一种基于单通道收发的机载全极化SAR系统

钟小艳,俞育新

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088;2.海军舟山地区装备修理监修室,浙江 舟山316000)

一种基于单通道收发的机载全极化SAR系统

钟小艳1,俞育新2

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088;2.海军舟山地区装备修理监修室,浙江 舟山316000)

摘要：介绍了一种基于单通道收发的机载全极化SAR系统,着重介绍了极化实现方式和系统组成。本系统具有设备量少、质量轻的特点,适合小型无人机载平台。给出了实际飞行试验结果。

关键词:机载SAR;全极化;单通道;无人机载平台

0引言

现代战争更强调非接触式的远程精确打击,实施这一战略战术必须有能实时提供动态、高效、准确图像情报的远距离侦察装备。目前,用于远距离图像情报侦察的平台可分为空载平台(卫星、航天飞机等)和机载平台(有人驾驶飞机和无人驾驶飞机等)两大类。卫星和航天飞机侦察系统具有搜索区域广、获取的图像面积大、侦察区域不受任何限制等优点,但若要对某一局部地区进行长时间连续不断的侦察,则需要数十颗卫星才能满足要求,其实现难度非常大,费用也将是天文数字。机载侦察系统可以弥补空载侦察系统的这一不足,由于其飞行路径灵活可变,可循环对某一区域进行连续侦察。无论是空载侦察系统还是机载侦察系统,其装载的图像传感器主要有光电传感器(可见光和红外)和合成孔径雷达(SAR)两大类。光电传感器的优点是可获得高分辨率、高清晰度的图像,并且设备比较简单,但其易受烟尘、云雾等环境的影响,无法实现全天候、全天时工作。SAR成像系统也可获取高分辨率的图像,并且不受白天、黑夜、烟尘、云雾等环境因素的影响,具有全天候、全天时工作的特点。

多极化SAR图像比起单极化SAR图像能获取更多的信息,提供更多的目标后向散射系数属性,利用目标几何图像信息(如取向、对称性),提高对目标的鉴别和分类的能力。多极化SAR中,可采用四极化(HH/HV、VV/VH)和双极化(HH、VV)。多极化信息的融合技术是目标识别的又一方法,也是获取定量遥感的一种手段。图1是不同极化侦察效果比较。

2系统设计

2．1全极化实现方式

多极化实现方式有3种:变极化发射与变极化接收、同时双极化发射与同时双极化接收、变极化发射与同时双极化接收。

图1　不同极化侦察效果比较

在变极化发射与变极化接收工作方式下,通过极化开关可以实现发射水平极化波(H)或垂直极化波(V),接收水平极化波(H)或垂直极化波(V),如图2所示。这种工作方式对系统设备的要求最低,只需要一个接收通道,但不能同时获取目标的4种极化信息,可分时(间隔4个PRT周期)获取4个极化信息。

图2　变极化发射与变极化接收工作方式

在同时双极化发射与同时双极化接收工作方式下,SAR系统可同时获取目标的4种极化信息(如图 3所示),可以实现好的多极化SAR成像性能,但会大大增加系统的复杂性和成本。

图3　同时双极化发射与同时双极化接收工作方式

在变极化发射与同时双极化接收工作方式下,SAR系统可准实时获取目标的4种极化信息,可以实现较好的多极化SAR成像性能,但会降低系统的复杂性和成本。国外的多极化SAR方案一般多采用这种工作方式。图4为变极化发射与同时双极化接收工作方式。

图4　变极化发射与同时双极化接收工作方式

考虑到系统设备质量及功耗的限制,本系统采用变极化发射和变极化接收的方式实现。

2.2系统组成及特点

机载雷达装入无人机平台,通过遥控遥测,实现空中数据采集、机上数据实时记录、存储,并下传快视图像;返回地面后读取数据,进行图像回放、图像信息分析。

机载雷达组成框图如图 5所示,分为机场外设备和舱内设备两部分。机舱外设备为机腹下的天线罩内的雷达天线与稳定平台单元,机舱内设备包括低功率射频单元和综合电子单元。雷达工作时,低功率射频单元的频率源产生基准频率,由波形产生模块根据工作指令生成宽带LFM信号,由激励输出形成射频信号,放大后送入天线及稳定平台单元的收发模块进行放大,通过双极化共口径的天线阵面进行辐射。通过收发极化开关交替发射/接收时序控制,顺序获取HH、HV、VV、VH极化的回波。通过导前触发准确进行标识,顺序存入综合电子单元中的记录仪中。

图5　星载SAR模拟设备系统组成框图

天线及稳定平台单元的主要功能为:根据控制指令接收组合导航提供的航姿数据实现天线空间指向的稳定与跟踪,实现雷达射频激励信号的放大与辐射,并获取目标返回的后向散射信号。低功率射频单元主要实现雷达整机的基准频率产生、各相参频率的输出,根据指令产生各种雷达宽带波形信号、射频信号调制与解调,以及解调后视频信号的量化。综合电子单元负责整机对外的测控通信、指令解译、时序输出,以及对低功率射频单元输出的数字基带回波信号进行处理、快视图像实时下传等功能。

3系统飞行试验结果

雷达工作于条带成像模式时,天线处于正侧视状态,根据任务设定指向某一侧。当进入航线时,天线的指向角(与正北的夹角)将保持固定,即当无人直升机的运动轨迹非理想时,仍保持天线的指向角恒定不变。

该系统于2014年进行了飞行试验验证工作,获得了不同视角以及极化下的图像数据。图6为同时四极化图像,分辨率为0.3 m时的图像。图7为多幅条带图像拼接图像,极化为HH,分辨率为0.3 m。图8为4种极化下拼接图像的极化融化后的全极化图像结果,分辨率为0.3 m。

图6　同时四极化图像结果(分辨率0.3 m)

图7　HH极化图像拼接结果(分辨率0.3 m)

图8　全极化融合图像结果(分辨率0.3 m)

4结束语

多极化SAR图像比单极化SAR图像能获取更多的几何特征信息,进而提高对目标的鉴别和分类能力。实现全极化SAR系统的方式很多,本文介绍了一种采用一个通道实现全极化收发的SAR系统。该系统设备量最少,质量轻,可适装于小型无人机平台。通过实际飞行试验,获取了4个极化的图像,验证了系统设计的可行性和正确性,为下一阶段实现多波段、多极化、高分辨SAR系统积累了技术基础。

参考文献:

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[5]赵秋艳.美国成像侦察卫星的发展[J].光机电信息,1999(3):31-39.

A full-polarization airborne SAR system based on a single T/R channel

ZHONG Xiao-yan1, YU Yu-xin2

(1.No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088; 2.Equipment service and supervision unit of the PLA Navy in Zhoushan, Zhoushan 316000, China)

Abstract:A full-polarization airborne SAR system is introduced based on a single T/R channel, with an emphasis on the implementation methods of polarization and the system composition. The system is suitable for miniature unmanned airborne platforms, featuring less equipment and light weight. Finally, the results of actual flight test are given.

Keywords:airborne SAR; full polarization; single channel; unmanned airborne platform

收稿日期:2016-03-02;修回日期:2016-03-10

作者简介:钟小艳(1983-),女,工程师,硕士,研究方向:SAR系统总体技术;俞育新(1966-),男,高级工程师,研究方向:舰载武器系统。

中图分类号:TN958

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2016)02-0009-03