基于慢速平臺的高分寬幅SAR雷達系統(tǒng)設計技術研究

張 倩,江 凱,盛 磊（中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088）

基于慢速平臺的高分寬幅SAR雷達系統(tǒng)設計技術研究

張 倩,江 凱,盛 磊
（中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088）

對流層、平流層飛艇等慢速平臺在戰(zhàn)場存留時間、生存能力、覆蓋地區(qū)等方面都具有非常顯著的優(yōu)勢，已成為近年來各國研究的熱點。本文針對慢速平臺的特點，提出一種基于脈沖推掃體制的高分寬幅SAR雷達系統(tǒng)設計方案，并通過實例仿真，分析了相關技術的可行性。

慢速平臺；高分辨率寬測繪帶；SAR

1 引言

合成孔徑雷達作為一種主動式微波成像系統(tǒng)，已廣泛應用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、土地資源管理等軍事及國民經(jīng)濟的許多領域。高分辨率和寬測繪帶是各項軍事需求和民事需求中不可缺少的兩個方面，同時滿足這兩種要求既有著很強的現(xiàn)實意義，也是SAR的發(fā)展趨勢之一。而在SAR系統(tǒng)設計中這是一個矛盾的問題。這一矛盾來源于它們對系統(tǒng)脈沖重復頻率（PRF）的不同要求。對傳統(tǒng)SAR而言，增大測繪帶寬度，要求系統(tǒng)采用較低的PRF以克服距離模糊，但高分辨率帶來的方位向大帶寬要求較高的PRF，否則會造成方位模糊，在技術上如何更好地同時實現(xiàn)高分辨率和寬測繪帶是一個需要深入研究的問題，對它的研究也是SAR技術進步的需要。

對流層、平流層飛艇等慢速平臺留空時間長，發(fā)射和運行成本低廉，一直受到人們的關注。本文針對慢速平臺的特點，提出一種基于脈沖推掃體制的高分寬幅SAR雷達系統(tǒng)設計方案，并通過實例仿真，對脈沖推掃體制進行了驗證。

2 慢速平臺SAR雷達系統(tǒng)設計

2.1 雷達體制選擇與工作模式設計

飛艇等慢速平臺SAR與其它機載或星載平臺SAR在實現(xiàn)高分辨率的方法上有著很多顯著的不同：

平臺速度慢，PRF低。因為慢速平臺飛行速度很低，SAR的方位向多普勒帶寬也很小，因而SAR系統(tǒng)使用很低的PRF就可以滿足方位向的采樣率；

平臺速度慢，NESZ指標好。根據(jù)合成孔徑雷達方程式，SAR系統(tǒng)的NESZ（等效噪聲系數(shù)）正比于平臺飛行速度，速度越小，NESZ指標越好；

平臺速度慢，PRF小，易于實現(xiàn)寬觀測帶，不存在距離模糊問題。低速引起的低PRF，能夠得到很長的無模糊回波信號時窗，因而易于實現(xiàn)距離向很寬的觀測帶，并且不存在距離模糊的問題。

“脈沖推掃成像”合成孔徑雷達成像體制是非常適合于慢速平臺特性的方案，即采用脈間變波位，變脈沖寬度，循環(huán)掃描寬觀測內(nèi)的多個子觀測帶，在信號處理中合成整個寬觀測帶。

在脈沖推掃成像體制中，在距離向整個觀測帶分成N個子觀測帶，在每個子觀測帶的回波信號被采集之后，再照射下一個子觀測帶，N個子觀測帶能夠組合成一個寬的觀測帶。

由于一個長脈沖被分裂為N個短脈沖，使得每個子觀測帶的發(fā)射功率下降N倍，這對遠區(qū)子觀測帶的NESZ指標產(chǎn)生較大的影響，而小視角的子觀測帶，因為斜距很小，NESZ指標非常好，降低之后，NESZ仍然很好。針對這一特點，在方案中采用不平均分配功率的方法來解決這個問題。

在脈沖推掃SAR模式下，天線處于正側視狀態(tài)，根據(jù)任務設定指向某一側。其特點是：利用二維有源相控陣天線距離向波束快速電掃功能，實現(xiàn)波束在不同視角下的切換，從而實現(xiàn)多個波位上的一次大范圍成像。這種偵察方式獲取的信息量大，信息豐富。脈沖推掃SAR模式工作示意圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)組成與工作原理設計

慢速平臺高分寬幅SAR系統(tǒng)基本組成如圖2所示。本系統(tǒng)采用二維寬帶有源相控陣體制，以實現(xiàn)距離向的寬觀測帶要求。雷達系統(tǒng)設備主要由二維寬帶有源相控陣天線、接收單元、綜合電子單元、數(shù)據(jù)記錄儀、環(huán)控系統(tǒng)、穩(wěn)定平臺等組成。

該散熱器主體尺寸為：520×445×220mm，風扇轉速為2 000r/min，仿真分析液壓模型，系統(tǒng)最終平衡時油箱溫度為71℃。此時散熱器的冷卻功率為8.6kW(圖11)。

天線采用寬帶有源可擴充陣列形式，包括可擴充陣列天線模塊、功分及合成網(wǎng)絡、電源、波控等；

接收單元包括接收通道、頻率源、數(shù)字波形產(chǎn)生等；

綜合電子單元包括全機控制和時序、多路高速A/D等；

系統(tǒng)結構方面包括結構框架、環(huán)控系統(tǒng)、穩(wěn)定平臺等。

3 仿真實例

仿真計算的工作頻段為X，平臺高度為4000m，平臺速度為10m/ s，擬實現(xiàn)的脈沖推掃模式分辨率0.3m×0.3m，觀測帶寬30km。

仿真計算時，考慮SAR圖像信噪比指標與系統(tǒng)靈敏度有關。SAR系統(tǒng)靈敏度通常以等效噪聲后向散射系數(shù)（NEσ°）表示，圖像信噪比要求越高，NEσ°值越低：

其中，k為波爾茲曼常數(shù)，T為等效噪聲溫度，F(xiàn)n為系統(tǒng)噪聲系數(shù)，Ls為系統(tǒng)損耗，Vst為平臺與目標間相對速度，R為雷達斜距，Pav為系統(tǒng)平均發(fā)射功率，G為天線增益，λ為雷達工作波長，Ka為方位脈壓加窗損失，Kr為距離脈壓加窗損失，ρr為距離向分辨率。

當功率增益積設計為75.3dBW、距離向波束寬度設計為12.5度時，進行波位參數(shù)與系統(tǒng)靈敏度（NEσ°）指標仿真，其結果如圖3所示。可見，NEσ°優(yōu)于-25dB，完全滿足成像質(zhì)量指標要求。同時實現(xiàn)分辨率0.3m，觀測帶寬30km。

考慮到各個波位NESZ相差較大，成像時會出現(xiàn)圖像不同波位的平均亮度期望值不一致的情況，從后處理角度，可以采用相對輻射定標進行校正。從系統(tǒng)設計角度采用“不平均分配功率”的方法能從根本上解決此問題。各個波位的NESZ計算結果如圖4所示，波位交疊處的NESZ指標都能優(yōu)于-30dB；而且相對于各波位“平均分配功率”，各波位的NESZ指標數(shù)值大小比較平均，沒有過大的起伏，有利于脈沖推掃的子觀測帶圖像拼接。

4 結束語

飛艇等慢速平臺滯空時間長，便于連續(xù)觀測，從而實現(xiàn)對特定區(qū)域的長期監(jiān)視，其有效性和經(jīng)濟性是其它平臺無法替代的。本文針對慢速平臺的特點，提出一種基于脈沖推掃體制的高分寬幅SAR雷達系統(tǒng)設計方案。最后給出仿真實例，在一定范圍內(nèi)為此類SAR系統(tǒng)設計和參數(shù)優(yōu)化提供了參考。

張倩（1982-），女，安徽鳳陽人，博士，工程師，雷達系統(tǒng)設計。