基于单特显点调频连续波阵列SAR系统幅相误差校正方法研究

杨晓琳 谭维贤 林 赟 王彦平 洪 文



基于单特显点调频连续波阵列SAR系统幅相误差校正方法研究

杨晓琳*①②③谭维贤①②林 赟①②王彦平①②洪 文①②

①(中国科学院电子学研究所 北京 100190)②(微波成像技术重点实验室 北京 100190)③(中国科学院大学 北京 100049)

调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)阵列合成孔径雷达系统(SAR)将FMCW体制与阵列SAR技术相结合，在军事和民用领域都有着广泛的应用前景。但是，实际调频连续波阵列SAR系统中不可避免地存在调频率非线性误差和多通道幅相误差问题，如不校正会造成雷达图像质量降级。该文建立考虑上述误差的信号模型，并针对该模型提出一种基于单特显点回波数据的误差校正方案和成像处理流程，最后通过仿真和实际数据处理验证了所提方法的有效性。

SAR；调频连续波；阵列成像；调频率非线性校正；多通道幅相误差校正

1 引言

对于发射信号调频率非线性校正，目前主要使用文献[8]提出的误差模型和校正方案。该方法在进行非线性校正的同时完成了残余视频相位(Residual Video Phase, RVP)补偿，对于频谱不太大的非线性信号有非常理想的校正结果。但是，该方法只适用于单通道系统，并没有考虑多通道幅相误差的影响，在多通道系统中不能直接应用该方法进行调频率非线性误差的估计和校正；对于多通道幅相误差校正，文献[9]详细研究了一种基于特显点和外定标器的幅相误差校正方法。但是，该方法是基于脉冲体制下的，在脉冲体制下信号不存在FMCW体制下的调频率非线性误差问题，因此这种述方法不适用于FMCW体制下的多通道幅相误差校正。

为解决上述问题，本文研究了FMCW体制下阵列SAR系统幅相误差校正方法。同时考虑调频率非线性误差和多通道不一致性两个误差因素，建立误差模型，并仿真分析了误差存在时对成像质量的影响。针对误差模型中非线性误差及多通道幅相误差耦合在一起难于估计和补偿的问题，文章提出了一种基于单特显点回波数据的误差估计和校正方法，给出了数据处理流程。该方法基于RVP滤波可以将非线性误差和多通道幅相误差相分离的思路，首先采用两步微分法估计非线性误差，然后用该估计结果补偿经RVP滤波后的单特显点回波信号，补偿后的信号中只存在多通道幅相误差，进而可以完成多通道幅相误差估计，最后用上述非线性误差和多通道幅相误差的估计结果完成观测场景的误差补偿校正。文章最后，通过仿真和实际数据处理验证提出校正方法的有效性。

2 误差信号模型

图1 FMCW阵列SAR成像几何

3 误差影响分析

下面分析当这些误差存在时对成像质量的影响。通过测量点目标两个方向(距离向、阵列向)质量参数来评价成像质量，其中最重要的质量参数包括：(1)图像分辨率(本文用冲击响应宽度(Impulse Response Width, IRW)表示，定义为3 dB宽度所包含的像素点数乘以像素间距)；(2)峰值旁瓣比(Peak Side Lobe Ratio, PSLR)；(3)积分旁瓣比(Integrated Side Lobe Ratio, ISLR)。其具体定义及测量方法请见文献[11]。

图2 调频率非线性变化对成像质量影响

4 误差校正方法

图3 IRW, PSLR, ISLR随多通道幅度误差变化曲线

图4 IRW, PSLR, ISLR随多通道相位误差变化曲线

图5 有无误差成像结果对比

4.1调频率非线性误差校正

提取式(4)的相位信息，然后去除理想信号的相位值，将得到的两次相位误差做差得到差拍相位为

综上所述，完成调频率非线性误差校正后的信号为

4.2 多通道幅相误差校正

综上所述，将FMCW阵列成像雷达系统所有个通道按照图6所示流程处理即可完成整个系统的调频率非线性误差和多通道幅相误差的校正。

5 实验验证

根据图6提出的校正流程，第1步采集两次参考目标回波数据，按照第4.1节所述步骤对于每一个通道估计调频率非线性误差，数据采集实验照片如图7(a)所示。第2步采集单特显点回波数据，对于每一个通道估计多通道幅度误差和相位误差，数据采集实验照片如图7(b)所示。第3步采集实际场景回波数据，实验照片如图7(c)所示，利用第1步估计的调频率非线性误差和第2步估计的多通道幅相误差按照图6所示流程进行误差校正和成像处理，结果如图8所示。

图6 FMCW阵列成像雷达系统误差校正处理流程

由图8(a)可知，不做任何校正直接成像时，由于调频率非线性和多通道幅相误差的共同作用使得图像在两个方向均出现非常严重的散焦现象，从成像结果中已无法分辨出观测场景的任何信息。完成调频率非线性校正后的成像结果如图8(b)所示，距离向的散焦现象得到了很大程度的抑制，由于此时信号中还存在多通道幅相误差，误差对图像阵列方向的影响还存在。再进一步完成多通道幅相误差校正后的结果分别如图8(c)所示，分析图像中大角反射器目标质量参数可知，距离向分辨率为0.18 m；阵列向分辨率为0.3 m, PSLR为-13.1 dB, ISLR为-8.9 dB。

图7 FMCW阵列成像误差校正试验

图8 误差校正前后成像结果对比

6 结束语

本文提出了FMCW阵列SAR系统幅相误差模型，研究了不同误差项对成像质量的影响，给出了FMCW体制下阵列SAR系统基于单特显点目标回波进行综合误差校正的处理流程。通过仿真和实际数据处理，对提出的校正方法进行了验证，该校正方法能够校正系统中存在的幅相误差，校正后的数据可以通过传统成像算法处理得到聚焦的2维图像。

[1] Skolnik M I. Introduction to Radar Systems[M]. Third Edition, New York: USA, McGraw Hill Higher Education, 2002: 339-369.

[2] Soumekh M. Synthetic Aperture Radar Signal Processing with MATLAB Algorithms[M]. USA: John Wiley & Sons Inc, 1999: 60-72.

[3] Edrich M. Design overview and flight test results of the miniaturized SAR sensor MISAR[C]. Proceedings of 1st European Radar Conference EuRAD’04, Amsterdam, Netherlands, 2004: 205-208.

[4] Zaugg E C, Hudson D L, and Long D G. The BYU SAR: a small, student-built SAR for UAV operation[C]. IEEE International Conference on Geoscience and Remote Sensing Symposium, (IGARSS 2006), Denver, USA, 2006: 411-414.

[5] Liu Yue and Deng Yun-kai. CARMSAR-a compact and reconfigurable miniature SAR system for high resolution remote sensing[C]. 9th European Conference on Synthetic Aperture Radar, (EUSAR 2012), Nurnberg, Germany, 2012: 294-297.

[6] Buckreuss S, Krieger G, Mittermayer J,.. SIREV- development of a functional model[R]. DLR Forschungsbericht, 2000.

[7] Wei M and Ender J. A 3D imaging radar for small unmanned airplanes-ARTINO[C]. European Radar Conference, 2005, Paris, France, 2005: 209-212.

[8] Meta A. Signal processing of FMCW synthetic aperture radar data[D]. [Ph.D. dissertation], Delft University of Technology, 2006.

[9] 韩阔业. 阵列天线下视3D SAR多通道幅相误差校正成像方法研究[D]. [硕士论文], 中国科学院电子学研究所, 2011.

Han Kuo-ye. Multi-channel amplitude-phase errors calibration and imaging methods of downward-looking 3D-SAR based on array antennas[D]. [Master dissertation], Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, 2011.

[10] Zaugg E C. Generalized image formation for pulsed and LFM-CW synthetic aperture radar[D]. [Ph.D. dissertation], Brigham Young University, 2010.

[11] Cumming I G and Wong F H. Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data Algorithms and Implementation[M]. Boston: Artech House Inc, 2005: 38-41.

[12] Yang Jian, Liu Chang, and Wang Yan-fei. Nonlinearity correction of FMCW SAR based on homomorphic deconvolution[J].2013, 10(5): 991-995.

[13] 董勇伟, 梁兴东, 丁赤飚. 调频连续波SAR非线性处理方法研究[J]. 电子与信息学报, 2010, 32(5): 1034-1039.

Dong Yong-wei, Liang Xing-dong, and Ding Chi-biao. Non- linear signal processing for FMCW SAR[J].&, 2010, 32(5): 1034-1039.

[14] Ribalta A. Time-domain reconstruction algorithms for FMCW-SAR[J]., 2011, 8(3): 396-400.

杨晓琳： 男，1985年生，博士生，研究方向为合成孔径雷达3维成像理论、阵列天线SAR、FMCW信号处理.

谭维贤： 男，1981年生，博士，副研究员，研究方向为合成孔径雷达3维成像体制与算法、阵列天线SAR、人体微波3维成像原理与应用.

林 赟： 女，1983年生，博士，助理研究员，研究方向为合成孔径雷达3维成像信号处理.

王彦平： 男，1976 年生，副研究员，研究方向为3 维成像SAR、轨道(地基)SAR、阵列天线SAR 等.

洪 文： 女，1968年生，研究员，研究方向为雷达信号处理理论、微波成像算法、微波遥感图像理解及其应用.

Amplitude and Phase Errors Correction Method for FMCW Array SAR System Using Single Prominent Point Echo

Yang Xiao-lin①②③Tan Wei-xian①②Lin Yun①②Wang Yan-ping①②Hong Wen①②

①(,,100190,)②(,100190,)③(,100049,)

Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) array antenna SAR system combines the FMCW and array antenna imaging technology, which is of abroad interest in both civil and military applications. While in practical FMCW array SAR, the presents of unavoidable sweep rate non-linearity error in the frequency modulation and the multi-channel amplitude/phase errors severely degrade the reconstruction image quality. The signal model with sweep rate non-linearity error and multi-channel amplitude/phase errors is proposed in this paper. An error calibration scheme and data processing flow chart based on single prominent point echo are presented. Extensive simulations and real data processing are performed to validate the effectiveness of the proposed calibration scheme.

SAR; Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW); Array imaging; Sweep rate non-linearity correction; Multi-channel amplitude/phase error calibration

TN958

A

1009-5896(2014)11-2672-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01963

杨晓琳 yangxl308@gmail.com

2013-12-17收到，2014-06-13改回

国家自然科学基金(61072112, 61372186)，国家自然科学基金青年基金(61002038)资助课题