一种基于DRFM的数字PARC设计

朱耿尚 杨星

摘 要：传统的定标器已不能满足对多极化SAR雷达的标定需求，迫切需要采用一种新型的标定方法对多极化SAR雷达的极化特性及精度进行标定。该文首先对极化定标器进行了系统级的概述，并对现有极化定标器的局限与不足进行了定性分析。在此基础上，提出了一种基于DRFM的数字化极化有源定标器（Polarimetric Active Radar calibrator，PARC）的设计，对设备组成、功能与原理进行了详细论述，为未来PARC的设计提供了一种新的思路。

关键词：多极化SAR雷达 DRFM 极化有源定标器（PARC）

中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）05（c）-0025-02

合成孔径雷达（SAR）具有高分辨率、宽测绘成像等优势，并具有全天时、全天候等特点，在农业、地质、林业、测绘及军事侦察等领域发挥了巨大作用。随着SAR系统的不断开发与完善，SAR系统也由单模式、单极化向多模式、全极化的方向发展，采集的数据也具有多样性，应用范围和用途也有了急速的扩展[1]。由于全极化信息可以完整的解译地物目标的多种物理特征和后向散射特性，且具备垂直分布信息的解译能力，因此为了使得到的极化数据具有可融合性和通用性，极化定标成为不可或缺的处理步骤[2-3]。为了获取真实的极化信息，多极化SAR 系统必需进行极化定标，校正天线与收发通道误差造成的信号失真。

1 极化定标概述

多极化SAR能够测量出完整的散射矩阵，为目标区域提供丰富的雷达散射信息。多极化SAR定标包括串扰定标、通道不平衡定标，以及绝对辐射定标等。Whitt等[4]提出了利用点目标进行极化定标的算法，它对于点目标的性能要求非常低，可选择的点目标范围非常大，适用性更广泛，实验室条件和野外条件下都可以使用。Sarabandi等[5]提出利用分布目标进行极化合成孔径雷达极化定标算法，它需要微波散射计对分布目标的散射特性进行测量，获取高精度数据作为标准数据。利用3个已知散射矩阵目标的极化定标方法，最大的优点是可以完全测量目标的散射矩阵，并可适用于任何多极化SAR系统，但这种技术对点目标的指向和已知目标散射矩阵的精度比较敏感。另外，还有利用杂波统计特性、SAR 系统特性等定标方法。实际应用中，选取那种定标算法满足应用需求，需要大量的理论推导和实验分析。

多极化SAR的定标是通过测量各种定标器的已知散射特性来实现的。早期的定标体主要为金属球、多角反射器及金属平板等无源定标器，，然而采用无源定标器方法来对多极化SAR定标是存在很多缺陷，其缺陷具体表现为：（1）RCS值比较小，并且很容易受到地杂波的影响。（2）随着观测角度变化，无源定标器的RCS变化很大。（3）需要在测绘带摆放大量定标器，成本较高，而且布置复杂[6]。有源定标器能够解决上述问题，因此，有源定标器逐渐成为当前多极化SAR定标的研究热点。

有源极化定标技术是利用PARC系统接收雷达信号并经验迟等处理后转发回雷达接收机，由于PARC系统转发信号的幅度、相位和极化信息是己知的，极化雷达获取该转发信号井进行处理后，即可得到极化雷达自身的系统误差矩阵。与无源校准技术相比，有源极化定标技术具有以下优点：（1）通过控制转发时延，能有效抑制地物杂波和气象杂波等环境干扰。（2）PARC的收/发大线增益和系统链路增益可使转发信号具有较大功率，从而模拟具有较大RCS的目标，并能根据实际需求灵活改变其数值。（3）设计的PARC大线一般具有较宽的波束宽度，便于远距离情形下波束对准。（4）若采用数字转发模块，可实现对转发时延和多普勒频移的精确调制，从而模拟距离和速度可变的目标。

2 数字式极化有源定标器设计

传统PARC系统实质是一个转发器，由一段光纤延迟线连接接收和发射天线形成物理时延，PARC系统内部包括放大器和带通滤波器等元器件对信号进行放大、滤波。有源反射器主要具有如下功能。

（1）通过增益控制，可调节雷达截面积。

（2）通过脉冲延时，可改变该反射器在雷达图像中距离向的成像位置。

（3）通过校准信号可完成系统的自检，以保证系统稳定、可靠的工作。

传统的有源定标器系统无法实现连续可变的时延和多普勒调制，其模拟的极化散射矩阵在每次测量中也是固定的。

该文拟采用一种基于数字射频存储器（DRFM）的极化有源定标器系统的总体设计方案，组成及原理如图1所示。基于DRFM的PARC系统具有采集、存储、转发等功能，可独立工作于3种基本模式：信号转发模式、发射标准信号模式以及接收机模式。

为提高系统极化隔离度，拟采用双接收天线、双发射天线方案。系统框图如图2所示，系统采用两个接收天线，两个发射天线，天线为单极化天线，分别为H极化和V极化，天线之间放置极化隔离板提高天线极化隔离度。

系统共3个接收通道，包括两个极化接收通道和一个单极化宽带接收通道，另外在射频发射单元含有两个发射通道，为水平极化发射通道和垂直极化发射通道，两个发射通道采用定向耦合器进行耦合，以实现极化通道转换功能。通过切换通道开关再辅以高速信号处理单元的功能，系统可实现有源转发、自主发射、信号接收以及自校正的功能。

当有源定标器工作在有源转发模式时，根据任务要求，当转发任务为宽带信号时，开关2和开关4闭合，通过双向开关控制，信号经天线接收、滤波后进入宽带接收通道进行滤波、下变频、增益控制和AD转换后进入高速数字处理分机，通过DRFM对接收信号进行保存后延时转发。发射信号依次经过D/A转换进入发射通道进行发射；当工作模式为极化定标模式时，信号通过单极化天线接收后送往2个极化接收通道，通过A/D形成数字信号送入数字处理分机进行信号处理，数字信号通过D/A 后送入极化发射通道进行增益控制、上变频、滤波处理后，根据任务要求信号通过定向耦合器送入相应单极化天线进行发射完成极化散射矩阵系数的确定。

当有源定标器在接收机模式时，根据任务要求，发射通道开关关闭，根据接收信号的不同进行接收通道开关切换，信号通过天线的接收进入相应的接收通道，在接收通道内进行滤波、下变频、增益控制等处理，通过A/D后数字信号进入信号处理分机进行信号采集及存储。

当有源定标器在自主发射模式时，根据任务要求，接收通道开关关闭。信号处理分机产生数字波形，通过D/A转换后送入发射通道，发射通道内对信号进行放大、滤波、增益控制处理后送入天线进行微波发射。可控衰减器和放大器对发射功率进行精准控制。

3 结语

传统的极化定标技术在实际场景中遇到了新的难题，因此有必要扩展思路，研究新体制多极化SAR的有源定标理论和技术，以满足多极化SAR雷达理论和系统不断发展的需求。PARC的设计是一个同时具有很强科学性和工程性的课题，涉及雷达系统硬件、信号处理、天线设计和数据处理等多个方面，对提高SAR雷达对极化信息的获取能力具有十分重要的意义。

参考文献

[1] Giuli D. Polarization Diversity in Radars[J].Proceedings of the IEEE，1986，74（2）：245-269.

[2] 曾清平，董天临，万山虎.极化雷达的发展动态与极化信息的应用前景[J].系统工程与电子技术，2003，25（6）：669-673.

[3] 王超，张红，刘智.全极化合成孔径雷达图像处理[M].北京：科学出版社，2008.

[4] Whitt M W， Ulaby F T， Polatin P， et al. A General Polarimetric RadarCalibration Technique [J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation，1991，39（1）：62-67.

[5] Sarabandi K， Ulaby F T， Tassoudji M A. Calibration of Polarimetric RadarSystems with Good Polarization Isolation [J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，1990，28（1）：70-75.

[6] 何密.同时极化测量体制雷达的校准方法研究[D].长沙：国防科学技术大学，2012.