機(jī)載聚束SAR模式波束控制設(shè)計與驗(yàn)證

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(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

在機(jī)載合成孔徑雷達(dá)(SAR)系統(tǒng)中，條帶式SAR成像和聚束式SAR成像是合成孔徑雷達(dá)最常用的兩種工作模式。條帶式SAR成像模式主要用于連續(xù)大面積成像普查，其方位向分辨率為天線方位有效口徑的二分之一[1]，工程設(shè)計上通常采用波束展寬的方式實(shí)現(xiàn)方位向高分辨條帶成像，即減小了天線方位有效口徑，導(dǎo)致天線增益降低，進(jìn)而影響到雷達(dá)使用威力。為適用遠(yuǎn)距離高分辨率成像的需求，后來產(chǎn)生了定點(diǎn)聚束成像模式，該模式通過控制天線方位波束指向，在不縮小天線口徑的前提下，使其在一定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)波束始終指向固定目標(biāo)場景以提高方位向的積累時間，達(dá)到高方位向分辨率。但定點(diǎn)聚束不同于條帶聚束，只能對方位波束照射區(qū)域進(jìn)行成像，成像區(qū)域有限。為解決定點(diǎn)聚束方位測繪帶有限的問題，在定點(diǎn)聚束模式的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了滑動聚束模式。與定點(diǎn)聚束不同，波束固定照射方式不同，滑動聚束通過控制波束輻射區(qū)在地面的運(yùn)動速度增加方位向相干積累時間，在提高分辨率的同時增加方位向成像區(qū)域范圍。

本文首先介紹了定點(diǎn)聚束、滑動聚束兩種聚束工作方式的工作原理，并在此基礎(chǔ)上給出了兩種聚束方式下的分辨率、測繪帶寬、作用距離等方面的指標(biāo)分析，針對機(jī)載合成孔徑雷達(dá)常規(guī)聚束工作模式戰(zhàn)技指標(biāo)要求，提出了基于定點(diǎn)、滑動兩種聚束方式的機(jī)載合成孔徑雷達(dá)聚束SAR模式波束控制設(shè)計方法，最后給出了試驗(yàn)驗(yàn)證的情況。

1 兩種聚束方式工作原理及關(guān)鍵問題

1.1 定點(diǎn)聚束SAR

定點(diǎn)聚束模式為在合成孔徑時間內(nèi)天線波束始終照射一個感興趣的區(qū)域，獲取方位向高分辨率，其工作示意圖如圖1所示，Δθ為天線波束方位向掃描角度范圍。

表1為條帶SAR、定點(diǎn)聚束SAR、滑動聚束SAR三種工作模式下方位分辨率、方位測繪帶寬及作用距離等指標(biāo)對照情況，可看出定點(diǎn)聚束SAR模式天線波束地面照射區(qū)域固定，波束移動速度為0，方位向分辨率與天線波束方位向掃描角度范圍有關(guān)，而其方位向測繪帶寬Ls為方位向波束地面照射范圍，Ls=R·θ，其中R為作用距離，θ為方位向波束寬度[2]。

1.2 滑動聚束

如表1所示，在條帶SAR模式中，天線輻照區(qū)在地面移動的速度與飛機(jī)飛行的速度相等；在聚束SAR模式中，天線輻照區(qū)在地面移動的速度為0；當(dāng)天線輻照區(qū)的移動速度介于0和載機(jī)飛行速度之間時，這就是滑動聚束模式。換言之，條帶模式和聚束模式可以看成是滑動聚束模式的一種特例。滑動聚束SAR通過控制天線的掃描速度來控制天線輻照區(qū)在地面移動的速度，從而增加了相干累積時間，可以得到比條帶SAR方位向更高的分辨率。由于滑動聚束SAR輻照區(qū)在地面移動的速度不為0，因此，滑動聚束SAR可以獲得比聚束SAR更大的方位向測繪帶寬，滑動聚束SAR工作模式示意圖如圖2所示。3種工作模式的特性關(guān)系如表1所示[3-4]。

表1 3種工作模式特性關(guān)系

表1中：va為飛機(jī)平臺飛行速度；D為天線方位向口徑尺寸；Δθ為天線波束方位向掃描角度范圍；θmax為方位波束最大指向角，正側(cè)視工作下有Δθ=2θmax；λ為雷達(dá)工作波長；R為作用距離；Ls為方位向波束地面照射范圍；Rmax為最大作用距離；Pav為發(fā)射平均功率；G為收發(fā)天線的增益；σ為目標(biāo)有效反射面積；K為玻耳茲曼常數(shù)；T為接收機(jī)溫度；Ti為目標(biāo)駐留時間；η為系統(tǒng)損耗；SNR0為脈沖壓縮后的信噪比。

1.3 關(guān)鍵問題

機(jī)載合成孔徑雷達(dá)常規(guī)聚束工作模式戰(zhàn)技指標(biāo)要求如表2所示。

表2 常規(guī)聚束工作模式戰(zhàn)技指標(biāo)要求

2 波束控制設(shè)計

機(jī)載合成孔徑雷達(dá)聚束SAR模式下，天線在一個波束掃描范圍Δθ內(nèi)進(jìn)行照射成像，飛機(jī)沿航線直線飛行，天線波束按照掃描步進(jìn)θv進(jìn)行調(diào)整，使得波束對地面目標(biāo)照射時間滿足成像所需的積累時間[5]。以下引入掃描幀、波位、波位計數(shù)及脈沖計數(shù)的概念，如圖3所示。

1) 掃描幀：聚束模式針對一定區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行成像，波束在方位向完成一個掃描范圍Δθ為一掃描幀。一掃描幀的波束范圍掃描范圍為α～β(|α-β|=Δθ)，α為波束起始指向角，β為波束終止指向角。

3) 脈沖計數(shù)：雷達(dá)按照脈沖重復(fù)頻率(PRF)發(fā)射脈沖信號，在每個波位駐留時間內(nèi)發(fā)射的脈沖即為脈沖計數(shù)，每發(fā)射一個脈沖，脈沖計數(shù)加一。每個波位下的脈沖總數(shù)相等，即波位脈沖駐留數(shù)N相同；每更新一個波位計數(shù)，脈沖計數(shù)清零。

2.1 定點(diǎn)聚束SAR波束控制

通過調(diào)節(jié)每個波位波束駐留時間來控制天線掃描速度，在雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)頻率(PRF)已知的情況下設(shè)計每個波位的脈沖計數(shù)，當(dāng)前波位脈沖計數(shù)積累到一定值N時，波束掃描一個步進(jìn)，根據(jù)定點(diǎn)聚束模式幾何關(guān)系，為保證波束在地面照射區(qū)域的移動速度為0，波束掃描速度與飛機(jī)平臺運(yùn)動速度持恒，其波位脈沖駐留數(shù)計算公式如下：

N=R·sin(θv)/va·PRF

(1)

2.2 滑動聚束SAR波束控制

滑動聚束方式下波束在地面照射區(qū)域具有一定移動速度vf，因此在增加定點(diǎn)聚束每個波位脈沖駐留數(shù)，打破波束掃描速度與飛機(jī)平臺速度的平衡，進(jìn)而使得波束在地面照射區(qū)域具有一定的移動速度。這里引進(jìn)滑動系數(shù)k(k≥1)，滑動聚束方式下，波位駐留脈數(shù)N0=k·R·sin(θv)/va·PRF，通過設(shè)置k的取值，調(diào)節(jié)波束在地面的滑動速度。

1) 方位向測繪帶寬

如圖4所示，O點(diǎn)為某時刻波束中心指向T，在經(jīng)過一個波束掃描步進(jìn)后，定點(diǎn)聚束方式下，飛機(jī)運(yùn)動到B點(diǎn)，而滑動聚束方式較定點(diǎn)聚束波位駐留時間長，在經(jīng)過一個波束掃描步進(jìn)后，飛機(jī)運(yùn)動到A點(diǎn)，波束中心指向T1，波束在地面滑動了一段距離：

L=N0/PRF·va-N/PRF·va=

(N0-N)/PRF·va=(k-1)·R·sin(θv)

(2)

則波束滑動速度計算如下：

(3)

則滑動聚束模式方位測繪帶寬wg計算如下：

2θmaxR·(k-1)+R·θ

(4)

(5)

wg=2θmax(Rg-R)+R·θ

(6)

可求得此時的wg≥Rg·β，測繪帶寬滿足指標(biāo)要求。

2) 方位向分辨率

按如上分析，則滑動聚束方位向分辨率計算如下：

(7)

由上式可見，滑動聚束SAR模式方位向分辨率與方位波束寬度及作用距離相關(guān)，為滿足作用距離范圍內(nèi)方位分辨率要求，則滑動聚束方位波束寬度要求如下：

(8)

2.3 聚束SAR模式設(shè)計

基于表2中的機(jī)載合成孔徑雷達(dá)常規(guī)聚束工作模式戰(zhàn)技指標(biāo)要求，聚束SAR工作模式按設(shè)計如下：

3 設(shè)計與驗(yàn)證

某機(jī)載合成孔徑雷達(dá)聚束模式指標(biāo)要求如表3所示。

表3 某機(jī)載合成孔徑雷達(dá)聚束模式指標(biāo)要求

按照如上設(shè)計方法，該機(jī)載合成孔徑雷達(dá)主要參數(shù)設(shè)計如表4所示。

表4 聚束模式系統(tǒng)參數(shù)

圖5和圖6為該機(jī)載合成孔徑雷達(dá)聚束SAR模式0.3 m分辨率掛飛試驗(yàn)結(jié)果。圖5的作用距離為35 km，采用滑動聚束SAR模式，方位向測繪帶寬滿足3.16 km指標(biāo)要求，實(shí)測方位向分辨率為0.26 m；圖6的作用距離為50 km，方位向測繪帶寬滿足3.12 km指標(biāo)要求，實(shí)測方位向分辨率為0.22 m。

4 結(jié)束語

機(jī)載合成孔徑雷達(dá)聚束SAR模式可遠(yuǎn)距離地提供地面一定范圍內(nèi)感興趣區(qū)域高分辨的成像信息，可用于對地面重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視和識別，掌握目標(biāo)態(tài)勢，為人類活動提供準(zhǔn)確的信息支持。本文基于定點(diǎn)、滑動兩種聚束方式，針對機(jī)載合成孔徑雷達(dá)常規(guī)聚束SAR工作模式戰(zhàn)技指標(biāo)要求，提出了基于定點(diǎn)、滑動兩種聚束方式的機(jī)載合成孔徑雷達(dá)聚束SAR模式波束控制設(shè)計方法，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，提供了工程實(shí)踐的可行性。