火星次表層探測雷達(dá)信號分析與處理?

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

基于火星的特殊位置以及特殊環(huán)境,從20世紀(jì)60年代人類就開始對其探索。從1960年10月10日前蘇聯(lián)發(fā)射人類首顆火星探測器(Mars)開始,人類揭開了火星探測的序幕[1]。進(jìn)入21世紀(jì),火星探測成為深空探測的研究熱點,美國、歐空局、俄羅斯、日本等大國或機(jī)構(gòu)競相提出火星探測計劃,最為典型的火星環(huán)繞器次表層探測任務(wù)包括歐空局“火星快車”上搭載的火星次表層電離層先進(jìn)探測雷達(dá)(Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding Radar,MARSIS)、美國“火星勘測軌道器”上搭載的淺表層探測雷達(dá)(Shallow Subsurface Sounding Radar,SHARAD)[2],其探測科學(xué)任務(wù)除了火星表面的物質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)分布等,還承擔(dān)著對火星電磁場和電離層的特性研究任務(wù)。相對而言,MARSIS因其信號帶寬(1 MHz)比較窄,對冰層的厚度分辨率較弱;SHARAD不僅在分辨率上加以提高(帶寬達(dá)到10 MHz),且以很簡化的設(shè)計提供突出的探測性能,Chirp信號載波直接合成與接收機(jī)射頻直接采樣降低了系統(tǒng)復(fù)雜度、重量、功率,提高了可靠性,系統(tǒng)搭載于火星軌道探測器。連續(xù)3年的在軌測量結(jié)果表明設(shè)計目標(biāo)完全滿足,為火星探測提供了高質(zhì)量的科學(xué)數(shù)據(jù)。但是,它們基本上是把原始數(shù)據(jù)傳回到地球,然后線下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對于火星探測任務(wù),因為距離太遠(yuǎn),大量的數(shù)據(jù)傳輸一直是科學(xué)家較為頭疼的問題。而本文就是通過對火星次表層探測雷達(dá)回波進(jìn)行仿真模擬,對回波信號進(jìn)行星上實時處理,得到聚焦以后的數(shù)據(jù),直接傳回地球,雖然存在一定的風(fēng)險,但是顯然能夠大大降低數(shù)據(jù)量,這對于了解火星、走進(jìn)火星,降低探測任務(wù)風(fēng)險提供了更加有力的保證[3]。

1 探測原理分析

圖1為雷達(dá)探測火星次表層結(jié)構(gòu)示意圖。假設(shè)火星次表層為兩層的分層模型,其中上層介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1,損耗角正切為tanδ1,下層介質(zhì)的介電常數(shù)為ε2,損耗角正切為tanδ2,定義上層介質(zhì)與空間的交界面為火星表面,上層介質(zhì)與下層介質(zhì)交界面為次表層[4]。

圖1 雷達(dá)次表層探測視圖

雷達(dá)平臺高度為H,以θ的波束角向火星表面發(fā)射電磁波,上層介質(zhì)的厚度為D。A為星下點,電磁波到達(dá)表面,反射的電磁波直接被雷達(dá)接收機(jī)接收,定義為A點的回波,其時間延遲為2H/c,c為真空中的光速。投射電磁波傳輸?shù)酱伪韺有窍曼cB點,被下層介質(zhì)反射,再經(jīng)過上層介質(zhì)的折射返回到雷達(dá)接收機(jī),定義為次表層星下點B點的回波,其時間延遲為由于火星表面地形的起伏,使得雷達(dá)也會接收到火星表面C點的回波,如果其時間延遲與次表層星下點回波相同,那么很可能會淹沒次表層星下點回波,因此表面非星下點回波和次表層星下點回波的區(qū)分能力是雷達(dá)探測任務(wù)以及火星設(shè)計應(yīng)該考慮的重要因素。

根據(jù)電磁波傳播原理,顯然次表層的單元回波會被表層同距離單元的回波淹沒,在回波時域上很難區(qū)分開來。然而,星下點的次表層單元的回波多普勒和表層同距離門單元回波的多普勒不在同一個多普勒環(huán),利用這一點,可以對實際回波進(jìn)行距離方位聚焦處理,從而在頻域上得到地質(zhì)分層信息。

2 雷達(dá)回波分析

2.1 雷達(dá)探測回波模擬流程

火星次表層探測雷達(dá)回波模擬的流程包括:通過真實DEM或者數(shù)值模擬方法獲取表面地形,計算火星表面和次表面散射,根據(jù)發(fā)射脈沖的波形時域卷積得到回波波形,流程如圖2所示。

圖2 回波模擬流程示意圖

其中,表面和次表面散射的計算包括:KA近似計算表面反射,由射線追蹤法、幾何光學(xué)和KA近似計算次表面的散射。電磁波在火星表面和次表層的散射、投射和衰減等,對于提取次表面星下點回波、確定火星次表層結(jié)構(gòu)和反演火星次表層參數(shù)等具有重要的意義。

2.2 雷達(dá)探測回波計算原理

Kirchhoff近似,又稱為切平面近似,粗糙面任意一點處的表面場用該點的切面場來近似。次表層雷達(dá)探測電磁波反射的計算如圖3所示,雷達(dá)位于點P0(x,y,z),入射場于P1處發(fā)生反射和投射,反射場產(chǎn)生感應(yīng)電流形成了火星表面回波。P1處的投射場在上層內(nèi)向下傳播至次表層P2(x,y,z)處發(fā)生反射,反射場在層1內(nèi)向上傳播,到P3(x,y,z)點處產(chǎn)生透射,該透射場在P3處產(chǎn)生感應(yīng)電流,形成了次表面回波[5]。

圖3 雷達(dá)探測電磁波反射示意圖

在圖3中,假設(shè)點P1處的入射場為

由Kirchhoff近似,P1處的反射場可以表示為

由Stratton-Chu積分方程,P1所在面元1在雷達(dá)所在位置點P0處輻射的電場為

式中,Green函數(shù)G10為

同理,可得次表層散射場為

式中,Green函數(shù)G30為

實際計算時,火星表面和次表面被劃分為大量離散的小單元,將距觀測點P0射程距離為r n(第n個距離單元)的所有面元產(chǎn)生的散射場相加,得到雷達(dá)接收到的表面和次表面散射場分別為

雷達(dá)總回波場為

然后對其進(jìn)行線性調(diào)頻信號調(diào)制得到雷達(dá)回波信號。

2.3 仿真試驗分析

為了方便仿真,假設(shè)環(huán)繞器軌道為圓形軌道,火星位于軌道中心位置,環(huán)繞器在特定的短時間內(nèi)認(rèn)為是切于火星球面勻速飛行。

輸入仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

通過上述數(shù)據(jù)仿真處理,然后對關(guān)注的5 km范圍進(jìn)行截取,其時域三維回波如圖4所示。

圖4中,圖4(a)為時域回波,圖4(b)為脈壓后的回波。從圖中可以觀察到,從時域回波很難看出分層現(xiàn)象,正如前面分析的一樣,次表層回波被表層回波淹沒。這里便于驗證,對其進(jìn)行多普勒分析,從頻域加以觀察。

圖5為回波的頻譜分析圖,其中圖5(b)為圖5(a)頻譜的零頻譜線,從零頻譜線圖可以明顯看到,在第50和100個距離單元處有明顯的尖峰,分別比表層回波低了10.54 dB和27.51 dB,這正是驗證了仿真設(shè)置的分層參數(shù),同時也驗證了算法的有效性。

圖4 模擬的時域回波

圖5 回波頻譜分析圖

3 星上實時處理分析

如果采用星上實時處理,其可靠性一定要保證,這對于算法的選擇尤為重要。SAR實時成像處理可以在平臺運(yùn)動的同時實時獲得SAR圖像,對于實時監(jiān)測和戰(zhàn)場偵察具有重要意義。目前常用的成像算法有改進(jìn)RD,CS,Ω-k,BP等。對于實時處理而言,必須在滿足雷達(dá)分辨率、測繪帶等指標(biāo)的情況下,盡可能地降低運(yùn)算時間,因此需要考慮不同算法的成像性能及處理流程?？紤]到硬件資源、實時性、方位聚焦能力等多方面因素,本文采用BP算法來實現(xiàn)聚焦處理[6]。

3.1 BP算法聚焦處理仿真

BP算法起源于計算機(jī)斷層掃描技術(shù),是一種精確的時域成像方法。該方法假設(shè)發(fā)射波是沖激球面波,通過回波在時域的相干疊加來實現(xiàn)高分辨率成像。對于線性調(diào)頻體制的雷達(dá),首先在距離向上利用匹配濾波進(jìn)行脈沖壓縮處理,通過回波曲線在時域上的相干累加來實現(xiàn),適用于任意的孔徑,相應(yīng)的距離徙動也得到了校正。

其具體實現(xiàn)過程如下:對于t a時刻發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖,首先進(jìn)行距離壓縮,然后依據(jù)所求網(wǎng)格點與傳感器位置之間的距離R尋找該點在距離壓縮后的信號中的位置,將此位置處的散射系數(shù)填入到相應(yīng)的網(wǎng)格中去,從而實現(xiàn)后向投影的過程。

對于該脈沖,用這種方法求出場景中所有網(wǎng)格點上的值,然后再對下一時刻的脈沖重復(fù)同樣的步驟,并將場景中相應(yīng)位置處的散射系數(shù)進(jìn)行累加。由于斜距R并不一定位于距離向信號的整數(shù)采樣點上,因此要獲得距離R處精確的散射系數(shù)還需要進(jìn)行插值。BP算法的流程如圖6所示[7]。

圖6 BP算法流程圖

對2.3節(jié)的時域回波數(shù)據(jù)通過上述BP算法聚焦處理,得到如圖7所示結(jié)果。

從聚焦結(jié)果,可以非常明顯地看到三層地形,根據(jù)仿真設(shè)置,顯然依次為表層、次表層、第三次分層情況。

圖7 BP算法聚焦結(jié)果

3.2 聚焦算法對平臺運(yùn)動誤差的敏感分析

為了分析算法對平臺運(yùn)動誤差的敏感度加以分析,考慮到面回波無法體現(xiàn)單獨目標(biāo)回波特性,在仿真中,只對一個雜波單元加以分析,對星下的一點采用BP算法進(jìn)行聚焦處理,方位加權(quán)50 d B。試驗分別對不加隨機(jī)誤差、方位向加隨機(jī)誤差、俯仰向加隨機(jī)誤差加以仿真,而且對隨機(jī)誤差從無到有、從大到小逐步仿真,得到如圖8～圖11、表2～表3所示結(jié)果。

從上述仿真結(jié)果可以看到,水平誤差和垂直誤差的影響不同,且影響程度不同。在不斷加大水平誤差時,其主瓣會不斷展寬,這會直接影響方位分辨率的大小。主副積分比和主副比逐漸減小,在水平誤差加到150 m的情況下,無法滿足成像要求的主副比30 dB,且主瓣展寬嚴(yán)重;當(dāng)不斷加大垂直誤差時,可以看到其不會影響主瓣寬度,但是主副積分比和主副比劇烈減小,直接影響聚焦效果。在保證主副比一定的情況下,其垂直誤差容限很小,在±0.5 m左右。

圖8 沒有加入隨機(jī)誤差的方位向聚焦效果

圖9 加入水平位置隨機(jī)誤差200 m的方位向聚焦效果

圖10 加入垂直位置隨機(jī)誤差0.1 m的方位向聚焦效果

圖11 加入垂直位置隨機(jī)誤差0.8 m的方位向聚焦效果

表2 水平位置誤差所形成的影響

表3 垂直位置誤差所形成的影響

4 結(jié)束語

通過對火星次表層探測雷達(dá)的任務(wù)進(jìn)行深入分析,從火星環(huán)繞器次表層探測的原理出發(fā),基于項目工程實際,對次表層雷達(dá)的探測任務(wù)回波加以仿真分析,并進(jìn)一步對星上實時處理算法的選取原則作了簡要說明,分析了BP算法的成像原理,最后通過分析平臺水平和垂直向的誤差對成像結(jié)果的主副瓣積分比、主副瓣比、主瓣峰值水平的影響,對星上實時處理流程以及算法容許的平臺誤差進(jìn)行了計算機(jī)仿真。但是,目標(biāo)的仿真模型還不夠完備,具體工程實施中,軌道不是圓形而是橢圓,這樣聚焦過程就會存在嚴(yán)重的距離走動現(xiàn)象,同時,火星表面復(fù)雜度還難以預(yù)測,這是后續(xù)需要努力的方向。

[1]歐陽自遠(yuǎn),肖福根.火星探測的主要科學(xué)問題[J].航天器環(huán)境工程,2011,28(3):205-217.

[2]曹志國,常文革,李召陽,等.星球次表層探測中地雜波抑制技術(shù)研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2013,12(6):650-651.

[3]IORIO M,MECOZZI R,SEU R,et al.GPR Missions on Mars[C]∥IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium,Barcelona,Spain:IEEE,2007:4095-4100.

[4]KUREKIN A,RADFORD D,LEVER K,et al.New Method for Generating Site-Specific Clutter Map for Land-Based Radar by Using Multimodal Remote-Sensing Images and Digital Terrain Data[J].IET Radar,Sonar and Navigation,2011,5(3):374-388.

[5]CROCI R,SEU R,FLAMINI E,et al.The SHAllow RADar(SHARAD)Onboard the NASA MRO Mission[J].Proceedings of the IEEE,2011,99(5):794-807.

[6]周琳,粟毅.基于互相關(guān)的探地雷達(dá)反向投影成像算法[J].電子與信息學(xué)報,2011,33(11):2714-2719.

[7]BIERENS L,VAN HEIJSTER R,VAN BEZOUWEN H.Data Reduction Using Real-Time On-Board Satellite SAR Processing[C]∥Fourth International Workshop on Digital Processing Techniques Applied to Space Communications,London:ESA,1994:21-30.