根據定點聚束模式幾何關系，為保證波束在地面照射區域的移動速度為0，波束掃描速度與飛機平臺運動速度持恒，其波位脈沖駐留數計算公式如下：

N=R·sin(θv)/va·PRF

(1)

2.2 滑動聚束SAR波束控制

滑動聚束方式下波束在地面照射區域具有一定移動速度vf，因此在增加定點聚束每個波位脈沖駐留數，打破波束掃描速度與飛機平臺速度的平衡，進而使得波束在地面照射區域具有一定的移動速度。這里引進滑動系數k(k≥1)，滑動聚束方式下，波位駐留脈數N0=k·R·sin(θv)/va·PRF，通過設置k的取值，調節波束在地面的滑動速度。

1) 方位向測繪帶寬

如圖4所示，O點為某時刻波束中心指向T，在經過一個波束掃描步進后，定點聚束方式下，飛機運動到B點，而滑動聚束方式較定點聚束波位駐留時間長，在經過一個波束掃描步進后，飛機運動到A點，波束中心指向T1，波束在地面滑動了一段距離：

L=N0/PRF·va-N/PRF·va=

(N0-N)/PRF·va=(k-1)·R·sin(θv)

(2)

則波束滑動速度計算如下：

(3)

則滑動聚束模式方位測繪帶寬wg計算如下：

2θmaxR·(k-1)+R·θ

(4)

(5)

wg=2θmax(Rg-R)+R·θ

(6)

可求得此時的wg≥Rg·β，測繪帶寬滿足指標要求。

2) 方位向分辨率

按如上分析，則滑動聚束方位向分辨率計算如下：

(7)

由上式可見，滑動聚束SAR模式方位向分辨率與方位波束寬度及作用距離相關，為滿足作用距離范圍內方位分辨率要求，則滑動聚束方位波束寬度要求如下：

(8)

2.3 聚束SAR模式設計

基于表2中的機載合成孔徑雷達常規聚束工作模式戰技指標要求，聚束SAR工作模式按設計如下：

3 設計與驗證

某機載合成孔徑雷達聚束模式指標要求如表3所示。

表3 某機載合成孔徑雷達聚束模式指標要求

按照如上設計方法，該機載合成孔徑雷達主要參數設計如表4所示。

表4 聚束模式系統參數

圖5和圖6為該機載合成孔徑雷達聚束SAR模式0.3 m分辨率掛飛試驗結果。圖5的作用距離為35 km，采用滑動聚束SAR模式，方位向測繪帶寬滿足3.16 km指標要求，實測方位向分辨率為0.26 m；圖6的作用距離為50 km，方位向測繪帶寬滿足3.12 km指標要求，實測方位向分辨率為0.22 m。

4 結束語

機載合成孔徑雷達聚束SAR模式可遠距離地提供地面一定范圍內感興趣區域高分辨的成像信息，可用于對地面重點目標進行監視和識別，掌握目標態勢，為人類活動提供準確的信息支持。本文基于定點、滑動兩種聚束方式，針對機載合成孔徑雷達常規聚束SAR工作模式戰技指標要求，提出了基于定點、滑動兩種聚束方式的機載合成孔徑雷達聚束SAR模式波束控制設計方法，并結合試驗驗證，提供了工程實踐的可行性。