陣列三維MIMO—SAR系統(tǒng)設計與仿真

張佳佳 孫龍 江凱

摘要

陣列三維合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）成像系統(tǒng)可以克服陰影效應，對城市街區(qū)等地形變化劇烈的區(qū)域進行三維成像。本文提出了一種陣列三維MIM0-SAR系統(tǒng)設計方案，并結合設計實例進行了系統(tǒng)仿真分析。

【關鍵詞】MIM0波形 三維合成孔徑雷達 稀疏陣列

在傳統(tǒng)側視SAR圖像中，由于SAR的固有成像機制和地面場景的幾何關系，起伏較大的山體、城區(qū)等區(qū)域將不可避免地形成疊掩現(xiàn)象，導致得到的地圖中存在地形失真及疊掩區(qū)信息丟失，陣列天線三維SAR成像系統(tǒng)能夠獲得真正的三維圖像，極大緩解甚至消除疊掩現(xiàn)象，適合于復雜地形的測繪，在山川、河谷及城市地區(qū)的測繪應用中具有不可替代的作用。

本文提出了一種基于MIMO體制的陣列三維SAR系統(tǒng)的設計方案，系統(tǒng)在交軌方向上布置多個稀疏排列的子孔徑，實現(xiàn)陣列稀疏化設計。該方案利用MIMO體制獲得最大的等效孔徑，實現(xiàn)高的切航跡向分辨率；同時采用多普勒分集波形的方案，避免正交信號互相干擾，具有工程可實現(xiàn)性。本文首先從交軌陣列形式設計、波形選擇等方而進行了系統(tǒng)設計的描述；最后進行了系統(tǒng)的仿真分析。

1 陣列三維SAR原理

陣列天線三維成像雷達系統(tǒng)的幾何結構示意圖如圖1所示，理論上陣列三維SAR系統(tǒng)的高程分辨率由雷達發(fā)射信號帶寬決定，切向分辨率由虛擬陣列天線的長度、載波波長和雷達斜距共同決定，方位向分辨率由合成孔徑長度決定。

方位向分辨率為：

切航跡向分辨率為：

高程向分辨率為：

其中，c為光的傳播速度，B為發(fā)射信號帶寬；λ為載波波長，R為雷達到成像區(qū)域中心的斜距，Lv為虛擬陣列的長度；θa為方位向波束寬度。從（3）式可以看出，切航跡向分辨率與虛擬陣列長度成反比。因此進行陣列排布設計時應使虛擬陣列長度盡量長。

2 MIM0-SAR系統(tǒng)設計

2.1 交軌陣列形式設計

交軌陣列的設計選擇包括發(fā)射子陣個數(shù)、子陣排布形式等。交軌陣列的設計需要綜合考慮以下因素：

（1）如何在系統(tǒng)安裝條件下獲取最大的等效口徑，即足夠高的切航跡向分辨率；

（2）如何在獲取最大的等效孔徑前提下，獲得最多的等效相位中心，從而獲得盡量密集的等效陣列。

2.1.1 收發(fā)子陣形式設計

相位中心近似（PCA）的基本原理為：一定條件下，一對發(fā)射和接收分置的子陣，可以由位于它們中心位置的一個收發(fā)共用的相位中心來替代。

等效的虛擬陣列長度為：

Lv=（LT+L）/2 （4）

從上式可以看出：

（1）當Lr>0時，即發(fā)射子陣（密陣）位于整個MIMO陣列的中心區(qū)域，則等效的虛擬線陣長度為Leq=L/2；

（2）當Lr>L時，即發(fā)射子陣（密陣）位于整個MIMO陣列的兩側，則等效虛擬線陣長度Lv=L。

綜上所述，隨著相隔最遠的兩個發(fā)射子陣的距離增加，等效的虛擬線陣長度也隨著增加。因此，從MIMO陣列原理上考慮，發(fā)射子陣（密陣）布設于整個陣列的兩側時獲得的等效孔徑最大。

2.1.2 發(fā)射子陣個數(shù)選擇

為了在獲得最大等效孔徑的同時獲得最多等效陣列個數(shù)，需要選擇最優(yōu)的發(fā)射子陣個數(shù)按照PCA原理將獲得的等效相位中心個數(shù)為

可見，

時，系統(tǒng)獲得的等效相位中心個數(shù)最多。

2.2 MIMO波形選擇

正交波形設計是實現(xiàn)陣列三維MIMO-SAR方式的關鍵，然而現(xiàn)有的絕大多數(shù)碼分正交波形都具有較高的互相關積分旁瓣電平，無法滿足工程需要。

為了避免正交波形的互相干擾，文獻[5]提出采用各發(fā)射天線交替發(fā)射普通SAR信號的方式，即個發(fā)射天線在各個脈沖重復周期交替地發(fā)射普通SAR信號，每一脈沖重復周期所有接收天線同時接收地面回波，從而等效地實現(xiàn)多發(fā)多收。如此，各陣元發(fā)射信號的主瓣回波將交替地出現(xiàn)在不同的脈沖重復周期，避免了發(fā)生混疊。但是交替發(fā)射MIMO-SAR系統(tǒng)在每個脈沖重復間隔內只有一個天線發(fā)射信號，比起其他正交波形MIMO-系統(tǒng)功率孔徑積較低。

綜合考慮現(xiàn)有的正交波形，采用多普勒分集正交波形。多普勒分集正交波形給每一個發(fā)射子陣分配一個不同的慢時間線性編碼，將其所對應的回波調制到無模糊的多普勒空間的不同部分中。于是，可以用相對簡單的多普勒濾波器將對應于不同發(fā)射子陣的波形一一分離，如圖2所示。這種方式跟發(fā)射交替發(fā)射信號方式需要同樣大的PRF以分離N個發(fā)射波形。但是這種方式的等效PRF為時分方式的N倍，因此其他條件相同的情況下，功率孔徑積為交替發(fā)射波形MIMO方式的N倍。

3 仿真分析

以下我們針對陣列三維SAR的原理驗證系統(tǒng)進行仿真分析。表1給出了陣列三維SAR系統(tǒng)的相關參數(shù)。

系統(tǒng)采用8×8的子陣，考慮到二維掃描的能力，單元間距設計為0.022m（方位向）及0.0168m（切航跡向），子陣的大小為0.176m×0.1344m（方位向x切航跡向）。為了滿足沿航跡方向不模糊，系統(tǒng)等效PRF要求大于1500Hz。收/發(fā)雙工子陣個數(shù)選擇為4個（機翼兩端各分布2個收/發(fā)子陣）。

MIMO陣列設置和等效虛擬陣列示意圖見圖3，系統(tǒng)采用兩端同時發(fā)射、全陣列接收的方案，共23個接收子陣，4個收/發(fā)雙工子陣，可等效形成101個虛擬相位中心，虛擬陣列長度為15m，理論上在400m的作用距離下可以實現(xiàn)優(yōu)于1.0m的切航跡向分辨率。沿航跡向的天線尺寸176mm，通過合成孔徑可以實現(xiàn)優(yōu)于0.3m的方位向分辨率，通過發(fā)射800MHz寬帶線性調頻信號可以實現(xiàn)優(yōu)于0.3m的高程向分辨率。

4 結束語

陣列三維SAR系統(tǒng)可以克服陰影效應，對城區(qū)建筑物山區(qū)等地形變化劇烈區(qū)域進行成像，將為全天候、全天時的軍事偵察、地形測繪提供更強有力的工具。本文提出了一種基于子陣級MIMODBF體制的陣列三維SAR系統(tǒng)的設計方法，該方法可以獲得最大的等效孔徑實現(xiàn)高的切航跡向分辨率，同時采用多普勒分集波形方案，避免因為發(fā)射正交信號而帶來的系統(tǒng)復雜度，具有工程可實現(xiàn)性。

參考文獻

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[5]吳子斌，朱宇濤，粟毅，李禹，宋曉驥.用于機載線陣三維SAR成像的MIM0陣列構型設計[J].電子與信息學報，2013，35（11）：2672—2677.

[6]張佳佳.多發(fā)多收合成孔徑雷達關鍵技術研究[D].西安電子科技大學工學博士學位論文，2014.