W波段FMCW SAR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)

姜 漫，王 輝，孫志強(qiáng)，潘嘉祺，王 群

(1.上海航天技術(shù)研究院 毫米波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100086；2.上海航天技術(shù)研究院 毫米波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109)

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)具有全天時(shí)、全天候的特點(diǎn)，在遙感成像方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，而調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)SAR更易實(shí)現(xiàn)小型化，在地理測(cè)繪、災(zāi)區(qū)評(píng)估、海面安全巡視等應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注。與X波段和Ka波段相比，W波段波長(zhǎng)短，成像更細(xì)膩，能更好地表現(xiàn)出類光學(xué)特性[1]。國(guó)內(nèi)外對(duì)W波段SAR的研究也日益深入[2]。德國(guó)高頻物理和雷達(dá)技術(shù)研究所研制的W波段無人機(jī)SAR系統(tǒng)SARape和MIRANDA，已完成了樣機(jī)研制與試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)也有一些單位對(duì)W波段SAR進(jìn)行了算法研究與樣機(jī)研制，如：中國(guó)科學(xué)院電子研究所對(duì)W波段逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)成像二維補(bǔ)償方法進(jìn)行了研究[3]；并研制了一種高分辨率W波段SAR系統(tǒng)，其分辨率達(dá)到10 cm[4]。隨著微波器件的發(fā)展，本文提出的W波段FMCW SAR系統(tǒng)具有更小的體積，能應(yīng)用于軌道、無人機(jī)等多種平臺(tái)，進(jìn)行災(zāi)情評(píng)估、海面安全巡視和地理測(cè)繪。

本文介紹了一種W波段FMCW SAR的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和樣機(jī)實(shí)現(xiàn)。首先對(duì)系統(tǒng)方案和成像算法進(jìn)行了介紹，然后將所設(shè)計(jì)的樣機(jī)安置于上海交通大學(xué)的多功能船模拖拽水池上方滑軌進(jìn)行試驗(yàn)。通過設(shè)置不同目標(biāo)進(jìn)行多組成像試驗(yàn)，得到有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用改進(jìn)的RD算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到理想的成像結(jié)果。經(jīng)分析可知，系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于5 cm，這進(jìn)而驗(yàn)證了W波段FMCW SAR的有效性。

1 W波段FMCW軌道SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

W波段FMCW軌道SAR系統(tǒng)方案如圖1所示。該系統(tǒng)主要由頻綜接收機(jī)、發(fā)射天線、接收天線、采集存儲(chǔ)與控制單元、二次電源、上位機(jī)組成。其中，頻綜接收機(jī)具體包括頻率綜合器、中頻接收機(jī)和高頻接收機(jī)[5-8]。

圖1 系統(tǒng)方案框圖Fig.1 Block diagram of system scheme of W-band FMCW rail SAR

SAR系統(tǒng)參數(shù)見表1。

W波段FMCW軌道SAR系統(tǒng)采用透鏡喇叭天線。透鏡喇叭天線由透鏡和電磁輻射器(喇叭)構(gòu)成。按照幾何光學(xué)理論，處于透鏡焦點(diǎn)處的點(diǎn)光源輻射出的球面波經(jīng)透鏡折射形成平面波。根據(jù)折射率系統(tǒng)不同，透鏡分為雙曲面介質(zhì)透鏡與橢圓面介質(zhì)透鏡。與雙曲面透鏡相比，橢圓面介質(zhì)透鏡的場(chǎng)分布更均勻，但因雙曲面介質(zhì)透鏡易實(shí)現(xiàn)更低的副瓣，且設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單，故在此選用雙曲面的透鏡喇叭天線。系統(tǒng)方位向分辨率指標(biāo)為5 cm，由于方位向分辨率為天線長(zhǎng)度的一半，天線長(zhǎng)度(L)為10 cm。經(jīng)仿真計(jì)算，喇叭口徑(D)約為7.8 cm。單個(gè)天線實(shí)物如圖2所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

圖2 天線實(shí)物圖Fig.2 Actual antenna

頻率綜合器由2部分功能電路組成。一路用于產(chǎn)生頻率為1 GHz的線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)(DDS信號(hào))，另一路用于產(chǎn)生頻率為5 GHz的正弦波信號(hào)(PLL信號(hào))。線性調(diào)頻連續(xù)波由DDS產(chǎn)生。點(diǎn)頻產(chǎn)生電路采用直接頻率合成的方式實(shí)現(xiàn)，選用頻率為100 MHz的晶振，通過倍頻、濾波后得到5 GHz的信號(hào)。

采集存儲(chǔ)與控制單元主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)ADC采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)與控制功能。該單元對(duì)雷達(dá)接收機(jī)輸出的2路視頻信號(hào)(I，Q)進(jìn)行AD采樣和數(shù)據(jù)處理，將處理后的采樣數(shù)據(jù)打包存儲(chǔ)到Nandflash中，通過USB接口將成像數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)進(jìn)行SAR成像處理。

系統(tǒng)樣機(jī)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)樣機(jī)Fig.3 System prototype

2 基于滑軌的系統(tǒng)試驗(yàn)

試驗(yàn)在上海交通大學(xué)的多功能船模拖拽水池完成。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.4 Test site

將W波段FMCW SAR系統(tǒng)安裝在軌道的支架上，距離水面5.8 m。因軌道在勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)仍具有很高精度，故運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)系統(tǒng)成像的影響可忽略不計(jì)。同時(shí)，在水面上設(shè)置不同目標(biāo)，如小船、角反、救生圈、自行車等。系統(tǒng)以5 m/s的速度勻速以正/側(cè)視方式經(jīng)過水面目標(biāo)并成像。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 成像算法與試驗(yàn)部分結(jié)果

基于改進(jìn)的RD算法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理流程如圖5所示[9-11]。

圖5 改進(jìn)的RD算法處理流程圖Fig.5 Processing procedure of modified RD algorithm

在文獻(xiàn)[5]中，已通過仿真驗(yàn)證了該算法的有效性?；谝陨纤惴▽?duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，結(jié)果如圖6所示。

圖6 部分成像結(jié)果圖Fig.6 Imaging results of some targets

3.2 結(jié)果分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的成像能力與成像分辨率，針對(duì)以下2組成像結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2.1 3個(gè)角反目標(biāo)的2次成像結(jié)果

3個(gè)角反被放置于船上，其實(shí)際距離尺寸如圖7所示。系統(tǒng)的速度為5 m/s。

圖7 角反實(shí)物及其實(shí)際距離尺寸Fig.7 Actual corner reflectors and distance dimensions

1) 第1次測(cè)試結(jié)果

3個(gè)角反第1次SAR成像結(jié)果如圖8所示。3個(gè)角反清晰可見。

圖8 角反第1次成像結(jié)果Fig.8 First imaging results of corner reflectors

對(duì)3個(gè)角反進(jìn)行方位向剖面圖分析，如圖9所示。角反1、角反2和角反3的位置點(diǎn)分別為(1 430，124)，(1 407，127)和(1 444，128)。通過方位向的剖面圖可知，每個(gè)方位向的像素等效為0.5 cm，角反1和角反2之間為23個(gè)像素，因此兩者之間的距離為23×0.5 cm=11.5 cm。角反2與角反3之間為37個(gè)像素，因此兩者之間的距離為37×0.5 cm=18.5 cm。成像結(jié)果與實(shí)際尺寸較為接近。

下面對(duì)系統(tǒng)的方位向分辨率進(jìn)行定量分析。在SAR圖像中，通常以一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的沖擊響應(yīng)函數(shù)左右各降低3 dB后的脈沖寬度對(duì)應(yīng)的地面上兩點(diǎn)之間的最小距離來衡量分辨率大小，此種方法精確度高[12]。分別取3個(gè)角反的3 dB帶寬，計(jì)算得到方位向分辨率分別為3.445，2.789，3.531 cm，均優(yōu)于5 cm。

2) 第2次測(cè)試結(jié)果

3個(gè)角反第2次SAR成像結(jié)果如圖10所示。

圖10 角反第2次成像結(jié)果Fig.10 Second imaging result of corner reflectors

由成像結(jié)果可知，角反1、角反2和角反3的位置點(diǎn)分別為(933，123)，(912，127)和(952，127)。圖11為3個(gè)角反方位向幅度剖面圖。

圖11 3個(gè)角反方位向幅度剖面圖Fig.11 Amplitude results of three corner reflectors

角反1和角反2之間為21個(gè)像素，因此兩者之間的距離為21×0.5 cm=10.5 cm。角反2與角反3之間為40個(gè)像素，因此兩者之間的距離為40×0.5 cm=20 cm。成像結(jié)果與實(shí)際尺寸基本相同。

同樣，分別取3個(gè)角反的3 dB帶寬計(jì)算系統(tǒng)的分辨率，結(jié)果分別為2.266，2.750，2.750 cm?？梢娫撓到y(tǒng)分辨率能達(dá)到2.266 cm，滿足優(yōu)于5 cm的分辨率指標(biāo)要求。

3.2.2 救生圈的成像結(jié)果

針對(duì)圖8(d)中的救生圈成像結(jié)果進(jìn)行分析。救生圈的實(shí)際外徑尺寸為75 cm，根據(jù)分析，救生圈的SAR圖像幅度如圖12所示。

圖12 救生圈成像方位向幅度剖面圖Fig.12 Amplitude results of life ring

2個(gè)最高峰之間的距離為148個(gè)像素，因此外徑為148×0.5 cm=74 cm，與實(shí)際尺寸基本相同。

以上2組試驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了所提出的W波段FMCW SAR系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。經(jīng)分析，實(shí)際分辨率均優(yōu)于5 cm，足以證明該系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于目前的功率器件提出了一種W波段FMCW SAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)小型化與輕量化，并完成了W波段FMCW SAR的試驗(yàn)，得到了高分辨率成像結(jié)果，初步驗(yàn)證了所提出的高分辨率W波段FMCW SAR系統(tǒng)的可行性。但系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)主要基于滑軌進(jìn)行，后續(xù)可考慮利用無人機(jī)等平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)針對(duì)不同平臺(tái)的可靠性。