王巖飛 李和平 韓 松

(中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 北京 100190)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種高分辨率成像雷達(dá)。在資源調(diào)查、海洋監(jiān)視、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、軍事偵察等遙感領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1]。

合成孔徑雷達(dá)通常采用脈沖壓縮技術(shù)獲得距離向高分辨率，采用合成孔徑技術(shù)獲得方位向高分辨率[2,3]。合成孔徑的本質(zhì)是用小孔徑天線移動(dòng)工作來(lái)代替大孔徑天線。通過(guò)裝載在飛機(jī)、衛(wèi)星等運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，雷達(dá)隨著平臺(tái)的移動(dòng)發(fā)射探測(cè)脈沖并接收和記錄回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)綜合處理可以合成為一個(gè)虛擬的大孔徑天線，從而獲得方位高分辨率。

通常，對(duì)于天線長(zhǎng)度為D的雷達(dá)，在波長(zhǎng)為λ時(shí)，其3 dB波束角寬度近似為λ/D。波束角越大，覆蓋范圍也越大，經(jīng)過(guò)處理后合成的虛擬天線就越長(zhǎng)，獲得的分辨率也越高。理想情況下，SAR的最高分辨率是天線長(zhǎng)度的一半，即ρ=D/2。然而，天線的增益與天線面積成正比，為了提高分辨率減少天線長(zhǎng)度則會(huì)導(dǎo)致天線增益的下降，從而影響雷達(dá)靈敏度、探測(cè)距離等性能。由于這一相互制約問(wèn)題，SAR的高分辨成像受到很大的約束。

為解決上述限制問(wèn)題，通常采用聚束工作方法[4,5]，如圖1(b)所示。通過(guò)對(duì)波束指向角度的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的大角度范圍照射，從波束掃過(guò)成像區(qū)域的角度考慮，相當(dāng)于將長(zhǎng)天線等效為小天線實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，同時(shí)獲得長(zhǎng)天線的高增益。但是，聚束模式只能對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行高分辨率成像，無(wú)法做到連續(xù)條帶成像。盡管可以采用滑動(dòng)聚束方法[6-9]，在一定程度上增加方位向成像范圍，但依然無(wú)法做到連續(xù)條帶成像。因此，在很大程度上限制了SAR的應(yīng)用。

圖1 合成孔徑雷達(dá)工作模式示意圖Fig.1 Geometric diagram of synthetic aperture radar imaging mode

近年來(lái)，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，很多學(xué)者從不同的角度開(kāi)展研究，包括多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)雷達(dá)[10-16]、頻率分集陣列(Frequency Diverse Array,FDA)雷達(dá)等[17-22]。這些研究主要針對(duì)傳統(tǒng)SAR距離模糊和方位模糊之間的矛盾，解決SAR高分辨率與寬測(cè)繪帶相互制約的問(wèn)題。然而，仍然受到天線尺寸對(duì)分辨率的限制，在連續(xù)條帶成像時(shí)，其最高分辨率基本上在0.3～0.5 m[23,24]。

本文主要從SAR系統(tǒng)工作方式開(kāi)展研究，重點(diǎn)解決高分辨率(0.1 m左右)、連續(xù)條帶成像，這一傳統(tǒng)SAR無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

針對(duì)SAR連續(xù)條帶高分辨率成像所導(dǎo)致的天線大波束角與高增益相互制約的問(wèn)題，提出了將長(zhǎng)天線分為子陣，發(fā)射不同的信號(hào)實(shí)現(xiàn)陣列編碼及協(xié)同工作的解決方法。其中，陣列編碼是指每個(gè)子陣發(fā)射不同的、滿足系統(tǒng)特定需求的信號(hào)。在本文中，對(duì)編碼信號(hào)的主要要求就是，不同的編碼信號(hào)饋入各子陣天線中，能夠使各子陣輻射的電磁波在空間不合成。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)對(duì)接收信號(hào)相干處理，將各子陣信號(hào)合成為指向不同角度的高增益波束。從而實(shí)現(xiàn)子陣短天線的寬波束和全陣列長(zhǎng)天線的高增益。

通常MIMO雷達(dá)主要通過(guò)增加收發(fā)通道數(shù)量來(lái)增加信號(hào)維度，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體性能的提高。通道數(shù)量是需要考慮的一個(gè)主要因素。本文針對(duì)實(shí)現(xiàn)SAR方位高分辨率的需求，同時(shí)考慮到降低雷達(dá)系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性等要求，更為關(guān)注在滿足分辨率等要求的前提下，減少通道數(shù)量、降低系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)代價(jià)。這涉及SAR分辨率、信噪比、雷達(dá)模糊多方面性能綜合優(yōu)化等一系列問(wèn)題。因此，建立SAR陣列編碼工作模型、對(duì)SAR相關(guān)的系統(tǒng)特性及性能進(jìn)行理論分析、給出約束限定要求等工作十分重要，也是本文工作要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

本文在概述SAR工作原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了天線陣列編碼工作方法，建立了陣列編碼工作成像模型，給出了成像處理算法流程；之后，結(jié)合實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)獲得的成像結(jié)果，對(duì)新方法在分辨率、信噪比等方面的性能以及在其他方面的應(yīng)用進(jìn)行了討論分析。

2 天線陣列編碼成像方法

2.1 SAR工作原理及成像模型

當(dāng)雷達(dá)隨著飛機(jī)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖2所示，雷達(dá)與點(diǎn)目標(biāo)P之間的距離變化表示如下：

圖2 合成孔徑雷達(dá)工作示意圖Fig.2 Geometric diagram of synthetic aperture radar

其中，R0表示點(diǎn)目標(biāo)P到飛機(jī)航線的垂直距離，v表示飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度。

點(diǎn)目標(biāo)P的方位向回波信號(hào)可以表示為

其中，σp表示點(diǎn)目標(biāo)P的后向散射系數(shù)。SAR的點(diǎn)目標(biāo)回波在方位向可以近似為線性調(diào)頻信號(hào)，其多普勒頻率為

對(duì)方位向線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮，可以得到方位分辨率ρa(bǔ)=D/2。

可以看出，通常SAR條帶成像的方位向理論分辨率取決于天線方位向長(zhǎng)度。為實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，要求小天線尺寸。然而，小天線尺寸會(huì)降低天線增益，影響雷達(dá)的作用距離。因此，實(shí)現(xiàn)SAR高分辨率、遠(yuǎn)距離成像，從天線的角度存在著相互矛盾的要求。

2.2 天線陣列編碼成像

天線陣列編碼工作方法則是將SAR的天線分解為多個(gè)子陣，每個(gè)子陣發(fā)射不同的信號(hào)，簡(jiǎn)稱為陣列編碼，通過(guò)多個(gè)子陣天線的協(xié)同工作，一方面利用多子陣形成寬波束；另一方面通過(guò)對(duì)多子陣發(fā)射和接收信號(hào)的相干合成累積形成高增益。等效實(shí)現(xiàn)小天線的波束寬度和全陣列長(zhǎng)天線的增益，從而解決傳統(tǒng)SAR成像的限制問(wèn)題。

如圖3所示，其中圖3(a)給出了常規(guī)SAR工作示意圖，圖3(b)給出了將長(zhǎng)天線分解為子天線的工作示意圖。將長(zhǎng)天線分解為M個(gè)子天線工作，會(huì)直接帶來(lái)3個(gè)方面的變化：一是子天線的波束寬度增加M倍，在滿足通常SAR成像條件下，對(duì)應(yīng)的分辨率也提高M(jìn)倍；二是雷達(dá)的收發(fā)通道數(shù)增加，假設(shè)各子天線同時(shí)發(fā)射探測(cè)信號(hào)，并且各子天線發(fā)射的信號(hào)相互獨(dú)立，則可以對(duì)應(yīng)形成M ×M個(gè)收發(fā)通道；三是由于每個(gè)子陣發(fā)射信號(hào)的回波同時(shí)有多個(gè)子陣接收，等效提高了雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF)。

圖3 天線陣列編碼工作示意圖Fig.3 Geometric diagram of multiple sub-array coding

當(dāng)子天線發(fā)射信號(hào)的回波信號(hào)被同一個(gè)子天線接收時(shí)，就是通常SAR的正常工作模式。而當(dāng)子天線發(fā)射信號(hào)的回波信號(hào)被另一個(gè)不同的子天線接收時(shí)，盡管收發(fā)天線不在同一位置，但并不影響正常的成像，并且可以等效為增加了一次發(fā)射脈沖。其工作示意圖如圖4所示，假設(shè)兩個(gè)子天線的中心位于x處，兩個(gè)天線分別位于x+Δ和x-Δ處，則收發(fā)天線與目標(biāo)的距離關(guān)系如下：

圖4 收發(fā)不同子天線工作示意圖Fig.4 Geometric diagram between different sub-array

對(duì)照式(2)，點(diǎn)目標(biāo)P的回波信號(hào)可以表示為

對(duì)于通常的機(jī)載或星載SAR系統(tǒng)，式(5)中的Δ2/(2R0)項(xiàng)比較小，可以忽略不計(jì)。因此，子陣收發(fā)不同情況下，不會(huì)影響正常成像，但成像的中心位于兩個(gè)子天線的中間。在高分辨率成像時(shí)，在式(5)及式(2)中，還需要考慮高次項(xiàng)的影響問(wèn)題，但對(duì)于成像相位中心的影響不大，為了便于分析這里一并忽略。

將長(zhǎng)天線分解為M個(gè)子天線，一個(gè)子天線發(fā)射、其他子天線同時(shí)接收時(shí)，等效為PRF提高了M倍。當(dāng)多個(gè)子天線同時(shí)發(fā)射和接收時(shí)，雷達(dá)PRF的提高則取決于信號(hào)的編碼方式。

當(dāng)發(fā)射信號(hào)是同頻帶正交信號(hào)時(shí)，等效為PRF提高了M2倍。例如，兩個(gè)子陣分別發(fā)射帶寬1.2 GHz、時(shí)寬30 μs、調(diào)頻斜率一個(gè)為正，另一個(gè)為負(fù)的線性調(diào)頻信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)可以認(rèn)為是同頻帶正交信號(hào)，對(duì)于SAR成像而言，等效為PRF提高了4倍。當(dāng)發(fā)射信號(hào)是分頻帶正交信號(hào)時(shí)，PRF則等效為提高了M倍。同樣以上述參數(shù)為例，兩個(gè)子陣分別發(fā)射帶寬0～600 MHz和600～1200 MHz的分頻帶正交信號(hào)時(shí)，盡管形成4個(gè)通道，但要進(jìn)行全頻帶合成，最終等效為PRF提高了2倍。

可以看出，采用天線陣列編碼工作方法，在不影響雷達(dá)正常發(fā)射脈沖周期的條件下，可以成倍提高雷達(dá)在方位向的采樣頻率，這為解決SAR成像距離與方位模糊問(wèn)題提供了有效的途徑。

對(duì)于天線陣列編碼工作方法，信號(hào)編碼形式對(duì)SAR系統(tǒng)參數(shù)的確定十分關(guān)鍵。為了滿足天線波束在空間不合成的要求，信號(hào)可以設(shè)計(jì)為正交編碼信號(hào)，有關(guān)這方面的工作有很多基于不同角度的研究[25-28]。在實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)中，也可以采用通過(guò)分頻段實(shí)現(xiàn)頻率正交、通過(guò)波束指向不同實(shí)現(xiàn)空間正交等方法，或者多種方式的結(jié)合，這需要根據(jù)雷達(dá)的具體要求和工作條件進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇。

2.3 陣列編碼成像信噪比與分辨率

SAR的作用距離涉及多方面因素，概括起來(lái)就是需要雷達(dá)系統(tǒng)保持足夠高的信噪比。SAR雷達(dá)方程為

其中，SNR為信噪比，λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)，R為雷達(dá)作用距離，Pav為發(fā)射平均功率，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為接收機(jī)絕對(duì)溫度，B為接收機(jī)帶寬，F(xiàn)為接收機(jī)噪聲系數(shù)，L為損耗，σ為雷達(dá)目標(biāo)的等效散射面積，v為雷達(dá)方位向速度，D為天線方位向長(zhǎng)度，天線增益為G如式(7)[29]：

ηa為天線口面效率，Dr為天線高度。

系統(tǒng)的信噪比與雷達(dá)的發(fā)射功率成正比，并分別與發(fā)射天線和接收天線的增益成正比。根據(jù)式(6)和式(7)，假設(shè)雷達(dá)天線方位向長(zhǎng)度為D，增益為G。將其在方位向分為M個(gè)子天線，長(zhǎng)度均為D/M，對(duì)應(yīng)的各子天線增益變?yōu)镚/M。如果雷達(dá)發(fā)射的總功率為Pav，均分到各子天線，則每個(gè)子天線對(duì)應(yīng)的發(fā)射功率為Pav/M。

假設(shè)雷達(dá)以長(zhǎng)度為D的天線、發(fā)射功率為Pav進(jìn)行SAR成像時(shí)信噪比為S NR，則將天線分解為多個(gè)子天線形成多個(gè)收發(fā)通道時(shí)，每個(gè)收發(fā)通道成像的信噪比為 SNR/M3。這其中信噪比的降低包括發(fā)射功率、發(fā)射天線增益以及接收天線增益3個(gè)方面的降低因素。

然而，將長(zhǎng)天線分解為M個(gè)子天線，可以形成M2個(gè)收發(fā)組合的通道。由于各收發(fā)通道觀測(cè)同一目標(biāo)區(qū)域，因此對(duì)各收發(fā)通道進(jìn)行相干處理累積，可以提高信噪比M2倍。并且，如圖3所示，子天線波束在方位向的照射范圍相對(duì)長(zhǎng)天線照射范圍增加了M倍。因此，當(dāng)子天線進(jìn)行合成孔徑成像時(shí)，通過(guò)功率相干累積可提高信噪比M倍。這樣，可以將子天線成像的信噪比累積提高M(jìn)3倍，同樣為 SNR。對(duì)于采用分頻帶正交編碼工作方法，盡管頻帶合成后等效通道數(shù)減少，但在同樣發(fā)射功率和脈沖寬度的條件下，發(fā)射信號(hào)的功率譜密度得到增加，成像合成后信噪比也同樣為 SNR。參照MIMO雷達(dá)相關(guān)工作[30,31]，SAR的成像由于是信號(hào)全相干合成累積，將長(zhǎng)天線分解為子天線陣組合成像時(shí)，可同樣獲得長(zhǎng)天線成像的信噪比。同時(shí)，陣列編碼成像利用的是子陣的寬波束，假設(shè)長(zhǎng)天線成像分辨率為ρa(bǔ)=D/2，則編碼陣成像的分辨率提高為ρa(bǔ)=D/(2M)。

這一結(jié)果與傳統(tǒng)SAR對(duì)比有非常大的差異。分析圖5可以看出，通常小天線具有寬波束、低增益。當(dāng)小天線陣列不進(jìn)行編碼、發(fā)射相干信號(hào)時(shí)，合成的大天線，具有窄波束、高增益，如圖5(a)和圖5(b)所示。通過(guò)對(duì)天線陣列發(fā)射信號(hào)正交編碼，使其波束在空間不合成，這時(shí)天線增益較低，但存在著多個(gè)子天線發(fā)射波束，并被所有子天線接收，如圖5(c)所示。經(jīng)過(guò)多通道累積和信號(hào)相干合成處理，獲得的結(jié)果如圖5(d)所示，等效為具有寬波束和高增益。

對(duì)比圖5(b)與圖5(c)，圖5(b)中的長(zhǎng)天線相當(dāng)于子陣相干累加，在同相方向天線的輻射能量累積，形成高增益；在其他角度方向，天線輻射能量在空間對(duì)消，因此形成窄波束。而圖5(c)中，各子陣信號(hào)相互獨(dú)立，子陣天線的增益較低，但波束在空間并沒(méi)有對(duì)消。后續(xù)的各種處理獲取雷達(dá)更好的性能，一個(gè)重要的前提就是波束的空間不對(duì)消。一方面利用寬波束實(shí)現(xiàn)高分辨率；另一方面，則是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線增益降低的恢復(fù)。從這一角度而言，編碼陣方法實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)對(duì)發(fā)射能量空間利用率的提高。由此，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)天線分解為M個(gè)子陣成像時(shí)，子天線陣列成像能夠在保持長(zhǎng)天線信噪比的同時(shí)，提高方位向分辨率M倍。

圖5 天線陣列編碼與相干處理合成示意圖Fig.5 Schematic diagram of antenna array coded and coherent processing synthesis

3 天線陣列編碼SAR成像處理

單子陣的SAR成像處理與通常的處理方法相同，但是當(dāng)多個(gè)子陣組合工作時(shí)則會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題。如圖6所示，當(dāng)天線陣列隨著載機(jī)平臺(tái)從一個(gè)位置移動(dòng)到下一個(gè)位置時(shí)，并不能保證各個(gè)子天線嚴(yán)格按照希望的空間位置排列，導(dǎo)致雷達(dá)在方位向的信號(hào)采樣非均勻。當(dāng)按照通常的方法進(jìn)行處理時(shí)，會(huì)對(duì)SAR的成像性能產(chǎn)生影響。

圖6 陣列成像工作示意圖Fig.6 Geometric diagram of antenna array imaging

分析陣列天線工作狀態(tài)，如圖7所示，假設(shè)有M個(gè)子天線，子天線中心分別位于(0,1,···,M-1)處，當(dāng)其中第n個(gè)和m個(gè)子天線組成收發(fā)通道時(shí)，其等效的中心位于 (n+m)/2處。在進(jìn)行合成孔徑成像時(shí)，從子天線發(fā)射信號(hào)的角度考慮，相當(dāng)于一次發(fā)射有M個(gè)采樣。但這M個(gè)采樣的位置是以子天線間隔的1/2為基本單位分布的。

機(jī)載SAR成像工作時(shí)，通常采用地速跟蹤技術(shù)來(lái)保證雷達(dá)在方位向等間隔采樣。在考慮多子天線同時(shí)接收采樣時(shí)，其在方位向的信號(hào)采樣模式如圖7所示。雖然天線陣列內(nèi)各子天線采樣均勻分布，但天線陣之間的間隔并不能保證雷達(dá)子天線在方位向按照均勻等間隔進(jìn)行采樣，導(dǎo)致方位向信號(hào)產(chǎn)生頻譜混疊等問(wèn)題。為了避免對(duì)SAR成像的影響，關(guān)鍵問(wèn)題是從非均勻采樣的數(shù)據(jù)中恢復(fù)出無(wú)混疊失真的雷達(dá)信號(hào)。對(duì)于星載SAR，盡管衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較穩(wěn)定，但也同樣存在著類似的問(wèn)題。

考慮同一距離門的一條方位線，以天線中心位于0處的子天線1發(fā)射信號(hào)為例，對(duì)其回波信號(hào)接收的子天線從1至M，形成的M個(gè)采樣點(diǎn)，位于以子天線間隔一半距離的整數(shù)倍處，即(0,0.5,1.0,1.5,···,(n+m)/2)倍的子天線間隔。假設(shè)方位信號(hào)為f(t)，經(jīng)過(guò)天線陣列接收的非均勻采樣信號(hào)為fs(t)，按照?qǐng)D7所示的天線陣列工作方式，其信號(hào)采樣函數(shù)可以表示為[32]

圖7 天線陣列工作示意圖Fig.7 Schematic diagram of antenna array

其中，Ts表示脈沖重復(fù)周期，τ表示子陣中心間隔一半的時(shí)間(距離除以飛機(jī)移動(dòng)速度)。由此可以得到：

其頻譜函數(shù)表示為

其中，?表示卷積，ωs=2π/Ts。由于雷達(dá)信號(hào)的采樣為復(fù)數(shù)采樣，并且在每個(gè)脈沖重復(fù)周期Ts內(nèi)，有M個(gè)子陣同時(shí)采樣，相當(dāng)于增加了M倍的采樣。因此，可以假設(shè)方位向信號(hào)的最大帶寬為Mωs，而式(10)中的Fs(ω)則 是由F(ω)的多次移位加權(quán)累加，即卷積運(yùn)算所形成的。

在式(10)中，引入式(11)：

則可以將式(10)表示為

假設(shè)F(ω) 在帶寬內(nèi)分為M段，表示為F0(ω),F1(ω),···,FM-1(ω)。Fs(ω)在對(duì)應(yīng)的帶寬內(nèi)也分為M段，表示為Fs0(ω),Fs1(ω),···,FsM-1(ω)。則可以從式(12)中得到：

解式(13)方程，即可從非均勻采樣的信號(hào)Fs(ω)頻譜中，恢復(fù)出真實(shí)的信號(hào)頻譜F(ω)。

基于上面的信號(hào)恢復(fù)方法及分析，可以給出一個(gè)明確的結(jié)論：盡管天線陣列工作時(shí)存在著非均勻信號(hào)采樣的問(wèn)題，但利用信號(hào)處理方法，從理論上可以完整恢復(fù)出無(wú)失真信號(hào)。

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本節(jié)公式的推導(dǎo)是基于在天線陣列工作不重疊的條件，即Ts對(duì)應(yīng)的距離大于整個(gè)天線陣列的長(zhǎng)度，并且只針對(duì)一個(gè)子天線發(fā)射的情況。在實(shí)際情況下，即使天線陣列重疊，也不會(huì)影響本文的結(jié)論。并且，多子天線同時(shí)發(fā)射也可以采用同樣的信號(hào)恢復(fù)處理方法。

在恢復(fù)出陣列雷達(dá)無(wú)失真的觀測(cè)信號(hào)后，對(duì)于后續(xù)的SAR成像處理算法完全可以采用已有的成熟算法。

圖8給出了天線陣列編碼雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程圖。其中，圖8(a)是在信號(hào)恢復(fù)之后，將多路信號(hào)合并為單路進(jìn)行成像處理。這一處理方式，可以降低數(shù)據(jù)處理量，具有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。圖8(b)是在信號(hào)恢復(fù)之后，將多路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行成像處理。采用這一處理方式，可以增加處理的靈活性，并且還可以獲得新的功能及系統(tǒng)能力，其缺點(diǎn)是信號(hào)處理更為復(fù)雜。

圖8 天線陣列編碼雷達(dá)成像處理流程圖Fig.8 Flow chart of antenna array coded radar imaging process

天線陣列編碼雷達(dá)，通過(guò)系統(tǒng)通道數(shù)量的增加，擴(kuò)展了信號(hào)的維度，解決了傳統(tǒng)雷達(dá)對(duì)高分辨率成像、距離及方位模糊等限制問(wèn)題。針對(duì)其在實(shí)際工作時(shí)，帶來(lái)的非均勻采樣等問(wèn)題，本部分給出了完整的信號(hào)恢復(fù)理論方法。

在雷達(dá)系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)中，還需要針對(duì)實(shí)際問(wèn)題，結(jié)合具體的雷達(dá)要求、工作條件，通過(guò)陣列的靈活設(shè)置及對(duì)信號(hào)恢復(fù)方法進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，獲得所期望的系統(tǒng)性能。

4 天線陣列編碼雷達(dá)及成像實(shí)驗(yàn)分析

4.1 高分辨率條帶成像試驗(yàn)

基于上述天線陣列編碼工作方法，我們對(duì)現(xiàn)有的SAR系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。系統(tǒng)的組成框圖如圖9所示，天線分為4個(gè)子陣，每個(gè)子陣獨(dú)立發(fā)射，并同時(shí)接收其他子陣發(fā)射的信號(hào)。系統(tǒng)包括4個(gè)發(fā)射模塊，4路接收通道及對(duì)應(yīng)的信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理裝置。

圖9 陣列編碼雷達(dá)構(gòu)成框圖Fig.9 Schematic diagram of antenna array coded radar system

雷達(dá)的天線長(zhǎng)度為0.5 m，均分為4個(gè)子陣。每個(gè)子天線發(fā)射的信號(hào)采用分頻帶正交設(shè)計(jì)，雷達(dá)的整體帶寬為1.2 GHz，4個(gè)子陣發(fā)射信號(hào)分別為不重疊的300 MHz帶寬線性調(diào)頻信號(hào)。每個(gè)子陣的峰值發(fā)射功率為200 W，4個(gè)子陣總共800 W。雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 編碼陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)工作參數(shù)Tab.1 Parameters of antenna array coded radar

SAR的成像處理算法采用 ω-k算法，基于IMU測(cè)量數(shù)據(jù)和自聚焦算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償。獲取的雷達(dá)圖像如圖10所示，分辨率優(yōu)于0.1 m(方位向)×0.13 m(距離向)。其中，圖10(a)所示為連續(xù)條帶圖像，最遠(yuǎn)作用距離為25.0 km，條帶寬度超過(guò)8.0 km，條帶長(zhǎng)度19.8 km。圖10(c)-圖10(f)為連續(xù)條帶圖像中的局部放大圖像。圖11給出了圖像場(chǎng)景中自然點(diǎn)目標(biāo)的成像分辨率評(píng)測(cè)曲線圖及測(cè)量結(jié)果。

圖10 陣列編碼雷達(dá)獲取的0.1 m分辨率連續(xù)條帶圖像Fig.10 0.1 m strip map image by the antenna array coded radar system

采用陣列編碼工作方法，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)SAR系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高分辨率、連續(xù)條帶成像能力，為具有高分辨率、遠(yuǎn)距離、大幅寬等高性能SAR系統(tǒng)的構(gòu)建，提供了新的技術(shù)途徑。

傳統(tǒng)SAR成像為實(shí)現(xiàn)方位高分辨率，需要增加脈沖重復(fù)頻率(PRF)，滿足對(duì)多普勒頻率信號(hào)采樣的要求[3]，如式(14)所示：

同時(shí)，為了避免距離模糊，還需要滿足式(15)

當(dāng)采用相位控制等技術(shù)擴(kuò)展天線波束實(shí)現(xiàn)方位向?yàn)?.1 m分辨率時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大多普勒頻率超過(guò)800 Hz，考慮到天線旁瓣影響問(wèn)題，要求PRF越大越好。在選取PRF為6400 Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)的雷達(dá)不模糊距離小于19 km。當(dāng)雷達(dá)探測(cè)距離超過(guò)這一方面限制時(shí)，會(huì)帶來(lái)距離模糊問(wèn)題，體現(xiàn)為周邊區(qū)域目標(biāo)的不聚焦圖像，與目標(biāo)圖像相疊加，影響目標(biāo)的檢測(cè)、識(shí)別等應(yīng)用。

傳統(tǒng)SAR的高分辨率連續(xù)條帶成像也因此受到限制，無(wú)法兼顧分辨率、作用距離、連續(xù)條帶成像等性能的同時(shí)提高。

當(dāng)SAR采用聚束模式成像時(shí)，通過(guò)增大天線尺寸和進(jìn)行波束指向控制，一方面提高天線增益實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)；另一方面，則是由于天線尺寸的增大、減小了波束寬度，從而使得雷達(dá)回波信號(hào)在方位向的瞬時(shí)多普勒頻帶寬度減小，降低了方位模糊。從高分辨率成像的角度而言，這是一個(gè)很好的解決辦法。聚束成像的主要限制是無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)條帶成像。

陣列編碼工作方法是在增加波束寬度的同時(shí)，通過(guò)形成多個(gè)收發(fā)通道組合工作，等效于提高了脈沖PRF，在實(shí)現(xiàn)高分辨率的同時(shí)，可以解決傳統(tǒng)SAR固有的模糊限制問(wèn)題。其代價(jià)是通道數(shù)的增加，但隨著電子器件、數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)的發(fā)展，這一代價(jià)逐漸降低。相對(duì)而言，其獲得收益更為突出。采用陣列編碼工作方法，使得雷達(dá)的成像分辨率、作用距離、成像幅寬等整體性能得到顯著提高。參考星載SAR常用的幅寬和分辨率之比這一評(píng)價(jià)參數(shù)[24]，相對(duì)于現(xiàn)有星載SAR這一參數(shù)在4萬(wàn)到5萬(wàn)之間，本文這一比值超過(guò)8萬(wàn)，優(yōu)勢(shì)明顯。當(dāng)然，機(jī)載SAR與星載SAR之間的工作條件存在著差別，這些對(duì)比也只是作為一定程度上的參考。

4.2 寬視角、高時(shí)間分辨率成像試驗(yàn)

不同于SAR成像最終形成一幅高分辨率圖像，編碼陣?yán)走_(dá)還可以獲取一系列低分辨率雷達(dá)圖像，實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率成像，如圖12所示，為一部X波段編碼陣?yán)走_(dá)獲取的系列圖像。雷達(dá)由天線長(zhǎng)度0.52 m，由32個(gè)子陣構(gòu)成，在陣列編碼的同時(shí)結(jié)合了脈沖編碼[33]，合成天線最大角度設(shè)計(jì)為50°。系統(tǒng)帶寬800 MHz，每個(gè)子陣發(fā)射功率30 W。雷達(dá)的處理方式為子陣信號(hào)同時(shí)處理如圖8(b)所示，可以獲取同一時(shí)刻、50°大角度范圍的低分辨率雷達(dá)圖像。比較而言，如果采用通常全天線、子孔徑處理方法，則只能獲取3.3°角度的圖像，視角寬度不到陣列編碼工作方法的1/10。雷達(dá)的PRF為1500 Hz，成像處理脈沖數(shù)為128，每0.086秒即可提供一幅圖像，產(chǎn)生的一系列圖像按時(shí)間順序可以形成圖像視頻流。圖12是從視頻流中節(jié)選出的圖像序列，箭頭所指為目標(biāo)變化情況在系列圖像中的體現(xiàn)。圖13是對(duì)應(yīng)圖12的局部放大圖。從中可以看出，通過(guò)一系列短時(shí)圖像的分析對(duì)比，可以提取出目標(biāo)變化信息。同時(shí)，也可以經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間相干積累處理，實(shí)現(xiàn)同一區(qū)域的SAR成像，如圖14所示。

圖12 編碼陣?yán)走_(dá)短時(shí)連續(xù)系列成像圖Fig.12 Continuous instantaneous imaging of antenna array coded radar system

圖13 編碼陣?yán)走_(dá)短時(shí)連續(xù)系列成像局部放大圖Fig.13 Continuous instantaneous zoomed image of antenna array coded radar system

圖14 對(duì)應(yīng)圖12同一區(qū)域的SAR圖像Fig.14 SAR image of the same area of Fig.12

采用陣列編碼工作方法，通過(guò)對(duì)信號(hào)維度的擴(kuò)展，大幅度增強(qiáng)了雷達(dá)系統(tǒng)能力。一方面，可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的同時(shí)多功能，例如，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、高時(shí)間分辨率成像，或者同時(shí)進(jìn)行SAR高分辨率成像；另一方面，可以提高雷達(dá)的綜合能力，例如，在大范圍目標(biāo)搜索的同時(shí)、實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤監(jiān)視，也可以將雷達(dá)看作攝像機(jī)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的變化情況等。

從上述飛行測(cè)試結(jié)果可以看出，編碼陣?yán)走_(dá)在提高傳統(tǒng)SAR成像性能的同時(shí)，也為提高系統(tǒng)的整體能力提供了新的方法途徑與技術(shù)基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的將長(zhǎng)天線分解為子陣的天線陣列編碼成像方法，解決了通常SAR分辨率與天線增益之間的矛盾問(wèn)題，使得高分辨率、大范圍連續(xù)條帶成像的實(shí)用化SAR系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)的可行性。這一天線陣列編碼成像方法，能夠在保持信噪比不變的同時(shí)，提高方位向分辨率M倍；從另一個(gè)角度來(lái)看，能夠在保持短天線同等分辨率的同時(shí)，將SAR的信噪比相對(duì)于短天線提高M(jìn)倍。同時(shí)，等效提高了雷達(dá)PRF，有效解決了SAR的距離和方位模糊問(wèn)題。

盡管系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，需要增加系統(tǒng)收發(fā)通道，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)代價(jià)的提高，但作為一種新的方法與途徑，解決了以往SAR的工作原理限制問(wèn)題，為SAR的成像帶來(lái)新的功能與模式?；诒疚姆椒?，在實(shí)現(xiàn)SAR高時(shí)間分辨率、大視角范圍低分辨率成像的同時(shí)，可以針對(duì)特定感興趣區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高分辨率成像；此外，還可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)SAR成像與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等功能。

本文提出的陣列編碼方法并不限于實(shí)驗(yàn)中采用的編碼方法，可以基于多信號(hào)維度進(jìn)行編碼。同時(shí)，這也是本文方法后續(xù)研究工作的重點(diǎn)。