FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)在本科教學(xué)中的應(yīng)用

王海鵬

(復(fù)旦大學(xué)波散射與遙感信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200433)

“遙感原理與技術(shù)”是我校信息科學(xué)與工程學(xué)院為本科四年級學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)選修課程。該課程主要講述遙感的基本原理、遙感圖像的解譯以及遙感的應(yīng)用，包括光學(xué)遙感和微波遙感兩大部分。光學(xué)遙感部分相對而言學(xué)生易于掌握，而微波遙感的機(jī)理與成像方法都比較難以理解。

在微波遙感技術(shù)中，合成孔徑雷達(dá)SAR作為一種全天候、全天時(shí)和高分辨率的遙感工具，在當(dāng)前遙感領(lǐng)域占據(jù)著極其重要的位置。SAR的基本原理與成像方法是本課程重點(diǎn)講解的內(nèi)容之一。筆者所在的波散射與遙感信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室搭建有一套調(diào)頻一連續(xù)波(FM-CW)雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率范圍可涵蓋L波段到Ku波段，且可對目標(biāo)進(jìn)行高分辨率全極化成像［1，2]?；谶@一條件，筆者在教學(xué)過程中引入對該雷達(dá)系統(tǒng)的介紹與實(shí)驗(yàn)課程。教學(xué)反饋結(jié)果表明，學(xué)生對SAR工作原理與成像技術(shù)的理解程度得到了明顯提高。

1 FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)簡介

SAR信號源所發(fā)射信號一般有脈沖和FM-CM兩種方式。脈沖方式用于遠(yuǎn)距離成像例如星載或機(jī)載，F(xiàn)M-CW方式適合于近/中遠(yuǎn)距離成像如實(shí)驗(yàn)室或無人機(jī)SAR系統(tǒng)。FM-CW的SAR系統(tǒng)與脈沖SAR相比具有成本低、信號處理簡單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備脈沖SAR的高分辨率和全極化等特性［1-5]。

本文介紹FM-CW SAR雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理與它在我校波散射與遙感信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展，并以實(shí)例介紹它的成像算法，以及本系統(tǒng)在教學(xué)過程中的具體應(yīng)用。

2 FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)工作原理

2.1 FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)及其硬件組成

FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號為調(diào)頻連續(xù)波。為了獲得高分辨率，要求發(fā)射信號具有的高掃描頻率與短持續(xù)時(shí)間。因此信號源的選擇就顯得非常關(guān)鍵。本實(shí)驗(yàn)室的雷達(dá)系統(tǒng)采用了具有頻率范圍寬和信號掃頻速度快的安捷倫E8257D信號源。該信號源工作頻率范圍為250kHz到20GHz(即L波段到Ku波段)。本實(shí)驗(yàn)室的雷達(dá)系統(tǒng)主要采用X波段信號。

圖1所示為我們搭建的全極化FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)框圖。其工作流程如下:電腦(PC)發(fā)送觸發(fā)信號到信號源和開關(guān)控制器，信號源產(chǎn)生調(diào)頻連續(xù)波信號送至功率分配器生成兩路功率相同信號，一路至發(fā)射天線，通過開關(guān)選擇確定發(fā)射波極化方式，另一路再經(jīng)過功率分配器又生成兩路信號分別和來自接收天線的信號混頻后生成中頻信號，再經(jīng)過放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換后至PC機(jī)進(jìn)行處理。因?yàn)橄到y(tǒng)發(fā)射和接收的頻率都是GHz量級的，所以只有經(jīng)過混頻處理使信號降成中頻信號，才方便進(jìn)行采樣與處理工作。該系統(tǒng)可以完成全極化高分辨率SAR成像。在本系統(tǒng)中，功率分配器、二極管開關(guān)、混頻器與天線集中在一個箱子中搭載在移動軌道上，我們稱之為射頻/天線箱;開關(guān)控制器、信號放大與濾波板和A/D轉(zhuǎn)換器所在的箱子稱之為中頻箱。

圖1 全極化FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)原理框圖。

2.2 FM-CW原理及信號處理

FM-CW雷達(dá)所發(fā)射線性調(diào)頻信號、接收信號及其混頻以后所產(chǎn)生的差拍信號如圖2所示。

圖2 線性FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)信號波形圖

接收天線接收的目標(biāo)后向散射回波信號與發(fā)射信號具有相同波形，其間有一個時(shí)間延遲為

其中，R為目標(biāo)與天線之間距離，c為光速。接收信號通過混頻器與發(fā)射信號進(jìn)行混頻后產(chǎn)生中頻的差拍信號。因此該信號可很容易地進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換與PC處理。中頻信號的頻率fb可用下式計(jì)算:

其中，Δf為調(diào)頻信號的頻率范圍，Δt為發(fā)射信號持續(xù)時(shí)間。通過上式可以看出fb正比于時(shí)延τ和頻率范圍Δf，反比于信號持續(xù)時(shí)間Δt。

在FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)中，發(fā)射信號可表示為

這里E0為發(fā)射信號幅值，t為時(shí)間，ωc代表中心頻率，α=Δf/Δt是信號調(diào)頻率。回波信號Eτ(t)和發(fā)射信號具有相同的形式，但有時(shí)延和衰減:

根據(jù)式(2)可知有fb=ατ。通過對上式在掃頻時(shí)間-Δt/2＜t＜Δt/2進(jìn)行FFT處理，可得

此結(jié)果與脈沖SAR雷達(dá)相同。此外，在方位向的信號處理方法與脈沖SAR雷達(dá)完全相同。

SAR成像算法如圖3所示。在距離向，對接收到的信號先做FFT處理，然后經(jīng)相移處理后做IFFT處理，最后進(jìn)行距離徙動校正。在方位向，分別進(jìn)行接收信號和參考信號的FFT處理，兩者進(jìn)行相乘以后再做IFFT處理，即可獲得SAR圖像，方位向信號處理也可用分?jǐn)?shù)階傅立葉變化來提高圖像分辨率。

圖3 FM-CW SAR系統(tǒng)信號處理流程圖

3 FM-CW SAR成像實(shí)例與教學(xué)實(shí)驗(yàn)

圖4所示為我校波散射與遙感信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)軌道長度為4m，高度為2m。射頻箱裝在軌道頂部，信號源、中頻箱與PC機(jī)則置于微波暗室外部。射頻箱的高度可手動調(diào)節(jié)，在水平方向上則由高精度馬達(dá)牽引沿軌道水平移動，其最低速度為5mm/s。

圖4 FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)

圖5所示為該系統(tǒng)對一金屬三面角所成圖像，理論結(jié)果為二維的sinc(·)函數(shù)?？梢钥闯?，所成圖像與理論結(jié)果比較接近。

圖5 金屬三面角所成的SAR圖像

在教學(xué)過程中，我們先介紹微波遙感技術(shù)的特點(diǎn)，然后以SAR雷達(dá)系統(tǒng)為例子，具體講述SAR的基本概念與基本原理，最后講述SAR點(diǎn)目標(biāo)成像方法，其中點(diǎn)目標(biāo)成像的仿真可以通過C/C++或者M(jìn)atlab語言來完成。在理論講解的基礎(chǔ)上，再通過FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)際SAR成像實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)語

筆者在“遙感原理與技術(shù)”課程教學(xué)中，采用微波遙感特別是SAR遙感技術(shù)理論與實(shí)際相結(jié)合的例子。重點(diǎn)介紹了FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理與信號處理方法，并通過對所在實(shí)驗(yàn)室FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)的講解與實(shí)際實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對SAR遙感技術(shù)的認(rèn)識有了實(shí)質(zhì)的提高。

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