適應(yīng)慢速平臺的雙波段全極化SAR系統(tǒng)

摘 要：文章介紹了一種能適應(yīng)慢速平臺的雙波段全極化SAR系統(tǒng)，著重介紹了為適應(yīng)慢速平臺采用的成像算法選擇和伺服狀態(tài)運動補償算法的改進(jìn)，最后給出了初步的實際飛行試驗結(jié)果，可為同類型輕小平臺SAR系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒和思路。

關(guān)鍵詞：慢速平臺；伺服補償；系統(tǒng)設(shè)計

1 概述

相對于傳統(tǒng)的信息獲取手段，SAR成像系統(tǒng)不僅可以獲取高分辨率的圖像，并且不受白天、黑夜、煙塵、云霧等環(huán)境因素的影響，具有全天候、全天時工作的特點。作為衛(wèi)星數(shù)據(jù)的有效補充，SAR雷達(dá)在地形測繪、災(zāi)害監(jiān)測評估、環(huán)境與國土資源監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。特別是在災(zāi)害應(yīng)急處理方面，SAR雷達(dá)系統(tǒng)能及時為災(zāi)害應(yīng)急處理提供信息豐富、清晰準(zhǔn)確的圖像，對及時開展救援、進(jìn)行受災(zāi)評估、減輕災(zāi)害損失具有重要意義。

目前常見的無人飛行平臺，包括小型無人機和無人飛艇，由于成本適中，安全性高等優(yōu)點被用于SAR系統(tǒng)的裝載平臺。由于這類平臺存在飛行高度低、飛行速度慢、飛行姿態(tài)不平穩(wěn)等特點，對SAR系統(tǒng)成像質(zhì)量帶來了挑戰(zhàn)。

文章將介紹基于小型無人機和無人飛艇這類平臺的全極化SAR系統(tǒng)的設(shè)計思想，并給出實際飛行結(jié)果，可以提供同類型SAR系統(tǒng)設(shè)計思路。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 慢速平臺成像算法

目前常用的SAR成像算法有改進(jìn)RD、CSA、波束域WK等。對算法處理能力分析，主要考慮算法處理特點，距離徙動校正和方位相位補償能力。對改進(jìn)RD、CSA、波束域WK這三種算法成像特性進(jìn)行對比分析，如表1所示。

從表1可以看出，改進(jìn)RD算法難以實現(xiàn)高分辨寬測繪帶處理。CS算法處理性能和WK相當(dāng)，但由于CS算法的處理需要保留測繪帶寬加回波寬度，而WK處理可通過脈間先距離壓縮處理，截取有效測繪帶寬度，大大降低數(shù)據(jù)存儲量。此外，當(dāng)波束存在一定斜視時，CS算法在高分辨下距離-方位耦合特性較為明顯，而波束域WK算法可有效克服耦合問題。

平臺速度慢、姿態(tài)控制精度低、分辨力高、數(shù)據(jù)存儲量大，因此鑒于波束域WK算法的優(yōu)勢，成像模式中選擇波束域WK算法。

2.2 伺服轉(zhuǎn)臺補償算法

為了在載機姿態(tài)變化的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)天線在慣性空間中的指向穩(wěn)定，伺服轉(zhuǎn)臺運補控制系統(tǒng)需要對載機的運動進(jìn)行補償解算，并輸出補償控制量，以隔離載機姿態(tài)變化對天線指向的影響。

根據(jù)慣性坐標(biāo)系中的目標(biāo)方位角、俯仰角，結(jié)合載機的各姿態(tài)角，解算出平臺坐標(biāo)系中對應(yīng)的方位角與俯仰角作為控制指令角度，通過雙閉環(huán)回路控制方位、俯仰電機的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)天線俯仰的補償。當(dāng)載機的姿態(tài)發(fā)生變化時，平臺坐標(biāo)系中的方位、俯仰指令角也隨之不斷更新，以達(dá)到隔離載機運動的目的。

目前的伺服補償算法采用的過程為，初始化伺服航跡角=當(dāng)前的慣導(dǎo)航跡角；伺服航跡角-當(dāng)前慣導(dǎo)航跡角≤某一角度時，伺服航跡角保持不變；伺服航跡角-當(dāng)前慣導(dǎo)航跡角>某一角度時，伺服航跡角=當(dāng)前慣導(dǎo)航跡角；伺服方位角指向始終垂直于伺服航跡角。詳見圖1所示。

圖1 常見的伺服補償算法

上述伺服補償算法在慢速平臺下，將由于姿態(tài)變化幅度大，導(dǎo)致伺服不斷處于調(diào)整和更新中，導(dǎo)致波束指向地面時在孔徑時間內(nèi)發(fā)生擺動，因此為適應(yīng)慢速平臺，將算法進(jìn)行改進(jìn)，采用滑窗平均的辦法進(jìn)行解算，具體過程為：初始化伺服航跡角=當(dāng)前的慣導(dǎo)航跡角；伺服航跡角=之前10s內(nèi)（進(jìn)入航跡內(nèi)）的航跡角的平均值（如慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)更新率為100Hz，可取前1000個周期內(nèi)，每隔10個周期抽取1個航跡角，共100個數(shù)據(jù)組成滑窗）；伺服航跡角量化精度取0.2～0.5度；伺服方位角指向始終垂直于伺服航跡角。祥見圖2。

2.3 系統(tǒng)組成及特點

機載雷達(dá)裝入平臺中，在地面通過顯示控制軟件對雷達(dá)進(jìn)行遙控遙測，實現(xiàn)空中數(shù)據(jù)采集、機上數(shù)據(jù)實時記錄、存儲，并下傳快視圖像。返回地面后讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖像回放、圖像信息分析。

機載雷達(dá)組成框圖如圖3所示，分為艙外設(shè)備和艙內(nèi)設(shè)備兩部分。機艙外設(shè)備為機腹下的天線罩內(nèi)的雷達(dá)天線與穩(wěn)定平臺單元，機艙內(nèi)設(shè)備包括低功率射頻單元和綜合電子單元。雷達(dá)工作時，低功率射頻單元的頻率源產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，由波形產(chǎn)生模塊根據(jù)工作指令生成寬帶LFM信號，由激勵輸出形成射頻信號，放大后送入天線及穩(wěn)定平臺單元的收發(fā)模塊進(jìn)行放大，通過雙極化共口徑的天線陣面進(jìn)行輻射。通過收發(fā)極化開關(guān)交替發(fā)射/接收時序控制，順序獲取HH、HV、VV、VH極化的回波，通過導(dǎo)前觸發(fā)準(zhǔn)確進(jìn)行標(biāo)識，順序存入綜合電子單元中的記錄儀中。

天線及穩(wěn)定平臺單元的主要功能為根據(jù)控制指令，接收組合導(dǎo)航提供的航姿數(shù)據(jù)，實現(xiàn)天線空間指向的穩(wěn)定與跟蹤；分時實現(xiàn)雷達(dá)兩個波段射頻激勵信號的放大與輻射，并獲取目標(biāo)返回的后向散射信號。

低功率射頻單元主要實現(xiàn)雷達(dá)整機的基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生、各相參頻率的輸出，根據(jù)指令產(chǎn)生各種雷達(dá)寬帶波形信號、射頻信號調(diào)制與解調(diào)，以及解調(diào)后視頻信號的量化。

綜合電子單元負(fù)責(zé)整機對外的測控通信、指令解譯、時序輸出，以及對低功率射頻單元輸出的數(shù)字基帶回波信號進(jìn)行處理、快視圖像實時下傳等功能。

3 系統(tǒng)飛行試驗結(jié)果

該系統(tǒng)于2016年進(jìn)行了飛行試驗驗證工作，獲得了不同視角以及極化下的圖像數(shù)據(jù)，飛行試驗結(jié)果如圖4所示。圖4分別為同一地物獲得的4種極化SAR圖像，可以看到不同的極化圖像對相同地物場景得到不同的結(jié)果。在圖4a）和圖4d）同極化圖像中可以清晰看到馬路旁的路燈，而在圖4b）和圖4c）交叉極化中不可見。

4 結(jié)束語

文章介紹了一種能適應(yīng)慢速平臺的雙波段全極化SAR系統(tǒng)，著重介紹了為適應(yīng)慢速平臺采用的成像算法選擇和伺服狀態(tài)運動補償算法的改進(jìn)，最后給出了初步的實際飛行試驗結(jié)果，可為同類型輕小平臺SAR系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒和思路。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：鐘小艷（1983-），女，安徽阜陽人，漢族，碩士研究生，工程師，主要研究方向為SAR系統(tǒng)總體技術(shù)。