弹载双基前视SAR构型参数优化设计方法

郭 媛, 索志勇, 王婷婷, 丁智泉

(1. 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室, 陕西 西安 710071;2. 四川航天电子设备研究所, 四川 成都 610100)

0 引 言

合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)能够实现全天时全天候的二维高分辨成像,在军事领域和民用领域都具有广泛的应用[1-2]。根据搭载SAR传感器的平台不同,可分为机载SAR、弹载SAR和星载SAR等多种类型。与机载SAR和星载SAR相比,弹载SAR的优势为不易受攻击、轨迹设计灵活、合成孔径时间短等。根据SAR收发平台的位置关系,可分为单基SAR和双基SAR。与单基SAR相比,双基SAR不仅具有前视二维高分辨成像的能力,还具备隐身和低截获特点。弹载双基SAR构型集合了弹载SAR和双基构型的优势,为导弹末制导阶段的全程二维高分辨实时成像提供了解决方案。

二维分辨率是双基构型设计中重要的技术指标。双基地平台空间构型灵活,可以通过合理设计收发平台的位置和运动方向来优化目标区域的二维分辨力。在末制导阶段,由于接收平台距离目标越来越近,不易进行大方向机动,所以对发射平台的参数设计尤为重要,其设计是否合理,不仅影响最终SAR图像的质量,还制约着目标识别和制导的精度。

针对单基平台SAR,文献[3-7]分别提出了序列二次优化、遗传算法等方法对弹道轨迹和时序设计进行优化。针对双基平台SAR,目前研究比较多的是机载双基系统、星载双基系统以及星机双基系统,文献[8-13]根据不同构型的平台特性提出了相应的轨迹优化设计方法和数据处理方法。机载/星载双基平台的飞行轨迹都较为平稳,构型设计时只需考虑满足图像要求的指标即可。对于弹载双基平台,由于其机动性强,存在较大的三维加速度,成像时间越短,由加速度引起的轨迹弯曲越小,越有利于成像算法的处理。由于需要考虑成像时间对成像质量和制导精度的影响,所以传统的机载/星载双基系统构型设计方法不适用于弹载双基前视SAR(missile-borne bistatic forward-looking SAR, MBFL-SAR)。关于MBFL-SAR构型的研究目前还比较少。文献[14]研究了基于线性衰减模型的MBFL-SAR构型轨迹设计方法,但忽略了构型设计对方位分辨率的影响。所以需要针对MBFL-SAR研究新的构型设计方法。

本文从MBFL-SAR的实际应用角度出发,考虑如何通过构型设计达到在最短的成像时间内满足系统分辨率指标的目的。基于此,提出一种参数降维的构型设计方法。首先,从MBFL-SAR成像几何模型入手,基于梯度理论分析二维分辨率以及分辨率夹角的计算方法;然后,经过梳理发现双基角的地面投影角和收发平台速度矢量地面投影角对分辨率指标和成像时间影响较大,通过推导二者间的关系,提出一种参数降维的构型优化设计方法,在满足系统指标的前提下,提高构型设计效率,降低成像时间,保证成像质量和制导精度;最后,通过点目标仿真验证所提方法的有效性,为后续弹道优化设计的工程应用奠定基础。

1 MBFL-SAR几何模型

1.1 双基SAR工作几何

图1 MBFL-SAR成像几何模型

1.2 地面距离向分辨率

利用文献[15]的梯度理论,可以得到点目标P的地面距离向分辨率为

(1)

(2)

式中:ix和iy分别为x和y方向的单位矢量。由式(2)可以看出,在B、φT和φR一定的条件下,βg越小,地面距离向分辨率ρgr越高。

1.3 地面方位向分辨率

同理,利用文献[15]的梯度理论,可以得到点目标P的地面方位向分辨率为

(3)

(4)

1.4 地面二维分辨率夹角

地面二维分辨率夹角可以表示为

(5)

双基构型系统的地面二维分辨率方向的夹角一般很难一直保持正交,当其夹角过小或过大时,均无法形成二维高分辨图像。为了更好地约束双基构型二维分辨率指标,文献[15]提出分辨单元面积的概念,可表示为

(6)

由式(6)可以看出,当二维分辨率夹角为90°时,二维分辨单元面积最小,对应的SAR图像的效果最优。

1.5 构型参数简化

2 构型设计方法

发射平台的地面多普勒分量可表示为

(7)

式(7)中,

--------------------

(8)

--------------------

接收平台的地面多普勒分量可表示为

(9)

令

(10)

(11)

式中:上标T表示转置操作。

(12)

式中,

(13)

(14)

式中,

(15)

(16)

式中:n为整数。

图2 构型设计流程图

3 仿真实例分析

表1 仿真实验参数

图3 距离分辨率随βg的变化曲线

图4 二维分辨率矢量夹角随βg和的变化关系

图5 方位分辨率的上限值随βg和的变化关系

图6 满足约束条件的(βg,)值

表2 性能指标的满足情况

图7 目标成像结果

4 结 论

利用MBFL-SAR成像体制,有效解决了弹载平台SAR全程二维高分辨成像的问题,有效提升了末制导阶段的目标识别能力和精确打击能力。基于MBFL-SAR平台,本文提出参数降维的发射平台构型设计方法,在成像时间的约束下,可快速计算得到满足系统指标的发射平台构型参数,为较长成像时间造成的成像质量下降的问题提供了解决方案。仿真结果验证了所提方法的合理性,为弹载SAR平台的目标识别和精确制导奠定了基础。