机载超高分辨率SAR内定标技术研究

贺彩琴，李敏慧，雷万明，朱　力

(南京电子技术研究所，　南京 210039)



机载超高分辨率SAR内定标技术研究

贺彩琴，李敏慧，雷万明，朱力

(南京电子技术研究所，南京 210039)

摘要：首先，研究了合成孔径雷达的内定标工作原理，分析了发射定标实测信号；然后，给出了误差补偿前后的一维距离图像性能指标，提出了利用发射定标数据作为参考函数进行实际数据成像处理的方法；最后，成功应用于机载试飞中，获得了高质量合成孔径雷达图像，并证明了该方法的有效性。

关键词：内定标；脉冲压缩；机载合成孔径雷达；线性调频信号

0引言

超高分辨率合成孔径雷达(SAR)成像中的二维超高分辨率，一般是通过发射超宽带线性调频信号(LFM)和方位维的大角度聚束扫描来实现的。由于分辨率极高，发射LFM信号的带宽大，LFM信号经过雷达系统的通道链路会对信号的幅度和相位产生调制，从而影响信号聚焦压缩的效果，带宽越大其调制影响越大。SAR发射的宽带信号经历发射机(固放)、馈电网络、T/R组件发射通道、天线阵面想外辐射；回波信号经天线阵面接收、T/R组件接收通道、馈电网络、环形器，进入接收前端，到达接收机，经模数(AD)采样后形成回波原始数据，用于成像处理。由此可见，整个通道链路的任何一部分都会对信号产生影响。对于宽带LFM信号来说，由于雷达系统的非线性影响，带宽内每个频点的幅度和相位因受到调制而产生误差，引起脉冲压缩后成对回波的出现，从而使脉冲响应的主瓣展宽，旁瓣电平升高，出现不对称分布旁瓣现象。

如何补偿通道对信号的影响，是高分辨SAR成像必须解决的一个难题。目前，工程上一种切实可行的方法是通过内定标技术[1-2]来实现。由于发射的宽带线性调频信号经过了定标链路(包括发射链路、接收链路或参考链路等)，信号受到通道链路的影响已包含在定标信号之中，通过对定标信号的分析可以提取出用于补偿的幅度和相位信息，也可以得到与真实信号高度相干的脉冲压缩参考信号，从而实现对高分辨SAR系统的幅相误差补偿和高质量的聚焦压缩，得到高质量的高分辨率SAR图像。

本文给出了内定标系统一般工作原理、定标模式和定标信号的分析方法，针对超高分辨SAR系统，介绍了其定标系统的组成和采用的定标方案、定标处理试验流程与误差补偿分析实验。利用提取出的误差补偿所需的幅相误差数据来进行试飞数据成像处理，获得了高质量超高分辨率SAR图像。

1工作原理

雷达系统的定标[3-4]包括外定标和内定标。外定标一般利用雷达系统自身以外资源,通过使用辅助设备,如定制放飞的金属球、专门的外定标器等，进行目标的外定标。外定标时一般对定标场景有一定的要求，如要求电磁环境干净、放飞的金属球要近似为点目标；雷达波束照射到定标器上，其雷达回波应尽量避免多径效应等。这在实际工作中，有一定的难度。内定标一般利用雷达自身的电子设备，通过增加内定标器来形成发射、接收等定标回路，利用定标信号经过与真实回波信号尽可能相同的雷达发射通道和接收通道链路，形成内定标网络或定标回路，实现内定标功能，得到经过定标通道链路的回路信号，提取出SAR成像处理所需的误差信号或成像距离压缩所需的参考信号，实现对真实回波信号的成像处理。

SAR系统中内定标信号流程一般有三个，分别是发射信号定标、接收信号定标和参考信号定标。发射定标有两种方式，即非延时定标和延时定标。非延时定标方式的优点是内定标器内无放大器等有源器件，只含有微波开关、衰减器和环形器等无源器件，定标器的传递函数稳定性高，内定标精度高；缺点是由于发射脉冲脉内定标，对内定标链路与雷达正常工作链路之间电磁泄漏的隔离度要求很高，即雷达工作时，发射和接收信号不能通过定标链路形成“多径效应”，影响发射信号和接收信号质量；雷达定标时，定标信号不能经历雷达通道形成“多径效应”，影响定标信号质量。延时定标方案的优点是回避了脉内定标的信号相互干扰问题，缺点是由于内定标器的光纤延迟线部分是有源器件，内定标器为了保证传递函数稳定，必须加增益补偿措施，以防止内定标器自身的增益不稳定引入的定标精度误差。

考虑工程实施的可行性，在机载超高分辨率SAR雷达试飞时，我们采用非延时内定标方法，实现定标数据的录取和处理。系统设计中，内定标网络位于有源相控阵天线阵面内，T/R组件射频信号耦合进入该网络，用于提取雷达发射信号。内定标器位于雷达中央电子设备中，为一个三端口单元，端口A与激励源副路端口相连，端口B与阵面内定标网络总口相连，端口C与接收机副路端口相连，如图1所示。发射信号定标、接收信号定标皆可分为全阵面定标和单个T/R组件定标。全阵面定标时，天线阵面所有T/R组件工作,分别对雷达进行发射信号定标和接收信号定标。

图1　内定标器与雷达各接口连接示意图

1)发射定标流程[1]：激励源产生的线性调频信号经固态发射机送至天线阵面馈电网络和T/R组件，通过T/R组件耦合口，耦合信号依次经历内定标网络和内定标器送至接收前端副路，进入接收通道、A/D变换器和信号处理单元/记录设备。发射定标信号没有经历天线阵面的辐射单元。

2)接收定标流程[2]：激励源通过其副路口输出线性调频信号，送至内定标器端口A，通过内定标器内部组合开关选通，定标信号从端口B流出，送至阵面的内定标网络总口，耦合进入T/R组件接收支路，通过耦合口进入阵面馈电网络到达其总口，经环形器从接收前端主路依次进入接收前端、A/D变换器和信号处理单元/记录设备。

3)参考定标流程[3]：激励源通过其副路口输出线性调频信号，送至内定标器端口A，通过内定标器内部组合开关选通，定标信号从端口C输出，从接收前端副路依次进入接收前端、A/D变换器和信号处理单元/记录设备。

从上述定标流程可以看出，定标信号应用时，应去除内定标器、内定标网络、插头、插座和连接电缆等对定标信号的影响。

2定标信号分析

在雷达地面联试或是空中成像飞行试验时，利用记录的发射定标信号或接收定标信号或参考定标信号，综合分析雷达信号质量、距离压缩后一维图像性能，包括信噪比、斜距分辨率、峰值旁瓣比和积分旁瓣比等，来及时判断雷达设备是否正常。在某成像模式工作前，开启该模式的定标方式，记录若干个定标信号，送记录设备，用作事后处理；或实时送成像处理机，用作准实时距离压缩处理。

设发射线性调频信号为

(1)

式中：f0为发射信号载频；a(τ)为发射脉冲的包络，通常为矩形；k为线性调频斜率；T为脉冲宽度；τ为距离向快时间。

雷达接收到地面静止点目标P(xi,yi)的回波信号经混频处理后，可表示为

Sri(t,τ)=σiw(t,Ri)a(t-τi(t))·

(2)

式中：σi为该点目标的后向散射系数，与点目标散射特性有关；t和τ分别为方位慢时间和距离快时间。对式(2)进行距离脉冲压缩，即

Sri1(t,τ)=Sri(t,τ)*hr(τ)

(3)

式中：hr(τ)为距离参考函数；*表示卷积运算。理论上

hr(τ)=a(τ)exp(-jπKτ2)

(4)

设天线双程方向图为矩形，可得到距离脉冲压缩结果

sinc[πBd(t-tc)]

(5)

式中：C为复常数；Bd为多普勒带宽；Br为信号瞬时带宽；Ric为航线与目标间最短斜距。

上述为经典的距离压缩处理算法。实际上，雷达回波信号是受雷达发射和接收通道的调制，受雷达工作时的周边电磁环境、温度等因素影响。距离参考函数hr(τ)不再满足式(4)，要比式(4)复杂得多。同样受周边电磁环境、温度、雷达整个信号链路(包括发射和接收支路)等因素影响，相对于窄瞬时带宽雷达系统，宽带雷达系统收发支路产生的幅度相位误差会更大，特别是相位误差，会直接影响到SAR 图像的质量，在成像处理中不能忽略。因此，对于宽带或超宽带信号，若用式(4)进行脉冲压缩处理，距离脉冲压缩效果不理想。

采用准实时发射定标、接收定标或参考定标数据，来替代距离参考函数hr(τ)，可改善距离脉冲压缩效果。

3定标处理与误差补偿分析实验

机载超高分辨率雷达系统中，幅相误差补偿分析验证包括定标和回波数据的录取、定标数据分析、误差补偿分析验证。

3.1定标和回波数据录取

在该雷达系统中，定标数据录取由三部分软件控制完成，分别是显控软件、雷达数据处理软件和试飞实时记录分析软件。

雷达显控软件完成定标模式选择(如噪声定标、参考定标、全阵面发射定标、全阵面接收定标、单T/R组件发射定标、单T/R组件接收定标)，和该模式下雷达相应工作参数的输入和设定。

雷达数据处理软件完成定标方式下雷达相应工作参数的接收和控制以及定标数据的实时传输和记录控制。

试飞实时记录分析软件，通过对定标数据实时记录和分析，快速监测雷达系统状态，判断天线T/R组件工作是否正常(包括T/R组件是否发射信号、是否正常接收等)，整个接收链路、A/D数据采集、全链路接收噪声电平等是否正常，实时判断雷达工作是否正常，同时通过分析回波数据的信噪比、斜距分辨率、峰值旁瓣比和积分旁瓣比等指标，对试飞作出实时调控，如当回波信号的信噪比过小时，实时调整雷达作用斜距，以满足信噪比要求，以此有效录取定标数据和原始回波数据。

3.2定标数据分析

机载超高分辨率雷达工作于X频段[5-6]，采用宽带发射四个子频带接收方案，使分辨率达到了0.1 m。在空中成像试飞中，通过发射定标链路获取的发射定标信号，用理想距离参考函数对每个通道接收的子频带进行距离压缩，其结果如图2所示，压缩后一维图像质量性能见表1中对应数据。由图2可看到，每个通道接收的子频带信号的压缩脉冲形状不同，压缩脉冲的峰值旁瓣不对称分布并且高达-5.35 dB～ -10.89 dB,这主要是雷达全链路幅度和相位误差造成的。

图2　宽带发射四子频带接收的发射定标信号

对发射定标数据进行幅度和相位误差补偿、4路信号合成宽带信号的脉冲压缩结果如图3所示，其图像质量性能见表1中对应数据。由图3可看出，峰值旁瓣对称分布并且降低至-13.47 dB，与理想值基本一致。

图3　宽带发射四子频带接收合成高分辨率结果

斜距分辨率/m积分旁瓣比ISLRr/dB峰值旁瓣比PSLRr/dB宽带发射第1子带接收(未补偿)0.300-6.70-10.890宽带发射第2子带接收(未补偿)0.297-5.91-8.214宽带发射第3子带接收(未补偿)0.298-4.05-5.350宽带发射第4子带接收(未补偿)0.310-4.28-6.780合成信号(补偿)0.077-9.70-13.470

3.3误差补偿验证

在该型雷达试飞中，把实时记录下来的发射定标数据作为参考函数，用于数据成像处理中，进行距离脉冲压缩，处理结果如图4所示的双回路鼓型塔架的SAR图像。可以看出，0.10 m分辨率SAR图像中塔架的精细结构。

图4　用发射定标数据补偿后的SAR图像及其光学图像

4结束语

把内定标技术应用于超高分辨率机载SAR中，用内定标数据可补偿雷达全链路的幅度和相位误差，得到高质量的距离维图像。本文研究了内定标技术工作原理、对发射定标实测信号进行了分析，给出了误差补偿前后的一维距离图像性能指标，通过飞行试验和成像处理，证明了所提方法的有效性。

参 考 文 献

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GAO Yangui, LIN Youquan. Radiometric calibration model and error analysis of SAR image[J]. Modern Radar, 2010,32(6): 39-42.

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贺彩琴女，1967年生，高级工程师。研究方向为雷达数据处理。

李敏慧女，1980年生，高级工程师。研究方向为雷达总体工程。

雷万明男，1964年生，研究员。研究方向为雷达信号处理。

朱力男，1964年生，研究员。研究方向为雷达总体工程。

萨博公司公布“海上长颈鹿”4A有源相控阵雷达研制进展

据每日雷达网2016年1月13日报道，瑞典萨博公司近日公布了其“海上长颈鹿”4A雷达的最新进展。“海上长颈鹿”4A雷达是一种中/远程有源相控阵监视雷达，装备了火箭、火炮以及定位器等，可对空中目标实施探测，支持地空导弹系统作战。2011年，美海军向萨博公司提供了“海上长颈鹿”雷达的研究合同，该公司于2015年11月对雷达进行了首次测试。该型雷达可以每分钟60转的速度对70°范围内目标进行搜索，可为作战人员提供目标三维数据，对直升机等静态和动态目标进行分辨，为美军武器系统提供目标识别能力。

(张昊编译)

A Study on Internal Calibration Techniquefor Airborne Super-resolution SAR

HE Caiqin，LI Minhui，LEI Wanming，ZHU Li

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：Firstly, principles of internal calibration technique are introduced in airborne synthetic aperture radar (SAR), and the real-time transmission signal data of SAR send calibration is analysed. Then, the performance indicators of one dimensional range image are given with and without the systematic errors compensation， meanwhile, a method is proposed using the real-time calibration data as reference functions in SAR image processing. Finally, the successful radar flight test and the high resolution range profiles have proved the feasibility of this method.

Key words：internal calibration；pulse compression；airborne synthetic aperture radar；linear frequency modulation

中图分类号：TN958

文献标志码：A

文章编号：1004-7859(2016)02-0015-04

收稿日期：2015-10-22

修订日期：2015-12-14

通信作者：贺彩琴Email：janehoe@126.com

DOI：·总体工程· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.02.004