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基于慢速平台的高分宽幅SAR雷达系统设计技术研究

2015-07-27中国电子科技集团公司第三十八研究所合肥230088

山东工业技术 2015年8期
关键词:脉冲体制观测

张 倩,江 凯,盛 磊(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

基于慢速平台的高分宽幅SAR雷达系统设计技术研究

张 倩,江 凯,盛 磊
(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

对流层、平流层飞艇等慢速平台在战场存留时间、生存能力、覆盖地区等方面都具有非常显著的优势,已成为近年来各国研究的热点。本文针对慢速平台的特点,提出一种基于脉冲推扫体制的高分宽幅SAR雷达系统设计方案,并通过实例仿真,分析了相关技术的可行性。

慢速平台;高分辨率宽测绘带;SAR

1 引言

合成孔径雷达作为一种主动式微波成像系统,已广泛应用于军事侦察、环境监测、土地资源管理等军事及国民经济的许多领域。高分辨率和宽测绘带是各项军事需求和民事需求中不可缺少的两个方面,同时满足这两种要求既有着很强的现实意义,也是SAR的发展趋势之一。而在SAR系统设计中这是一个矛盾的问题。这一矛盾来源于它们对系统脉冲重复频率(PRF)的不同要求。对传统SAR而言,增大测绘带宽度,要求系统采用较低的PRF以克服距离模糊,但高分辨率带来的方位向大带宽要求较高的PRF,否则会造成方位模糊,在技术上如何更好地同时实现高分辨率和宽测绘带是一个需要深入研究的问题,对它的研究也是SAR技术进步的需要。

对流层、平流层飞艇等慢速平台留空时间长,发射和运行成本低廉,一直受到人们的关注。本文针对慢速平台的特点,提出一种基于脉冲推扫体制的高分宽幅SAR雷达系统设计方案,并通过实例仿真,对脉冲推扫体制进行了验证。

2 慢速平台SAR雷达系统设计

2.1 雷达体制选择与工作模式设计

飞艇等慢速平台SAR与其它机载或星载平台SAR在实现高分辨率的方法上有着很多显著的不同:

平台速度慢,PRF低。因为慢速平台飞行速度很低,SAR的方位向多普勒带宽也很小,因而SAR系统使用很低的PRF就可以满足方位向的采样率;

平台速度慢,NESZ指标好。根据合成孔径雷达方程式,SAR系统的NESZ(等效噪声系数)正比于平台飞行速度,速度越小,NESZ指标越好;

平台速度慢,PRF小,易于实现宽观测带,不存在距离模糊问题。低速引起的低PRF,能够得到很长的无模糊回波信号时窗,因而易于实现距离向很宽的观测带,并且不存在距离模糊的问题。

“脉冲推扫成像”合成孔径雷达成像体制是非常适合于慢速平台特性的方案,即采用脉间变波位,变脉冲宽度,循环扫描宽观测内的多个子观测带,在信号处理中合成整个宽观测带。

在脉冲推扫成像体制中,在距离向整个观测带分成N个子观测带,在每个子观测带的回波信号被采集之后,再照射下一个子观测带,N个子观测带能够组合成一个宽的观测带。

由于一个长脉冲被分裂为N个短脉冲,使得每个子观测带的发射功率下降N倍,这对远区子观测带的NESZ指标产生较大的影响,而小视角的子观测带,因为斜距很小,NESZ指标非常好,降低之后,NESZ仍然很好。针对这一特点,在方案中采用不平均分配功率的方法来解决这个问题。

在脉冲推扫SAR模式下,天线处于正侧视状态,根据任务设定指向某一侧。其特点是:利用二维有源相控阵天线距离向波束快速电扫功能,实现波束在不同视角下的切换,从而实现多个波位上的一次大范围成像。这种侦察方式获取的信息量大,信息丰富。脉冲推扫SAR模式工作示意图如图1所示。

2.2 系统组成与工作原理设计

慢速平台高分宽幅SAR系统基本组成如图2所示。本系统采用二维宽带有源相控阵体制,以实现距离向的宽观测带要求。雷达系统设备主要由二维宽带有源相控阵天线、接收单元、综合电子单元、数据记录仪、环控系统、稳定平台等组成。

该散热器主体尺寸为:520×445×220mm,风扇转速为2 000r/min,仿真分析液压模型,系统最终平衡时油箱温度为71℃。此时散热器的冷却功率为8.6kW(图11)。

天线采用宽带有源可扩充阵列形式,包括可扩充阵列天线模块、功分及合成网络、电源、波控等;

接收单元包括接收通道、频率源、数字波形产生等;

综合电子单元包括全机控制和时序、多路高速A/D等;

系统结构方面包括结构框架、环控系统、稳定平台等。

3 仿真实例

仿真计算的工作频段为X,平台高度为4000m,平台速度为10m/ s,拟实现的脉冲推扫模式分辨率0.3m×0.3m,观测带宽30km。

仿真计算时,考虑SAR图像信噪比指标与系统灵敏度有关。SAR系统灵敏度通常以等效噪声后向散射系数(NEσ°)表示,图像信噪比要求越高,NEσ°值越低:

其中,k为波尔兹曼常数,T为等效噪声温度,Fn为系统噪声系数,Ls为系统损耗,Vst为平台与目标间相对速度,R为雷达斜距,Pav为系统平均发射功率,G为天线增益,λ为雷达工作波长,Ka为方位脉压加窗损失,Kr为距离脉压加窗损失,ρr为距离向分辨率。

当功率增益积设计为75.3dBW、距离向波束宽度设计为12.5度时,进行波位参数与系统灵敏度(NEσ°)指标仿真,其结果如图3所示。可见,NEσ°优于-25dB,完全满足成像质量指标要求。同时实现分辨率0.3m,观测带宽30km。

考虑到各个波位NESZ相差较大,成像时会出现图像不同波位的平均亮度期望值不一致的情况,从后处理角度,可以采用相对辐射定标进行校正。从系统设计角度采用“不平均分配功率”的方法能从根本上解决此问题。各个波位的NESZ计算结果如图4所示,波位交叠处的NESZ指标都能优于-30dB;而且相对于各波位“平均分配功率”,各波位的NESZ指标数值大小比较平均,没有过大的起伏,有利于脉冲推扫的子观测带图像拼接。

4 结束语

飞艇等慢速平台滞空时间长,便于连续观测,从而实现对特定区域的长期监视,其有效性和经济性是其它平台无法替代的。本文针对慢速平台的特点,提出一种基于脉冲推扫体制的高分宽幅SAR雷达系统设计方案。最后给出仿真实例,在一定范围内为此类SAR系统设计和参数优化提供了参考。

张倩(1982-),女,安徽凤阳人,博士,工程师,雷达系统设计。

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