寬帶寬方位波束對(duì)高分辨率SAR輻射定標(biāo)的影響分析

洪 峻雷大力*王 宇費(fèi)春嬌

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所微波成像技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100190)

寬帶寬方位波束對(duì)高分辨率SAR輻射定標(biāo)的影響分析

洪 峻①雷大力*①②王 宇①費(fèi)春嬌②

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所微波成像技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100190)

無源角反射器和有源定標(biāo)器是SAR輻射定標(biāo)的常用人造參考點(diǎn)目標(biāo)，隨著大量新體制、新模式高分辨率SAR系統(tǒng)的涌現(xiàn)，大距離帶寬和寬方位波束都對(duì)傳統(tǒng)觀念中參考目標(biāo)雷達(dá)截面積(RCS)近似恒定的假設(shè)提出挑戰(zhàn)。該文借助FEKO電磁仿真軟件獲取目標(biāo)RCS隨頻帶和方位角的變化關(guān)系，結(jié)合高分辨率SAR點(diǎn)目標(biāo)仿真，通過點(diǎn)目標(biāo)能量提取，定量地分析參考目標(biāo)RCS的頻帶或方位角相關(guān)性對(duì)輻射定標(biāo)的影響。仿真結(jié)果表明在Ku波段相對(duì)帶寬超過10%或方位波束寬度超過20°時(shí)，上述因素帶來的影響超過0.2 dB，必須在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中加以校正。

SAR輻射定標(biāo)；雷達(dá)截面積(RCS)；參考目標(biāo)；大距離帶寬和寬方位波束；FEKO

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)從后向散射測(cè)量中定量反演地球物理參數(shù)[1,2]，根據(jù)具體的應(yīng)用，必須進(jìn)行相應(yīng)程度的輻射定標(biāo)，它通過在成像場(chǎng)景內(nèi)布設(shè)已知雷達(dá)截面積(RCS)的人造參考點(diǎn)目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)[3]。

對(duì)于窄帶和窄方位波束SAR系統(tǒng)，可以認(rèn)為定標(biāo)參考點(diǎn)目標(biāo)的RCS在工作帶寬和方位波束內(nèi)近似

恒定[4–6]。然而，隨著遙感應(yīng)用中對(duì)圖像分辨率要求的提高，產(chǎn)生了很多高分辨率SAR系統(tǒng)，相對(duì)帶寬可以超過10%甚至達(dá)到100%，且方位入射角范圍可以從幾度增加到幾十度甚至360°(圓跡SAR)。在現(xiàn)代高分辨率SAR系統(tǒng)大距離向帶寬和寬方位向波束的特點(diǎn)下，用中心頻率和方位角處的RCS近似表示參考目標(biāo)的后向散射特性，已不能達(dá)到輻射定標(biāo)的精度要求。文獻(xiàn)[7]中針對(duì)低頻UWB-SAR定標(biāo)技術(shù)，建立了適用于UWB-SAR的輻射定標(biāo)模型，但其工作在VHF/UHF波段，距離分辨率較低，嚴(yán)格意義上不屬于高分辨率SAR；文獻(xiàn)[8]中對(duì)高分辨率SAR參考點(diǎn)目標(biāo)輻射特性和校正方法進(jìn)行了研究，提出了高分辨率條件下角反射器的研制要求，但采用高頻近似公式法，分析結(jié)果存在較大誤差。文獻(xiàn)[9,10]揭示了傳統(tǒng)RCS定義所導(dǎo)致的SAR圖像輻射觀測(cè)不準(zhǔn)確性現(xiàn)象，并提出了等效RCS的概念，但沒有給出定量分析結(jié)果或解決方案。

本文在建立高分辨率SAR輻射定標(biāo)模型的基礎(chǔ)上，借助FEKO 3維電磁仿真軟件，獲取參考目標(biāo)RCS隨頻帶和方位入射角的變化關(guān)系，結(jié)合高分辨率SAR系統(tǒng)仿真，定量地分析參考目標(biāo)RCS的頻帶或方位角相關(guān)性對(duì)SAR圖像質(zhì)量的影響。

2 高分辨率SAR輻射定標(biāo)的數(shù)學(xué)模型

通過雷達(dá)方程建立目標(biāo)散射特性與回波信號(hào)的量化關(guān)系是輻射定標(biāo)理論分析的前提，考慮到高分辨率SAR系統(tǒng)具有大的距離向帶寬和寬方位向波束，雷達(dá)方程中的參量隨頻率和方位角的變化不能忽略，本文以點(diǎn)目標(biāo)雷達(dá)方程為例進(jìn)行分析，但不失一般性，因?yàn)樵谳椛涠?biāo)過程中分布式目標(biāo)后向散射系數(shù)的確定依賴于那些已知散射特性的點(diǎn)目標(biāo)的先驗(yàn)測(cè)量，則SAR圖像的平均接收信號(hào)功率可以表示為：

其中，Pt為發(fā)射信號(hào)功率；Pn為噪聲信號(hào)功率；G2(f,α)為雙程天線方向圖；α=(θ,φ)為雷達(dá)照射目標(biāo)的視角，θ為俯仰角，φ為方位角，在機(jī)載SAR輻射定標(biāo)過程中，對(duì)于給定的參考點(diǎn)目標(biāo)，需要根據(jù)飛行軌道或航跡準(zhǔn)確地設(shè)置角反射器的俯仰角，使其達(dá)到接近理想的工作狀態(tài)，因此，只需考慮RCS隨方位角的變化特性；Gs(f)為系統(tǒng)增益；λ(f)為發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)；R(α)為雷達(dá)與目標(biāo)的斜距；τp為發(fā)射脈沖寬度；fs為距離向采樣頻率；fPRF為方位向采樣頻率；V為雷達(dá)平臺(tái)飛行速度；ρa(bǔ)為方位向分辨率；σ(f,α)為點(diǎn)目標(biāo)的雷達(dá)截面積。

SAR系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)通常采用線性調(diào)頻或者步進(jìn)頻脈沖形式，在大帶寬下的起始和終止頻率段，目標(biāo)RCS很難保持恒定，且如果SAR系統(tǒng)具有很高的方位向分辨率，目標(biāo)RCS在相干處理的方位角范圍內(nèi)變化也會(huì)比較劇烈，因此，目標(biāo)散射特性σ(f,α)近似恒定的假設(shè)不再成立，而應(yīng)該表示為：

SAR接收機(jī)記錄的目標(biāo)數(shù)據(jù)位復(fù)幅度S(x,y),x和y是空間坐標(biāo)，忽略噪聲影響，那么SAR復(fù)圖像可以表示為：

其中，K為絕對(duì)定標(biāo)常數(shù)，“*”代表卷積，h為SAR系統(tǒng)傳遞函數(shù)。傳統(tǒng)SAR輻射定標(biāo)中，圖像中來自單一點(diǎn)目標(biāo)的原始數(shù)據(jù)可以描述為：

而考慮參考目標(biāo)RCS的頻帶和方位角相關(guān)性后，式(4)變?yōu)椋?/p>

進(jìn)而，點(diǎn)目標(biāo)積分像素強(qiáng)度可以表示為：

其中，Ω表示足夠大的積分區(qū)間，在高分辨率SAR系統(tǒng)大距離帶寬和寬方位波束角條件下，參考目標(biāo)RCS的頻帶和方位角相關(guān)性不可忽略，這導(dǎo)致即參考點(diǎn)目標(biāo)理想輻射特性不再滿足，為保持與現(xiàn)有輻射定標(biāo)算法的一致性，必須對(duì)這種效應(yīng)進(jìn)行定量分析，以獲得一個(gè)修正濾波器滿足使參考點(diǎn)目標(biāo)在整個(gè)帶寬和方位波束內(nèi)仍具有平坦的響應(yīng)，從而確保輻射測(cè)量的差異是由于成像目標(biāo)，而不是參考目標(biāo)的輻射特性變化造成的。

3 參考目標(biāo)RCS隨頻帶和方位角的變化關(guān)系

參考目標(biāo)RCS是定義在遠(yuǎn)場(chǎng)即平面波照射條件下，用來度量雷達(dá)目標(biāo)對(duì)入射電磁波散射能力的一個(gè)物理量。另外，表征由波長(zhǎng)歸一化的目標(biāo)特征尺寸大小的參數(shù)稱為kl值[11]，即kl=2πl(wèi)/λ。按目標(biāo)電磁后向散射特性的不同將kl分為3個(gè)區(qū)域：瑞利區(qū)，工作波長(zhǎng)大于目標(biāo)特征尺寸，一般取kl＜0.5的范圍；諧振區(qū)，一般在0.5≤kl≤20的范圍；光學(xué)區(qū)(又稱高頻區(qū))，一般取kl＞20。高分辨率SAR系統(tǒng)通常工作在X, Ku或Ka波段，對(duì)于常規(guī)尺寸的常用參考目標(biāo)，均工作在光學(xué)區(qū)。

SAR輻射定標(biāo)通常采用角反射器、有源定標(biāo)器等參考目標(biāo)來獲取系統(tǒng)傳遞函數(shù)及定標(biāo)常數(shù)，點(diǎn)目標(biāo)的不確定性將直接影響SAR輻射定標(biāo)的精度。對(duì)于有源定標(biāo)器，可以通過自動(dòng)控制獲得在整個(gè)頻帶和波束寬度內(nèi)恒定的RCS響應(yīng)，但需要精確地功率補(bǔ)償操作，其面臨的根本問題同無源定標(biāo)器是一樣的，因此，本文以無源定標(biāo)器為例進(jìn)行分析。對(duì)于無源參考目標(biāo)，如圓柱體、球體等，角反射器在同樣的特征尺寸下具有更大的RCS和3 dB帶寬，且穩(wěn)定性較好，因此，本文以三面體角反射器[12,13]為例進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[14]給出由幾何光學(xué)法計(jì)算得到的三面體角反射器RCS近似表達(dá)式：

當(dāng)θ=54.74°,φ=45°時(shí)，即取得最大RCS值4πl(wèi)4/3λ2，但是考慮到上述理論公式是經(jīng)過幾何光學(xué)法近似獲得，只對(duì)三面體角反射器口面的法線方向附近是有效的，對(duì)其它頻點(diǎn)和方位角獲得的RCS誤差較大。因此，本文采用FEKO軟件中的多層快速多極子方法(MLFMM)來獲取三面體角反射器RCS隨頻帶和方位角的變化關(guān)系，MLFMM是研究電大尺寸目標(biāo)問題的快速高效數(shù)值算法，它使得在小型計(jì)算機(jī)上解決大規(guī)模的電磁散射問題成為可能。

首先，根據(jù)高分辨率SAR大距離帶寬和寬方位波束的特點(diǎn)，在如下條件下，構(gòu)建參考目標(biāo)的電磁散射仿真幾何模型：在Ku波段遠(yuǎn)場(chǎng)照射條件下，工作中心頻率為f0=16 GHz，帶寬Δf分別為0.5 GHz, 1.0 GHz, 2.0 GHz, 4.0 GHz；俯仰角為固定值θ=54.74°，方位角以φ=45°為中心，方位角變化Δφ分別為5°, 10°, 20°, 30°；三面體角反射器尺寸為l=20 cm，滿足l≈10λ，即目標(biāo)散射特性屬于高頻區(qū)；其次，用MATLAB讀取由FEKO導(dǎo)出的ffe文件，提取RCS數(shù)據(jù)，合成2維矩陣，第1維度代表波束寬度內(nèi)的方位角變化，第2維度代表距離帶寬內(nèi)的頻率變化；最后，需要綜合考慮PC機(jī)的配置和FEKO工程的計(jì)算量，本文取頻率步長(zhǎng)為20 MHz，方位角步長(zhǎng)為0.2°，在離散點(diǎn)數(shù)已能夠反映出曲線變化趨勢(shì)的情況下，可以采用插值處理來降低運(yùn)算量，從而避免工程規(guī)模過大，運(yùn)算時(shí)間過長(zhǎng)。

3.1 帶寬對(duì)參考目標(biāo)RCS的影響

首先，在較小的方位波束情況下，觀察參考目標(biāo)RCS隨距離帶寬的變化情況，4組參數(shù)設(shè)定如下，第1組參數(shù)：Δf=0.5 GHz, Δφ=5°；第2組參數(shù)：Δf=1.0 GHz, Δφ=5°；第3組參數(shù)：Δf=2.0 GHz, Δφ=5°；第4組參數(shù)：Δf=4.0 GHz, Δφ=5°。分別繪制歸一化RCS曲面及對(duì)應(yīng)的中心剖面曲線，并記錄在每組參數(shù)情況下RCS隨頻帶的最大變化量，結(jié)果如圖1，圖2所示。

圖1 RCS隨帶寬的變化關(guān)系Fig. 1 Variation of RCS with different bandwidths

通過圖1，圖2可知，由于方位角變化Δφ固定為5°，RCS隨方位角的最大變化量基本相同；而隨著SAR系統(tǒng)帶寬變大，參考目標(biāo)RCS隨頻帶的最大變化量增大，在帶寬超過2.0 GHz時(shí)，RCS的最大變化量呈顯著上升趨勢(shì)，在Δf=4.0 GHz時(shí)甚至超過3 dB。

3.2 方位波束對(duì)參考目標(biāo)RCS的影響

接下來，在較小的帶寬情況下，觀察參考目標(biāo)RCS隨不同寬度方位波束的變化情況，4組參數(shù)設(shè)定如下，第5組參數(shù)：Δφ=5°, Δf=0.5 GHz，同上節(jié)第1組參數(shù)；第6組參數(shù)：Δφ=10°, Δf=0.5 GHz；第7組參數(shù)：Δφ=20°, Δf=0.5 GHz；第8組

參數(shù)：Δφ=30°, Δf=0.5 GHz。分別繪制歸一化RCS曲面及對(duì)應(yīng)的中心剖面曲線，并記錄在每組參數(shù)情況下RCS隨方位角的最大變化量，結(jié)果如圖3，圖4所示。

圖2 RCS隨頻帶的最大變化量Fig. 2 Maximum variation of RCS with different bandwidths

圖3 RCS隨方位波束的變化關(guān)系Fig. 3 Variation of RCS with different azimuth beamwidths

通過圖3，圖4可知，由于帶寬Δf固定為0.5 GHz, RCS隨頻帶的最大變化量基本相同；而隨著方位波束變寬，參考目標(biāo)RCS隨方位角的最大變化量增大，在波束寬度超過5°時(shí)，RCS的最大變化量呈顯著上升趨勢(shì)，在Δφ=30°時(shí)已超過1 dB。

3.3 二者共同作用對(duì)參考目標(biāo)RCS的影響

圖4 RCS隨方位角的最大變化量Fig. 4 Maximum variation of RCS with different azimuth beamwidths

最后，針對(duì)高分辨率SAR大距離帶寬和寬方位波束的特點(diǎn)，觀察參考目標(biāo)RCS隨不同帶寬和方位波束的變化情況，4組參數(shù)設(shè)定如下，第9組參數(shù)：Δf=0.5 GHz, Δφ=5°，同前兩節(jié)第1，第5組參數(shù)；第10組參數(shù)：Δf=0.5 GHz, Δφ=10°；第11組參數(shù)：Δf=0.5 GHz, Δφ=20°；第12組參數(shù)：Δf=0.5 GHz, Δφ=30°。分別繪制歸一化RCS曲面及對(duì)應(yīng)的中心剖面曲線，并記錄在每組參數(shù)情況下RCS隨頻帶和方位角的最大變化量，結(jié)果如圖5，圖6所示。

通過圖5，圖6可知，隨著帶寬變大和方位波束變寬，參考目標(biāo)RCS的變化也越大；在帶寬超過2.0 GHz或波束寬度超過5°時(shí)，RCS的變化均呈顯著上升趨勢(shì)，在Δf=4.0 GHz, Δφ=10°時(shí)， 二者的共同影響已超過4 dB；另外，通過對(duì)比各圖可以發(fā)現(xiàn)，帶寬和方位波束對(duì)RCS的共同作用基本相當(dāng)于單個(gè)分量影響的疊加。

綜上，在高分辨率SAR系統(tǒng)大距離帶寬和寬方位波束條件下，可以看到RCS隨頻帶和方位角的變化比較劇烈，不能像常規(guī)SAR輻射定標(biāo)一樣，利用中心頻點(diǎn)散射值代替帶寬內(nèi)各頻點(diǎn)的散射值，及利用中心方位角散射值代替整個(gè)波束寬度內(nèi)各個(gè)方位角的散射值，必須考慮參考目標(biāo)RCS隨頻帶和方位角的變化。

4 點(diǎn)目標(biāo)成像仿真分析

圖 5 RCS隨帶寬和方位波束的變化關(guān)系Fig. 5 Variation of RCS with different bandwidths and beamwidths

圖6 RCS隨頻帶和方位角的最大變化量Fig. 6 Maximum variation of RCS with different bandwidths and beamwidths

通常，在整個(gè)SAR系統(tǒng)輻射誤差分配中，參考目標(biāo)散射特性變化引起的誤差，有源設(shè)備不能超過0.2 dB，無源設(shè)備不能超過0.3 dB。為了更加直觀地分析上述RCS變化對(duì)最終SAR圖像的影響，本文對(duì)機(jī)載聚束模式SAR工作在正側(cè)視情況下的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[15]，成像算法采用精度較高、穩(wěn)定性較好的BP算法。通常，在點(diǎn)目標(biāo)參數(shù)設(shè)置中都將目標(biāo)RCS值設(shè)為恒定值，而此時(shí)需要把隨頻帶和方位角變化的RCS值添加到回波模型中，在一個(gè)合成孔徑時(shí)間內(nèi)，方位向時(shí)域各個(gè)采樣點(diǎn)即對(duì)應(yīng)波束寬度內(nèi)方位角的變化，距離向頻域各個(gè)采樣點(diǎn)即對(duì)應(yīng)帶寬內(nèi)的頻率變化。因此，基于上節(jié)12組參數(shù)，本文觀察對(duì)比以中心頻點(diǎn)、方位角為參考的恒定RCS(稱為恒定RCS)和考慮頻帶、方位角相關(guān)性的RCS(稱為相關(guān)RCS)的點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果，系統(tǒng)仿真參數(shù)場(chǎng)景中心斜距為1000 m，脈沖寬度0.25 μs，載頻16 GHz，系統(tǒng)帶寬和方位波束寬度參數(shù)的設(shè)置同第3節(jié)。

選取其中一組參數(shù)Δf=2.0 GHz, Δφ=10°為例，點(diǎn)目標(biāo)仿真對(duì)比結(jié)果如圖7所示。由于本文的研究?jī)?nèi)容針對(duì)高分辨率SAR輻射定標(biāo)，因此，可以忽略相位的影響，并只關(guān)注輻射定標(biāo)的相關(guān)參數(shù)。

4.1 RCS隨頻帶變化的點(diǎn)目標(biāo)仿真

針對(duì)3.1節(jié)的4組參數(shù)進(jìn)行SAR點(diǎn)目標(biāo)仿真，分別記錄點(diǎn)目標(biāo)峰值能量、積分能量及距離向和方位向峰值旁瓣比(PSLR)、積分旁瓣比(ISLR) 4個(gè)參量如表1–表4及圖8所示。

通過上述圖表可知，當(dāng)系統(tǒng)帶寬超過2.0 GHz，即相對(duì)帶寬大于10%時(shí)，點(diǎn)目標(biāo)峰值能量、積分能量的變化超過0.20 dB；當(dāng)帶寬為4.0 GHz時(shí)，點(diǎn)目標(biāo)峰值能量和積分能量的變化已達(dá)到0.35 dB。

4.2 RCS隨方位角變化的點(diǎn)目標(biāo)仿真

針對(duì)3.2節(jié)的4組參數(shù)進(jìn)行SAR點(diǎn)目標(biāo)仿真，分別記錄點(diǎn)目標(biāo)峰值能量、積分能量及距離向和方位向峰值旁瓣比(PSLR)、積分旁瓣比(ISLR) 4個(gè)參量如表5–表8及圖9所示。

通過上述圖表可知，當(dāng)方位波束寬度超過10°時(shí)，點(diǎn)目標(biāo)峰值能量、積分能量的變化大約為0.15 dB；當(dāng)方位波束為30°時(shí)，點(diǎn)目標(biāo)峰值能量和積分能量的變化已達(dá)到0.30 dB。

4.3 RCS隨頻帶和方位角變化的點(diǎn)目標(biāo)仿真

針對(duì)3.3節(jié)的4組參數(shù)進(jìn)行SAR點(diǎn)目標(biāo)仿真，分別記錄點(diǎn)目標(biāo)峰值能量、積分能量及距離向和方位向峰值旁瓣比(PSLR)、積分旁瓣比(ISLR) 4個(gè)參量如表9–表12及圖10所示。

通過上述圖表可知，當(dāng)Δf=1.0 GHz, Δφ=10°時(shí)，點(diǎn)目標(biāo)峰值能量、積分能量的變化已超過0.2 dB；當(dāng)系統(tǒng)帶寬超過2.0 GHz，方位波束超過20°時(shí)，點(diǎn)目標(biāo)峰值能量和積分能量的變化甚至達(dá)到0.5 dB。

綜上，隨著SAR系統(tǒng)帶寬變大和方位波束變寬，點(diǎn)目標(biāo)的峰值能量和積分能量變化整體呈上升趨勢(shì)，且已達(dá)到輻射定標(biāo)不可忽略程度；但是，在實(shí)際SAR系統(tǒng)中，方位分辨率和距離分辨率不會(huì)相

差太大，因此，對(duì)于4.1節(jié)和4.2節(jié)的參數(shù)僅限于仿真分析；另外，通過對(duì)比分析圖8–圖10可以得出，由于最終的SAR圖像質(zhì)量與系統(tǒng)分辨率息息相關(guān)，進(jìn)而會(huì)影響點(diǎn)目標(biāo)峰值能量、積分能量提取，因此，對(duì)于工作在不同波段、不同模式、不同參數(shù)條件下的高分辨率SAR系統(tǒng)需要視具體情況進(jìn)行分析。

圖7 點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果對(duì)比Fig. 7 Comparison of point target simulation results

表1 第1組參數(shù)點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果(dB)Tab. 1 Point target simulation results of the first case (dB)

表2 第2組參數(shù)點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果(dB)Tab. 2 Point target simulation results of the second case (dB)

圖8 RCS隨頻帶變化的點(diǎn)目標(biāo)仿真Fig. 8 Point target simulation results of RCS with different bandwidths

圖9 RCS隨方位角變化的點(diǎn)目標(biāo)仿真Fig. 9 Point target simulation results of RCS with different azimuth beamwidths

表3 第3組參數(shù)點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果(dB)Tab. 3 Point target simulation results of the third case (dB)

表4 第4組參數(shù)點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果(dB)Tab. 4 Point target simulation results of the fourth case (dB)

表5 第5組參數(shù)點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果(dB)Tab. 5 Point target simulation results of the fifth case (dB)

表6 第6組參數(shù)點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果(dB)Tab. 6 Point target simulation results of the sixth case (dB)

表7 第7組參數(shù)點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果(dB)Tab. 7 Point target simulation results of the seventh case (dB)

表8 第8組參數(shù)點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果(dB)Tab. 8 Point target simulation results of the eighth case (dB)

表9 第9組參數(shù)點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果(dB)Tab. 9 Point target simulation results of the ninth case (dB)

表10 第10組參數(shù)點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果(dB)Tab. 10 Point target simulation results of the tenth case (dB)

表11 第11組參數(shù)點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果(dB)Tab. 11 Point target simulation results of the eleventh case (dB)

表12 第12組參數(shù)點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果(dB)Tab. 12 Point target simulation results of the twelfth case (dB)

圖10 RCS隨頻帶和方位角變化的點(diǎn)目標(biāo)仿真Fig. 10 Point target simulation results of RCS with different bandwidths and beamwidths

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于高分辨率SAR輻射定標(biāo)，不僅需要提高參考目標(biāo)本身的加工精度，同時(shí)還需要結(jié)合高分辯率條件下的SAR成像特點(diǎn)重新考慮定標(biāo)模型，改進(jìn)輻射定標(biāo)算法。為定量分析大距離帶寬和寬方位向波束對(duì)參考目標(biāo)RCS及輻射定標(biāo)的影響，本文借助FEKO 3維電磁仿真軟件，構(gòu)建三面體角反射器的電磁散射仿真幾何模型，采用MLFMM方法獲取目標(biāo)RCS隨頻帶和方位角的變化數(shù)據(jù)，結(jié)合高分辨率SAR點(diǎn)目標(biāo)仿真，系統(tǒng)分析參考目標(biāo)RCS的頻帶和方位角相關(guān)性。仿真結(jié)果表明，在Ku波段相對(duì)帶寬超過10%時(shí)，上述因素帶來的影響超過0.20 dB；在方位波束寬度超過10°，上述影響大約為

0.15 dB，必須在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中加以校正，這對(duì)于參考目標(biāo)的輻射特性保持和系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估也將提出更高要求。高分辨率SAR參考目標(biāo)輻射特性校正算法有待進(jìn)一步研究。

[1]Curlander J C. 合成孔徑雷達(dá)–系統(tǒng)與信號(hào)處理[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006: 217–220. Curlander J C. Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006: 217–220.

[2]李震, 廖靜娟, 等. 合成孔徑雷達(dá)地表參數(shù)反演模型與方法[M].北京: 科學(xué)出版社, 2011: 24–33. Li Zhen, Liao Jing-juan,et al.. Synthetic Aperture Radar Surface Parameters Inversion Model and Method[M]. Beijing: Publishing House of Science, 2011: 24–33.

[3]Khalid E D, Peter M, Desmond P,et al.. Understanding the significance of radiometric calibration for SAR imagery[C]. Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, Toronto, Canada, 2014: 1–6.

[4]Freeman A. SAR calibration: an overview[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1992, 30(6): 1107–1123.

[5]Gray A L, Paris W V, and Charles E L. Synthetic aperture radar calibration using reference reflectors[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1990, 28(3): 374–382.

[6]Ulander L M H. Accuracy of using point targets for SAR calibration[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1991, 27(1): 139–148.

[7]鄒鯤. 低頻UWB-SAR校準(zhǔn)技術(shù)研究[D]. [博士論文], 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2005. Zou Kun. Research on low frequency UWB-SAR calibration technique[D]. [Ph.D. dissertation], National University of Defense Technology, 2005.

[8]林新越. 高分辨率SAR參考點(diǎn)目標(biāo)輻射特性分析與校正方法研究[D]. [碩士論文], 中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所, 2010. Lin Xin-yue. Analysis and calibration method for radiometric characteristics of reference targets in high resolution SAR systems[D]. [Master dissertation], Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, 2010.

[9]Bjorn J D, Philipp R L, Matthias J,et al.. Reference target correction based on point-target SAR simulation[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2012, 50(3): 951–958.

[10]Bjorn J D and Marco S. The radiometric measurement quantity for SAR images[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2013, 51(12): 5307–5313.

[11]黃培康, 殷紅成, 許小劍. 雷達(dá)目標(biāo)特性[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010: 16–19. Huang Pei-kang, Yin Hong-cheng, and Xu Xiao-jian. Radar Target Characteristics[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2010: 16–19.

[12]Griesser T and Balanis A. Backscatter analysis of dihedral corner reflectors using physical optics and the physical theory of diffraction[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1987, 35(10): 1137–1147.

[13]Sarabandi K and Chiu T. Optimum corner reflectors for calibration of imaging radars[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1996, 44(10): 1348–1361.

[14]林新越, 洪峻, 明峰. 高分辨率SAR參考點(diǎn)目標(biāo)頻帶調(diào)制效應(yīng)的校正方法[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù), 2010, 29(4): 32–36. Lin Xin-yue, Hong Jun, and Ming Feng. A calibration method for frequency modulation of reference targets in high resolution SAR systems[J].Foreign Electronic Measurement Technology, 2010, 29(4): 32–36.

[15]Cumming I G and Wong F H. 合成孔徑雷達(dá)成像–算法與實(shí)現(xiàn)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007: 38–41. Cumming I G and Wong F H. Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data: Algorithms and Implementation[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2007: 38–41.

洪 峻(1960–)，男，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)镾AR定標(biāo)技術(shù)、機(jī)載SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

E-mail: jhong@mail.ie.ac.cn

雷大力(1989–)，男，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)碩士生，研究方向?yàn)楦叻直媛蔛AR成像及輻射定標(biāo)。

E-mail: leidali2010@163.com

王 宇(1976–)，男，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，副研究員，研究方向?yàn)闄C(jī)載SAR定標(biāo)技術(shù)。

E-mail: wangyu@mail.ie.ac.cn

費(fèi)春嬌(1989–)，女，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)博士生，研究方向?yàn)殡姶泡椛渑c探測(cè)技術(shù)。

E-mail: iriscelia@163.com

Wide Band and Wide Azimuth Beam Effect on High-resolution Synthetic Aperture Radar Radiometric Calibration

Hong Jun①Lei Da-li①②Wang Yu①Fei Chun-jiao②

①(National Key Laboratory of Microwave Imaging Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,China)

②(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,China)

Passive corner reflectors and active transponders are often used as man-made reference targets in Synthetic Aperture Radar (SAR) radiometric calibration, With the emergence of new radar systems and the increasing demand for greater accuracy, wide-band and wide-beam radars challenge the hypothesis that the Radar Cross Section (RCS) of reference targets is constant. In this study, the FEKO electromagnetic simulation software is used to obtain the change curve of the target RCS as a function of frequency and aspect angle while incorporating high-resolution point-target SAR simulation, and quantitatively analyzing the effect of the modulation effect on SAR images. The simulation results suggest that the abovementioned factors affect the SAR calibration by more than 0.2 dB within a fractional bandwidth greater than 10% or azimuth beam width of more than 20°, which must be corrected in the data processing.

SAR calibration; Radar Cross Section (RCS); Reference target; Wide-band and wide-beam; FEKO

TN958

A

2095-283X(2015)03-0276-11

10.12000/JR15015

洪峻, 雷大力, 王宇, 等. 寬帶寬方位波束對(duì)高分辨率SAR輻射定標(biāo)的影響分析[J]. 雷達(dá)學(xué)報(bào), 2015, 4(3): 276–286.

10.12000/JR15015.

Reference format:Hong Jun, Lei Da-li, Wang Yu,et al.. Wide band and wide azimuth beam effect on highresolution synthetic aperture radar radiometric calibration[J].Journal of Radars, 2015, 4(3): 276–286. DOI: 10.12000/JR15015.

2015-01-26收到，2015-04-30改回；2015-06-04網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

XXX對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)(GFZX0403220402)資助課題

*通信作者： 雷大力 leidali2010@163.com