W波段FMCW体制ISAR系统成像及试验验证

张 慧，王 辉，潘嘉祺，王 群，孔令振，滑 伟

(1. 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191； 2. 上海航天技术研究院 毫米波遥感技术重点实验室，上海 201109； 3. 上海航天技术研究院 毫米波遥感技术重点实验室，北京 100081)

0 引言

毫米波因波长短，获得的图像分辨率高、电磁散射特性细节丰富等特点而成为现代雷达发展的重要趋势[1]。近几年来，随着W波段，尤其是94 GHz元器件的发展，W波段逆合成孔径雷达(ISAR)系统的研究逐渐引起各国的重视。与低波段雷达相比，利用W波段雷达获得的高分辨率ISAR图像对目标进行分类、识别，可大幅提高目标分类、识别，的准确性。此外，要获得与低波段雷达相同的分辨率，W波段ISAR系统所需的成像观测时间更短，易于获得同一目标的ISAR图像序列，而利用ISAR序列图像进行目标分类、识别同样可提高分类、识别的准确性。因此，W波段ISAR系统具有重要的应用价值，可用于空中/太空目标的分类和识别，弹道导弹防御中真假弹头、碎片和诱饵的识别，海面目标的分类和识别等[2-5]。

随着W波段高功率发射器件和准光馈电网络等技术的发展，国外已有W波段ISAR系统的应用先例。现有的W波段ISAR系统主要包括美国的HUSIR系统[6]和WARLOC系统[2]，以及德国的COBRA系统[7]。其中：HUSIR系统主要用于对太空目标(如卫星等)进行成像和监视；WARLOC是一个岸基系统，主要用于对低空目标和掠海目标进行监视；COBRA系统是一个可工作在35，94，220 GHz的雷达系统，在W波段已获得了高精度的目标图像。目前，国内鲜有关于W波段ISAR系统的相关报道。本文介绍了一种W波段雷达系统，并进行了ISAR试验。论文安排如下：第1节介绍了该W波段雷达系统及其性能指标，第2节对W波段FMCW ISAR回波进行了建模和成像处理，第3节介绍了ISAR试验及其实测数据处理结果，第4节对全文内容进行了总结。

1 W波段FMCW ISAR系统

1.1 系统组成和参数

本文提出的W波段FMCW雷达系统主要由电源、频综、天线、发射/接收通道、数字接收机等组成。系统工作原理如图1所示。首先，频综产生中心频率为11.75 GHz的X波段线性调频信号，该信号经过倍频、放大后获得中心频率为94 GHz、带宽为5 GHz的W波段FMCW信号。然后，该W波段信号分为2路：一路通过发射天线辐射到外部空间，由目标反射的回波通过接收天线接收；另一路通过本振增益模块后，与接收天线接收的目标回波进行混频，从而完成去斜处理，得到差拍信号。差拍信号的频率与距离成正比，因此在距离向通过简单的傅里叶变换(FFT)，即可获得目标的距离信息。最后，经过对下变频之后的中频信号进行正交解调，可得到2路正交的I路信号和Q路信号，通过数字接收机完成对I/Q这2路信号的采集和存储，并最终传输到电脑。

图2为本文介绍的W波段雷达系统的实物图。图2(a)展示了整个雷达系统的各个模块，包括电源模块、频综模块、射频前端、模拟中频接收机和数字中频接收机；图2(b)具体展示了射频前端的组成部分，包括辅助电源、发射天线、接收天线、倍频放大模块、混频模块等。

该系统的主要参数见表1。由表可见，该系统的发射功率为1 W，天线增益为23 dB，系统损耗为6 dB。

1.2 ISAR性能指标论证

本小节讨论了该雷达系统用于ISAR时的系统性能指标，包括最大作用距离、分辨率等。

图1 W波段雷达工作原理图Fig.1 Schematic diagram of W-band radar system

表1 W波段ISAR系统参数Tab.1 Parameters of W-band radar system

1.2.1 最大作用距离

根据ISAR系统的雷达方程，ISAR系统的最大作用距离可表示为

(1)

式中：Pt为发射机的峰值发射功率；Gt为发射天线增益；Gr为接收天线增益；λ为波长；Ls为系统损耗；Tr为脉冲持续时间；k为波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；T0为接收机系统的噪声温度；Fn为噪声系数；RSN为脉冲压缩后的信噪比。

在表1所示的系统参数下，不同系统损耗对应的最大作用距离如图3所示。

图3 不同系统损耗下的最大作用距离Fig.3 Maximum operating ranges corresponding to different system losses

由图可见：当系统损耗为58.7 dB(如对海观测)时，最大作用距离为54.27 m；当系统损耗为16.3 dB(如对空观测)时，最大作用距离为623 m。

1.2.2 分辨率

1) 距离向分辨率

与SAR相同，ISAR系统的距离向分辨率同发射脉冲的宽度有关[8]，两者之间的关系为

(2)

式中：Br为发射信号带宽；c为电磁波传播速度；kr为距离向展开系数。不同带宽对应的距离向分辨率如图4所示。

图4 不同系统带宽对应的距离向分辨率Fig.4 Range resolution corresponding to different bandwidths

对于该系统5 GHz带宽而言，距离向分辨率可达0.03 m。当距离向展开系数为1.47时，距离向分辨率为0.044 m，系统的分辨率为cm量级。

2) 方位向分辨率

为获得更好的成像效果，需要方位向分辨率与距离向分辨率相匹配。对ISAR而言，方位向分辨率与目标相对雷达的转角有关，两者之间的关系为

(3)

式中：λ为信号波长；Δθ为目标转角；ka为方位向展开系数。

不同方位向分辨率对目标在相干积累时间内转角的要求如图5所示。

图5 不同方位向分辨率对目标转角的要求Fig.5 Azimuth resolution corresponding to different target rotation angles

由图可见，要获得更高的方位向分辨率，需要的目标相对雷达的转角越大。对于该系统，在不考虑方位向展宽系数时，为达到0.03 m的方位向分辨率要求，目标在相干积累时间内的转角需大于3.05°；要获得0.044 m的方位向分辨率，目标在相干积累时间内的转角需大于2.1°。

2 W波段FMCW ISAR回波建模和成像处理

2.1 信号模型和去斜处理

一个扫频周期内的线性调频信号形式为[9]

(5)

式中：j为虚数单位；fc为信号中心频率；Kr为调频斜率，Kr=Br/Tr。

对于FMCW信号，由于其持续发射和接收的特性，在一个扫频周期内，目标和雷达之间的距离不断变化。此时，脉冲雷达中“停—走—停”的假设不再适用[10-11]，目标相对雷达的距离与快时间相关。接收的二维发射信号为

exp{jπKr(tr)2}

(6)

式中：tr为快时间；ta为慢时间。

接收信号形式为

exp{jπKr(tr-τ)2}

(7)

式中：τ为目标到雷达的双程时间延迟。目标到雷达的距离记为Rk(t′)，t′=ta+tr，则τ=2Rk(t′)/c。

对于FMCW信号，一般采用去调频处理，即利用参考位置点目标的回波与实际目标回波进行混频，从而使目标和雷达之间的相对距离可通过差拍频率进行测量。

假设参考距离为Rref，则经过去斜处理后得到的差拍信号为

(8)

式中：第一个相位项为方位向相位历程；第二个相位项为距离维差拍相位；第三个相位项为残余视频相位(RVP)项，当其小于π/4时，可忽略。本文中介绍的W波段小型化ISAR，采用发射信号作为参考信号，即参考距离选择为0。

2.2 ISAR成像

在ISAR成像中，首先需对平动运动分量进行补偿，将任意运动目标的ISAR成像转化为对转台目标的成像。平动补偿包括包络补偿和相位补偿，包络补偿可通过互相关法、距离中心法、最小熵法等方法实现，相位补偿可通过最小方差法、多普勒中心法、最小熵法等方法实现。

由于94 GHz中心频率对应的波长为3 mm，对于W波段ISAR系统，散射点的运动在观测时间内更容易产生越距离单元徙动(MTRC)现象，影响成像质量。另外，当目标尺寸较大时，在目标转动过程中也可能出现多普勒走动的问题。因此，需对W波段ISAR系统进行二维徙动补偿。

W波段ISAR成像的基本流程如图6所示。具体算法流程如下：回波信号与参考信号进行复相乘，完成解线调频处理；对得到的差拍信号进行距离向FFT处理，实现距离压缩；然后进行包络对齐和相位补偿，完成平动补偿，将目标的ISAR成像转换为对转台目标的ISAR成像；最后通过Keystone变换完成距离向MTRC补偿，通过方位向FFT完成二维压缩，得到距离-多普勒域的ISAR图像。

图6 FMCW ISAR成像算法流程图Fig.6 Block diagram of FMCW ISAR imaging

图7 ISAR点目标仿真结果Fig.7 ISAR simulation results

ISAR点目标仿真结果如图7所示。利用表1中的参数仿真了7个点目标，图7(a)为平动补偿后的结果，图7(b)为方位压缩后的成像结果。由图可见：目标得到了良好的聚焦。

3 W波段ISAR外场试验设计和实测数据处理

为简便起见，利用该雷达系统进行转台试验，将目标放置在转动平台上。成像试验现场如图8所示。

图8 ISAR试验现场Fig.8 ISAR test site

在本次试验中，雷达与转台均被放置在具有一定高度的平面上，雷达波束水平指向转台目标。转台旋转角度和速度由方位分辨率决定。根据前面的分析，转台旋转角度需达到3.05°，因此当转台转速为1 (°)/s时，积累时间需超过3.05 s。另外，雷达与转台之间的距离需小于雷达的最大作用距离，且为了满足远场条件，需大于天线远近场边界条件，即

(10)

式中：Rmin为雷达天线远近场的边界条件；L为天线最大尺寸。按照表1中的参数，天线远近场的边界为4.3 m。试验中，雷达与目标的距离约为10 m。

在上述试验条件下，分别对飞机模型、人体模型进行ISAR试验，并利用RD成像算法进行粗成像处理。现场数据处理结果如图9所示。

图9 不同目标的光学图像和ISAR图像Fig.9 Optical images and ISAR images of different targets

图9(a)为人体模型的光学图像，图9(b)为其对应的ISAR粗处理图像，从ISAR图像中，可分辨出人体模型的头、躯干和四肢。图9(c)为泡沫飞机模型的光学图像，图9(d)为其对应的ISAR图像。由目前得到的ISAR粗处理结果可见，虽然目标的主要轮廓可被识别，但图像聚焦效果有待进一步提高。

4 结束语

本文介绍了一种小型化W波段FMCW体制雷达系统，该系统可用于SAR和ISAR。在ISAR应用中，该系统具有分辨率高和成像快速的特点。本文利用该雷达系统设计并完成了ISAR转台试验，获得了试验模型的ISAR初步成像结果。后续将对实测数据进行进一步的聚焦处理和质量提升，以获得聚焦效果更好的W波段ISAR图像，为目标分类、识别提供依据。