W波段FMCW體制ISAR系統成像及試驗驗證

張 慧，王 輝，潘嘉祺，王 群，孔令振，滑 偉

(1. 北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191； 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； 3. 上海航天技術研究院 毫米波遙感技術重點實驗室，北京 100081)

0 引言

毫米波因波長短，獲得的圖像分辨率高、電磁散射特性細節豐富等特點而成為現代雷達發展的重要趨勢[1]。近幾年來，隨著W波段，尤其是94 GHz元器件的發展，W波段逆合成孔徑雷達(ISAR)系統的研究逐漸引起各國的重視。與低波段雷達相比，利用W波段雷達獲得的高分辨率ISAR圖像對目標進行分類、識別，可大幅提高目標分類、識別，的準確性。此外，要獲得與低波段雷達相同的分辨率，W波段ISAR系統所需的成像觀測時間更短，易于獲得同一目標的ISAR圖像序列，而利用ISAR序列圖像進行目標分類、識別同樣可提高分類、識別的準確性。因此，W波段ISAR系統具有重要的應用價值，可用于空中/太空目標的分類和識別，彈道導彈防御中真假彈頭、碎片和誘餌的識別，海面目標的分類和識別等[2-5]。

隨著W波段高功率發射器件和準光饋電網絡等技術的發展，國外已有W波段ISAR系統的應用先例。現有的W波段ISAR系統主要包括美國的HUSIR系統[6]和WARLOC系統[2]，以及德國的COBRA系統[7]。其中：HUSIR系統主要用于對太空目標(如衛星等)進行成像和監視；WARLOC是一個岸基系統，主要用于對低空目標和掠海目標進行監視；COBRA系統是一個可工作在35，94，220 GHz的雷達系統，在W波段已獲得了高精度的目標圖像。目前，國內鮮有關于W波段ISAR系統的相關報道。本文介紹了一種W波段雷達系統，并進行了ISAR試驗。論文安排如下：第1節介紹了該W波段雷達系統及其性能指標，第2節對W波段FMCW ISAR回波進行了建模和成像處理，第3節介紹了ISAR試驗及其實測數據處理結果，第4節對全文內容進行了總結。

1 W波段FMCW ISAR系統

1.1 系統組成和參數

本文提出的W波段FMCW雷達系統主要由電源、頻綜、天線、發射/接收通道、數字接收機等組成。系統工作原理如圖1所示。首先，頻綜產生中心頻率為11.75 GHz的X波段線性調頻信號，該信號經過倍頻、放大后獲得中心頻率為94 GHz、帶寬為5 GHz的W波段FMCW信號。然后，該W波段信號分為2路：一路通過發射天線輻射到外部空間，由目標反射的回波通過接收天線接收；另一路通過本振增益模塊后，與接收天線接收的目標回波進行混頻，從而完成去斜處理，得到差拍信號。差拍信號的頻率與距離成正比，因此在距離向通過簡單的傅里葉變換(FFT)，即可獲得目標的距離信息。最后，經過對下變頻之后的中頻信號進行正交解調，可得到2路正交的I路信號和Q路信號，通過數字接收機完成對I/Q這2路信號的采集和存儲，并最終傳輸到電腦。

圖2為本文介紹的W波段雷達系統的實物圖。圖2(a)展示了整個雷達系統的各個模塊，包括電源模塊、頻綜模塊、射頻前端、模擬中頻接收機和數字中頻接收機；圖2(b)具體展示了射頻前端的組成部分，包括輔助電源、發射天線、接收天線、倍頻放大模塊、混頻模塊等。

該系統的主要參數見表1。由表可見，該系統的發射功率為1 W，天線增益為23 dB，系統損耗為6 dB。

1.2 ISAR性能指標論證

本小節討論了該雷達系統用于ISAR時的系統性能指標，包括最大作用距離、分辨率等。

圖1 W波段雷達工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of W-band radar system

表1 W波段ISAR系統參數Tab.1 Parameters of W-band radar system

1.2.1 最大作用距離

根據ISAR系統的雷達方程，ISAR系統的最大作用距離可表示為

(1)

式中：Pt為發射機的峰值發射功率；Gt為發射天線增益；Gr為接收天線增益；λ為波長；Ls為系統損耗；Tr為脈沖持續時間；k為波爾茲曼常數，k=1.38×10-23J/K；T0為接收機系統的噪聲溫度；Fn為噪聲系數；RSN為脈沖壓縮后的信噪比。

在表1所示的系統參數下，不同系統損耗對應的最大作用距離如圖3所示。

圖3 不同系統損耗下的最大作用距離Fig.3 Maximum operating ranges corresponding to different system losses

由圖可見：當系統損耗為58.7 dB(如對海觀測)時，最大作用距離為54.27 m；當系統損耗為16.3 dB(如對空觀測)時，最大作用距離為623 m。

1.2.2 分辨率

1) 距離向分辨率

與SAR相同，ISAR系統的距離向分辨率同發射脈沖的寬度有關[8]，兩者之間的關系為

(2)

式中：Br為發射信號帶寬；c為電磁波傳播速度；kr為距離向展開系數。不同帶寬對應的距離向分辨率如圖4所示。

圖4 不同系統帶寬對應的距離向分辨率Fig.4 Range resolution corresponding to different bandwidths

對于該系統5 GHz帶寬而言，距離向分辨率可達0.03 m。當距離向展開系數為1.47時，距離向分辨率為0.044 m，系統的分辨率為cm量級。

2) 方位向分辨率

為獲得更好的成像效果，需要方位向分辨率與距離向分辨率相匹配。對ISAR而言，方位向分辨率與目標相對雷達的轉角有關，兩者之間的關系為

(3)

式中：λ為信號波長；Δθ為目標轉角；ka為方位向展開系數。

不同方位向分辨率對目標在相干積累時間內轉角的要求如圖5所示。

圖5 不同方位向分辨率對目標轉角的要求Fig.5 Azimuth resolution corresponding to different target rotation angles

由圖可見，要獲得更高的方位向分辨率，需要的目標相對雷達的轉角越大。對于該系統，在不考慮方位向展寬系數時，為達到0.03 m的方位向分辨率要求，目標在相干積累時間內的轉角需大于3.05°；要獲得0.044 m的方位向分辨率，目標在相干積累時間內的轉角需大于2.1°。

2 W波段FMCW ISAR回波建模和成像處理

2.1 信號模型和去斜處理

一個掃頻周期內的線性調頻信號形式為[9]

(5)

式中：j為虛數單位；fc為信號中心頻率；Kr為調頻斜率，Kr=Br/Tr。

對于FMCW信號，由于其持續發射和接收的特性，在一個掃頻周期內，目標和雷達之間的距離不斷變化。此時，脈沖雷達中“停—走—停”的假設不再適用[10-11]，目標相對雷達的距離與快時間相關。接收的二維發射信號為

exp{jπKr(tr)2}

(6)

式中：tr為快時間；ta為慢時間。

接收信號形式為

exp{jπKr(tr-τ)2}

(7)

式中：τ為目標到雷達的雙程時間延遲。目標到雷達的距離記為Rk(t′)，t′=ta+tr，則τ=2Rk(t′)/c。

對于FMCW信號，一般采用去調頻處理，即利用參考位置點目標的回波與實際目標回波進行混頻，從而使目標和雷達之間的相對距離可通過差拍頻率進行測量。

假設參考距離為Rref，則經過去斜處理后得到的差拍信號為

(8)

式中：第一個相位項為方位向相位歷程；第二個相位項為距離維差拍相位；第三個相位項為殘余視頻相位(RVP)項，當其小于π/4時，可忽略。本文中介紹的W波段小型化ISAR，采用發射信號作為參考信號，即參考距離選擇為0。

2.2 ISAR成像

在ISAR成像中，首先需對平動運動分量進行補償，將任意運動目標的ISAR成像轉化為對轉臺目標的成像。平動補償包括包絡補償和相位補償，包絡補償可通過互相關法、距離中心法、最小熵法等方法實現，相位補償可通過最小方差法、多普勒中心法、最小熵法等方法實現。

由于94 GHz中心頻率對應的波長為3 mm，對于W波段ISAR系統，散射點的運動在觀測時間內更容易產生越距離單元徙動(MTRC)現象，影響成像質量。另外，當目標尺寸較大時，在目標轉動過程中也可能出現多普勒走動的問題。因此，需對W波段ISAR系統進行二維徙動補償。

W波段ISAR成像的基本流程如圖6所示。具體算法流程如下：回波信號與參考信號進行復相乘，完成解線調頻處理；對得到的差拍信號進行距離向FFT處理，實現距離壓縮；然后進行包絡對齊和相位補償，完成平動補償，將目標的ISAR成像轉換為對轉臺目標的ISAR成像；最后通過Keystone變換完成距離向MTRC補償，通過方位向FFT完成二維壓縮，得到距離-多普勒域的ISAR圖像。

圖6 FMCW ISAR成像算法流程圖Fig.6 Block diagram of FMCW ISAR imaging

圖7 ISAR點目標仿真結果Fig.7 ISAR simulation results

ISAR點目標仿真結果如圖7所示。利用表1中的參數仿真了7個點目標，圖7(a)為平動補償后的結果，圖7(b)為方位壓縮后的成像結果。由圖可見：目標得到了良好的聚焦。

3 W波段ISAR外場試驗設計和實測數據處理

為簡便起見，利用該雷達系統進行轉臺試驗，將目標放置在轉動平臺上。成像試驗現場如圖8所示。

圖8 ISAR試驗現場Fig.8 ISAR test site

在本次試驗中，雷達與轉臺均被放置在具有一定高度的平面上，雷達波束水平指向轉臺目標。轉臺旋轉角度和速度由方位分辨率決定。根據前面的分析，轉臺旋轉角度需達到3.05°，因此當轉臺轉速為1 (°)/s時，積累時間需超過3.05 s。另外，雷達與轉臺之間的距離需小于雷達的最大作用距離，且為了滿足遠場條件，需大于天線遠近場邊界條件，即

(10)

式中：Rmin為雷達天線遠近場的邊界條件；L為天線最大尺寸。按照表1中的參數，天線遠近場的邊界為4.3 m。試驗中，雷達與目標的距離約為10 m。

在上述試驗條件下，分別對飛機模型、人體模型進行ISAR試驗，并利用RD成像算法進行粗成像處理。現場數據處理結果如圖9所示。

圖9 不同目標的光學圖像和ISAR圖像Fig.9 Optical images and ISAR images of different targets

圖9(a)為人體模型的光學圖像，圖9(b)為其對應的ISAR粗處理圖像，從ISAR圖像中，可分辨出人體模型的頭、軀干和四肢。圖9(c)為泡沫飛機模型的光學圖像，圖9(d)為其對應的ISAR圖像。由目前得到的ISAR粗處理結果可見，雖然目標的主要輪廓可被識別，但圖像聚焦效果有待進一步提高。

4 結束語

本文介紹了一種小型化W波段FMCW體制雷達系統，該系統可用于SAR和ISAR。在ISAR應用中，該系統具有分辨率高和成像快速的特點。本文利用該雷達系統設計并完成了ISAR轉臺試驗，獲得了試驗模型的ISAR初步成像結果。后續將對實測數據進行進一步的聚焦處理和質量提升，以獲得聚焦效果更好的W波段ISAR圖像，為目標分類、識別提供依據。