一種雙波段全極化SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 林，唐月生，鐘小艷

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

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)偵察手段有光學(xué)、紅外、SAR等手段。從目前的偵察技術(shù)來(lái)看，光學(xué)、紅外可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)，但容易受到氣候、煙幕、惡劣場(chǎng)景環(huán)境的干擾。合成孔徑雷達(dá)(SAR雷達(dá))屬于主動(dòng)微波遙感傳感器，可以穿透云層、水汽，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候工作，通過輻射一定能量的電磁波獲取指定區(qū)域的地物場(chǎng)景回波數(shù)據(jù)，利用合適的信號(hào)處理算法得到場(chǎng)景的二維地物場(chǎng)景圖像。

高波段SAR圖像與光學(xué)圖像類似，可提供地物、地貌的詳細(xì)外表特征，但穿透性能很差。而低波段SAR圖像能夠穿透葉簇和地表，發(fā)現(xiàn)隱蔽目標(biāo)，揭示葉簇和地表下的結(jié)構(gòu)，但提供外表特征的能力較差。將多個(gè)波段的SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行融合可大大提高雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別能力。本系統(tǒng)采用X和L兩個(gè)波段。X波段的信號(hào)瞬時(shí)帶寬可達(dá)600 MHz左右甚至更高，可以取得較好的距離分辨率，最高分辨率可達(dá)0.3 m，可以用于要求精細(xì)分辨的目標(biāo)成像。L波段具有較寬的天線波束，可以同時(shí)觀測(cè)較為廣闊的區(qū)域，且L波段的信號(hào)具有一定的穿透能力，可以揭示隱藏在植被和一定的地面之下的目標(biāo)。

此外，多極化SAR圖像比起單極化SAR圖像能獲取更多的信息，提供更多的目標(biāo)后向散射系數(shù)屬性，利用目標(biāo)幾何圖像信息(如取向、對(duì)稱性)提高對(duì)目標(biāo)的鑒別和分類的能力。多極化信息的融合技術(shù)是目標(biāo)識(shí)別的又一方法，也是獲取定量遙感的一種手段。

本系統(tǒng)具備X和L兩種波段分時(shí)成像的能力，且通過變極化發(fā)射與變極化接收獲得多極化圖像，提供更為全面的場(chǎng)景目標(biāo)信息。它采用高性能、高可靠、小型化技術(shù)路線，對(duì)航空環(huán)境具有很好的適裝性。該系統(tǒng)在保證設(shè)備可靠運(yùn)行的同時(shí)盡可能實(shí)現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可為其他相似產(chǎn)品提供借鑒及互換能力。

1 雙波段機(jī)載SAR全極化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)裝入飛機(jī)平臺(tái)，通過遙控遙測(cè)實(shí)現(xiàn)空中數(shù)據(jù)采集、機(jī)上數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄、存儲(chǔ)，并下傳實(shí)時(shí)圖像。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，分為地面設(shè)備和機(jī)上設(shè)備兩部分。地面設(shè)備為地面顯示控制終端，機(jī)上設(shè)備包括天線單元、低功率射頻單元和綜合處理單元。

圖1 全系統(tǒng)工作原理示意圖

1.2 雙波段射頻一體化實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用雙波段射頻一體化模塊設(shè)計(jì)，使用同一頻率源和數(shù)字收發(fā)，在收發(fā)通道中經(jīng)過不同的收發(fā)支路完成X和L波段信號(hào)的收發(fā)處理。雙波段采用獨(dú)立天線背靠背設(shè)計(jì)，共用同一穩(wěn)定平臺(tái)，如圖2所示。安裝時(shí)通過法蘭連接，同時(shí)天線穩(wěn)定平臺(tái)整體用天線透波罩進(jìn)行防護(hù)。

圖2 雙天線背靠背安裝方式

1.2.1 收發(fā)通道

發(fā)射支路上，利用數(shù)字收發(fā)模塊產(chǎn)生L波段寬帶LFM信號(hào)，經(jīng)濾波放大后直接輸出L波段激勵(lì)信號(hào)。X波段激勵(lì)由L波段信號(hào)通過2倍頻和一次混頻產(chǎn)生。圖3為激勵(lì)通道設(shè)計(jì)框圖。

圖3 激勵(lì)通道設(shè)計(jì)框圖

接收支路上，模擬收發(fā)模塊的接收通道接收天線單元送來(lái)的回波信號(hào)。L波段經(jīng)一本振混頻到X波段，濾波放大后與二本振混頻到S波段，在S波段直接正交解調(diào)后送數(shù)字收發(fā)模塊中的高速采集，采集形成數(shù)字回波并與系統(tǒng)信息合成后通過光纖輸出至信號(hào)處理。X波段回波濾波后直接與二本振混頻生成S波段中頻信號(hào)，后續(xù)與L波段回波處理相同。圖4為接收通道設(shè)計(jì)框圖。

圖4 接收通道設(shè)計(jì)框圖

1.2.2 數(shù)字收發(fā)

系統(tǒng)的數(shù)字收發(fā)模塊包含波形產(chǎn)生和數(shù)據(jù)采集兩大部分，產(chǎn)生單元內(nèi)部時(shí)序和控制。波形產(chǎn)生采用基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)，利用FPGA的并行DDS加高速DAC的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶波形輸出。

該方法可以實(shí)現(xiàn)成像雷達(dá)需要的任意波形的實(shí)時(shí)產(chǎn)生。DDS功能框圖(如圖5所示)包括頻率調(diào)制、相位累加和調(diào)制、相位幅度轉(zhuǎn)換、逆Sinc補(bǔ)償、幅度調(diào)制等幾個(gè)部分。

圖5 DDS原理功能框圖

數(shù)據(jù)采集的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整合與高速傳輸。對(duì)于寬帶I/Q采樣，信號(hào)帶寬500 MHz，采樣時(shí)鐘一般要在信號(hào)帶寬的2.4倍以上。寬帶數(shù)據(jù)采集原理如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集和數(shù)字接收原理框圖

1.2.3 頻率源

頻率源為系統(tǒng)提供高穩(wěn)定、低相位噪聲的頻率源及全機(jī)定時(shí)、相參信號(hào)。本系統(tǒng)中需要用到X波段以上的本振頻率點(diǎn)。對(duì)于如此高的單點(diǎn)頻率，直接合成體積會(huì)過于龐大。為了減少體積和質(zhì)量，采取取樣鎖相的方法實(shí)現(xiàn)。取樣鎖相具有合成頻率高、基底相噪低、體積質(zhì)量小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)在于合成帶寬窄且通常只能合成單點(diǎn)頻率。本方案僅需單點(diǎn)即可，因此將晶振通過直接倍頻和取樣鎖相就能滿足本系統(tǒng)。

1.3 全極化實(shí)現(xiàn)方式

極化實(shí)現(xiàn)方式有3種：變極化發(fā)射與變極化接收、同時(shí)雙極化發(fā)射與同時(shí)雙極化接收、變極化發(fā)射與同時(shí)雙極化接收?？紤]到系統(tǒng)設(shè)備質(zhì)量及功耗的限制，本系統(tǒng)采用變極化發(fā)射和變極化接收的方式實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)采用雙極化天線，通過極化開關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)射水平極化波(H)或垂直極化波(V)、接收水平極化波(H)或垂直極化波(V)，如圖7所示。這種工作方式對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的要求最低，只需要一個(gè)接收通道，但不能同時(shí)獲取目標(biāo)的4種極化信息，可分時(shí)(間隔4個(gè)PRT周期)獲取4個(gè)極化信息。

圖7 變極化發(fā)射與變極化接收工作方式

1.4 輕小型平臺(tái)高分辨成像

1.4.1 成像算法選取

目前，常用的成像算法有改進(jìn)RD、CS、ωk等。在實(shí)時(shí)處理算法的選擇上不僅要考慮算法的性能，同時(shí)還要滿足實(shí)時(shí)處理流程的需要，減少對(duì)處理硬件資源的開銷，并利于提高處理的效能，改進(jìn)RD算法難以實(shí)現(xiàn)高分辨寬測(cè)繪帶處理。CS算法處理性能和ωk相當(dāng)，但CS算法在實(shí)時(shí)處理效能上明顯低于ωk算法。此外，當(dāng)波束存在一定斜視時(shí)，CS算法在高分辨下距離-方位耦合特性較為明顯，而ωk算法可有效克服耦合問題。因此，系統(tǒng)選擇的實(shí)時(shí)處理算法為ωk算法。

1.4.2 高分辨成像算法

國(guó)內(nèi)目前對(duì)機(jī)載SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法的研究較多。根據(jù)運(yùn)動(dòng)誤差獲取途徑大致可分為基于運(yùn)動(dòng)傳感器的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、基于原始回波的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和基于圖像數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

針對(duì)本項(xiàng)目成像合成孔徑時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)誤差提取及補(bǔ)償困難問題，單獨(dú)采用上述方法均難以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)誤差的精確獲取。對(duì)基于圖像數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法來(lái)說，其補(bǔ)償效果受限于回波場(chǎng)景。在缺少點(diǎn)目標(biāo)特征的場(chǎng)景區(qū)，該方法的補(bǔ)償效果將有所下降。因此，在運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)方法上先采用慣導(dǎo)數(shù)據(jù)解算，得到初步的側(cè)向擾動(dòng)誤差和非均勻采樣特性，再對(duì)用于回波估計(jì)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行均勻重采樣和擾動(dòng)誤差補(bǔ)償。由于回波估計(jì)中通常只用到波束中心區(qū)域的信息，因此對(duì)于樣本數(shù)據(jù)的補(bǔ)償可以使用窄波束的補(bǔ)償方法，之后則可通過樣本回波估計(jì)獲取運(yùn)動(dòng)誤差信息。

慣導(dǎo)數(shù)據(jù)解算主要通過慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的速度、高度等信息建立成像空間模型，選定參考航跡。圖8所示為東北天地理坐標(biāo)系及參考航跡方向的回波重采樣示意圖。

圖8 東北天地理坐標(biāo)系及樣本回波重采樣示意圖

基于回波估計(jì)的過程主要是對(duì)補(bǔ)償后的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行方位分段調(diào)頻率估計(jì)擬合，獲取運(yùn)動(dòng)誤差參數(shù)。運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)流程圖如圖9所示。對(duì)于樣本回波數(shù)據(jù)的調(diào)頻率估計(jì)，通常采用多次迭代的方法實(shí)現(xiàn)不同頻率特性的誤差估計(jì)。

在運(yùn)動(dòng)誤差的補(bǔ)償方面，運(yùn)動(dòng)誤差的距離向空變特性通過分段擬合獲得成像斜平面擾動(dòng)誤差予以補(bǔ)償，運(yùn)動(dòng)誤差的方位空變性則通過波束指向補(bǔ)償。由于方位多普勒單元與方位角有對(duì)應(yīng)關(guān)系，為了實(shí)現(xiàn)方位空變性補(bǔ)償，在回波子孔徑方位譜形成過程中，針對(duì)輸出方位頻譜對(duì)應(yīng)的方位角補(bǔ)償相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)誤差方位分量，從而實(shí)現(xiàn)方位空變消除。與此同時(shí)，回波航跡向的非均勻采樣也可在方位譜形成過程中一并消除，不需要額外插值重采樣。結(jié)合上述運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，將ωk算法進(jìn)行相應(yīng)修改，算法處理流程如圖10所示。

圖9 運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)流程圖

圖10 條帶SAR成像處理流程

2 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果分析

該系統(tǒng)于2018年搭載無(wú)人機(jī)載直升機(jī)開展了飛行試驗(yàn)，對(duì)居民區(qū)和自然場(chǎng)景進(jìn)行觀察，獲得了X/L雙波段全極化的圖像數(shù)據(jù)。

2.1 X/L雙波段成像

X波段可實(shí)現(xiàn)類光學(xué)的高分辨成像(見圖11)，紋理特征清晰，但波束較窄，因飛行顛簸波束存在抖動(dòng)，成像存在黑白間隔的條紋，且圖像多為目標(biāo)表面輪廓(見圖12a)。L波段波束較寬，對(duì)航姿變化不敏感，因L波段有一定穿透能力，圖像可看到部分淹沒在樹林中的小路(見圖12b)。

圖11 某鄉(xiāng)鎮(zhèn)X波段0.3 m分辨率成像(局部)

圖12 某林區(qū)雙波段1 m分辨率SAR圖像

2.2 全極化成像

以L波段1 m分辨率全極化工作模式為例，成像結(jié)果見圖13、圖14和圖15所示。從圖13可以看到，全極化模式下，同極化(HH極化和VV極化)回波較強(qiáng)，交叉極化(HV極化和VH極化)回波較弱。圖14給出了各單極化成像結(jié)果，圖15為各單極化圖像(HH極化、HV極化和VV極化)通過pauli分解原理進(jìn)行RGB三色融合后的偽彩圖像。

圖13 回波時(shí)域波形(起始強(qiáng)回波為耦合激勵(lì)信號(hào))

圖14 SAR單極化圖像

圖15 SAR全極化融合圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用X和L雙波段，在獲得X波段高分辨成像的同時(shí)，通過L波段獲得一定的穿透能力，可以揭示隱藏在植被和一定的地面之下的目標(biāo)，而多極化功能可使系統(tǒng)獲取比單極化更多的幾何特征信息，進(jìn)一步提高對(duì)目標(biāo)的鑒別和分類能力。本系統(tǒng)質(zhì)量較輕，設(shè)備量少，非常適合安裝于各種小型機(jī)載平臺(tái)。通過飛行試驗(yàn)，獲得了鄉(xiāng)鎮(zhèn)院落和林區(qū)場(chǎng)景的X/L雙波段全極化的圖像數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性，為后續(xù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)多波段、多極化和高分辨SAR系統(tǒng)提供技術(shù)參考。