W波段FMCW SAR系統實現與試驗

姜 漫，王 輝，孫志強，潘嘉祺，王 群

(1.上海航天技術研究院 毫米波遙感技術重點實驗室，北京 100086；2.上海航天技術研究院 毫米波遙感技術重點實驗室，上海 201109)

0 引言

合成孔徑雷達(SAR)具有全天時、全天候的特點，在遙感成像方面獨具優勢，而調頻連續波(FMCW)SAR更易實現小型化，在地理測繪、災區評估、海面安全巡視等應用領域備受關注。與X波段和Ka波段相比，W波段波長短，成像更細膩，能更好地表現出類光學特性[1]。國內外對W波段SAR的研究也日益深入[2]。德國高頻物理和雷達技術研究所研制的W波段無人機SAR系統SARape和MIRANDA，已完成了樣機研制與試驗。國內也有一些單位對W波段SAR進行了算法研究與樣機研制，如：中國科學院電子研究所對W波段逆合成孔徑雷達(ISAR)成像二維補償方法進行了研究[3]；并研制了一種高分辨率W波段SAR系統，其分辨率達到10 cm[4]。隨著微波器件的發展，本文提出的W波段FMCW SAR系統具有更小的體積，能應用于軌道、無人機等多種平臺，進行災情評估、海面安全巡視和地理測繪。

本文介紹了一種W波段FMCW SAR的系統設計和樣機實現。首先對系統方案和成像算法進行了介紹，然后將所設計的樣機安置于上海交通大學的多功能船模拖拽水池上方滑軌進行試驗。通過設置不同目標進行多組成像試驗，得到有效試驗數據，并利用改進的RD算法進行數據處理，最終得到理想的成像結果。經分析可知，系統的分辨率優于5 cm，這進而驗證了W波段FMCW SAR的有效性。

1 W波段FMCW軌道SAR系統設計與實現

W波段FMCW軌道SAR系統方案如圖1所示。該系統主要由頻綜接收機、發射天線、接收天線、采集存儲與控制單元、二次電源、上位機組成。其中，頻綜接收機具體包括頻率綜合器、中頻接收機和高頻接收機[5-8]。

圖1 系統方案框圖Fig.1 Block diagram of system scheme of W-band FMCW rail SAR

SAR系統參數見表1。

W波段FMCW軌道SAR系統采用透鏡喇叭天線。透鏡喇叭天線由透鏡和電磁輻射器(喇叭)構成。按照幾何光學理論，處于透鏡焦點處的點光源輻射出的球面波經透鏡折射形成平面波。根據折射率系統不同，透鏡分為雙曲面介質透鏡與橢圓面介質透鏡。與雙曲面透鏡相比，橢圓面介質透鏡的場分布更均勻，但因雙曲面介質透鏡易實現更低的副瓣，且設計制作簡單，故在此選用雙曲面的透鏡喇叭天線。系統方位向分辨率指標為5 cm，由于方位向分辨率為天線長度的一半，天線長度(L)為10 cm。經仿真計算，喇叭口徑(D)約為7.8 cm。單個天線實物如圖2所示。

表1 系統參數Tab.1 System parameters

圖2 天線實物圖Fig.2 Actual antenna

頻率綜合器由2部分功能電路組成。一路用于產生頻率為1 GHz的線性調頻連續波信號(DDS信號)，另一路用于產生頻率為5 GHz的正弦波信號(PLL信號)。線性調頻連續波由DDS產生。點頻產生電路采用直接頻率合成的方式實現，選用頻率為100 MHz的晶振，通過倍頻、濾波后得到5 GHz的信號。

采集存儲與控制單元主要用于實現系統ADC采集與數據存儲，以及系統性能監測與控制功能。該單元對雷達接收機輸出的2路視頻信號(I，Q)進行AD采樣和數據處理，將處理后的采樣數據打包存儲到Nandflash中，通過USB接口將成像數據傳給上位機進行SAR成像處理。

系統樣機如圖3所示。

圖3 系統樣機Fig.3 System prototype

2 基于滑軌的系統試驗

試驗在上海交通大學的多功能船模拖拽水池完成。試驗現場如圖4所示。

圖4 試驗現場圖Fig.4 Test site

將W波段FMCW SAR系統安裝在軌道的支架上，距離水面5.8 m。因軌道在勻速運動時仍具有很高精度，故運動誤差對系統成像的影響可忽略不計。同時，在水面上設置不同目標，如小船、角反、救生圈、自行車等。系統以5 m/s的速度勻速以正/側視方式經過水面目標并成像。

3 試驗結果與分析

3.1 成像算法與試驗部分結果

基于改進的RD算法對試驗數據進行處理，處理流程如圖5所示[9-11]。

圖5 改進的RD算法處理流程圖Fig.5 Processing procedure of modified RD algorithm

在文獻[5]中，已通過仿真驗證了該算法的有效性。基于以上算法對實測數據進行初步處理，結果如圖6所示。

圖6 部分成像結果圖Fig.6 Imaging results of some targets

3.2 結果分析

為驗證系統的成像能力與成像分辨率，針對以下2組成像結果進行分析。

3.2.1 3個角反目標的2次成像結果

3個角反被放置于船上，其實際距離尺寸如圖7所示。系統的速度為5 m/s。

圖7 角反實物及其實際距離尺寸Fig.7 Actual corner reflectors and distance dimensions

1) 第1次測試結果

3個角反第1次SAR成像結果如圖8所示。3個角反清晰可見。

圖8 角反第1次成像結果Fig.8 First imaging results of corner reflectors

對3個角反進行方位向剖面圖分析，如圖9所示。角反1、角反2和角反3的位置點分別為(1 430，124)，(1 407，127)和(1 444，128)。通過方位向的剖面圖可知，每個方位向的像素等效為0.5 cm，角反1和角反2之間為23個像素，因此兩者之間的距離為23×0.5 cm=11.5 cm。角反2與角反3之間為37個像素，因此兩者之間的距離為37×0.5 cm=18.5 cm。成像結果與實際尺寸較為接近。

下面對系統的方位向分辨率進行定量分析。在SAR圖像中，通常以一個點目標的沖擊響應函數左右各降低3 dB后的脈沖寬度對應的地面上兩點之間的最小距離來衡量分辨率大小，此種方法精確度高[12]。分別取3個角反的3 dB帶寬，計算得到方位向分辨率分別為3.445，2.789，3.531 cm，均優于5 cm。

2) 第2次測試結果

3個角反第2次SAR成像結果如圖10所示。

圖10 角反第2次成像結果Fig.10 Second imaging result of corner reflectors

由成像結果可知，角反1、角反2和角反3的位置點分別為(933，123)，(912，127)和(952，127)。圖11為3個角反方位向幅度剖面圖。

圖11 3個角反方位向幅度剖面圖Fig.11 Amplitude results of three corner reflectors

角反1和角反2之間為21個像素，因此兩者之間的距離為21×0.5 cm=10.5 cm。角反2與角反3之間為40個像素，因此兩者之間的距離為40×0.5 cm=20 cm。成像結果與實際尺寸基本相同。

同樣，分別取3個角反的3 dB帶寬計算系統的分辨率，結果分別為2.266，2.750，2.750 cm。可見該系統分辨率能達到2.266 cm，滿足優于5 cm的分辨率指標要求。

3.2.2 救生圈的成像結果

針對圖8(d)中的救生圈成像結果進行分析。救生圈的實際外徑尺寸為75 cm，根據分析，救生圈的SAR圖像幅度如圖12所示。

圖12 救生圈成像方位向幅度剖面圖Fig.12 Amplitude results of life ring

2個最高峰之間的距離為148個像素，因此外徑為148×0.5 cm=74 cm，與實際尺寸基本相同。

以上2組試驗結果均驗證了所提出的W波段FMCW SAR系統能實現高分辨率成像。經分析，實際分辨率均優于5 cm，足以證明該系統的可行性。

4 結束語

本文基于目前的功率器件提出了一種W波段FMCW SAR系統的設計方案，實現了系統小型化與輕量化，并完成了W波段FMCW SAR的試驗，得到了高分辨率成像結果，初步驗證了所提出的高分辨率W波段FMCW SAR系統的可行性。但系統樣機試驗主要基于滑軌進行，后續可考慮利用無人機等平臺進行試驗，以驗證系統針對不同平臺的可靠性。