小型SAR系统设计

刘 闯 洪香茹 张 涛

(西安电子工程研究所 西安 710100)

1 引言

合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)是一种可以进行二维高分辨成像的雷达系统，可以全天时、全天候的工作，被广泛用于战场侦察、目标识别、着陆导航、地形测绘、地质探测、海洋监测及自然灾害监控等领域［1，2］。传统的SAR系统通常工作在脉冲体制下，系统复杂、体积大、重量重、成本高［3，4］，通常用在较大的搭载平台，如运输机、直升机、大型无人机上。为了降低SAR系统的应用条件和成本，需要研制小型化、低成本、可搭载在小型无人机上的SAR系统。思路有两种:一种是针对脉冲体制的SAR系统，采用更加先进的集成技术，研制高度集成的小型化前端和高性能的信处单元;另一种是采用新的成像体制，如基于调频连续波的去调频接收体制(Dechirp)［1，5］。对于第一种方法，由于技术条件的限制，其实现难度和风险较大，而且降低成本的空间很小;对于第二种方法，由于调频连续波技术已经很成熟，而且其系统具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、易于集成、功耗低、可靠性高、隐蔽性好等优点［6，7］，通过去调频处理后，还可以大大降低对后端采样系统的要求，因而成为小型化SAR系统发展的首选方案，得到了广泛的应用。

2 线性调频连续波SAR成像处理分析

线性调频连续波Dechirp原理为:将SAR回波信号和具有固定延时的发射信号做差频处理，在频域获得距离高分辨能力。假设发射信号为锯齿形线性调频信号，信号形式如下:

其中:A0为信号幅度，由于对后续分析影响不大，可令其为1;fc为发射信号载频;kr为信号调频率，若信号带宽为B，扫频周期为T，则为以扫频周期起始时刻为起点的时间，称为快时间。

那么位于Ri处的目标回波为:

设参考距离为Rref，参考时间为，那么参考信号为:

将参考信号和目标回波信号做差频处理，如图1所示，忽略幅度影响后，可得基带回波信号为:

其中:ΔRi=Ri-Rref。

通过以上分析可知，通过去调频处理后，回波变为单频信号，且其频率与回波和参考信号的距离差成正比，且。因此，对去调频后的信号做傅里叶变换，便可在频域得到对应的sinc状的窄脉冲，脉冲宽度为，Tp为调频周期，而脉冲在频率轴上的位置与ΔRi成正比，如图1b所示。由于变换到频域后的窄脉冲宽度为可得距离分辨率为，与匹配滤波的结果相同。

图1 去调频脉压示意图

式(4)中，第一项为距离项，第二项为多普勒项，第三项为去调频处理独有的，称为剩余视频相位项(RVP)，它会使多普勒有少许的改变。由图1可见，不同距离的目标回波在时间上是错开的，称为斜置，它并不带来有用信息，还会给后续处理带来不便，应设法将其去除，称为去斜处理，去斜后的同时RVP项也随之消失。为了完成上述工作，将(4)式的差频信号以参考点的时间为基准对快时间做傅里叶变换，可得:

其中:第一项为多普勒项，第二项为RVP项，第三项为包络斜置项。除了第一项外，后两项均应去除。由于，因此后两项相位项可变为:

令

给式(5)乘以(7)式就可将RVP项和包络斜置项都去除掉。

通过以上处理，距离向压缩就已经完成，后续的方位向处理和脉冲体制的SAR处理过程相似，在此不再进行分析，完整的SAR成像处理过程如图2所示。

图2 SAR成像处理框图

3 小型合成孔径雷达系统设计

根据小型合成孔径雷达体积小、重量轻、成本低的要求，结合调频连续波去调频体制的特点，在保证系统技术指标的前提下，采用以下设计方案。

天线系统设计:由于系统采用调频连续波体制，因此必须采用收发分置的双天线结构，为了减小天线的体积和重量，结合调频连续波体制的雷达作用距离近、发射功率较小的特点，可采用微带天线。

波束稳定系统设计:波束稳定一般通过伺服系统进行控制，它往往占据系统相当份额的体积和重量，很难进行优化。为了控制系统的体积和重量，本设计采用常平架结构的自稳定方案，将雷达系统集成在一个常平架结构的机箱内，靠整个系统的自重和特别的重心设计，结合很宽的俯仰波束(如:40°)，保证波束始终照射到成像测绘带内，这样就可以省去伺服系统。常平架结构示意图如图3所示。

图3 常平架稳定结构示意图

收发前端设计:为了减小系统的体积和重量，将发射机、接收机和频综集成为一个综合的收发前端。频综负责整个系统各种频率源的产生，并为发射模块提供发射激励信号，为接收模块提供参考本振信号;发射模块将发射激励信号进行放大，接收模块进行去调频接收。由于采用连续波体制工作，并且发射信号功率不是很大(一般为几十瓦)，因而不需要高压和调制电路，可采用固态发射模块，一方面可以降低发射模块的体积和重量，另一方面还可以提高系统的可靠性。收发系统采用不同的通道，通过收发控制脉冲控制通道的工作切换，易于提高收发通道的隔离度和系统的可控性。集成化收发前端结构示意图如图4所示。

图4 集成化收发前端结构示意图

预失真的宽带信号产生模块:预失真的宽带信号产生模块用于产生预失真的宽带发射信号。为了提高距离向分辨率，需要发射大带宽时宽积的线性调频信号，由于目前技术水平的限制，系统带宽达到一定程度时容易引起信号畸变，严重影响成像质量。为了降低系统设计难度，保证成像质量，可采用预失真的信号产生技术，具体方法是通过仪器测出系统对信号的失真特性，通过数字的方法对发射信号进行反向的预失真，然后将预失真的信号进行数模变换，供前端产生发射激励信号，这样就能通过数字的方法校正系统误差，保证信号质量。预失真的宽带信号产生模块结构示意图如图5所示。

图5 预失真的宽带信号产生模块结构示意图

高速AD采样模块:高速AD采样模块负责对来自接收机的去调频信号进行采样。采用去调频接收技术，虽然没有降低对信号采样率的要求，但是却大大降低了对信号采样带宽的要求，因而大大降低了AD采样模块的设计成本。AD采样模块可采用高速AD芯片+高性能FPGA芯片的方法，一方面实现高速AD采样功能，另一方面还可以实现信号预处理功能，减小信处的处理压力，如图2的去斜和距离向FFT运算就可以在此进行。高速AD采样模块结构示意图如图6所示。

图6 高速AD采样模块结构示意图

实时成像处理模块:实时成像处理模块用于进行SAR实时成像处理，主要包括距离向FFT运算、去斜处理、方位向FFT运算、距离走动和距离弯曲校正、方位向频域匹配函数产生、方位脉压等。实时成像处理模块可采用高速DSP芯片+FPGA的方案，其中FPGA主要负责数据的接收和分发，并实现和无人机数据链的接口，DSP主要负责成像运算和图像压缩。实时成像处理模块结构示意图如图7所示。

在以上设计中，可以将预失真的宽带信号产生模块和高速AD采样模块合并为一个模块，这样可以进一步提高系统的集成度，但是应该注意电磁兼容问题，防止信号间的相互干扰。此外，后端的信号产生模块、AD采样模块、信号处理模块采用PC104-Plus架构，可进一步提高系统的集成度。按照上述方案设计的小型合成孔径雷达的总体结构框图如图8所示，其中的显控计算机用于系统调试。

4 试验验证

为了验证系统性能，以运-5飞机为平台对该雷达进行了挂飞验证。实验时，载机沿直线飞行，飞行高度1800m，飞行速度180km/h，采用距离多普勒算法(RDM)，利用惯导数据进行运动补偿，成像结果如图9所示，分辨率1m×1m。由图可见，该系统成像结果聚焦很好，能够获得清晰的地面SAR图像，说明系统方案有效可行。

图9 SAR成像结果，分辨率1m×1m

5 结论

通过对线性调频连续波去调频体制的信号处理过程和特性进行分析，针对其特点，采用收发分置的双天线方式，通过收发通道可控的切换工作方法来提高收发隔离度;采用俯仰向宽波束和总体常平架结构，省去了伺服系统，减小了系统的体积和重量;采用去调频接收的方法降低了对后端数据采样带宽的要求，简化了后续的成像处理过程;采用数字化宽带信号产生及预失真方法，来补偿系统通道的非理想因素，提高信号品质，保证成像质量;采用集成化射频前端和集成化数字信号处理后端，在减小系统体积和重量的基础上，提高了系统的可靠性、耐冲击和震动性，使系统更适合于无人机的使用条件。上述方案已用于某小型无人机载SAR系统的设计，目前已经完成实验室的总装总调工作，试验结果证明该方案完全可行。

［1］保铮，邢孟道.雷达成像技术［M］.北京:电子工业出版社，2005，04.

［2］Lan G.Cumming，Frank H.Wong著，洪文胡东军等译.合成孔径雷达成像——算法与实现［M］.北京:电子工业出版社，2007，10.

［3］耿淑敏，黄甫堪.FM-CW SAR系统及其发展概况［J］.电子对抗，2007，2007(2):40-44.

［4］张玉玲，金小兰，曲长文.FM-CW SAR距离徙动算法研究［J］.雷达科学与技术，2009，7(2):107-114.

［5］曲长文，王颖，陈波涛，周强.调频连续波SAR发展综述［J］.舰船电子工程，2008，28(11):26-29.

［6］梁毅，王虹现，邢孟道，保铮.调频连续波SAR信号分析与成像研究［J］.电子与信息学报，2008，30(5):1017-1021.

［7］张军，毛二可.线性调频连续波SAR成像处理研究［J］.现代雷达，2005，27(4):42-45.