W波段FMCW體制ISAR系統(tǒng)成像及試驗(yàn)驗(yàn)證

張 慧，王 輝，潘嘉祺，王 群，孔令振，滑 偉

(1. 北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191； 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； 3. 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 100081)

0 引言

毫米波因波長(zhǎng)短，獲得的圖像分辨率高、電磁散射特性細(xì)節(jié)豐富等特點(diǎn)而成為現(xiàn)代雷達(dá)發(fā)展的重要趨勢(shì)[1]。近幾年來(lái)，隨著W波段，尤其是94 GHz元器件的發(fā)展，W波段逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)系統(tǒng)的研究逐漸引起各國(guó)的重視。與低波段雷達(dá)相比，利用W波段雷達(dá)獲得的高分辨率ISAR圖像對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類、識(shí)別，可大幅提高目標(biāo)分類、識(shí)別，的準(zhǔn)確性。此外，要獲得與低波段雷達(dá)相同的分辨率，W波段ISAR系統(tǒng)所需的成像觀測(cè)時(shí)間更短，易于獲得同一目標(biāo)的ISAR圖像序列，而利用ISAR序列圖像進(jìn)行目標(biāo)分類、識(shí)別同樣可提高分類、識(shí)別的準(zhǔn)確性。因此，W波段ISAR系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，可用于空中/太空目標(biāo)的分類和識(shí)別，彈道導(dǎo)彈防御中真假?gòu)楊^、碎片和誘餌的識(shí)別，海面目標(biāo)的分類和識(shí)別等[2-5]。

隨著W波段高功率發(fā)射器件和準(zhǔn)光饋電網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外已有W波段ISAR系統(tǒng)的應(yīng)用先例。現(xiàn)有的W波段ISAR系統(tǒng)主要包括美國(guó)的HUSIR系統(tǒng)[6]和WARLOC系統(tǒng)[2]，以及德國(guó)的COBRA系統(tǒng)[7]。其中：HUSIR系統(tǒng)主要用于對(duì)太空目標(biāo)(如衛(wèi)星等)進(jìn)行成像和監(jiān)視；WARLOC是一個(gè)岸基系統(tǒng)，主要用于對(duì)低空目標(biāo)和掠海目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視；COBRA系統(tǒng)是一個(gè)可工作在35，94，220 GHz的雷達(dá)系統(tǒng)，在W波段已獲得了高精度的目標(biāo)圖像。目前，國(guó)內(nèi)鮮有關(guān)于W波段ISAR系統(tǒng)的相關(guān)報(bào)道。本文介紹了一種W波段雷達(dá)系統(tǒng)，并進(jìn)行了ISAR試驗(yàn)。論文安排如下：第1節(jié)介紹了該W波段雷達(dá)系統(tǒng)及其性能指標(biāo)，第2節(jié)對(duì)W波段FMCW ISAR回波進(jìn)行了建模和成像處理，第3節(jié)介紹了ISAR試驗(yàn)及其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，第4節(jié)對(duì)全文內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)。

1 W波段FMCW ISAR系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成和參數(shù)

本文提出的W波段FMCW雷達(dá)系統(tǒng)主要由電源、頻綜、天線、發(fā)射/接收通道、數(shù)字接收機(jī)等組成。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。首先，頻綜產(chǎn)生中心頻率為11.75 GHz的X波段線性調(diào)頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)倍頻、放大后獲得中心頻率為94 GHz、帶寬為5 GHz的W波段FMCW信號(hào)。然后，該W波段信號(hào)分為2路：一路通過(guò)發(fā)射天線輻射到外部空間，由目標(biāo)反射的回波通過(guò)接收天線接收；另一路通過(guò)本振增益模塊后，與接收天線接收的目標(biāo)回波進(jìn)行混頻，從而完成去斜處理，得到差拍信號(hào)。差拍信號(hào)的頻率與距離成正比，因此在距離向通過(guò)簡(jiǎn)單的傅里葉變換(FFT)，即可獲得目標(biāo)的距離信息。最后，經(jīng)過(guò)對(duì)下變頻之后的中頻信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)，可得到2路正交的I路信號(hào)和Q路信號(hào)，通過(guò)數(shù)字接收機(jī)完成對(duì)I/Q這2路信號(hào)的采集和存儲(chǔ)，并最終傳輸?shù)诫娔X。

圖2為本文介紹的W波段雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)物圖。圖2(a)展示了整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的各個(gè)模塊，包括電源模塊、頻綜模塊、射頻前端、模擬中頻接收機(jī)和數(shù)字中頻接收機(jī)；圖2(b)具體展示了射頻前端的組成部分，包括輔助電源、發(fā)射天線、接收天線、倍頻放大模塊、混頻模塊等。

該系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。由表可見，該系統(tǒng)的發(fā)射功率為1 W，天線增益為23 dB，系統(tǒng)損耗為6 dB。

1.2 ISAR性能指標(biāo)論證

本小節(jié)討論了該雷達(dá)系統(tǒng)用于ISAR時(shí)的系統(tǒng)性能指標(biāo)，包括最大作用距離、分辨率等。

圖1 W波段雷達(dá)工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of W-band radar system

表1 W波段ISAR系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of W-band radar system

1.2.1 最大作用距離

根據(jù)ISAR系統(tǒng)的雷達(dá)方程，ISAR系統(tǒng)的最大作用距離可表示為

(1)

式中：Pt為發(fā)射機(jī)的峰值發(fā)射功率；Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；λ為波長(zhǎng)；Ls為系統(tǒng)損耗；Tr為脈沖持續(xù)時(shí)間；k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；T0為接收機(jī)系統(tǒng)的噪聲溫度；Fn為噪聲系數(shù)；RSN為脈沖壓縮后的信噪比。

在表1所示的系統(tǒng)參數(shù)下，不同系統(tǒng)損耗對(duì)應(yīng)的最大作用距離如圖3所示。

圖3 不同系統(tǒng)損耗下的最大作用距離Fig.3 Maximum operating ranges corresponding to different system losses

由圖可見：當(dāng)系統(tǒng)損耗為58.7 dB(如對(duì)海觀測(cè))時(shí)，最大作用距離為54.27 m；當(dāng)系統(tǒng)損耗為16.3 dB(如對(duì)空觀測(cè))時(shí)，最大作用距離為623 m。

1.2.2 分辨率

1) 距離向分辨率

與SAR相同，ISAR系統(tǒng)的距離向分辨率同發(fā)射脈沖的寬度有關(guān)[8]，兩者之間的關(guān)系為

(2)

式中：Br為發(fā)射信號(hào)帶寬；c為電磁波傳播速度；kr為距離向展開系數(shù)。不同帶寬對(duì)應(yīng)的距離向分辨率如圖4所示。

圖4 不同系統(tǒng)帶寬對(duì)應(yīng)的距離向分辨率Fig.4 Range resolution corresponding to different bandwidths

對(duì)于該系統(tǒng)5 GHz帶寬而言，距離向分辨率可達(dá)0.03 m。當(dāng)距離向展開系數(shù)為1.47時(shí)，距離向分辨率為0.044 m，系統(tǒng)的分辨率為cm量級(jí)。

2) 方位向分辨率

為獲得更好的成像效果，需要方位向分辨率與距離向分辨率相匹配。對(duì)ISAR而言，方位向分辨率與目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的轉(zhuǎn)角有關(guān)，兩者之間的關(guān)系為

(3)

式中：λ為信號(hào)波長(zhǎng)；Δθ為目標(biāo)轉(zhuǎn)角；ka為方位向展開系數(shù)。

不同方位向分辨率對(duì)目標(biāo)在相干積累時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)角的要求如圖5所示。

圖5 不同方位向分辨率對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)角的要求Fig.5 Azimuth resolution corresponding to different target rotation angles

由圖可見，要獲得更高的方位向分辨率，需要的目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的轉(zhuǎn)角越大。對(duì)于該系統(tǒng)，在不考慮方位向展寬系數(shù)時(shí)，為達(dá)到0.03 m的方位向分辨率要求，目標(biāo)在相干積累時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)角需大于3.05°；要獲得0.044 m的方位向分辨率，目標(biāo)在相干積累時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)角需大于2.1°。

2 W波段FMCW ISAR回波建模和成像處理

2.1 信號(hào)模型和去斜處理

一個(gè)掃頻周期內(nèi)的線性調(diào)頻信號(hào)形式為[9]

(5)

式中：j為虛數(shù)單位；fc為信號(hào)中心頻率；Kr為調(diào)頻斜率，Kr=Br/Tr。

對(duì)于FMCW信號(hào)，由于其持續(xù)發(fā)射和接收的特性，在一個(gè)掃頻周期內(nèi)，目標(biāo)和雷達(dá)之間的距離不斷變化。此時(shí)，脈沖雷達(dá)中“?！摺！钡募僭O(shè)不再適用[10-11]，目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的距離與快時(shí)間相關(guān)。接收的二維發(fā)射信號(hào)為

exp{jπKr(tr)2}

(6)

式中：tr為快時(shí)間；ta為慢時(shí)間。

接收信號(hào)形式為

exp{jπKr(tr-τ)2}

(7)

式中：τ為目標(biāo)到雷達(dá)的雙程時(shí)間延遲。目標(biāo)到雷達(dá)的距離記為Rk(t′)，t′=ta+tr，則τ=2Rk(t′)/c。

對(duì)于FMCW信號(hào)，一般采用去調(diào)頻處理，即利用參考位置點(diǎn)目標(biāo)的回波與實(shí)際目標(biāo)回波進(jìn)行混頻，從而使目標(biāo)和雷達(dá)之間的相對(duì)距離可通過(guò)差拍頻率進(jìn)行測(cè)量。

假設(shè)參考距離為Rref，則經(jīng)過(guò)去斜處理后得到的差拍信號(hào)為

(8)

式中：第一個(gè)相位項(xiàng)為方位向相位歷程；第二個(gè)相位項(xiàng)為距離維差拍相位；第三個(gè)相位項(xiàng)為殘余視頻相位(RVP)項(xiàng)，當(dāng)其小于π/4時(shí)，可忽略。本文中介紹的W波段小型化ISAR，采用發(fā)射信號(hào)作為參考信號(hào)，即參考距離選擇為0。

2.2 ISAR成像

在ISAR成像中，首先需對(duì)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)分量進(jìn)行補(bǔ)償，將任意運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的ISAR成像轉(zhuǎn)化為對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)的成像。平動(dòng)補(bǔ)償包括包絡(luò)補(bǔ)償和相位補(bǔ)償，包絡(luò)補(bǔ)償可通過(guò)互相關(guān)法、距離中心法、最小熵法等方法實(shí)現(xiàn)，相位補(bǔ)償可通過(guò)最小方差法、多普勒中心法、最小熵法等方法實(shí)現(xiàn)。

由于94 GHz中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為3 mm，對(duì)于W波段ISAR系統(tǒng)，散射點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)更容易產(chǎn)生越距離單元徙動(dòng)(MTRC)現(xiàn)象，影響成像質(zhì)量。另外，當(dāng)目標(biāo)尺寸較大時(shí)，在目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中也可能出現(xiàn)多普勒走動(dòng)的問(wèn)題。因此，需對(duì)W波段ISAR系統(tǒng)進(jìn)行二維徙動(dòng)補(bǔ)償。

W波段ISAR成像的基本流程如圖6所示。具體算法流程如下：回波信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行復(fù)相乘，完成解線調(diào)頻處理；對(duì)得到的差拍信號(hào)進(jìn)行距離向FFT處理，實(shí)現(xiàn)距離壓縮；然后進(jìn)行包絡(luò)對(duì)齊和相位補(bǔ)償，完成平動(dòng)補(bǔ)償，將目標(biāo)的ISAR成像轉(zhuǎn)換為對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)的ISAR成像；最后通過(guò)Keystone變換完成距離向MTRC補(bǔ)償，通過(guò)方位向FFT完成二維壓縮，得到距離-多普勒域的ISAR圖像。

圖6 FMCW ISAR成像算法流程圖Fig.6 Block diagram of FMCW ISAR imaging

圖7 ISAR點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果Fig.7 ISAR simulation results

ISAR點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果如圖7所示。利用表1中的參數(shù)仿真了7個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，圖7(a)為平動(dòng)補(bǔ)償后的結(jié)果，圖7(b)為方位壓縮后的成像結(jié)果。由圖可見：目標(biāo)得到了良好的聚焦。

3 W波段ISAR外場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

為簡(jiǎn)便起見，利用該雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)，將目標(biāo)放置在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上。成像試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

圖8 ISAR試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.8 ISAR test site

在本次試驗(yàn)中，雷達(dá)與轉(zhuǎn)臺(tái)均被放置在具有一定高度的平面上，雷達(dá)波束水平指向轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)。轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度和速度由方位分辨率決定。根據(jù)前面的分析，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度需達(dá)到3.05°，因此當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為1 (°)/s時(shí)，積累時(shí)間需超過(guò)3.05 s。另外，雷達(dá)與轉(zhuǎn)臺(tái)之間的距離需小于雷達(dá)的最大作用距離，且為了滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，需大于天線遠(yuǎn)近場(chǎng)邊界條件，即

(10)

式中：Rmin為雷達(dá)天線遠(yuǎn)近場(chǎng)的邊界條件；L為天線最大尺寸。按照表1中的參數(shù)，天線遠(yuǎn)近場(chǎng)的邊界為4.3 m。試驗(yàn)中，雷達(dá)與目標(biāo)的距離約為10 m。

在上述試驗(yàn)條件下，分別對(duì)飛機(jī)模型、人體模型進(jìn)行ISAR試驗(yàn)，并利用RD成像算法進(jìn)行粗成像處理?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同目標(biāo)的光學(xué)圖像和ISAR圖像Fig.9 Optical images and ISAR images of different targets

圖9(a)為人體模型的光學(xué)圖像，圖9(b)為其對(duì)應(yīng)的ISAR粗處理圖像，從ISAR圖像中，可分辨出人體模型的頭、軀干和四肢。圖9(c)為泡沫飛機(jī)模型的光學(xué)圖像，圖9(d)為其對(duì)應(yīng)的ISAR圖像。由目前得到的ISAR粗處理結(jié)果可見，雖然目標(biāo)的主要輪廓可被識(shí)別，但圖像聚焦效果有待進(jìn)一步提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種小型化W波段FMCW體制雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于SAR和ISAR。在ISAR應(yīng)用中，該系統(tǒng)具有分辨率高和成像快速的特點(diǎn)。本文利用該雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并完成了ISAR轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)，獲得了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腎SAR初步成像結(jié)果。后續(xù)將對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的聚焦處理和質(zhì)量提升，以獲得聚焦效果更好的W波段ISAR圖像，為目標(biāo)分類、識(shí)別提供依據(jù)。