慢速平台SAR 系统设计与仿真分析∗

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

在信息化条件下的局部战争中,需要使用远程精确打击武器进行防区外打击,实施这一战略战术必须有能实时提供远距离战场动态图像情报的全天时、全天候成像侦察监视装备。目前用于远距离图像情报侦察的平台主要有天基平台和航空平台两大类。天基侦察监视系统具有搜索范围广、覆盖面积宽、侦察区域不受限等优点,但机动性差、重访时间长。航空机载侦察监视系统机动性好,可实现快速部署、响应时间短,但也存在容易被对方发现而受到攻击的危险、不能对重点地区实施不间断连续侦察和费用较高等缺点。

与人造卫星和航空器相比,慢速飞艇平台具有滞空时间长、安全性高和成本低等特点,在高效能、高强度和高消耗的现代战争中,慢速平台侦察监视系统在战场生存能力、覆盖范围、持续监视等方面都具有非常显著的优势,越来越受到各国军方的重视。本文针对慢速飞艇平台的特点,开展了慢速平台SAR系统设计技术研究,并对慢速平台SAR系统主要参数进行了仿真分析。通过采用脉冲推扫成像模式,可在飞艇等慢速平台上实现同时高分辨率、宽观测带SAR成像。

1 慢速平台特点及其对SAR系统影响

合成孔径雷达(SAR)借助平台运动增加方位带宽以实现对地面静止目标高分辨率成像,慢速飞艇平台的最大特点就是平台速度慢,因此其对SAR系统的影响主要表现在以下几个方面:

1)平台速度慢,采用脉冲推扫工作模式,即脉间变波位、变脉宽、循环扫描、分时覆盖的方式,可以解决同时高分辨率、宽观测带SAR成像时对脉冲重复频率(PRF)要求的矛盾[1]。

2)平台速度慢,限制了SAR系统在方位向的观测范围,可以采用方位向摆扫工作模式实现方位向的宽观测带,提高慢速平台SAR系统的侦察时间分辨率,提升系统的观测效能。

3)平台速度慢,采用运动目标显示(MTI)工作模式,可以提高对慢速运动目标的检测能力,采用同时SAR/MTI模式,可以实现对战场态势(静止和运动目标)的综合监视。

4)平台速度慢,合成孔径时间长,且平台飞行不平稳,对运动补偿的要求高[2-5]。

5)平台速度慢,合成孔径时间长,对频率稳定度的要求高。

此外,慢速飞艇平台滞空时间长,可以对热点地区实施长期不间断的侦察监视,且平台费用低、效率高、安全性好。

2 慢速平台SAR系统设计

2.1 雷达体制选择

如前所述,由于平台速度慢,可采用“脉间变波位、变脉宽、循环扫描、分时覆盖”的方式,实现同时高分辨率、宽观测带SAR成像。考虑最大作用距离和距离向不模糊等因素,一般PRF为k Hz量级,即脉冲重复周期为毫秒级,为了实现脉冲推扫成像,这就要求距离向波位切换速度达到毫秒级。

由于平台速度慢,需采用方位向摆扫的方式弥补方位向观测范围窄的缺陷,这就要求雷达在方位向具有快速波束扫描功能,同时,方位向波束扫描也可以实现聚束SAR以及MTI等多种工作模式。

考虑到慢速平台SAR需要具备二维波束扫描能力,因此,选择二维有源相控阵雷达体制。该雷达体制不仅可实现脉冲推扫、方位向摆扫、聚束SAR、MTI等多种工作模式,还可与高精度惯导结合,隔离慢速平台姿态扰动,保证波束指向稳定。

2.2 工作模式设计

为了充分发挥慢速平台SAR系统的侦察效能,应根据不同作战需求完成多种工作模式,针对慢速平台特点,主要工作模式有条带SAR、聚束SAR、脉冲推扫、方位向摆扫和MTI。

1)条带SAR模式

条带SAR模式是最基本的SAR工作模式,在条带SAR模式下,随着雷达平台的移动,天线波束指向保持不变,波束基本上均匀地扫过地面,条带SAR模式的工作示意图如图1所示。理想情况下,条带SAR模式的方位向分辨率为La/2,其中La为雷达天线方位向孔径长度。而条带SAR模式的观测带宽度与距离向波束宽度、天线视角、平台高度和雷达接收回波窗大小等相关。

图1 条带SAR模式工作示意图

2)聚束SAR模式

聚束SAR模式是一种精细高分辨率成像模式,是实现小区域高分辨率成像的主要手段[6]。它通过控制雷达方位向天线波束指向,使其对目标区域连续照射来获得较长的合成孔径时间,从而获取一小块区域内条带SAR模式无法达到的高分辨率图像,聚束SAR模式的工作示意图如图2所示。在整个合成孔径时间里,雷达不断调整天线波束指向,始终照射地面同一区域,从而克服条带SAR模式中天线方位向孔径长度决定的方位分辨率限制,获取更长的合成孔径长度,得到更高的方位向分辨率。

图2 聚束SAR模式工作示意图

3)脉冲推扫模式

慢速平台SAR系统平台速度慢、多普勒带宽窄,采用脉冲推扫模式可解决同时高分辨率、宽观测带成像时对PRF要求的矛盾。脉冲推扫模式的工作示意图如图3所示,天线波束在距离向相互交叠的波位间从低视角向高视角顺序扫描,并在每一个波位驻留时间内完成一次脉冲发射和目标回波接收,所有波位扫描和信号收发时间之和小于方位向多普勒带宽对应的脉冲重复周期,这样每个波位采集的数据均能满足方位向采样率要求,可实现全孔径高分辨率成像。各波位SAR数据分别进行成像处理后,对不同视角相互交叠波位SAR图像进行拼接,可形成高分辨率、宽观测带SAR图像。

图3 脉冲推扫模式工作示意图

4)方位向摆扫模式

为了提高慢速平台SAR系统的侦察效能,采用方位向摆扫成像模式,结合天线波束方位向的宽角扫描能力,扩大探测范围,方位向摆扫模式的工作示意图如图4所示。在条带SAR模式中,天线波束指向与平台的飞行航线垂直,即传统的正侧视模式。天线的波束指向也可以向前或向后,通常称之为斜视模式。方位向摆扫模式即是通过改变天线波束的斜视角,对前方的目标预先成像或对后方的目标再次成像,从而提高系统的灵活性和平台的隐蔽性。譬如,在斜距100 km和15°的前斜视角时,SAR可在方位向提前探测到大约27 km处的目标,对慢速平台20 m/s的速度,即可提前大约22 min探测到目标,因此,该工作模式对慢速平台SAR系统来说具有非常重要的意义。

图4 方位向摆扫模式工作示意图

5)MTI模式

除了上面提及的条带SAR、聚束SAR、脉冲推扫、方位向摆扫等成像模式外,MTI模式也是慢速平台SAR系统的一个重要模式,目前MTI模式主要有3种处理方法:偏置相位中心天线(DPCA)、沿航迹多通道干涉测量(ATI)、空时自适应处理(STAP)。针对慢速平台的特点,MTI模式选择ATI方法,在沿运动方向采用两个偏置相位中心的天线孔径,分别对两路信号进行SAR成像处理,然后将其中一个通道的复图像与另一通道的复图像共轭相乘,计算两路信号的干涉相位。

2.3 系统组成及功能

慢速平台SAR系统主要由天线单元、综合射频单元、综合处理单元以及一些辅助设备等组成,如图5所示。

图5 慢速平台SAR系统组成框图

天线单元完成射频信号的放大/移相、分配/合成,以及射频信号的导波与空间电磁波之间转化。就相控阵天线而言,在发射态,天线单元将激励信号放大后分配到天线阵面,经天线阵面辐射后在空间形成所需的发射波束。在接收态,天线阵面将接收到的目标回波信号经过天线单元接收放大合成后,送至综合射频单元。因此,天线单元主要包括天线阵面、T/R组件、馈线网络、校正网络、阵面波控、阵面电源等。

综合射频单元主要包括激励与波形产生、频率综合器、多通道接收与采集等。激励与波形产生为天线单元提供不同工作模式所需的功率电平射频信号,同时为天线单元提供校正信号。频率综合器以高稳定低相噪的恒温晶体振荡器为基准,产生系统所需的各种高稳定、低相噪、低杂散的相干信号、本振信号和时钟信号。接收通道是将来自天线单元的回波信号进行低噪声放大,并与本振信号进行混频,产生中频信号,经中频放大及开关滤波器组对信号进行匹配滤波,由解调器进行数据解调后送数据采集。数据采集是将接收通道接收、放大、滤波且正交解调后的SAR回波数据进行模数变换,并将多路通道数据与监控(任务管理)送来的辅助数据进行整合。

综合处理单元主要包括信号处理和任务管理两部分。任务管理完成雷达系统波束控制(与天线单元阵面波控一起)和整机监控的功能,即接收终端控制送来的SAR工作模式,产生整机时序,控制各单元的工作状态和工作参数;计算SAR工作模式下的波位参数,将移相值、衰减值等信息送给阵面波控;采集SAR工作状态和参数送终端控制。信号处理完成不同工作模式下的成像处理,含脉冲推扫模式下的图像拼接,以及MTI模式下的运动目标显示。

对慢速平台SAR系统来说,雷达辅助设备一般包括电源系统、环控系统、INS/GPS、终端控制等。电源系统是为雷达整机提供供电;环控系统是为了满足雷达设备的冷却需求,确保雷达设备始终处于良好的工作温度条件下;INS/GPS是为采集平台姿态、位置等参数用于雷达天线波束指向稳定,并为成像处理提供运动补偿信息;终端控制是针对飞艇等无人平台,由地面操作人员根据任务控制雷达工作模式,并监测雷达工作状态。

3 慢速平台SAR系统参数仿真分析

SAR系统采用小口径雷达天线沿一直线轨迹匀速前进,进行雷达回波的空间合成(相干积累),可获得极高的方位向分辨率且与目标距离无关,并通过脉冲压缩技术实现距离向高分辨率,从而获取地面场景的二维高分辨率图像。除图像分辨率、观测带宽度外,系统灵敏度是衡量SAR图像质量的关键指标之一。对SAR系统而言,常用噪声等效散射系数(NESZ)来表征系统灵敏度,定义为SNR=0 dB时的平均地面后向散射系数,即

式中,k为玻耳兹曼常数,T0为接收机温度,Fn为接收机噪声系数,R为雷达与目标间的距离,L为系统损耗,v为平台运动速度,Pav为发射信号的平均功率,Gt为发射天线增益,Gr为接收天线增益,λ为雷达工作波长,ρrg为地距分辨率。

为仿真需要,首先设置平台及雷达参数,如表1所示。其中,发射平均功率=峰值功率×占空比;天线增益η为天线效率,A为天线面积;地距分辨率ρrg=ρr/sinθ,θ为入射角。慢速平台SAR系统可采用脉冲推扫模式实现同时高分辨率、宽观测带SAR成像,因此,以下仿真分析以脉冲推扫模式为例,并分别考虑两种分辨率模式。

表1 平台与雷达仿真参数

在0.3 m分辨率模式下,取信号带宽为700 MHz,计算脉冲推扫模式下系统灵敏度。从中心入射角45°开始,采用6个子波位循环地对距离向6个子观测带进行脉冲推扫。成像时每个子波位的数据分别进行处理,因此相对于每个子波位,PRF降低为原来的1/6,而每个子波位的有效平均功率下降为原来的1/6,即下降7.78 dB。6个子波位分别成像处理后进行图像拼接,可实现优于30 km的观测带宽。从中心入射角75°开始,只要一个波位,即能实现优于30 km的观测带宽。采用“功率平均分配”方式,即每个子波位的占空比取5%,在整个观测带范围内,NESZ优于-30 dB,如图6(a)所示。对慢速平台SAR系统而言,雷达入射角范围大,各个波位NESZ相差较大,成像时会出现不同波位的SAR图像灰度不一致的情况。从后处理角度,可采用相对辐射定标进行校正;从系统设计角度,可采用“功率不平均分配”方式从根本上解决此问题。各个子波位的占空比不同,取[1%,1.5%,2%,3%,5%,10%,5%],各个波位的NESZ计算结果如图6(b)所示,相对于各波位“功率平均分配”,各波位的NESZ大小比较平均,没有较大的起伏,有利于脉冲推扫模式下的子观测带图像拼接。0.3 m分辨率脉冲推扫模式下的波位设计如表2所示。

表2 0.3 m分辨率脉冲推扫波位设计

图6 0.3 m分辨率脉冲推扫NESZ

在1 m分辨率模式下,取信号带宽200 MHz,计算脉冲推扫模式下系统灵敏度。从中心入射角38°开始,采用3个子波位循环地对距离向3个子观测带进行脉冲推扫。成像时每个子波位的数据分别进行处理,因此相对于每个子波位,PRF降低为原来的1/3,而每个子波位的有效平均功率下降为原来的1/3,即下降4.77 d B。3个子波位分别成像处理后进行图像拼接,可实现优于60 km的观测带宽。采用“功率平均分配”方式,即每个子波位的占空比取5%;采用“功率不平均分配”方式,各个子波位占空比取[1%,3%,10%]。在整个观测带范围内,NESZ优于-30 dB,如图7所示。1 m分辨率脉冲推扫模式下的波位设计如表3所示。

4 结束语

本文针对飞艇平台飞行速度慢的特点,从充分发挥慢速平台SAR系统的侦察效能出发,采用脉冲推扫模式,即以“脉间变波位、变脉宽、循环扫描、分时覆盖”的方式,实现同时高分辨率、宽观测带SAR成像,并对脉冲推扫模式下的慢速平台SAR系统参数进行了仿真分析。后续可将脉冲推扫模式应用于慢速平台SAR系统的设计与研制,并可通过慢速平台飞行试验进行功能验证。

图7 1 m分辨率脉冲推扫NESZ

表3 1 m分辨率脉冲推扫波位设计

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