基于干涉逆合成孔徑雷達(dá)的海上船只監(jiān)控系統(tǒng)

張昊宇

摘 要：基于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)的干涉逆合成孔徑雷達(dá)（InISAR）可以做到對(duì)目標(biāo)的全天候、全天時(shí)自動(dòng)成像監(jiān)控，這相對(duì)于傳統(tǒng)的光學(xué)紅外成像具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。由于InISAR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大部分研究工作仍基本處于理論分析與暗室實(shí)驗(yàn)階段。本文公布了首臺(tái)可用于實(shí)際監(jiān)測的InISAR雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與對(duì)船成像實(shí)測結(jié)果。

關(guān)鍵詞：干涉逆合成孔徑雷達(dá)；調(diào)頻連續(xù)波；船只監(jiān)測

中圖分類號(hào)：U665 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）4-0038-02

海洋防御體系中最重要的一環(huán)是對(duì)海上船只的探測和識(shí)別，它相當(dāng)于防御體系的“眼睛”，能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)敵方行動(dòng)。海事預(yù)警雷達(dá)只能偵測到船只位置卻無法對(duì)其成像，因而無法做到對(duì)船只的自動(dòng)鑒別，即只能“探測”而不能“識(shí)別”。目前能夠?qū)Ｉ洗贿M(jìn)行成像的方法只有基于成像傳感器：光學(xué)成像傳感器可以清晰準(zhǔn)確地識(shí)別目標(biāo)，但受到惡劣天氣的影響較大；紅外成像傳感器可以克服天氣的影響但分辨率低且距離短。海面監(jiān)測的最終目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)全天候、全自動(dòng)的海上船只監(jiān)測，能夠探測出船只的速度、位置、三維體積等信息，并能夠做到自動(dòng)識(shí)別。目前在所有的技術(shù)中，有潛力完成這一目標(biāo)的只有基于合成孔徑雷達(dá)（SAR）/逆合成孔徑雷達(dá)（ISAR）的成像手段。然而傳統(tǒng)的ISAR只能夠?qū)Υw進(jìn)行二維成像，由于無法獲取船只的高度信息，這不利于船體的自動(dòng)識(shí)別?；诟缮婺婧铣煽讖嚼走_(dá)（InISAR）的方法是對(duì)傳統(tǒng)ISAR的改進(jìn)，通過多天線系統(tǒng)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行干涉處理獲取船體高度信息，這對(duì)于海上船只監(jiān)測與自動(dòng)識(shí)別具有重大意義。

1干涉逆合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)簡介

1.1成像算法

目前提出的InISAR雷達(dá)架構(gòu)主要有雙天線架構(gòu)，三天線L型架構(gòu)，多天線架構(gòu)。其中三天線L型架構(gòu)是一種經(jīng)典架構(gòu)，該架構(gòu)在垂直維和水平維放置天線，持續(xù)發(fā)射并接收電磁波信號(hào)，通過對(duì)發(fā)射脈沖壓縮獲取距離維高分辨率，并計(jì)算目標(biāo)上每一個(gè)分辨率單元對(duì)三個(gè)天線的相位差獲取散射點(diǎn)的水平和高度信息，共同構(gòu)建目標(biāo)的三維圖像。假設(shè)三天線L型雷達(dá)擁有A、B、C三個(gè)天線，其中A天線是收發(fā)共用天線。分別建立雷達(dá)坐標(biāo)系（A， X， Y， Z）和目標(biāo)坐標(biāo)系（O， x， y， z），其中目標(biāo)任意一點(diǎn)的位置為（O， xp， yp， zp）。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)[1-2]為S = rect （ ） exp （ j2π （fc t + γtq2/2）），其中rect為矩形幅值，fc為載頻，Tp為發(fā)射信號(hào)的寬度，γ 是線性調(diào)頻系數(shù)，tq為快時(shí)間。由于高頻區(qū)目標(biāo)可以看做多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)散射的集合，這里假設(shè)目標(biāo)由Np個(gè)散射點(diǎn)構(gòu)成，Ai為每個(gè)點(diǎn)的散射強(qiáng)度。則A，B，C三個(gè)天線接收到的信號(hào)分別為：

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

InISAR雷達(dá)技術(shù)目前仍處于研發(fā)階段，在國內(nèi)仍處于理論建模分析階段，對(duì)于外場的實(shí)測數(shù)據(jù)非常少，而本文提出的InISAR雷達(dá)已經(jīng)可以應(yīng)用于外場測試。該雷達(dá)基于調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)（FMCW），可以大幅度地降低雷達(dá)的體積和重量，降低發(fā)射功率，提高近距離目標(biāo)的探測成功率，并可以極大地抑制海雜波對(duì)反射信號(hào)的影響。

該型號(hào)雷達(dá)的參數(shù)如下，中心頻率9.6 GHz （X波段）； 帶寬可調(diào)到 300 MHz； 距離分辨率可調(diào)至 0.5 m； 天線類型為雙極化平板天線（極化模式）或垂直極化平板天線 （干涉模式）；天線長度0.5 m；掃描角度40°；增益13 dB；旁瓣增益-13 dB；極化方式為線極化；極化為水平（ H ）/垂直（V）極化；收發(fā)隔離> 80 dB；發(fā)射功率可調(diào)到5 W （CW） ；PRF可調(diào)到 10 KHz； 最大/最小工作距離為10Km/5m；同步方式為相位時(shí)間雙同步； 工作溫度-20°C到 +80°C；數(shù)據(jù)接口為GbE；供電需求為220VAC；遠(yuǎn)程控制方式為TCP/IP；顯示方式為點(diǎn)云構(gòu)成目標(biāo)輪廓。

2 對(duì)船成像結(jié)果

2.1 系統(tǒng)工作模式

該型號(hào)InISAR雷達(dá)可以工作在全極化模式和干涉模式兩種模式，當(dāng)工作在干涉模式下，其中一個(gè)天線（T）發(fā)射垂直極化（V）電磁波信號(hào)，另外三個(gè)天線 （R1，R2，R3）接收垂直極化（VV）的反射信號(hào)，一共形成三個(gè)通道的接收信號(hào)（TR1，TR2，TR3）。這四個(gè)天線呈正方形排列，分別位于正方形的四個(gè)頂點(diǎn)，當(dāng)然，每一個(gè)天線都具有發(fā)射和接收信號(hào)的功能，因此按照發(fā)射順序不同，可以形成四種模式。其中橫向的接收模式TR1與船體的二維尺寸探測密切相關(guān)，而TR2則與船體的高度密切相關(guān)。TR1和TR2分別代表了船體的水平和垂直基線。而TR3的回波信號(hào)，目前尚未做進(jìn)一步處理，我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)簡單判斷TR3信號(hào)可以分解為垂直基線方向和水平基線方向，但背后可能孕育著更豐富的信息，我們將在未來的工作中予以特別的分析。

2.2 成像結(jié)果

該型號(hào)InISAR雷達(dá)全極化模式下的雷達(dá)成像示意圖如圖1所示。圖1左上是發(fā)射和接收垂直波時(shí)的雷達(dá)圖像（VV），反映了來自船舶的垂直結(jié)構(gòu)的信息，右上是當(dāng)發(fā)射和接收水平波時(shí)的雷達(dá)圖像（HH），反映了來自船舶的水平結(jié)構(gòu)的信息。左下圖是發(fā)射垂直波接收水平波時(shí)的雷達(dá)圖像，而右下圖像是相反的。當(dāng)使用交叉極化采集數(shù)據(jù)時(shí)，雷達(dá)回波強(qiáng)度明顯減小。而強(qiáng)度信息勾勒出了船體的高程信息，即提供了船只的整體三維圖像。此外，這四幅圖均提供了船體的速度（橫坐標(biāo)，約4.5km/s）與距離信息（縱坐標(biāo)，約3.1km遠(yuǎn)）。

3 結(jié)論

本文公布基于InISAR雷達(dá)對(duì)船監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，成像算法以及對(duì)船成像的實(shí)測結(jié)果。 基于該系統(tǒng)的InISAR雷達(dá)可以對(duì)船只做到全天候，全天時(shí)，全自動(dòng)的監(jiān)控與分類，這對(duì)于民用領(lǐng)域的船只分類與管理提供了強(qiáng)大而可靠的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1] 保錚，邢孟道，王彤.雷達(dá)成像技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 張冬晨.InISAR三維成像的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2009.

本文為基金項(xiàng)目：浙江海洋大學(xué)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助，No.21045012815