小型平臺調頻連續波雷達成像系統設計及其應用

周林

摘 要：調頻連續波技術和合成孔徑雷達技術結合的調頻連續波合成孔徑雷達（FMCW SAR）兼具連續波雷達和SAR的優勢，具有小體積、低重量、低功耗和高度集成性的特點。本文借鑒已有的工程經驗，設計了小型機載平臺的調頻連續波雷達并進行了飛行試驗，驗證了設備成像性能滿足成像產品需求，可用于對殘骸搜索、目標檢測等，實現大范圍搜索成像并定位。

關鍵詞：小型機載平臺;調頻連續波;雷達成像

中圖分類號：TN954 文獻標識碼：A

0 引言

近年來，無人機微小型化發展對合成孔徑雷達載荷提出了小型化的迫切需求，但一般合成孔徑雷達采用脈沖壓縮體制，系統復雜，成本高，體積和重量也較大，很難適用于小型無人機平臺，近年來，具有低功耗和小體積的調頻連續波技術日益受到小型機載平臺雷達載荷廠家的重視，結合調頻連續波的合成孔徑雷達技術在近些年得到了快速發展。

1 調頻連續波雷達成像體制特點

調頻連續波技術和合成孔徑雷達技術結合的調頻連續波合成孔徑雷達（FMCW SAR）兼具連續波雷達和SAR的優勢，與脈沖SAR相比，對發射峰值功率要求低，降低了設備的復雜性，系統具有小體積、低重量、低功耗和高度集成性的特點，可廣泛應用于小型機和無人機;但FMCW SAR也存在收發同時工作隔離度較低，無法實現遠距離成像，傳統的SAR成像算法都是針對脈沖SAR“停-走-停”的工作模式提出的，對連續波SAR已經不再適用。

對于微小型無人機來說，一般不要求很大的作用距離，因此FMCW SAR作用距離近的弱點也就不突出。而其小體積、低重量、低功耗、成本低、對平臺要求低的優點很突出，因此，在小型機載平臺一般選擇FMCW SAR體制。

在傳統SAR成像體制下，每個PRI內發射一個短脈沖，該脈沖持續時間一般為幾個微秒，因此一般直接由天線采樣接收。而調頻連續波SAR體制下，天線在整個脈沖持續時間內連續不斷地發射調頻信號，其脈沖持續時間達到了毫秒量級。直接接收回波信號并采樣處理，對系統采樣率和數據率的要求很高，數據采集系統的復雜度和成本都會相應提高。因此，調頻連續波SAR為了降低系統采樣要求和數據率，減輕系統負擔，通常在天線接收信號的同時進行解斜操作（Dechirp-on-receive）。借鑒已有的工程經驗，FMCW SAR的收發隔離可以通過收發天線分置、空間隔離的方法來解決，也可以采用數字對消的辦法解決。

2 雷達系統設計

2.1 工作模式

通常雷達的成像工作模式有多種，最終以滿足一定分辨率和成像寬度為目的，考慮小型平臺的能力及應用作戰區域大小，系統工作模式一般為標準的條帶模式。

雷達工作于條帶成像模式時，理想情況下載機的機頭指向、實際飛行的航跡向與預定的航線方向是一致的，在這種狀態下天線處于正側視，即天線波束指向與航線方向呈現90°的夾角，根據任務設定指向航線的一側，當飛機沿指定的飛行路徑飛到成像帶起始點時，開始進行連續無縫的條帶成像，直到指定的成像帶終點或雷達被命令完成其它功能為止。如下圖所示。

由于實際工作中載機存在姿態誤差，當進入航線時，由穩定平臺或電控波束校正載機的運動偏差，天線的指向角將保持與預定航線垂直。條帶SAR模式主要用于地面搜索，可對地面場景連續成像，并具有較寬的成像帶寬。

2.2 系統組成

雷達包括機上設備和地面設備兩部分。雷達機載設備由飛機供電，由機載組合導航設備提供飛行狀態的姿態、速度與位置等信息，通過機載鏈路提供狀態的下傳與控制指令、并實現偵察數據的實時下傳。地面設備包括顯控終端和處理終端，實現對雷達設備的狀態檢測、參數控制，以及對實時傳輸的圖像數據進行接收與顯示，并通過處理終端實現離線成像等功能。

機載雷達設備總重小于10千克，包括天線、射頻收發模塊和綜合處理模塊三個部分。依托平臺機頭內部結構，進行雷達設備安裝，結構示意圖如下圖（a）所示。雷達采用集中放大饋電方式，利用開關控制左右側視平板天線，通過條帶成像模式實現波束對預設區域的快速覆蓋;通過高性能信號處理硬件平臺實現機上實時成像。

雷達軟件由機上軟件和地面顯控軟件、處理軟件組成。其中機上軟件用于實時成像和數據實時存儲等;地面顯控軟件和處理軟件，用于雷達操控、顯示以及后期數據處理等，系統軟件體系結構如下圖（b）所示。

3 飛行試驗應用

本雷達可裝載于無人直升機、固定翼等小型平臺，主要通過對預設區域進行二維灰度成像，快速形成0.3米×0.3米的高分辨率圖像，可用于對殘骸搜索、目標檢測等，實現大范圍搜索成像并定位目標。

本設備于2017年掛載小型無人直升機平臺進行飛行試驗，雷達設備布局如下圖所示。雷達機載設備裝入載機平臺，作為機載任務設備在飛機分系統、鏈路分系統等支撐下執行對地偵察任務;顯控/處理軟件裝入地面控制站，對機載雷達進行監測與控制，并接收通過鏈路實時下傳的偵察數據，形成初步的態勢顯示，同時能夠通過處理軟件實現離線精細成像。雷達采用固態收發體制，不存在機械轉動部件，運動補償通過高精度慣導數據和相位梯度自聚焦算法等數據域處理予以實現。

設備主機和接收天線裝入機頭罩內，通過四個減震器與飛機結構連接，隔離高頻振動。2個發射天線裝罩外，與艙外設備一體化安裝。

經飛行試驗，驗證設備成像性能滿足設計要求，地物場景聚焦清晰，經指標優化后產品可適用后續大范圍目標搜索及定位使用。

4 結束語

為了滿足小型機載平臺裝載需求，本系統采用調頻連續波體制，簡化了系統設計和結構復雜性，通過任務管理、電源和實時處理等一體化處理，實現了高集成和模塊化，減少了系統重量和體積，通過在小型無人機平臺飛行試驗驗證，證明了系統性能的可靠性和實用性，可用于目標大范圍搜索和定位。

參考文獻：

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