一種新型圓跡陣列三維SAR系統(tǒng)的點擴散函數(shù)分析與地面實驗結果

明 婧 張曉玲 蒲 羚 師 君

(電子科技大學信息與通信工程學院 成都 611731)

1 引言

隨著對雷達技術的深入理解，3維合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar， SAR)成像技術已成為雷達成像領域的研究熱點之一[1]。傳統(tǒng)SAR成像技術將3維成像空間投影到2維(距離-方位)平面空間，目標的高度向信息與距離向信息產(chǎn)生混疊，將影響后續(xù)基于目標散射信息的分析研究。而3維SAR成像技術則通過具體的成像技術直接獲取目標的3維散射信息。為克服2維SAR成像技術的固有缺陷，發(fā)展新型3維SAR成像技術成為未來發(fā)展的必然趨勢。目前，3維SAR技術主要包括層析SAR[2]、曲線SAR[3，4]以及陣列SAR[5，6]，且具有廣闊的應用前景[7]。

圓周SAR(Circular Synthetic Aperture Radar，CSAR)是一種曲線SAR成像體制，其天線沿圓周軌跡移動并在掃描路徑中持續(xù)照射目標[4]。在該體制下，雷達平臺360°圓周運動形成一個圓形的2維孔徑，結合脈沖壓縮技術實現(xiàn)對目標的3維重建。與傳統(tǒng)的2維SAR成像體制相比，CSAR可以提供多角度測量，獲得更高的SAR圖像分辨率和更豐富的目標信息。同時，CSAR體制具有3維成像能力。然而，CSAR在圓周平面的稀疏采樣導致圖像旁瓣增大，其3維成像質量遠不如其他3維SAR成像體制。

線陣SAR(Linear Array Synthetic Aperture Radar， LASAR)作為另一種3維陣列SAR體制，因其在陣列方向上的充分采樣，與CSAR體制相比擁有更好的旁瓣抑制能力[6]。然而，若要實現(xiàn)高分辨率3維成像，傳統(tǒng)LASAR需要滿足大尺寸線陣和高采樣率的條件，而這將引起高成本和運算量大的問題。

結合LASAR在旁瓣抑制方面和CSAR在高分辨率成像方面的優(yōu)勢是解決上述問題的一種可行方案。本文提出一種新型圓跡陣列SAR(Circular Array Synthetic Aperture Radar， CASAR)體制來實現(xiàn)高質量的3維成像。CASAR陣列平面呈環(huán)狀，可由線陣天線通過圓周運動合成，也可由單個天線通過螺旋運動合成。與傳統(tǒng)的LASAR體制相比，CASAR在相同線陣尺寸和采樣率下可擴展有效孔徑，增大在陣列平面上的圖像分辨率；與CSAR相比，CASAR通過在垂直于距離向的平面上用陣列天線代替單個天線的方式，增大陣列平面上的采樣點數(shù)，從而抑制圖像旁瓣。

本文由4部分組成：第2節(jié)研究CASAR的基本模型和點擴散函數(shù)；第3節(jié)進行原型CASAR系統(tǒng)的地面實測實驗；第4節(jié)為結論。

2 基本模型與理論推導

2.1 CASAR基本模型

圖1(c)是CASAR的基本模型，其陣列天線的排列近似為環(huán)狀，由線陣單元沿觀測中心作圓周運動以合成更大的虛擬孔徑。，軸構成CASAR的陣列平面。同樣地，在極坐標系下，CASAR模型的切航跡向合成孔徑長度等于圖1(c)中的A，沿航跡向孔徑長度為。當圖1(a)和圖1(c)中的孔徑相同時，CASAR的切航跡向孔徑將大于LASAR的切航跡向孔徑。因此，CASAR模型相較于傳統(tǒng)LASAR模型增大了陣列方向的合成孔徑，進而在相同線陣尺寸下陣列向分辨率將得到改善。另外，CASAR成像模型相較于傳統(tǒng)SAR成像擴展了視角，可從多個視線方向獲取3維目標場景豐富的散射信息，與CSAR模型類似。CASAR模型在陣列平面上的布型為環(huán)狀線性陣列，與CSAR模型相比，提高了垂直于距離向的平面上的采樣點數(shù)，達到抑制高旁瓣的目的。

2.2 CASAR的點擴散函數(shù)分析

由于距離向分辨率僅由雷達信號帶寬決定，本文將主要分析陣列方向的2維分辨率。將直角坐標系轉換為極坐標系，圖1(c)中CASAR的天線相位中心(Antenna Phase Centers， APC)可表示為

其中

2.3 點擴散函數(shù)圖像仿真

為直觀反映多種3維SAR成像體制下陣列向分辨率的差異。本文通過仿真LASAR模型、單航過CSAR模型以及CASAR模型在相同尺寸線陣天線條件下的PSF，利用3維后向投影(Back Projection，BP)成像算法對成像結果進行對比分析。天線與目標相對位置如圖1模型所示。仿真參數(shù)如表1所示，投影的場景大小為4 m×4 m，仿真成像結果如圖2所示，證明了CASAR 3維成像的可實施性。

表1 仿真參數(shù)Tab. 1 Simulation parameters

表2 切航跡向性能比較Tab. 2 Cross-track performance comparison

3 地面實測結果

3.1 地面實驗系統(tǒng)設計

圖4(a)為基于上述理論設計的原型CASAR實驗系統(tǒng)用于實際測量驗證，圖4(b)為由4個金屬球構造的室外目標場景。為驗證CASAR系統(tǒng)3維成像的可行性，將發(fā)射天線作為強散射源，對目標場景進行近距離成像實驗。

通過使用圖4(a)所示原型CASAR實驗系統(tǒng)，安裝在導軌中的單天線進行直線運動形成陣列天線并連續(xù)照射目標場景，再通過導軌的旋轉合成本文所提CASAR模型中的圓跡陣列，如圖5(a)所示。圖5(b)為實驗場景的3維圖，圓跡陣列處于-平面。為了便于實現(xiàn)地面實測實驗，本文采用單天線螺旋運動形成圓跡陣列，等效為由多個天線單元構成的直線陣列天線進行1次圓周運動。

選擇步進頻率(Step Frequency， SF)信號[9]作為CASAR實驗系統(tǒng)的發(fā)射信號。CASAR實驗系統(tǒng)基本框圖如圖6所示。SF信號從矢量網(wǎng)絡分析儀(Vector Network Analyzer， VNA)的1端口產(chǎn)生，經(jīng)發(fā)射機預處理(如功率放大)后通過發(fā)射設備(如固定發(fā)射天線)進行發(fā)射。散射信號由接收設備進行接收及預處理，之后傳輸?shù)絍NA的2端口，經(jīng)VNA的“S21”測量功能獲得目標場景的散射信息。通過使用高分辨率距離像(High Resolution Rang Profile，HRRP)技術[10]和3維BP成像算法[4，7，11]，可以重建3維目標場景。實驗參數(shù)如表3所示。

3.2 地面實驗結果及分析

實驗1 陣列天線移動軌跡近似傳統(tǒng)的CSAR模型，如圖7(a)所示。此時，，軸構成CSAR的圓周平面。經(jīng)CSAR模型得到的3維成像結果如圖7(b)，球1在圓周平面的2維切片圖像如圖7(c)?？梢奀SAR 3維成像存在旁瓣高成像質量差的問題。

實驗2 采用本文所提的CASAR模型，利用單個天線進行8周螺旋運動形成圓跡陣列，如圖8(a)所示，等效為8個天線構成的直線陣列天線進行圓周運動，陣列長為0.5 m，圓跡陣列最大/最小半徑由表3所示。此時，，軸構成CASAR的陣列平面。經(jīng)CASAR模型得到的3維成像結果如圖8(b)，球1在陣列平面的2維切片圖像如圖8(c)。

觀察圖8(b)和圖7(b)，可以發(fā)現(xiàn)實驗2中的CASAR 3維成像結果比實驗1中的傳統(tǒng)CSAR 3維成像結果更清晰，4個目標大部分的旁瓣得到了明顯的抑制。比較圖8(c)和圖7(c)所示的陣列平面2維切片示意圖，CASAR的單目標圖像旁瓣明顯下降。CSAR模型和CASAR模型的成像性能比較如表4所示，CASAR模型的ISLR明顯優(yōu)于CSAR模型，而PSLR沒有得到明顯改善，與2.3節(jié)點擴散函數(shù)仿真實驗結果類似。因此可驗證CASAR模型具有有效的積分旁瓣抑制能力，且能保持CSAR所具有的高分辨成像能力。

4 結論

本文所提新體制CASAR模型可應用于高質量3維雷達成像。陣列平面呈環(huán)狀，可由線陣天線通過圓周運動合成，也可由單個天線通過螺旋運動合成。在圖像分辨率方面，CASAR模型近似于多軌跡CSAR模型，因此與CSAR模型具備同樣的高分辨率。在垂直于距離向的平面上使用圓跡陣列的布局相較于單航過CSAR，可以增加在2維平面上的采樣率，從而有效地抑制3維SAR圖像的旁瓣。綜上，CASAR模型擁有高分辨率成像能力以及有效的旁瓣抑制能力，可以明顯提高3維SAR成像質量。通過理論分析和地面實測，證明了3維CASAR成像的有效性。

表3 實驗參數(shù)Tab. 3 Experiment parameters

表4 性能比較Tab. 4 Performance comparison