環(huán)繞器次表層探測(cè)雷達(dá)實(shí)時(shí)處理技術(shù)

范明意，呂鵬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088）

引 言

探測(cè)行星地面及表層之下的液態(tài)水或者固態(tài)水，是行星探測(cè)活動(dòng)最有意義的一項(xiàng)工作。而低頻段雷達(dá)具有穿透星球表面的能力，是實(shí)現(xiàn)行星探測(cè)的有效途徑。行星環(huán)繞器次表層探測(cè)雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)繞軌道行星次表層結(jié)構(gòu)高分辨探測(cè)，獲取行星表層和次表層雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，為深入研究行星土壤層、沉積層和冰層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

次表層探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)在行星環(huán)繞器上，工作的軌道高度為幾百km，要實(shí)現(xiàn)對(duì)行星地質(zhì)結(jié)構(gòu)成像的目標(biāo)，就需要實(shí)現(xiàn)電磁波最好的滲透。由于距離遠(yuǎn)，地表下物質(zhì)電磁波衰減比較嚴(yán)重。一般來(lái)說(shuō)，低頻段的穿透能力比高頻段的穿透能力強(qiáng)。因此，在環(huán)繞器平臺(tái)條件限制（發(fā)射功率限制）情況下，采用較低工作頻段來(lái)獲得足夠的穿透深度。

在近10年間，火星探測(cè)雷達(dá)已經(jīng)對(duì)火星的表面、次表面和電離層開(kāi)展了廣泛的探索。典型的火星次表層探測(cè)雷達(dá)包括歐州空間局（European Space Agency，ESA）發(fā)射的“火星快車(chē)”（Mars Express）上搭載的火星次表層電離層先進(jìn)探測(cè)雷達(dá)（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding Radar，MARSIS）[1]和搭載在美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）發(fā)射的“火星勘測(cè)軌道器”（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）上的淺表層探測(cè)雷達(dá)（Shallow Subsurface Sounding Radar，SHARAD）[2-5]。

1 環(huán)繞器次表層探測(cè)雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)

環(huán)繞器次表層探測(cè)雷達(dá)如下圖所示，是將探地雷達(dá)搬移到行星環(huán)繞器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)行星的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的巖性、電磁參數(shù)及主要組成成分的探測(cè)。實(shí)際上，為了能夠成功地實(shí)現(xiàn)探測(cè)任務(wù)，次表層探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)必須獲得足夠的方位分辨率，深度分辨率，信噪比（SNR）以及信雜比（SCR）。

針對(duì)行星的次表層探測(cè)應(yīng)用，分辨率（包括順軌分辨率及距離分辨率）應(yīng)盡可能高，用以分辨目標(biāo)分層回波和非天底洞的回波。實(shí)際上，方位分辨率是采用合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，采用此技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的分辨率與菲涅耳圓環(huán)的半徑相關(guān)，在軌道高度一定的情況下，和工作波長(zhǎng)相關(guān)。在自由空間中，距離分辨率為：。因此，為了提高分辨率，系統(tǒng)應(yīng)提高信號(hào)帶寬，并采用較高的工作頻段。

在環(huán)繞器次表層探測(cè)系統(tǒng)中，雜波是指來(lái)自非探測(cè)目標(biāo)區(qū)域的反射信號(hào)。當(dāng)雜波和目標(biāo)回波在同一個(gè)采樣時(shí)間窗口，并且具有相同的譜特征時(shí)，雜波就和目標(biāo)回波混在一起難以區(qū)分，見(jiàn)圖1。

實(shí)際上，雜波主要影響次表層探測(cè)雷達(dá)對(duì)地表下回波的探測(cè)。由于地表下回波經(jīng)過(guò)反射、透射及衰減效應(yīng)，回波強(qiáng)度弱，地表雜波信號(hào)可能將地表下的回波信號(hào)掩蓋，使得探測(cè)失效。另一方面，距離壓縮造成的副瓣可能掩蓋次表層的回波，而好的順軌分辨率可以限制非星下點(diǎn)的散射回波。因此，為了提高在強(qiáng)地面雜波下對(duì)地表下弱回波的探測(cè)，需要實(shí)現(xiàn)低的距離壓縮副瓣以及高的順軌分辨率。

圖1 環(huán)繞器次表層探測(cè)雷達(dá)雜波分布圖Fig.1 Clutter distribution of a subsurface sounding radar

地表面區(qū)域到平臺(tái)的距離隨著平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)而變化，不同區(qū)域的距離變化量不一樣，引入了從正到負(fù)變化的多普勒頻率區(qū)間，利用該多普勒分布信息可實(shí)現(xiàn)順軌方向分辨（見(jiàn)圖2）。

1.1 精確的全鏈路失真補(bǔ)償

收發(fā)通道及天線響應(yīng)的增益或相位失真，都會(huì)導(dǎo)致接收到的回波與理想信號(hào)有大的偏差，直接導(dǎo)致科學(xué)探測(cè)的不確定性。另外，傳播路徑上的電離層也會(huì)使回波衰減且引入非線性失真。

由于通道特性具有一定的時(shí)間變化特性，主要跟溫度變化關(guān)系較大，需要進(jìn)行必要的實(shí)際測(cè)量才能獲得，因此探測(cè)器在軌運(yùn)行時(shí)需要實(shí)時(shí)定標(biāo)測(cè)量獲得發(fā)射通道和接收通道的響應(yīng)特性，并與理想特性比較獲得修正系數(shù)，并對(duì)接收回波進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，以獲得與實(shí)際接收信號(hào)最好的匹配函數(shù)，從而得到高的脈沖壓縮副瓣。

發(fā)射定標(biāo)通過(guò)收發(fā)開(kāi)關(guān)上的耦合器將發(fā)射樣本按一定比例耦合到數(shù)字收發(fā)的ADC，進(jìn)行數(shù)字采樣，信號(hào)處理模塊對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到發(fā)射補(bǔ)償系數(shù)，見(jiàn)（圖3）。

圖2 利用多普勒信息提高順軌分辨Fig.2 The along track resolution enhanced through Doppler processing

圖3 發(fā)射定標(biāo)流程Fig.3 Diagram of transmitting path distortion measurement

接收定標(biāo)在收發(fā)開(kāi)關(guān)與模擬接收之間注入測(cè)試信號(hào)，經(jīng)接收通道濾波放大后到數(shù)字收發(fā)的ADC，進(jìn)行數(shù)字采樣，信號(hào)處理模塊對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到接收補(bǔ)償系數(shù)，見(jiàn)圖4。

圖4 接收定標(biāo)流程Fig.4 Diagram of receiving path distortion measurement

由于雷達(dá)工作的頻段很低，天線響應(yīng)受地球背景的影響很大，在天線定標(biāo)時(shí)需要將天線及所處的平臺(tái)環(huán)境通過(guò)氣球掛載升高到離地150米的空中，然后進(jìn)行測(cè)試。通常認(rèn)為天線本身是無(wú)源組件，其特性相對(duì)較穩(wěn)定，在測(cè)試完成后不會(huì)有大的變化，地面測(cè)試的結(jié)果可以用到在軌運(yùn)行時(shí)的特性補(bǔ)償。

1.2 電離層補(bǔ)償

測(cè)高模式下發(fā)射頻率為f1和f2的LFM信號(hào)得到的回波為

圖5 天線定標(biāo)流程Fig.5 Illustration of antenna distortion measurement

其中：σ1,i和σ2,i分別對(duì)應(yīng)發(fā)射信號(hào)場(chǎng)景中目標(biāo)的后向散射系數(shù)；τ為兩組發(fā)射信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)延；Kr為線性調(diào)頻率；Ri為目標(biāo)斜距。經(jīng)過(guò)基帶變換、脈沖壓縮之后的信號(hào)為

對(duì)兩路輸出信號(hào)做互相關(guān)，通過(guò)計(jì)算相關(guān)系數(shù)的峰值就能得到回波相對(duì)時(shí)延的估計(jì)Δτ。

利用雙頻信號(hào)的時(shí)延差估計(jì)TEC的表達(dá)式為

根據(jù)電離層TEC，就能計(jì)算出不同頻率信號(hào)的相位偏移量，進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

火星電離層截止頻率約為3 MHz，我們的雷達(dá)低頻段工作在10～20 MHz，不會(huì)造成無(wú)法工作的結(jié)果，SHARAD的結(jié)果也印證了這一點(diǎn)。電離層誤差主要影響脈壓副瓣，同時(shí)會(huì)造成信噪比損失，相較而言脈壓副瓣的影響對(duì)次表層探測(cè)更不利，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)解析的失敗，而信噪比損失主要影響探測(cè)的深度，不會(huì)帶來(lái)致命的結(jié)果。

在軌實(shí)時(shí)處理，需要在軌對(duì)電離層引入的相位誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)估算，實(shí)際工作時(shí)，發(fā)射兩個(gè)頻率的脈沖信號(hào)，根據(jù)地面高度開(kāi)窗采集回波，再對(duì)兩組回波進(jìn)行相關(guān)處理，計(jì)算相關(guān)峰的位置，得到兩個(gè)頻率回波的延遲時(shí)間，再根據(jù)延遲時(shí)間計(jì)算電離層電子總濃度，然后再根據(jù)不同頻率計(jì)算補(bǔ)償系數(shù)，并且將補(bǔ)償系數(shù)引入到脈壓參考函數(shù)中。這里假設(shè)電離層電子總濃度在一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)具有緩變特性。

圖6 脈沖壓縮流程Fig.6 Pulse compression diagram

1.3 低副瓣脈沖壓縮

脈沖壓縮在頻域進(jìn)行，接收回波信號(hào)經(jīng)頻域變換后，乘以匹配函數(shù)，再通過(guò)反變換得到脈壓結(jié)果。匹配函數(shù)的組成包含了發(fā)射補(bǔ)償系數(shù)、接收補(bǔ)償系數(shù)和天線補(bǔ)償系數(shù)，還包括低副瓣加權(quán)系數(shù)，所有這些系數(shù)都在頻域通過(guò)點(diǎn)乘組合在一起。

2 后向投影算法

次表層雷達(dá)的特點(diǎn)是成像場(chǎng)景非常小，只需要對(duì)星下的極小區(qū)域進(jìn)行成像處理，衛(wèi)星平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)與成像場(chǎng)景可以視為在順軌方向的一個(gè)平面內(nèi)，比較適合采用后向投影（Backproject，簡(jiǎn)稱(chēng)BP）算法。

根據(jù)每個(gè)成像點(diǎn)的坐標(biāo)和衛(wèi)星平臺(tái)的坐標(biāo)，計(jì)算兩者之間的距離，假設(shè)衛(wèi)星平臺(tái)和星下探測(cè)區(qū)域都在順軌運(yùn)行的平面內(nèi)，則第i個(gè)成像點(diǎn)與第m個(gè)脈沖時(shí)刻衛(wèi)星平臺(tái)位置之間的距離為

其中：（xi，zi）為第i個(gè)成像點(diǎn)在XOZ平面內(nèi)的坐標(biāo)，（xplat_m，zplat_m）為衛(wèi)星平臺(tái)在第m個(gè)發(fā)射脈沖時(shí)刻所在的XOZ平面內(nèi)的位置坐標(biāo)。

計(jì)算得到的距離需要與實(shí)際測(cè)高模式測(cè)得的星下點(diǎn)距離進(jìn)行比較，將誤差值進(jìn)行修正，目的是對(duì)應(yīng)實(shí)際的距離采樣窗口。

修正后的距離為

其中，ΔR為計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的差值。

相應(yīng)的相位補(bǔ)償系數(shù)為

3 后向投影算法的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)

BP算法在原理上容易理解，但實(shí)現(xiàn)效率比較低。假如在一個(gè)合成孔徑長(zhǎng)度為L(zhǎng)，M×N個(gè)像素的成像區(qū)域進(jìn)行成像，需要計(jì)算每個(gè)像素到每個(gè)天線位置的距離，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行插值，完成像素矩陣的疊加。僅相干疊加的次數(shù)就有L×M×N次，這是非常巨大的運(yùn)算量，因而使BP算法的應(yīng)用受到限制，僅能用在較小區(qū)域的成像。而B(niǎo)P算法的優(yōu)點(diǎn)是可以一邊接收數(shù)據(jù)，一邊進(jìn)行成像處理，對(duì)原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)要求大大降低。這與其他的成像算法有重要的區(qū)別，在偵查、監(jiān)視等領(lǐng)域很有用處，見(jiàn)圖7～8。

圖7 BP處理流程Fig.7 Diagram of BP processing

圖8 BP處理在FPGA上實(shí)現(xiàn)框圖Fig.8 Implement diagram inside a FPGA of BP processing

4 結(jié) 論

次表層探測(cè)雷達(dá)可以通過(guò)低頻電磁波的穿透能力獲取行星前表層的物理特征信息，在行星的科學(xué)探測(cè)中具有重要的意義。行星探測(cè)由于距離地球很遙遠(yuǎn)，使得回傳數(shù)據(jù)率受到很大限制，導(dǎo)致了探測(cè)數(shù)據(jù)不可能傳回到地面處理，因此對(duì)星上實(shí)時(shí)處理有很迫切的需求。另一方面，隨著集成電路水平的飛速發(fā)展，星上實(shí)時(shí)處理能力在快速提升，選擇合適的算法，星上實(shí)時(shí)處理完全可能在有限的資源約束下實(shí)現(xiàn)。