Ka頻段車(chē)載SAR成像系統(tǒng)分析

摘 要：相對(duì)于機(jī)載和星載平臺(tái)，車(chē)載平臺(tái)具有成本低廉，時(shí)間不受限等優(yōu)點(diǎn)，并也可以驗(yàn)證SAR系統(tǒng)功能與性能，但車(chē)載平臺(tái)也具有其自身的特點(diǎn)，因此本文針對(duì)Ka頻段車(chē)載SAR成像系統(tǒng)進(jìn)行了分析、仿真和驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：車(chē)載Ka波段合成孔徑雷達(dá)成像

中圖分類(lèi)號(hào):TN95文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)08(c)-0027-03

車(chē)載SAR平臺(tái)相比于機(jī)載和星載來(lái)說(shuō)，在時(shí)間和成本上具有明顯優(yōu)點(diǎn)，其自身也具有平臺(tái)高度低，行駛速度緩慢，速度不穩(wěn)定，雷達(dá)作用距離短，分辨率高（分米級(jí)）等特點(diǎn)。所以在對(duì)車(chē)載SAR成像系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，有必要對(duì)一些主要參數(shù)進(jìn)行分析。

1車(chē)載SAR系統(tǒng)主要參數(shù)分析

1.1 脈沖重復(fù)頻率（PRF）選擇

脈沖重復(fù)頻率的選擇要同時(shí)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：抑制方位向模糊（脈沖重復(fù)頻率大于回波信號(hào)多普勒帶寬）、抑制距離向模糊（測(cè)繪帶寬度的回波在一個(gè)重復(fù)周期之內(nèi)到達(dá)）。

（1）抑制方位向模糊

為了抑制方位向模糊，要求脈沖重復(fù)頻率大于方位多普勒信號(hào)的帶寬。方位多普勒信號(hào)的帶寬計(jì)算公式為：，其中v為汽車(chē)沿航向行駛速度，Da為天線(xiàn)方位向孔徑長(zhǎng)度。這里取行駛速度為70km/h（70/3.6=19.44m/s），天線(xiàn)方位向孔徑長(zhǎng)度為0.3m，此時(shí)其多普勒信號(hào)帶寬由公式計(jì)算可得為129.6Hz。所以為了抑制方位向模糊，PRF必須要大于129.6Hz。

（2）抑制距離向模糊

為了抑制距離向模糊，要求測(cè)繪帶寬度內(nèi)所有回波必須全部位于同一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)。因此脈沖重復(fù)頻率有以下約束關(guān)系：

其中W為測(cè)繪帶在數(shù)據(jù)錄取面上的投影寬度，τ為發(fā)射脈沖寬度，C為光速。這里令測(cè)繪帶在數(shù)據(jù)錄取面上的投影寬度為2km，發(fā)射脈沖時(shí)寬為5μs，此時(shí)PRF必須小于85.7kHz才能滿(mǎn)足抑制距離向模糊的條件。

通過(guò)上面的分析可知，為了抑制方位向模糊和距離向模糊，PRF的設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足129.6Hz

1.2 雷達(dá)波束入射角較大的波束入射角度可以把地面細(xì)微變化的地形特征在實(shí)時(shí)SAR圖像中得到增強(qiáng)，有利于SAR成像后景像匹配處理的進(jìn)行。但在場(chǎng)景高程起伏較大的地區(qū)，如果波束的入射角過(guò)大，則會(huì)因雷達(dá)波束被高建筑遮擋，使得所成的SAR圖像中出現(xiàn)大片陰影，這為景像匹配處理帶來(lái)了不便。車(chē)載平臺(tái)的行駛高度有限，而雷達(dá)在發(fā)射脈沖的同時(shí)無(wú)法接收回波數(shù)據(jù)，因此當(dāng)脈寬取為5us時(shí)，要求雷達(dá)的作用距離要大于750m(τ×C/2)；令車(chē)載平臺(tái)高度為50m，此時(shí)波束入射角必須大于86.2°。

SAR的距離向分辨率主要取決于發(fā)射線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的帶寬Br，則距離分辨率可表示成其中C為光速。

SAR的方位向高分辨率是通過(guò)合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，主要取決于天線(xiàn)的方位向孔徑長(zhǎng)度D，其表達(dá)式為當(dāng)發(fā)射信號(hào)帶寬為250MHz、天線(xiàn)孔徑長(zhǎng)度為0.3m時(shí)，距離分辨率理論值為0.6m，而方位分辨率理論值則為0.15m；此時(shí)可以通過(guò)4視處理在均衡距離向和方位向分辨率的同時(shí)，抑制SAR圖像中的相干斑。

2 車(chē)載SAR系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

本方案設(shè)定SAR成像系統(tǒng)參數(shù)如下：

工作頻率：Ka波段（34GHz）；

斜視角度：0°（正側(cè)視）；

成像分辨率：1m×1m；

行駛高度H：50m；

車(chē)載平臺(tái)行駛速度v：70(19.44m/s)；

脈沖重復(fù)頻率PRF：500Hz；

波束中心視角θ：>86.2°；

脈沖寬度：5μs；

信號(hào)帶寬Br：250MHz；

信號(hào)采樣頻率Fs：1GHz；

視數(shù)：4視；

天線(xiàn)尺寸：0.3m×0.3m；

測(cè)繪帶大小：1km0.1km（距離向幅寬1km，方位向則為100m）

根據(jù)以上設(shè)計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)SAR成像處理的數(shù)據(jù)量分析如下：

取信號(hào)采樣頻率Fs為1GHz時(shí)，一個(gè)脈沖寬度對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)為Np=τ×Fs=5000，整個(gè)測(cè)繪帶（設(shè)Wg=1km）對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)為Nw＝2WgFssinθ/C=6652，所以在對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣時(shí)，可取距離向采樣點(diǎn)數(shù)Nr為16384點(diǎn)。

根據(jù)天線(xiàn)尺寸，距離向波束寬度δb=λ/D=0.0086/0.3rad=1.64°，方位向波束寬度δa＝λ/D=0.0086/0.3rad=1.64°。當(dāng)距離向波束寬度為1.64°，車(chē)載平臺(tái)高度為50m，波束中心視角為88.1°（場(chǎng)景中心距離1500m）時(shí)，雷達(dá)的合成孔徑長(zhǎng)度Las為43m，合成孔徑時(shí)間Las/v則等于2.21s。此時(shí)一個(gè)合成孔徑長(zhǎng)度的方位向采樣點(diǎn)數(shù)Na=τa×PRF=1105，對(duì)橫向距離為100m的測(cè)繪帶進(jìn)行成像，則在方位向采樣點(diǎn)數(shù)為100/43*1105=25698（取32768）。

3 參數(shù)分析

由表1的參數(shù)可得距離分辨率的理論值為rr=C/2Br=0.6m，方位分辨率的理論值則為ra=D/2=0.15m。由距離徙動(dòng)原理（第二章）可知，此時(shí)的中間距離處的距離徙動(dòng)量為；由于距離徙動(dòng)量與距離分辨率恰好存在以下關(guān)系，所以在成像時(shí)，距離彎曲需要補(bǔ)償。在幅寬為1km的條件下，距離徙動(dòng)差=0.103m;為了獲得更好的成像結(jié)果，本方案采用考慮距離彎曲和場(chǎng)景內(nèi)距離彎曲差的CS算法。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

這里給出CS算法的流程圖（如圖1所示）。

其中

在對(duì)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行仿真時(shí)，按照第一章所給出的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行單點(diǎn)目標(biāo)和多點(diǎn)目標(biāo)仿真實(shí)驗(yàn)。圖2所示為場(chǎng)景內(nèi)單點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果，由此可見(jiàn)本方案中跑車(chē)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和成像算法的選擇能夠滿(mǎn)足成像要求。圖3所示為點(diǎn)目標(biāo)距離向和方位向的剖面圖，由此可見(jiàn)點(diǎn)目標(biāo)在距離向和方位向都實(shí)現(xiàn)了良好的聚焦。在進(jìn)行場(chǎng)景內(nèi)多點(diǎn)目標(biāo)成像之前，設(shè)計(jì)一個(gè)9個(gè)點(diǎn)的目標(biāo)點(diǎn)陣，各點(diǎn)目標(biāo)在地面測(cè)繪帶的位置如圖4所示。同樣的，對(duì)多點(diǎn)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)采用CS算法，其成像結(jié)果如圖5所示。可見(jiàn)，CS算法對(duì)場(chǎng)景中的多點(diǎn)目標(biāo)成像同樣有效。

5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成像

本小節(jié)所采用的跑車(chē)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的主要系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。這里本方案采用結(jié)合參數(shù)估計(jì)和速度補(bǔ)償?shù)腃S算法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其具體的算法流程如圖6所示。首先將原始數(shù)據(jù)橫向分塊后進(jìn)行多普勒中心估計(jì)，接著進(jìn)行CS校正、距離徙動(dòng)校正及距離向的脈沖壓縮；之后進(jìn)行多普勒調(diào)頻率估計(jì)，對(duì)估計(jì)出的多普勒調(diào)頻率進(jìn)行擬合并進(jìn)行二次積分得到相位誤差；然后對(duì)橫向合成后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位校正；最終通過(guò)匹配濾波實(shí)現(xiàn)方位向脈壓。

圖7（a）所示為子塊數(shù)據(jù)進(jìn)行多普勒調(diào)頻率估計(jì)，并對(duì)各子塊多普勒調(diào)頻率進(jìn)行擬合所得到的瞬時(shí)調(diào)頻率擬合曲線(xiàn)，對(duì)瞬時(shí)調(diào)頻率進(jìn)行二次積分可得相位誤差（圖7（b）所示）。最終的成像結(jié)果如圖8所示。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)Ka頻段車(chē)載SAR成像進(jìn)行了參數(shù)分析、仿真與驗(yàn)證，證實(shí)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與SAR成像算法的有效性，為后續(xù)工作進(jìn)行了必要準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)

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