一種新型圓跡陣列三維SAR系統的點擴散函數分析與地面實驗結果

明 婧 張曉玲 蒲 羚 師 君

(電子科技大學信息與通信工程學院 成都 611731)

1 引言

隨著對雷達技術的深入理解，3維合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar， SAR)成像技術已成為雷達成像領域的研究熱點之一[1]。傳統SAR成像技術將3維成像空間投影到2維(距離-方位)平面空間，目標的高度向信息與距離向信息產生混疊，將影響后續基于目標散射信息的分析研究。而3維SAR成像技術則通過具體的成像技術直接獲取目標的3維散射信息。為克服2維SAR成像技術的固有缺陷，發展新型3維SAR成像技術成為未來發展的必然趨勢。目前，3維SAR技術主要包括層析SAR[2]、曲線SAR[3，4]以及陣列SAR[5，6]，且具有廣闊的應用前景[7]。

圓周SAR(Circular Synthetic Aperture Radar，CSAR)是一種曲線SAR成像體制，其天線沿圓周軌跡移動并在掃描路徑中持續照射目標[4]。在該體制下，雷達平臺360°圓周運動形成一個圓形的2維孔徑，結合脈沖壓縮技術實現對目標的3維重建。與傳統的2維SAR成像體制相比，CSAR可以提供多角度測量，獲得更高的SAR圖像分辨率和更豐富的目標信息。同時，CSAR體制具有3維成像能力。然而，CSAR在圓周平面的稀疏采樣導致圖像旁瓣增大，其3維成像質量遠不如其他3維SAR成像體制。

線陣SAR(Linear Array Synthetic Aperture Radar， LASAR)作為另一種3維陣列SAR體制，因其在陣列方向上的充分采樣，與CSAR體制相比擁有更好的旁瓣抑制能力[6]。然而，若要實現高分辨率3維成像，傳統LASAR需要滿足大尺寸線陣和高采樣率的條件，而這將引起高成本和運算量大的問題。

結合LASAR在旁瓣抑制方面和CSAR在高分辨率成像方面的優勢是解決上述問題的一種可行方案。本文提出一種新型圓跡陣列SAR(Circular Array Synthetic Aperture Radar， CASAR)體制來實現高質量的3維成像。CASAR陣列平面呈環狀，可由線陣天線通過圓周運動合成，也可由單個天線通過螺旋運動合成。與傳統的LASAR體制相比，CASAR在相同線陣尺寸和采樣率下可擴展有效孔徑，增大在陣列平面上的圖像分辨率；與CSAR相比，CASAR通過在垂直于距離向的平面上用陣列天線代替單個天線的方式，增大陣列平面上的采樣點數，從而抑制圖像旁瓣。

本文由4部分組成：第2節研究CASAR的基本模型和點擴散函數；第3節進行原型CASAR系統的地面實測實驗；第4節為結論。

2 基本模型與理論推導

2.1 CASAR基本模型

圖1(c)是CASAR的基本模型，其陣列天線的排列近似為環狀，由線陣單元沿觀測中心作圓周運動以合成更大的虛擬孔徑。，軸構成CASAR的陣列平面。同樣地，在極坐標系下，CASAR模型的切航跡向合成孔徑長度等于圖1(c)中的A，沿航跡向孔徑長度為。當圖1(a)和圖1(c)中的孔徑相同時，CASAR的切航跡向孔徑將大于LASAR的切航跡向孔徑。因此，CASAR模型相較于傳統LASAR模型增大了陣列方向的合成孔徑，進而在相同線陣尺寸下陣列向分辨率將得到改善。另外，CASAR成像模型相較于傳統SAR成像擴展了視角，可從多個視線方向獲取3維目標場景豐富的散射信息，與CSAR模型類似。CASAR模型在陣列平面上的布型為環狀線性陣列，與CSAR模型相比，提高了垂直于距離向的平面上的采樣點數，達到抑制高旁瓣的目的。

2.2 CASAR的點擴散函數分析

由于距離向分辨率僅由雷達信號帶寬決定，本文將主要分析陣列方向的2維分辨率。將直角坐標系轉換為極坐標系，圖1(c)中CASAR的天線相位中心(Antenna Phase Centers， APC)可表示為

其中

2.3 點擴散函數圖像仿真

為直觀反映多種3維SAR成像體制下陣列向分辨率的差異。本文通過仿真LASAR模型、單航過CSAR模型以及CASAR模型在相同尺寸線陣天線條件下的PSF，利用3維后向投影(Back Projection，BP)成像算法對成像結果進行對比分析。天線與目標相對位置如圖1模型所示。仿真參數如表1所示，投影的場景大小為4 m×4 m，仿真成像結果如圖2所示，證明了CASAR 3維成像的可實施性。

表1 仿真參數Tab. 1 Simulation parameters

表2 切航跡向性能比較Tab. 2 Cross-track performance comparison

3 地面實測結果

3.1 地面實驗系統設計

圖4(a)為基于上述理論設計的原型CASAR實驗系統用于實際測量驗證，圖4(b)為由4個金屬球構造的室外目標場景。為驗證CASAR系統3維成像的可行性，將發射天線作為強散射源，對目標場景進行近距離成像實驗。

通過使用圖4(a)所示原型CASAR實驗系統，安裝在導軌中的單天線進行直線運動形成陣列天線并連續照射目標場景，再通過導軌的旋轉合成本文所提CASAR模型中的圓跡陣列，如圖5(a)所示。圖5(b)為實驗場景的3維圖，圓跡陣列處于-平面。為了便于實現地面實測實驗，本文采用單天線螺旋運動形成圓跡陣列，等效為由多個天線單元構成的直線陣列天線進行1次圓周運動。

選擇步進頻率(Step Frequency， SF)信號[9]作為CASAR實驗系統的發射信號。CASAR實驗系統基本框圖如圖6所示。SF信號從矢量網絡分析儀(Vector Network Analyzer， VNA)的1端口產生，經發射機預處理(如功率放大)后通過發射設備(如固定發射天線)進行發射。散射信號由接收設備進行接收及預處理，之后傳輸到VNA的2端口，經VNA的“S21”測量功能獲得目標場景的散射信息。通過使用高分辨率距離像(High Resolution Rang Profile，HRRP)技術[10]和3維BP成像算法[4，7，11]，可以重建3維目標場景。實驗參數如表3所示。

3.2 地面實驗結果及分析

實驗1 陣列天線移動軌跡近似傳統的CSAR模型，如圖7(a)所示。此時，，軸構成CSAR的圓周平面。經CSAR模型得到的3維成像結果如圖7(b)，球1在圓周平面的2維切片圖像如圖7(c)。可見CSAR 3維成像存在旁瓣高成像質量差的問題。

實驗2 采用本文所提的CASAR模型，利用單個天線進行8周螺旋運動形成圓跡陣列，如圖8(a)所示，等效為8個天線構成的直線陣列天線進行圓周運動，陣列長為0.5 m，圓跡陣列最大/最小半徑由表3所示。此時，，軸構成CASAR的陣列平面。經CASAR模型得到的3維成像結果如圖8(b)，球1在陣列平面的2維切片圖像如圖8(c)。

觀察圖8(b)和圖7(b)，可以發現實驗2中的CASAR 3維成像結果比實驗1中的傳統CSAR 3維成像結果更清晰，4個目標大部分的旁瓣得到了明顯的抑制。比較圖8(c)和圖7(c)所示的陣列平面2維切片示意圖，CASAR的單目標圖像旁瓣明顯下降。CSAR模型和CASAR模型的成像性能比較如表4所示，CASAR模型的ISLR明顯優于CSAR模型，而PSLR沒有得到明顯改善，與2.3節點擴散函數仿真實驗結果類似。因此可驗證CASAR模型具有有效的積分旁瓣抑制能力，且能保持CSAR所具有的高分辨成像能力。

4 結論

本文所提新體制CASAR模型可應用于高質量3維雷達成像。陣列平面呈環狀，可由線陣天線通過圓周運動合成，也可由單個天線通過螺旋運動合成。在圖像分辨率方面，CASAR模型近似于多軌跡CSAR模型，因此與CSAR模型具備同樣的高分辨率。在垂直于距離向的平面上使用圓跡陣列的布局相較于單航過CSAR，可以增加在2維平面上的采樣率，從而有效地抑制3維SAR圖像的旁瓣。綜上，CASAR模型擁有高分辨率成像能力以及有效的旁瓣抑制能力，可以明顯提高3維SAR成像質量。通過理論分析和地面實測，證明了3維CASAR成像的有效性。

表3 實驗參數Tab. 3 Experiment parameters

表4 性能比較Tab. 4 Performance comparison