低频圆周SAR系统设计与试验验证

张佳佳+姚佰栋+孙龙+江凯

摘要：低频圆周SAR能够获取目标在各方向的散射特征，实现高于条带SAR的分辨率，从而显著提高对叶簇下掩蔽目标的检测、识别能力。本文首先分析了低频圆周SAR系统面临的关键问题，从多个方面开展了低频圆周SAR系统的设计分析，最后给出了低频圆周SAR系统的试验验证情况及典型试验结果。

【关键词】低频圆周合成孔径雷达 叶簇穿透全极化 数字阵列

低频超宽带合成孔径雷达（SAR）既具备较强的叶簇、伪装网、沙土穿透能力，又可实现较高分辨率成像，成为了实现各类低可观测性目标探测的重要手段。然而当前VHF、P等低频段SAR应用一直遭受检测识别瓶颈的限制：一方而，由于绝对带宽、天线尺寸的限制，低频超宽带SAR难以实现亚米级的高分辨率，造成目标分类、识别难度大：另一方而，由于观测目标所处背景环境复杂，树干杂波、地物杂波影响严重，目标信杂比较低，严重影响目标的检测和识别。

将低频段超宽带SAR与圆周成像模式相结合，能够获取目标在各方向的散射特征，提高隐蔽目标识别和地物分类精度；同时，圆周成像模式能够拓宽波数域有效带宽，理论分辨率达亚波长量级，使低频段SAR系统实现高分辨，可获取目标的3维信息，有效减小甚至消除迭掩、阴影等现象。实际上，许多低频圆周SAR的试验工作已经进行，并且取得了一些结果。

本文首先分析了低频圆周SAR系统而临的关键问题；并针对这些关键问题从多个方而开展了低频圆周SAR的系统设计；最后给出了低频圆周SAR系统的试验情况和典型的试验结果。

1 低频圆周SAR系统的关键问题

低频圆周SAR系统的关键问题，主要体现在以下2个方而：

1.1 极化方式选择与实现

目标对入射的电磁波有着特定的极化变换作用，其变换关系由入射波的频率、目标形状、尺寸、结构和取向等因素综合决定，极化方式的选择直接影响目标的回波特性。极化方式的选择对目标检测、分类及识别有着重要影响。

1.2 空变射频干扰抑制

VHF和P两个频段中拥挤着大量社会公共服务体系的无线电信号，这些信号对UWBSAR来讲都是射频干扰（RFI），对其正常工作构成严重的威胁。此外，由于圆周SAR运动路径的特殊性，观测带周边的干扰源将一直存在于回波信号内.且呈现出明显的全向空变特征，因此，如何针对上述类型干扰的抑制手段是低频圆周SAR系统而临的关键问题之一。

2 低频圆周SAR系统设计

2.1 雷达体制选择

当前低频超宽带圆周SAR系统主要实现方式有传统的模拟相控阵雷达体制和数字阵列相控阵雷达体制。相比模拟相控阵雷达，采用数字波束形成技术后，低频超宽带圆周SAR系统工作能力将显著提升，具体如下：

2.1.1 圆/线全极化实现灵活

基于单元级数字阵列特点，在不增加设备量情况下，通过两个发射通道同时发射两个正交的信号实现双圆极化雷达波发射，采用数字3dB电桥实现双圆极化雷达波的接收，提高相位控制精度、降低极化通道之问的耦合度。此外，除了实现全圆极化外，单元级数字阵列系统还具备实现全线极化、简缩极化实现能力，可根据需求应用于不同方向，且具有较高的极化捷变抗干扰能力。

2.1.2 抗干扰性能提升

P波段存在大量的广播信号干扰，干扰源通过接收波束主瓣或副瓣进入雷达系统，通常会大大影响SAR获取的图像质量或生成虚假情报。因此圆周SAR成像工作时必须伴随着足够有效地抗干扰手段。

传统模拟体制的合成孔径雷达抗干扰性能的措施往往是以牺牲其他性能为代价，同时增加了系统的复杂度。数字阵列体制雷达自由度高，幅相控制精度高，拥有更多、更灵活的抗干扰手段，具体如下：

（1）可产生任意波形，并实现波形捷变，抗截获效果好；

（2）能够实现自适应零点，可根据干扰源位置，在载机成像过程中，自适应合成接收波束方向图，使主波束对准成像区域，同时在干扰方向形成零陷可对干扰进行有效抑制；

（3）幅相精度高副瓣性能好，有效抑制副瓣区干扰；

（4）能够实现多种极化（全圆极化、全线极化等），且具有较高的极化捷变能力，极化抗干扰能力强。

2.2 极化方式选择与实现

对于穿透叶簇UWB圆周SAR的极化方式进行选择时，既要考虑极化方式对叶簇穿透衰减和后向散射系数的影响，又要考虑抗干扰能力等方而。

通过机载挂飞进行的叶簇穿透成像试验表明，相对于线极化，圆极化叶簇背景杂波弱于线极化，目标信杂噪比更高，且圆极化人造目标特征更加明显，非常有利于目標的检测、分类与识别。另外采用线极化融合滤波可有效降低叶簇杂波的影响，同时具备圆全极化、线全极化可增强抗压制、有源欺骗干扰能力。因此综合考虑不同叶簇类型、叶簇下目标检测概率、抗干扰需求，结合数字阵列体制优势，设计系统具备圆全极化和线全极化。优先采用左旋、右旋全圆极化方式；同时针对某些特殊应用场景时，可通过在线调整系统参数，实现全线极化方式。

以圆全极化为例，系统实现圆全极化时，天线采用双极化天线，发射时，通过发射通道的数字波形产生器产生两个相位相差90度或-90度的信号，经放大输出至每个双极化天线的两个端口，辐射至空中形成左旋或右旋圆极化波。通过调整两个波形产生器之问的相位差，即可实现左旋、右旋极化信号交替发射。

接收时，若空中入射电磁波E= E_ncos（ωt），其方向与水平方向成θ角，则天线接收到的水平极化分量E_H和垂直极化分量E_V为：

E_H=Ecosθ

Ev=Esinθ

（1）

如图1所示，在接收端，通过AD转换、数字波束形成处理后，在数字域将水平极化信号和垂直极化信号合成左圆极化信号EL、右圆极化信号ER：endprint

E_L=E_H·exp（-j.*π/2+E_v

E_R= E_H+ E_v·exp-j.*π/2） （2）

2.3分辨率分析

圆周SAR的成像几何如图1所示。雷达平台A在距地而高度为H的平而作半径为R的圆周运动，形成一个圆周合成孔径。平台运动过程中，雷达视线方向始终指向场景区域中心，场景中心波束入射角为α。

根据图2的几何关系，圆周SAR水平和垂直分辨率为

其中，λ为工作波长，α为场景中心入射角，C为光速，B为发射信号带宽。

而根据式（3）可知，可以看出，圆周SAR平而二维分辨率与波长和入射角相关；而根据式（4）可知，圆周SAR高程分辨率与信号带宽、入射角密切相关。

在30～70 0入射角下，中心频率在390MHz，工作带宽200MHz情况下，通过计算，P波段平而分辨率最高可达到0.205m×0.205m，高程分辨率最高可达到1.274m。

2.4 观测区域半径分析

根据图3所示的几何关系可知，圆周SAR的观测半径与载机飞行高度H、载机转弯飞行半径、雷达入射角相关。而为了实现圆周SAR成像，载机的转弯飞行半径应在雷达波束最小入射角amm、最大入射角amax所对应的地距[Rmin，Rmax]范围内，转弯半径在这个范围之外时观测带形成一个圆环，无法实现圆周SAR成像。

可以看出，圆周SAR测绘半径与载机转弯飞行半径密切相关，当载机转弯半径为载机在地而上的垂直投影点与条带模式测绘带中心点之问连线所对应的长度时，圆周SAR实现最大测绘半径（Rmax-Rmin）/2。因此，圆周SAR模式成像时，应根据载机性能、雷达波束覆盖范围、任务需求等因素充分做好飞行任务规划，以使系统的性能发挥到最优。

3 低频圆周SAR试验验证

通过机载挂飞试验，我们对线极化P波段圆周SAR叶簇穿透成像进行了验证。观测场景选择2000亩林场，叶簇高度15m、树问距2m×4m。在林中设置了卡车10辆，吊车1辆，成箱式队形，距离问隔40m×20m，如图4所示。进行条带SAR和圆周SAR叶簇穿透目标成像与检测对比试验。试验系统的主要系统参数见表1。

图5和图6的成像结果表明，相比条带SAR模式，圆周SAR叶簇下卡车目标信杂噪比明显提升，检测概率显著提高：同时受益于多角度积累，分辨率有所提高，且地物轮廓更为清晰、明显，有利于目标分类、识别。

4 结束语

本文阐述了低频圆周SAR系统而临的关键问题；从雷达体制选择、极化方式选择、系统组成与功能和系统典型指标分析等方而开展了低频圆周SAR的系统设计：最后给出了低频圆周SAR系统的试验情况和典型的试验结果。低频圆周SAR能够有效提升探测掩蔽目标所需的高信杂噪比、降低虚警概率，从而进一步增强对叶簇下目标的探测能力。

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