微波光子W波段寬帶雷達成像技術研究

江利中, 顏露新, 譚姍姍, 茹海忠, 楊明遠

(1. 華中科技大學人工智能與自動化學院, 湖北 武漢 430074;2. 上海無線電設備研究所, 上海 201109; 3. 上海衛星工程研究所, 上海 200240)

0 引 言

雷達成像技術是一種通過發射電磁波對探測目標進行照射,并依據目標回波實現對目標成像的一種技術。由于微波毫米波對雨、霧、煙等天氣環境具有較強的穿透力,且雷達具有主動探測工作模式,因此雷達成像技術在航天、航空、武器等多個領域受到廣泛應用[1]。由于采用較短的收發波長,W波段成像雷達具有較大的天線收發增益、較窄的波束寬度和更顯著的多普勒效應,使其更容易實現高分辨率微波成像。因此,研制W波段成像雷達廣泛受到各國研究機構的重視。與傳統成像雷達相比,W波段逆合成孔徑雷達(inverse synthetic aperture radar, ISAR)在對目標進行識別時具有更高的準確性和較遠的成像距離。毫米波系統由于體積小、重量輕、俯視角好等優勢,有利于機載、彈載、星載平臺搭載。近年來,W波段相關器件的發展為毫米波成像雷達提供了可能[2]。美國HUSIR系統[3]和WARLOC系統[4]以及德國COBRA系統[5]都是利用毫米波實現雷達成像的成功案例。然而,由于毫米波系統存在器件生產工藝要求高、波導損耗大、瞬時大帶寬脈沖波形難以實現等問題,W波段ISAR成像相對傳統雷達成像更加困難,目前國內也只有少量的相關報道[6]。

微波光子技術作為突破傳統“電子瓶頸”效應的有效手段,近年來在國內外取得廣泛關注[7-8]。相對傳統電子技術,微波光子技術在頻率、帶寬、體積、抗電磁干擾等諸多方面都具有一定優勢。自相關概念被提出以來,基于微波光子技術的低相位噪聲信號源、寬帶信號的產生與調控、信號變頻、倍頻等多種與雷達系統相關的功能已被報道,證實了微波光子技術在雷達技術中的研究價值。目前,國內外已發表一定數量針對微波光子雷達系統的研究成果[9-13],充分證明了將微波光子技術和雷達成像技術相結合的可行性。

本文提出了一種基于微波光子技術實現的W波段調頻信號體制ISAR成像系統。首先,從理論上分析了W波段雷達信號產生、回波信號處理以及ISAR成像。以此為基礎,本文通過仿真模擬了W波段ISAR對目標探測的全過程。在發射端,使用微波光子八倍頻技術實現了中心頻率為96 GHz、瞬時帶寬為8 GHz的W波段線性調頻信號生成。在接收端,目標回波處理是基于微波光子去斜技術。ISAR成像仿真結果表明,不同姿態下的目標輪廓清晰可辨。

1 W波段雷達信號產生

1.1 系統組成和原理

圖1為W波段雷達系統原理結構。激光器產生的單頻光信號通過一個光功分器分成兩路,其中一路光信號用于回波信號接收,另一路光信號注入到相位調制器1中作為光載波。中心頻率為12 GHz、帶寬為1 GHz的低頻線性調頻信號作為調制信號加載于相位調制器的射頻端口。調節線性調頻信號的功率,相位調制器的輸出端會產生多階調制光邊帶。使用光濾波器對調制器輸出的光信號進行濾波,使其輸出±4階調制光邊帶。濾波后的光信號注入到工作帶寬足夠大的高速光電探測器中。此時,系統產生的雷達信號的中心頻率和帶寬均為低頻調頻信號的八倍,即中心頻率為96 GHz、帶寬為8 GHz的W波段線性調頻信號。圖1中虛線框部分為系統的W波段信號產生部分。系統產生的W波段線性調頻信號經功分器分成兩路,一路作為參考信號,另一路經功率放大器放大,用于目標探測與成像。

圖1 W波段雷達系統原理結構Fig.1 Theory framework of W-band radar system

1.2 雷達信號產生過程理論分析

首先,從理論上分析了W波段雷達信號產生過程。假設激光器產生的光信號和系統輸入的低頻調頻信號可以分別表示為

Ein(t)=E0exp(j2πfct)

(1)

(2)

式中:E0和V0分別表示光信號和低頻調頻信號的幅度;fc是光信號的頻率;f0和k0分別是低頻調頻信號的中心頻率和調頻斜率。此時,相位調制器輸出的光信號可以表示為

EPM(t)=

(3)

(4)

式中:m0=πV0/Vπ是相位調制器的調制指數,Vπ是調制器的半波電壓;Jn(·)為n階第一類貝塞爾函數。相位調制器輸出的光信號經光濾波器選出±4階調制光邊帶,其余光邊帶在濾波器帶外,可以被忽略,此時濾波后的光信號可以表達為式(4)。

濾波后的光信號注入光電探測器,此時光電探測器輸出的線性調頻電信號可以表達為

(5)

式中:R1表示光電探測器的響應度;DC1表示直流成分。由式(5)可知,系統產生信號的中心頻率和調頻帶寬均為低頻輸入電信號的八倍,該信號可作為雷達發射信號實現目標高分辨率探測。

1.3 雷達信號產生過程仿真分析

通過仿真對W波段信號產生過程進行模擬。使用中心頻率為12 GHz、調頻帶寬為1 GHz的低頻線性調頻信號對中心波長為1 550 nm的光載波進行相位調制,調制后信號光譜如圖2(a)所示。從圖2(a)可知,多個調制后的光邊帶清晰可見。通過光濾波器選出±4階調制光邊帶,濾波后信號光譜如圖2(b)所示。其中,光濾波器采用的是矩形雙通帶濾波器,兩通帶帶寬均為4 GHz,阻帶抑制比為100 dB,濾波器的響應曲線如圖2(b)中紅色虛線所示。通過濾波選出的兩個光邊帶的帶寬都是4 GHz,且兩個光邊帶的中心頻率差為96 GHz。經光電探測后,系統產生W波段調頻信號的頻譜如圖2(c)所示。從圖2(c)可知,W波段信號的中心頻率和調頻帶寬分別為96 GHz和8 GHz,實現了中心頻率和帶寬均為8倍提升。

圖2 W波段雷達系統的光譜圖和頻譜圖Fig.2 Optical spectrum and electrical spectrum of W-band radar system

此外,通過改變光濾波器的參數,該系統能夠產生不同頻率、不同帶寬的雷達信號。圖3是在不同的光濾波器參數下,光濾波器輸出的光譜以及相應光譜經光電探測后輸出的電譜。圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)分別用光濾波器選出-2階和+3階光邊帶、-3階和+3階光邊帶、-3階和+4階光邊帶,圖中的紅色虛線為所使用濾波器的響應曲線。選出的光邊帶經光電探測器后,輸出不同頻率、不同帶寬的雷達信號,它們的頻譜如圖3(d)～圖3(f)。因此,該系統生成雷達信號的頻率和帶寬具有良好的可調諧性。

圖3 光濾波器不同參數下輸出的光譜以及對應的頻譜Fig.3 Optical spectrum and the corresponding electrical spectrum under different parameters of the optical filter

2 W波段回波信號去斜接收

2.1 系統組成和原理

W波段雷達去斜接收原理圖如圖4所示。為了實現對目標探測,將系統產生的W波段信號經功分器分成兩路,一路通過功率放大后經天線發射到空間中,另一路則輸入到第2個相位調制器的射頻端口,將參考信號調制到光域。目標反射后的回波信號由接收天線收集,然后注入到第3個相位調制器,其目的是調制第2個相位調制器輸出的光信號。此時,第3個相位調制器可以產生同時調制了參考信號和回波信號的光信號。使用光濾波器選出靠近光載波頻率為96 GHz的寬帶光信號。由于回波信號與參考信號之間的頻率差與延時有關,將濾波后的光信號輸入到光電探測器中可以得到具有固定頻率的單頻電信號。圖4中虛線框部分為系統的接收系統部分。由于去斜信號頻率與回波延時成正比,因此可以得到目標距離信息。

圖4 W波段雷達信號去斜接收原理圖Fig.4 De-chirp receiving schematic diagram of W-band radar signal

2.2 回波信號接收過程理論分析

為了便于計算,將W波段調頻雷達參考信號和回波信號進行簡化,即

(6)

(7)

式中:V1和V2分別表示參考信號和回波信號的幅度;f1=8f0;k1=8k0;τ表示信號在空間傳播中的時間延遲,則經過兩次相位調制后產生的光信號可以表達為

(8)

式中:m1和m2分別是兩個相位調制器的調制指數。

此時,通過光濾波器選出靠近光載波頻率為96 GHz的兩個光邊帶,該光信號可以表達為

(9)

式中:A1和A2分別是兩個光邊帶的幅度。經光電探測后,輸出的低頻去斜信號可以表達為

(10)

式中:R2表示光電探測器的響應度;DC2表示直流成分;A3表示去斜后信號的幅度。從式(10)可知,該信號的頻率取決于輸入信號的調頻斜率以及回波信號的延時。因此,可以從去斜后的信號中提取目標的距離信息。

2.3 回波信號接收過程仿真分析

在雷達接收端,目標回波信號的處理是基于微波光子去斜技術。假設探測物體長度為20 m、寬度為10 m,且探測物體與天線之間的距離為5 km。該探測物體存在多個散射點,總共產生10個具有不同延時的回波信號,微波光子去斜后電信號的頻譜如圖5(a)所示。圖5(b)是圖5(a)局部放大的結果。從圖5(b)可知,從0.889 5 GHz到0.893 1 GHz之間存在10個不同頻率的單頻信號。依據仿真采用的信號帶寬為8 GHz、脈沖寬度為0.3 ms,能夠計算出相距5 km處探測目標對應的去斜頻率為f=kτ≈ 0.889 5 GHz,該理論值與仿真結果一致。對圖5(b)中的10個單頻信號進行處理,可以得到目標的距離像。

圖5 不同延時回波信號去斜處理后信號的頻譜Fig.5 Electrical spectrum of the signal after de-chirp processing of the echo signals with different delays

3 W波段ISAR成像

3.1 雷達成像原理

假設探測目標存在多個散射點且按角速度ω轉動,用L表示目標到天線的距離,x和y分別表示散射點在不同方位上的位置。如果使用一個采樣間隔大于調頻信號時寬的慢時間tm對目標采樣,則當目標與天線之間的距離遠大于目標尺寸時,目標與天線之間的距離可以近似表達為

R≈L+xcos(ωtm)+ysin(ωtm)

(11)

如果每次采樣目標的角度變化趨近于零,則式(11)可以近似為

R≈L+x+yωtm≈L+x

(12)

假設天線發射的調頻信號為ET,則微波光子去斜處理后得到的信號可以表達為

(13)

式中:V3表示幅度,該信號的第一個相位項包含了目標的距離信息,第2個相位項與多普勒頻率有關,可以用來得到目標的方位信息。如果按照采樣時間t對第1個相位進行分析則可以得到頻率f=2Rk1/c,進而得到目標相對天線的距離R≈L+x。將R≈L+x+yωtm代入式(13),按照慢時間tm對第2個相位項進行分析可以得到多普勒頻率fd=2yωf1/c,進而根據發射信號頻率和目標角速度得到散射點的方位信息,結合散射點的距離信息和方位信息實現目標成像。

3.2 雷達成像中的運動補償

如果目標相對天線按一定的速度v運動,則散射點與天線之間的距離可以表示為R+v(t+tm),此時需要通過平動補償來保證成像結果不受目標運動的影響。在目標運動的情況下,系統距離向的包絡通常會發生偏移,導致無法獲得清晰的目標成像。通常,需要采用距離校準對偏移的距離信息進行補償,常用相關法[14]或最小熵法[15]等方法對偏移量進行估計,并根據估計的值對齊信號包絡,從而保證得到的距離不受目標平動的影響。經距離校準后,目標平動引起的包絡偏移已經得到補償,而平動引起的相位誤差會影響成像所需的多普勒頻率,因此需要初相補償過程對信號的相位進行補償。由于每次采樣中,同一目標的每個散射點具有相近的影響,可以通過特顯點法[14]等方法對信號的相位進行補償,進而通過方位壓縮處理獲得目標高分辨率成像結果。

若目標運動速度較大,散射點的運動會引起距離維位置隨慢時間發生緩慢變化,若該變化超過最小分辨單元,則會引起距離單元徙動。此時,由于運動導致的頻率會與多普勒頻率耦合,最終影響方位信息。可以通過對慢時間的采樣間隔進行適當的尺度變換將耦合的頻率恢復為多普勒頻率[16],消除距離徙動對成像的影響。

3.3 雷達成像仿真分析

假設探測目標為如圖6所示的雅克-42飛機[17],目標由432個散射點組成,且整個目標按一定的速度和角速度進行運動。雷達發射信號形式為線性調頻信號,中心頻率為96 GHz、帶寬為8 GHz。理論上,ISAR成像的距離分辨率是1.875 cm。目標散射點的回波信號使用去斜技術進行處理。如果直接對去斜后的信號進行距離向FFT處理,此時所得到的距離像會出現包絡偏移現象。通過距離校準對包絡的偏移量進行估計并補償,可消除包絡偏移對成像結果的影響。

圖6 成像采用的雅克-42飛機目標模型Fig.6 Yak-42 aircraft target model used for imaging

經過距離校準之后,目標平動引起的包絡偏移已得到補償。由于信號的相位受到目標運動的影響,無法實現良好的聚焦效果,導致不能對目標進行高分辨率成像。如果對距離壓縮后的信號進行初相補償,用于消除平動對相位造成的影響。對初相補償后的數據執行方位壓縮得到散射點的方位信息,結合距離信息和方位信息,進而實現二維成像。從圖7可知,不同姿態下的目標ISAR成像距離向和方位向分辨率均為2 cm,飛機成像結果輪廓清晰,頭部、機翼和尾部均明顯可分辨。

圖7 雅克-42飛機目標模型的不同位置處的成像仿真結果Fig.7 Imaging simulation results at different positions of the Yak-42 aircraft target model

4 結 論

本文提出了一種基于微波光子技術實現的W波段ISAR成像系統,該系統主要由W波段寬帶雷達信號生成、回波信號處理及ISAR成像三部分組成。本文通過原理分析、理論推導以及仿真對系統進行分析和驗證。通過仿真模擬了W波段ISAR對目標探測的全過程,發射端實現了中心頻率為96 GHz、帶寬為8 GHz的雷達信號生成,接收端實現了回波信號去斜處理。ISAR成像仿真結果表明,不同姿態下的目標輪廓清晰可辨。