毫米波FMCW SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)與成像研究

蔡永俊，張祥坤，姜景山

(1. 中國(guó)科學(xué)院微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國(guó)家空間科學(xué)中心，　北京 100190)

(2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，　北京 100049)

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毫米波FMCW SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)與成像研究

蔡永俊1,2，張祥坤1，姜景山1

(1. 中國(guó)科學(xué)院微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190)

(2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049)

摘要：首先，詳細(xì)分析了調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)(FMCW SAR)機(jī)載試驗(yàn)系統(tǒng)，深入闡述了系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)方法和主要原理，基于此系統(tǒng)進(jìn)行首次校飛試驗(yàn)以驗(yàn)證系統(tǒng)性能；其次，深入分析了FMCW SAR回波信號(hào)特點(diǎn)和圖像重建方法，揭示了其脈沖發(fā)射期間雷達(dá)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)對(duì)回波信號(hào)的影響，定量地指出了其對(duì)圖像重建的影響，并采用改進(jìn)的距離多普勒算法對(duì)其補(bǔ)償從而對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行聚焦；最后，通過(guò)實(shí)際航空校飛試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)和圖像重建算法的有效性。

關(guān)鍵詞：線性調(diào)頻連續(xù)波；合成孔徑雷達(dá)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；成像研究

0引言

傳統(tǒng)脈沖體制合成孔徑雷達(dá)(SAR)由于設(shè)備復(fù)雜、成本昂貴、體積大、質(zhì)量大和抗干擾能力不足等缺點(diǎn)使得其無(wú)法裝載于輕小型飛機(jī)、無(wú)人機(jī)或精確制導(dǎo)武器等平臺(tái)上完成一些緊急任務(wù)，也不適用于低成本要求的民用項(xiàng)目，這大大限制了SAR技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。然而，隨著近年來(lái)無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展及在軍民領(lǐng)域不斷深入的應(yīng)用，其對(duì)SAR的小型化提出了越來(lái)越迫切的需求。

調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)(FMCW SAR)將合成孔徑技術(shù)與調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)相結(jié)合，這種新體制的合成孔徑雷達(dá)不僅具有調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)體積小、質(zhì)量輕、造價(jià)低和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)又具有傳統(tǒng)SAR的高分辨率的特點(diǎn)，非常適合精確制導(dǎo)武器或無(wú)人機(jī)等小型平臺(tái)，成為SAR小型化發(fā)展的重要方向，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、軍事偵察、農(nóng)作物評(píng)估、地形測(cè)繪等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。

由于FMCW SAR發(fā)射大時(shí)寬大帶寬線性調(diào)頻信號(hào)，信號(hào)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)一般為1 ms～10 ms，而在脈沖SAR中該時(shí)長(zhǎng)一般在微秒量級(jí)，所以FMCW SAR在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理方法等方面與脈沖SAR具有本質(zhì)區(qū)別。比如，由于大時(shí)寬帶寬信號(hào)導(dǎo)致接收的數(shù)據(jù)量非常大，就不能采用傳統(tǒng)脈沖SAR的接收方法，從而也會(huì)引起數(shù)據(jù)處理方法的不同；由于信號(hào)時(shí)寬較長(zhǎng)，必須考慮在脈沖發(fā)射期間雷達(dá)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)引起的目標(biāo)與雷達(dá)瞬時(shí)斜距的改變，而在脈沖體制SAR中，該斜距的變化可以忽略，所以對(duì)于FMCW SAR，必須分析雷達(dá)的脈內(nèi)運(yùn)動(dòng)對(duì)接收信號(hào)及圖像創(chuàng)建算法的影響，即必須判別“停走?！奔僭O(shè)是否成立。

本文首先給出了機(jī)載FMCW SAR系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)思路和主要組成單元的設(shè)計(jì)方法，并分析其工作原理；然后，分析FMCW SAR回波接收方式及其對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成和圖像重構(gòu)的影響；其次，對(duì)FMCW SAR信號(hào)特征和圖像重建方法進(jìn)行研究，重點(diǎn)剖析由于脈內(nèi)雷達(dá)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)對(duì)接收信號(hào)的影響及其解決方法；最后，通過(guò)實(shí)際飛行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證本文系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)和成像方法的有效性。

1FMCW SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于毫米波段SAR系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)突出，非常適用于無(wú)人機(jī)等小型平臺(tái)應(yīng)用，而且對(duì)于短程應(yīng)用毫米波在大氣中的衰減就顯得不特別重要[5]，因此本文系統(tǒng)采用Ka波段。

為了減小天線的體積和質(zhì)量實(shí)現(xiàn)小型化，天線采用E面矩形透鏡喇叭天線；同時(shí)，由于采用FMCW體制，必須使用收發(fā)分置的雙天線方法來(lái)避免連續(xù)波體制帶來(lái)的收發(fā)信號(hào)泄露問(wèn)題，隔離度一般能達(dá)到60 dB。

1.1射頻單元設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)射頻單元組成部分，包含發(fā)射鏈路和接收鏈路。發(fā)射鏈路中信號(hào)輸入為直接數(shù)字頻率合成(DDS)產(chǎn)生的750 MHz±150MHz的線性調(diào)頻掃描連續(xù)波信號(hào)，幅度約為0 dBm；來(lái)自頻率綜合器的本振信號(hào)為9.2 GHz的單頻信號(hào)。在圖1中，混頻器1首先進(jìn)行四倍諧波混頻產(chǎn)生36.8 GHz的單頻信號(hào)；然后與DDS產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行混頻得到36.05 GHz±150 MHz的線性調(diào)頻信號(hào)，帶寬為300 MHz。此信號(hào)經(jīng)過(guò)功放產(chǎn)生功率為25 dBm的線性調(diào)頻信號(hào)，然后通過(guò)定向耦合器分為兩路：一部分輸出至天線，到達(dá)天線的平均功率約為23 dBm；另一部分輸出至接收機(jī)，到達(dá)接收機(jī)的平均功率約為10 dBm。在接收鏈路中，信號(hào)輸入為天線接收的36.05 GHz±150 MHz的線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，功率約為-90 dBm～-30 dBm，以及來(lái)自發(fā)射鏈路的本振信號(hào)，功率為10 dBm。輸出至數(shù)據(jù)采集部分的功率小于10dBm，頻率為4 kHz～10 MHz，以及來(lái)自系統(tǒng)控制的5位自動(dòng)增益控制(AGC)的控制信號(hào)。接收鏈路采用對(duì)數(shù)放大的形式：輸入信號(hào)功率在-90 dBm～-60 dBm區(qū)間段，信號(hào)增益為60 dB；輸入功率在-60 dBm～-30 dBm區(qū)間段，信號(hào)增益隨著信號(hào)幅度的增加而減小，最大功率-30 dBm時(shí)的增益為40 dB。

圖1　射頻部分組成框圖

1.2頻率綜合器單元設(shè)計(jì)

頻率綜合器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)各種頻率源的產(chǎn)生，并為發(fā)射模塊提供發(fā)射激勵(lì)信號(hào)，為接收模塊提供參考本振信號(hào)，發(fā)射模塊將發(fā)射激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行放大，接收模塊進(jìn)行去調(diào)頻接收。其主要完成以下功能：

1)輸出給發(fā)射鏈路的9.2 GHz連續(xù)波信號(hào)，功率約為13 dBm，發(fā)射鏈路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行4倍倍頻再由DDS輸出信號(hào)混頻；

2)輸出給DDS的本振信號(hào)，頻率為1 GHz，幅度為3 dBm，DDS接收該信號(hào)再生成系統(tǒng)所需掃頻信號(hào)；

3)輸出給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的是功率為13 dBm的100 MHz中頻信號(hào)，用于對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣；

4)輸出給儀器參考用的功率為10 dBm的10 MHz的參考信號(hào)。

其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　頻率綜合器構(gòu)成框圖

1.3頻率合成單元

該單元采用基于DDS的方案生成系統(tǒng)所需掃頻信號(hào)，具有體積小、控制靈活和功耗小等優(yōu)勢(shì)，完成在系統(tǒng)外觸發(fā)或內(nèi)觸發(fā)控制下產(chǎn)生掃頻信號(hào)的功能。在本系統(tǒng)中，DDS采用1 GHz時(shí)鐘的芯片，產(chǎn)生帶寬為300 MHz的掃頻信號(hào)，掃描起始點(diǎn)頻率600 MHz，終止點(diǎn)頻率900 MHz。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 3所示。

圖3　頻率合成單元結(jié)構(gòu)框圖

1.4數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中雷達(dá)連續(xù)回波信號(hào)數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)、全球定位導(dǎo)航(GPS)與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的接收、DDS的觸發(fā)控制、以及接收機(jī)的AGC調(diào)整。由于采用去調(diào)頻接收方式，接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行混頻之后再進(jìn)入采樣單元，使得采樣單元的輸入信號(hào)是帶寬很小的中頻信號(hào)，這大大降低了系統(tǒng)對(duì)采樣單元的要求，使得采樣單元能夠具有體積小、質(zhì)量輕、成本低和便于集成等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于小型SAR的需求。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)框圖

圖5給出了本文FMCW SAR射頻組件與天線實(shí)物圖。

圖5　FMCW SAR射頻組件與天線

2FMCW SAR成像處理

2.1去調(diào)頻

FMCW SAR一般采用去調(diào)頻(Dechirp)方式接收回波信號(hào)，Dechirp原理是將接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)或發(fā)射信號(hào)的延遲信號(hào)進(jìn)行共軛相乘[6]。同時(shí)，F(xiàn)MCW SAR系統(tǒng)回波延遲一般很短且遠(yuǎn)小于發(fā)射信號(hào)時(shí)寬，所以常采用發(fā)射信號(hào)作為參考信號(hào)。經(jīng)過(guò)Dechirp后，接收信號(hào)的相位變?yōu)?/p>

(1)

將接收信號(hào)相位對(duì)距離時(shí)間t求導(dǎo)，可得到距離頻率為

(2)

由式(2)可知，Dechirp將所有目標(biāo)的回波信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)單頻的信號(hào)，頻率瞬時(shí)值與信號(hào)回波延時(shí)有關(guān)。其過(guò)程如圖6所示。由此可見(jiàn)，Dechirp使信號(hào)帶寬大大降低，從而降低了對(duì)系統(tǒng)A/D采樣模塊的要求，從而能減輕系統(tǒng)質(zhì)量和節(jié)約系統(tǒng)成本。

圖6　發(fā)射/接收信號(hào)時(shí)頻關(guān)系與去調(diào)頻原理

2.2FMCW SAR回波信號(hào)模型及圖像重建

圖7　FMCW SAR成像幾何關(guān)系圖

由于FMCW SAR發(fā)射信號(hào)時(shí)長(zhǎng)較大，對(duì)于一個(gè)脈沖周期內(nèi)的信號(hào)回波延遲是變化的，與某脈沖發(fā)射期間內(nèi)雷達(dá)至某點(diǎn)目標(biāo)的瞬時(shí)斜距有關(guān)[7-10]，該瞬時(shí)斜距可以表示成如下

(3)

對(duì)式(3)在距離時(shí)間t=0處進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，由于是在極短的脈沖持續(xù)時(shí)間Tp內(nèi)，所以可忽略其二次及更高次項(xiàng)的影響，展開(kāi)后瞬時(shí)斜距可表示為

(4)

式中：R(ta)為方位時(shí)間ta時(shí)刻雷達(dá)與目標(biāo)的斜距。所以，在脈沖發(fā)射期間雷達(dá)與目標(biāo)的瞬時(shí)斜距不僅與方位時(shí)間ta有關(guān)，還與距離時(shí)間t有關(guān)，且可近似地認(rèn)為與距離時(shí)間只成線性關(guān)系，即瞬時(shí)斜距的變化量近似不變。將式(4)對(duì)距離時(shí)間t求導(dǎo)，可得到由雷達(dá)連續(xù)運(yùn)動(dòng)引起的附加距離頻率偏移

(5)

式中：λ為雷達(dá)中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；fd為多普勒頻率。由式(5)可知，附加頻率偏移等于方位多普勒頻率，因此稱之為多普勒偏移。所以，式(4)可以表示為

(6)

將式(6)代入式(1)可得到Dechirp之后的回波信號(hào)相位表達(dá)式，因此，接收信號(hào)的完整表達(dá)式(以復(fù)數(shù)形式表示)可以表示如下

(7)

式中：A為回波信號(hào)的幅度；第一個(gè)相位項(xiàng)為Dechirp之后距離向的一次相位；第二個(gè)相位項(xiàng)是方位聚焦所需的相位，包含了在合成孔徑時(shí)間內(nèi)方位向信號(hào)的相干性；第三個(gè)相位項(xiàng)為剩余視頻相位(RVP)，是經(jīng)Dechirp后產(chǎn)生的，該項(xiàng)不用單獨(dú)去除，可以合并入方位匹配濾波器中在方位壓縮中一并去除，從而可以簡(jiǎn)化成像步驟。

為了進(jìn)行距離徙動(dòng)校正(RCMC)以及方位壓縮，需要將該信號(hào)變換到距離多普勒域。與脈沖SAR不同的是，對(duì)于FMCW SAR，直接對(duì)去斜接收信號(hào)進(jìn)行方位向傅里葉變換就可以很方便地得到距離多普勒域信號(hào)形式。對(duì)于小斜視角情形，去斜接收信號(hào)在距離多普勒域具有以下形式

(8)

(9)

式中：v為雷達(dá)運(yùn)行速度。由于經(jīng)過(guò)去斜接收后，距離向信號(hào)變成一個(gè)單頻信號(hào)。由于在時(shí)域存在一次相位變換到頻域就為sinc型的函數(shù)，直接對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行距離傅里葉變換即可完成距離壓縮，距離頻域的信號(hào)位置由距離調(diào)制系數(shù)決定，將式(8)變換到距離頻域即可完成距離壓縮。距離頻域的信號(hào)表達(dá)式為

(10)

式(10)為FMCW SAR目標(biāo)回波距離壓縮完后的信號(hào)表達(dá)式。其中，Tp為脈沖持續(xù)長(zhǎng)度，由式(10)可知，F(xiàn)MCW SAR在距離多普勒域的距離徙動(dòng)表達(dá)式為

(11)

FMCW SAR信號(hào)時(shí)寬較大，使不同方位時(shí)刻接收的點(diǎn)目標(biāo)回波在距離向產(chǎn)生了一個(gè)附加距離遷移，通過(guò)式(11)可以將其校正。

最后，用于方位壓縮的匹配濾波器可以由式(10)得到，濾波器的頻域形式為

(12)

所以，經(jīng)過(guò)上述步驟，F(xiàn)MCW SAR圖像重建完成，最終的信號(hào)形式為

(13)

式中：A2為幅度及常數(shù)相位；Ba為方位多普勒帶寬。

3航空校飛試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文FMCW SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)與成像方法的有效性，在某輕小型飛行平臺(tái)上進(jìn)行了校飛試驗(yàn)。試驗(yàn)中，載機(jī)平臺(tái)飛行高度約為300 m，速度約為55 m/s，進(jìn)行了條帶式成像試驗(yàn)。采用本文改進(jìn)的距離多普勒成像方法進(jìn)行成像，圖8顯示了某區(qū)域的成像結(jié)果。圖中矩形區(qū)域標(biāo)注的為兩條道路的岔路口，主要散射為面散射，表現(xiàn)在成像結(jié)果中為散射較弱的目標(biāo)，橢圓形區(qū)域標(biāo)注的為房屋建筑物，主要散射來(lái)自地面及墻壁構(gòu)成的二次散射，所以表現(xiàn)在成像結(jié)果中為散射較強(qiáng)的目標(biāo)。

圖8　某區(qū)域成像結(jié)果與光學(xué)圖像對(duì)比

4結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)地分析設(shè)計(jì)了FMCW SAR試驗(yàn)系統(tǒng)及其成像方法，通過(guò)對(duì)線性調(diào)頻連續(xù)波和去調(diào)頻體制信號(hào)處理的過(guò)程和特性分析，采用收發(fā)分置的雙天線方式以提高收發(fā)隔離度，采用毫米波段頻段和透鏡喇叭天線以進(jìn)一步減小系統(tǒng)的體積和重量，采用Dechirp方式接收信號(hào)以降低對(duì)系統(tǒng)A/D采樣單元的要求，分析FMCW體制對(duì)接收信號(hào)和成像的影響，揭示其與“停走?！奔僭O(shè)下的成像方法的區(qū)別，對(duì)理解FMCW SAR系統(tǒng)工作原理和模式具有重要意義，并通過(guò)實(shí)際飛行試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文分析設(shè)計(jì)的有效性。校飛結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的FMCW SAR試驗(yàn)系統(tǒng)性能良好，達(dá)到此次設(shè)計(jì)和試驗(yàn)要求，為之后進(jìn)一步的完善和提高系統(tǒng)性能奠定了良好的基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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蔡永俊男，1989年生，博士研究生。研究方向?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)信號(hào)處理與系統(tǒng)研究、全極化合成孔徑雷達(dá)信息處理。

張祥坤男，1972年生，研究員。研究方向?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)信號(hào)處理與系統(tǒng)研究、微波遙感理論與技術(shù)。

姜景山男，1936年生，院士，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)槲⒉ㄟb感理論與技術(shù)。

聲明

為適應(yīng)我國(guó)信息化建設(shè)，擴(kuò)大本刊以及作者的知識(shí)信息交流渠道，本刊已被目次頁(yè)上的數(shù)據(jù)庫(kù)全文收錄，其作者文章著作權(quán)使用費(fèi)與本刊稿酬一次性付給。如作者不同意文章被收錄，請(qǐng)?jiān)趤?lái)稿時(shí)向本刊申明，本刊將作適當(dāng)處理。

《現(xiàn)代雷達(dá)》編輯部

A Study on System Design and Imaging of Millimeter Wave FMCW SAR

CAI Yongjun1,2，ZHANG Xiangkun1，JIANG Jingshan1

(1. Key Laboratory of Microwave Remote Sensing, Chinese Academy of Sciences,National Space Science Center,Beijing 100190, China)(2. School of Electronic, Electrical and Communication Engineering,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049, China)

Abstract：Firstly, an airborne FMCW SAR test system is designed and analyzed, and the design methods and main principles of all parts of the system are explained in-depth. Based on the system, a flight test to validate the performance was conducted. Then，the characteristics of echo signal and imaging method of FMCW SAR are analyzed, and the influence on echo signal owing to the constant movement during the pulse sweep time was revealed, and the influence on imaging was quantitatively pointed out, and the revised range Doppler imaging algorithm is used to compensated this effect. At last, the performance and validity of the system and the image reconstruction algorithm designed in this paper are verified by the real flight experiment data.

Key words：frequency modulated continuous wave; synthetic aperture radar; system design; imaging research

中圖分類號(hào)：TN958

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2016)02-0001-05

收稿日期：2015-10-23

修訂日期：2015-12-30

通信作者：蔡永俊Email：caiyongjun89@gmail.com

DOI：·總體工程· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.02.001