一種雙波段全極化SAR系統設計

周 林，唐月生，鐘小艷

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

現代戰場偵察手段有光學、紅外、SAR等手段。從目前的偵察技術來看，光學、紅外可以實現長時間連續觀測，但容易受到氣候、煙幕、惡劣場景環境的干擾。合成孔徑雷達(SAR雷達)屬于主動微波遙感傳感器，可以穿透云層、水汽，實現全天時、全天候工作，通過輻射一定能量的電磁波獲取指定區域的地物場景回波數據，利用合適的信號處理算法得到場景的二維地物場景圖像。

高波段SAR圖像與光學圖像類似，可提供地物、地貌的詳細外表特征，但穿透性能很差。而低波段SAR圖像能夠穿透葉簇和地表，發現隱蔽目標，揭示葉簇和地表下的結構，但提供外表特征的能力較差。將多個波段的SAR數據進行融合可大大提高雷達對目標的檢測和識別能力。本系統采用X和L兩個波段。X波段的信號瞬時帶寬可達600 MHz左右甚至更高，可以取得較好的距離分辨率，最高分辨率可達0.3 m，可以用于要求精細分辨的目標成像。L波段具有較寬的天線波束，可以同時觀測較為廣闊的區域，且L波段的信號具有一定的穿透能力，可以揭示隱藏在植被和一定的地面之下的目標。

此外，多極化SAR圖像比起單極化SAR圖像能獲取更多的信息，提供更多的目標后向散射系數屬性，利用目標幾何圖像信息(如取向、對稱性)提高對目標的鑒別和分類的能力。多極化信息的融合技術是目標識別的又一方法，也是獲取定量遙感的一種手段。

本系統具備X和L兩種波段分時成像的能力，且通過變極化發射與變極化接收獲得多極化圖像，提供更為全面的場景目標信息。它采用高性能、高可靠、小型化技術路線，對航空環境具有很好的適裝性。該系統在保證設備可靠運行的同時盡可能實現模塊化、標準化設計，可為其他相似產品提供借鑒及互換能力。

1 雙波段機載SAR全極化系統設計

1.1 系統組成

系統裝入飛機平臺，通過遙控遙測實現空中數據采集、機上數據實時記錄、存儲，并下傳實時圖像。系統組成框圖如圖1所示，分為地面設備和機上設備兩部分。地面設備為地面顯示控制終端，機上設備包括天線單元、低功率射頻單元和綜合處理單元。

圖1 全系統工作原理示意圖

1.2 雙波段射頻一體化實現

本系統采用雙波段射頻一體化模塊設計，使用同一頻率源和數字收發，在收發通道中經過不同的收發支路完成X和L波段信號的收發處理。雙波段采用獨立天線背靠背設計，共用同一穩定平臺，如圖2所示。安裝時通過法蘭連接，同時天線穩定平臺整體用天線透波罩進行防護。

圖2 雙天線背靠背安裝方式

1.2.1 收發通道

發射支路上，利用數字收發模塊產生L波段寬帶LFM信號，經濾波放大后直接輸出L波段激勵信號。X波段激勵由L波段信號通過2倍頻和一次混頻產生。圖3為激勵通道設計框圖。

圖3 激勵通道設計框圖

接收支路上，模擬收發模塊的接收通道接收天線單元送來的回波信號。L波段經一本振混頻到X波段，濾波放大后與二本振混頻到S波段，在S波段直接正交解調后送數字收發模塊中的高速采集，采集形成數字回波并與系統信息合成后通過光纖輸出至信號處理。X波段回波濾波后直接與二本振混頻生成S波段中頻信號，后續與L波段回波處理相同。圖4為接收通道設計框圖。

圖4 接收通道設計框圖

1.2.2 數字收發

系統的數字收發模塊包含波形產生和數據采集兩大部分，產生單元內部時序和控制。波形產生采用基于直接數字頻率合成(DDS)技術，利用FPGA的并行DDS加高速DAC的方式來實現寬帶波形輸出。

該方法可以實現成像雷達需要的任意波形的實時產生。DDS功能框圖(如圖5所示)包括頻率調制、相位累加和調制、相位幅度轉換、逆Sinc補償、幅度調制等幾個部分。

圖5 DDS原理功能框圖

數據采集的主要任務是數據采集、數據整合與高速傳輸。對于寬帶I/Q采樣，信號帶寬500 MHz，采樣時鐘一般要在信號帶寬的2.4倍以上。寬帶數據采集原理如圖6所示。

圖6 數據采集和數字接收原理框圖

1.2.3 頻率源

頻率源為系統提供高穩定、低相位噪聲的頻率源及全機定時、相參信號。本系統中需要用到X波段以上的本振頻率點。對于如此高的單點頻率，直接合成體積會過于龐大。為了減少體積和質量，采取取樣鎖相的方法實現。取樣鎖相具有合成頻率高、基底相噪低、體積質量小、功耗低等優點，其缺點在于合成帶寬窄且通常只能合成單點頻率。本方案僅需單點即可，因此將晶振通過直接倍頻和取樣鎖相就能滿足本系統。

1.3 全極化實現方式

極化實現方式有3種：變極化發射與變極化接收、同時雙極化發射與同時雙極化接收、變極化發射與同時雙極化接收?？紤]到系統設備質量及功耗的限制，本系統采用變極化發射和變極化接收的方式實現。

系統采用雙極化天線，通過極化開關實現發射水平極化波(H)或垂直極化波(V)、接收水平極化波(H)或垂直極化波(V)，如圖7所示。這種工作方式對系統設備的要求最低，只需要一個接收通道，但不能同時獲取目標的4種極化信息，可分時(間隔4個PRT周期)獲取4個極化信息。

圖7 變極化發射與變極化接收工作方式

1.4 輕小型平臺高分辨成像

1.4.1 成像算法選取

目前，常用的成像算法有改進RD、CS、ωk等。在實時處理算法的選擇上不僅要考慮算法的性能，同時還要滿足實時處理流程的需要，減少對處理硬件資源的開銷，并利于提高處理的效能，改進RD算法難以實現高分辨寬測繪帶處理。CS算法處理性能和ωk相當，但CS算法在實時處理效能上明顯低于ωk算法。此外，當波束存在一定斜視時，CS算法在高分辨下距離-方位耦合特性較為明顯，而ωk算法可有效克服耦合問題。因此，系統選擇的實時處理算法為ωk算法。

1.4.2 高分辨成像算法

國內目前對機載SAR運動補償方法的研究較多。根據運動誤差獲取途徑大致可分為基于運動傳感器的運動補償、基于原始回波的運動補償和基于圖像數據的運動補償。

針對本項目成像合成孔徑時間長、運動誤差提取及補償困難問題，單獨采用上述方法均難以實現運動誤差的精確獲取。對基于圖像數據的運動補償方法來說，其補償效果受限于回波場景。在缺少點目標特征的場景區，該方法的補償效果將有所下降。因此，在運動誤差估計方法上先采用慣導數據解算，得到初步的側向擾動誤差和非均勻采樣特性，再對用于回波估計的樣本數據進行均勻重采樣和擾動誤差補償。由于回波估計中通常只用到波束中心區域的信息，因此對于樣本數據的補償可以使用窄波束的補償方法，之后則可通過樣本回波估計獲取運動誤差信息。

慣導數據解算主要通過慣導系統提供的速度、高度等信息建立成像空間模型，選定參考航跡。圖8所示為東北天地理坐標系及參考航跡方向的回波重采樣示意圖。

圖8 東北天地理坐標系及樣本回波重采樣示意圖

基于回波估計的過程主要是對補償后的樣本數據進行方位分段調頻率估計擬合，獲取運動誤差參數。運動誤差估計流程圖如圖9所示。對于樣本回波數據的調頻率估計，通常采用多次迭代的方法實現不同頻率特性的誤差估計。

在運動誤差的補償方面，運動誤差的距離向空變特性通過分段擬合獲得成像斜平面擾動誤差予以補償，運動誤差的方位空變性則通過波束指向補償。由于方位多普勒單元與方位角有對應關系，為了實現方位空變性補償，在回波子孔徑方位譜形成過程中，針對輸出方位頻譜對應的方位角補償相應的運動誤差方位分量，從而實現方位空變消除。與此同時，回波航跡向的非均勻采樣也可在方位譜形成過程中一并消除，不需要額外插值重采樣。結合上述運動補償，將ωk算法進行相應修改，算法處理流程如圖10所示。

圖9 運動誤差估計流程圖

圖10 條帶SAR成像處理流程

2 系統試驗結果分析

該系統于2018年搭載無人機載直升機開展了飛行試驗，對居民區和自然場景進行觀察，獲得了X/L雙波段全極化的圖像數據。

2.1 X/L雙波段成像

X波段可實現類光學的高分辨成像(見圖11)，紋理特征清晰，但波束較窄，因飛行顛簸波束存在抖動，成像存在黑白間隔的條紋，且圖像多為目標表面輪廓(見圖12a)。L波段波束較寬，對航姿變化不敏感，因L波段有一定穿透能力，圖像可看到部分淹沒在樹林中的小路(見圖12b)。

圖11 某鄉鎮X波段0.3 m分辨率成像(局部)

圖12 某林區雙波段1 m分辨率SAR圖像

2.2 全極化成像

以L波段1 m分辨率全極化工作模式為例，成像結果見圖13、圖14和圖15所示。從圖13可以看到，全極化模式下，同極化(HH極化和VV極化)回波較強，交叉極化(HV極化和VH極化)回波較弱。圖14給出了各單極化成像結果，圖15為各單極化圖像(HH極化、HV極化和VV極化)通過pauli分解原理進行RGB三色融合后的偽彩圖像。

圖13 回波時域波形(起始強回波為耦合激勵信號)

圖14 SAR單極化圖像

圖15 SAR全極化融合圖

3 結束語

本系統采用X和L雙波段，在獲得X波段高分辨成像的同時，通過L波段獲得一定的穿透能力，可以揭示隱藏在植被和一定的地面之下的目標，而多極化功能可使系統獲取比單極化更多的幾何特征信息，進一步提高對目標的鑒別和分類能力。本系統質量較輕，設備量少，非常適合安裝于各種小型機載平臺。通過飛行試驗，獲得了鄉鎮院落和林區場景的X/L雙波段全極化的圖像數據，驗證了系統設計的實用性，為后續設備實現多波段、多極化和高分辨SAR系統提供技術參考。