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    一種新的毫米波合成孔徑雷達(dá)成像方法

    2014-12-19 02:52:38陳殿仁
    制造業(yè)自動(dòng)化 2014年18期
    關(guān)鍵詞:合成孔徑旁瓣方位

    劉 穎,陳殿仁,陳 磊

    LIU Ying, CHEN Dian-ren, CHEN Lei

    (長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130022)

    0 引言

    目前的機(jī)載和彈載合成孔徑雷達(dá)多采用正側(cè)視和斜視的成像模式,使得雷達(dá)只能對(duì)飛行器兩側(cè)的區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行成像[1,2]。前視合成孔徑成像雷達(dá)是德國(guó)宇航局提出的一種可以對(duì)雷達(dá)載機(jī)平臺(tái)前方扇區(qū)場(chǎng)景進(jìn)行有效成像的一種雷達(dá),可廣泛引用于偵查和制導(dǎo)領(lǐng)域,文獻(xiàn)[3]中對(duì)基于CS算法的前視成像算法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo),文獻(xiàn)[4,5]研究了一種扇區(qū)增強(qiáng)視覺(jué)成像雷達(dá),該雷達(dá)采用單一發(fā)射天線和多個(gè)接收天線組成的天線陣列且接收天線隨慢時(shí)間在接收天線陣列上切換,等效于在方位向產(chǎn)生一個(gè)合成孔徑,該方法發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的距離歷程不相同,使得成像算法變得復(fù)雜。

    本文研究了一種基于毫米波收發(fā)模塊陣列的前視合成孔徑雷達(dá)成像算法,分析系統(tǒng)的工作原理,建立了系統(tǒng)的成像幾何模型和回波信號(hào)模型。分析了該系統(tǒng)的方位特性,詳細(xì)推導(dǎo)了點(diǎn)目標(biāo)的回波模型和適用于前視成像的距離徙動(dòng)算法。采用MATLAB對(duì)6點(diǎn)目標(biāo)的情況進(jìn)行了成像仿真,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析,結(jié)果表明該系統(tǒng)可以有效的對(duì)雷達(dá)前視場(chǎng)景進(jìn)行成像。

    1 前視SAR回波數(shù)學(xué)模型

    毫米波前視合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)幾何示意圖如圖1所示,雷達(dá)平臺(tái)到地面高度z=H,雷達(dá)平臺(tái)沿x軸方向(距離像)運(yùn)動(dòng),雷達(dá)平臺(tái)的y軸方向上(方位向)上等間隔的分布著N個(gè)毫米波發(fā)射接收模塊,每個(gè)陣元發(fā)射和接收共用天線系統(tǒng),形成SAR成像陣列,該陣列以雷達(dá)平臺(tái)中心為中心,即y=0,在成像過(guò)程中,雷達(dá)平臺(tái)以速度vr沿x軸運(yùn)動(dòng),同時(shí),發(fā)射接收模塊沿y軸正方向以速度va依次切換工作。取切換速率va選擇為va=d/PRT=d×PRF,其中d為相鄰兩個(gè)天線系統(tǒng)的距離間隔,即切換頻率選擇為脈沖重復(fù)頻率PRF。載機(jī)運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光束,在任一模塊工作過(guò)程中,可以認(rèn)為載機(jī)靜止不動(dòng),對(duì)于地面坐標(biāo)為(x0,y0,0)的P點(diǎn)目標(biāo),在一次合成孔徑時(shí)間內(nèi),其最短斜距R0只隨慢時(shí)間變換,而不隨快時(shí)間變化[6],即:

    則目標(biāo)到光學(xué)系統(tǒng)的距離可以表示為:

    圖1 前視SAR成像系統(tǒng)幾何示意圖

    雷達(dá)回波經(jīng)經(jīng)過(guò)光下變頻之后可以得到點(diǎn)目標(biāo)的回波信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

    式 中,γ為距離調(diào)頻率,c為光速,λ為激光波長(zhǎng),Tp為脈沖重復(fù)頻率,其中RΔ=R(tm;r)-Rref。將式(3)帶入式(4)可得:

    2 RMA算法

    由式(5)可知,回波信號(hào)的相位項(xiàng)可以表示為:

    式(6)中,第一個(gè)相位項(xiàng)與目標(biāo)有關(guān)的相位項(xiàng),第二個(gè)相位項(xiàng)為成像過(guò)程中的相位殘留誤差。則在成像算法中,需要對(duì)相位殘留項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償,補(bǔ)償公式如下:

    對(duì)方位慢時(shí)間作傅立葉變換得:

    同時(shí),需要對(duì)目標(biāo)位于Rref處的目標(biāo)進(jìn)行二維匹配濾波處理,由上式可知Rref處相位因子:

    然后利用STOLT插值

    則ku,與x,r-Rref構(gòu)成傅立葉變換對(duì),對(duì)式(11)式作二維逆傅立葉變換可恢復(fù)出二維像。

    3 系統(tǒng)成像仿真

    通過(guò)上文的分析,采用如表1所示的雷達(dá)參數(shù)對(duì)6個(gè)坐標(biāo)分別為:(390,300)、(410,310)、(430,320)、(390,300)、(410,290)、(430,280)單位:米)的點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行成像仿真,結(jié)果如圖3~圖5所示。

    表1 雷達(dá)工作參數(shù)

    圖2為目標(biāo)的回波數(shù)據(jù),圖3為系統(tǒng)成像結(jié)果。成像結(jié)果表明,本文提出的毫米波前視合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)可以對(duì)前視場(chǎng)景內(nèi)的目標(biāo)有效成像。

    圖2 仿真目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)

    圖3 仿真結(jié)果

    為了對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行更加深入的分析,以圖3中坐標(biāo)為(390,300)點(diǎn)為例,取成像結(jié)果中峰值處64×64點(diǎn)切片進(jìn)行分析,如圖4所示,由圖可以看出距離向未出現(xiàn)旁瓣未出現(xiàn)扭曲傾斜,而方位向旁瓣出現(xiàn)了扭曲傾斜,其原因?yàn)槠ヅ錇V波器方位向調(diào)頻率隨目標(biāo)距離向坐標(biāo)的變換而改變[5],引起了方位向旁瓣的適配,但旁瓣扭曲未影響目標(biāo)的真確成像。

    圖4 64×64 輪廓圖

    為了對(duì)目標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的分析,針對(duì)坐標(biāo)為(390,300)點(diǎn)目標(biāo),取其成像后的方位向和距離向包絡(luò),如圖5、圖6所示,其中距離向PSLR≈15dB,方位向PSLR≈17dB,可見(jiàn)在距離向和方位像目標(biāo)聚焦效果良好。

    圖5 壓縮后的距離向包絡(luò)

    圖6 壓縮后的方位向包絡(luò)

    4 結(jié)論

    本文研究了一種自發(fā)自收式的毫米波前視合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng),雷達(dá)系統(tǒng)由收發(fā)共用天線系統(tǒng)的毫米波發(fā)射接收模塊組成,工作時(shí),雷達(dá)隨載機(jī)向前飛行,收發(fā)陣列以一定的速度在陣元間依次切換,發(fā)射毫米波并接收回波。文中分析了系統(tǒng)的成像原理,給出了點(diǎn)目標(biāo)的回波模型,詳細(xì)推導(dǎo)了前視合成孔徑雷達(dá)成像RMA,并采用MATLAB對(duì)6點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行了成像仿真,針對(duì)仿真結(jié)果中的一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)取峰值處64×64點(diǎn)輪廓切片和方位向、距離向包絡(luò)對(duì)成像效果進(jìn)行詳細(xì)分析,數(shù)值分析表明毫米波前視合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)可對(duì)前視場(chǎng)景內(nèi)目標(biāo)有效成像。

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