小型平台调频连续波雷达成像系统设计及其应用

周林

摘 要：调频连续波技术和合成孔径雷达技术结合的调频连续波合成孔径雷达（FMCW SAR）兼具连续波雷达和SAR的优势，具有小体积、低重量、低功耗和高度集成性的特点。本文借鉴已有的工程经验，设计了小型机载平台的调频连续波雷达并进行了飞行试验，验证了设备成像性能满足成像产品需求，可用于对残骸搜索、目标检测等，实现大范围搜索成像并定位。

关键词：小型机载平台;调频连续波;雷达成像

中图分类号：TN954 文献标识码：A

0 引言

近年来，无人机微小型化发展对合成孔径雷达载荷提出了小型化的迫切需求，但一般合成孔径雷达采用脉冲压缩体制，系统复杂，成本高，体积和重量也较大，很难适用于小型无人机平台，近年来，具有低功耗和小体积的调频连续波技术日益受到小型机载平台雷达载荷厂家的重视，结合调频连续波的合成孔径雷达技术在近些年得到了快速发展。

1 调频连续波雷达成像体制特点

调频连续波技术和合成孔径雷达技术结合的调频连续波合成孔径雷达（FMCW SAR）兼具连续波雷达和SAR的优势，与脉冲SAR相比，对发射峰值功率要求低，降低了设备的复杂性，系统具有小体积、低重量、低功耗和高度集成性的特点，可广泛应用于小型机和无人机;但FMCW SAR也存在收发同时工作隔离度较低，无法实现远距离成像，传统的SAR成像算法都是针对脉冲SAR“停-走-停”的工作模式提出的，对连续波SAR已经不再适用。

对于微小型无人机来说，一般不要求很大的作用距离，因此FMCW SAR作用距离近的弱点也就不突出。而其小体积、低重量、低功耗、成本低、对平台要求低的优点很突出，因此，在小型机载平台一般选择FMCW SAR体制。

在传统SAR成像体制下，每个PRI内发射一个短脉冲，该脉冲持续时间一般为几个微秒，因此一般直接由天线采样接收。而调频连续波SAR体制下，天线在整个脉冲持续时间内连续不断地发射调频信号，其脉冲持续时间达到了毫秒量级。直接接收回波信号并采样处理，对系统采样率和数据率的要求很高，数据采集系统的复杂度和成本都会相应提高。因此，调频连续波SAR为了降低系统采样要求和数据率，减轻系统负担，通常在天线接收信号的同时进行解斜操作（Dechirp-on-receive）。借鉴已有的工程经验，FMCW SAR的收发隔离可以通过收发天线分置、空间隔离的方法来解决，也可以采用数字对消的办法解决。

2 雷达系统设计

2.1 工作模式

通常雷达的成像工作模式有多种，最终以满足一定分辨率和成像宽度为目的，考虑小型平台的能力及应用作战区域大小，系统工作模式一般为标准的条带模式。

雷达工作于条带成像模式时，理想情况下载机的机头指向、实际飞行的航迹向与预定的航线方向是一致的，在这种状态下天线处于正侧视，即天线波束指向与航线方向呈现90°的夹角，根据任务设定指向航线的一侧，当飞机沿指定的飞行路径飞到成像带起始点时，开始进行连续无缝的条带成像，直到指定的成像带终点或雷达被命令完成其它功能为止。如下图所示。

由于实际工作中载机存在姿态误差，当进入航线时，由稳定平台或电控波束校正载机的运动偏差，天线的指向角将保持与预定航线垂直。条带SAR模式主要用于地面搜索，可对地面场景连续成像，并具有较宽的成像带宽。

2.2 系统组成

雷达包括机上设备和地面设备两部分。雷达机载设备由飞机供电，由机载组合导航设备提供飞行状态的姿态、速度与位置等信息，通过机载链路提供状态的下传与控制指令、并实现侦察数据的实时下传。地面设备包括显控终端和处理终端，实现对雷达设备的状态检测、参数控制，以及对实时传输的图像数据进行接收与显示，并通过处理终端实现离线成像等功能。

机载雷达设备总重小于10千克，包括天线、射频收发模块和综合处理模块三个部分。依托平台机头内部结构，进行雷达设备安装，结构示意图如下图（a）所示。雷达采用集中放大馈电方式，利用开关控制左右侧视平板天线，通过条带成像模式实现波束对预设区域的快速覆盖;通过高性能信号处理硬件平台实现机上实时成像。

雷达软件由机上软件和地面显控软件、处理软件组成。其中机上软件用于实时成像和数据实时存储等;地面显控软件和处理软件，用于雷达操控、显示以及后期数据处理等，系统软件体系结构如下图（b）所示。

3 飞行试验应用

本雷达可装载于无人直升机、固定翼等小型平台，主要通过对预设区域进行二维灰度成像，快速形成0.3米×0.3米的高分辨率图像，可用于对残骸搜索、目标检测等，实现大范围搜索成像并定位目标。

本设备于2017年挂载小型无人直升机平台进行飞行试验，雷达设备布局如下图所示。雷达机载设备装入载机平台，作为机载任务设备在飞机分系统、链路分系统等支撑下执行对地侦察任务;显控/处理软件装入地面控制站，对机载雷达进行监测与控制，并接收通过链路实时下传的侦察数据，形成初步的态势显示，同时能够通过处理软件实现离线精细成像。雷达采用固态收发体制，不存在机械转动部件，运动補偿通过高精度惯导数据和相位梯度自聚焦算法等数据域处理予以实现。

设备主机和接收天线装入机头罩内，通过四个减震器与飞机结构连接，隔离高频振动。2个发射天线装罩外，与舱外设备一体化安装。

经飞行试验，验证设备成像性能满足设计要求，地物场景聚焦清晰，经指标优化后产品可适用后续大范围目标搜索及定位使用。

4 结束语

为了满足小型机载平台装载需求，本系统采用调频连续波体制，简化了系统设计和结构复杂性，通过任务管理、电源和实时处理等一体化处理，实现了高集成和模块化，减少了系统重量和体积，通过在小型无人机平台飞行试验验证，证明了系统性能的可靠性和实用性，可用于目标大范围搜索和定位。

参考文献：

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

[3]高许岗，雍延梅.无人机载微型SAR系统设计与实现[J].雷达科学与技术，2014（1）：39-42.