高分辨率毫米波合成孔径雷达

高分辨率毫米波合成孔径雷达
[摘要] 德国FGAN FHR的MEMPHIS雷达是一种试验用脉冲多普勒毫米波雷 达，该雷达同时工作在35GHz和94GHz。利用100MHz或200MHz带宽的LFM线性 调频可获得高距离分辨率。为了提高距离分辨率使之超过线性调频带宽所给出的 c／2B值，需利用由间隔为100MHz的8个步进产生的800MHz总带宽频率步进模 式。为了能利用通过测量获得的而非合成的基准线性调频，在后续的雷达数据处理 中应避免常用的“展宽”处理，从而适应和补偿所有硬件导致的幅度和相位误差。 由于“空间连结”，这种方式适用于距离范围远大于一单个线性调频长度距离的情 况。 高分辨率SAR成像中存在的一个问题是如何适当补偿平台的运动，平台运动 会在多普勒横向距离处理中产生干扰。本文阐述了毫米波SAR雷达的特性并着重 讨论了解决方法。

1 引言 在很长一段时间里， 试验 雷达 MEMPHIS是在塔上或转台上以高带宽进 行地面目标特征的测量的，采用的是逆合成 孑L径雷达方法。若作为一种合成孑L径雷达进 行空中测量，在DBS处理时因前视几何关 系、数据获取手段方面的限制，达不到这一 分辨率。转速计| 水份计| 水份仪| 分析仪| 溶氧计| 电导度计| PH计| 酸碱计| 糖度计| 盐度计| 酸碱度计| 电导计| 水分测定仪|仅有200MHz带宽的MEMPHIS所 获得的SAR数据的分辨率为75cm。为了进 行高带宽处理，必须开发一种新的算法。先 期试验表明新的结构能够达到大约19cm的 距离分辨率。然而，在任何环境状况(即飞 行稳定条件)下都不可能获得同样的横向 距离分辨率。而对于上述的75cm分辨率，对 毫米波合成孔径雷达的运动补偿要求是适 度的，横向距离的高分辨率处理要求有载机 运动的附加信息。然而，可以证明装在前端 的相对简单的加速度传感器可提供这些信 息，该信息是在距离和横向距离上获得相等 的分辨率所必不可少的。

2 MEMPHIS雷达的特征 由FGAN．FHR研发的MEMPHIS毫米波 雷达⋯ 是一种同时工作于35GHz和94GHz 的双频段雷达。在35GHz频率，发射机采用占 空比高达10％ 的行波管，而在94GHz频率， 发射机采用最大占空比为1％ 的EIA速调 管。采用100MHz或200MHz带宽的线性调频 来获得高距离分辨率。通常情况下线性调频 波长度为400ns，线性调频波发生器能产生的 最大波形长度为1200ns，此长度符合要求的 PRF和可利用的占空比。 MEMPHIS雷达既用于地面塔上／转动 台上的测量，也装在Transall飞机上进行干 涉SAR测量。这意味着测量距离范围能从 10米到15米间变化或大于1000米。由于后 者比线性调频波形长度大得多，通常的“接 收去斜率”是一种难以实现的技术。因此接 收信号仅下变频至基频，并以l／B(B=单 个线性调频带宽)采样成复值。 为了把距离分辨率提高到超过线性调 频波形带宽所给出的c／2B值，在单个脉冲 的线性调频波形顶部采用间隔为100MHz 的8个步进实现附加的频率步进模式。由于 每个线性调频波形都只下变频至其本身的 载频和作相应采样，因而这种方法可避免过 高的采样率。

3 带宽合成 采用联合调频／步进频率方法要求有 适当的后一处理来联合单个的调频。一些常 用的方法有：频率步进线性调频 J、频率跳 变脉冲 ， 、合成带宽 ，引。最直接的方法是 参考文献[2，7，8]中描述的方法，在这种方 法中首先要为每一单个线性调频进行脉冲 压缩。然后每个粗略分辨单元的N个结果都 有一个可用下式描述的相位项： 一2R e tn’i式中fⅡ=fo+n·Af (1) 此相位项与一般的步进频率法中的相位项 相同。适当的匹配滤波器(MF)响应由逆离 散傅里叶变换(IDFT)给出，这就使得每个 粗分辨单元细分为N个HRR单元。此方法 用于瞬时脉冲宽度相对较短的毫米波雷达 的缺点是可能会发生十分强的旁瓣，取决于 采样击打在散射体上的位置。因此在 MEMPHIS雷达中不再探讨其应用。 另一个方法可将单个调频脉冲串联成 一个长调频脉冲。这可以在时域 J、频 域[4 ’加 或去斜坡模式下完成，这些将在以 下部分予以阐述。

4 去斜坡后的连结 当扩展AR的一个距离间隔被长度为T 的线性调制脉冲照射时，后散射信号持续了 T+2AR／c=T+"i’R o如果采用常用的“展宽” 处理[1】，可通过约束条件T<T避免失真，这 意味着限制短脉冲情况下的窄条带或线性调 频长度的增加(由于硬件限制，这在 MEMPHIS情况下不可能)。在“展宽”处理情 况下，基准线性调频是发射线性调频的延伸： sT(t)一ect( )。ei-,u．kr．t2· (2) 下标“，I’’’是指信号下变频至基带，并且k = B／T。 在r；处被散射体j反射的载频为fn的线 性调频为： rj (t)=O’j．sT(t一等) ‘ = rect( ) “- e 2r； ·e-i’2~r’fn‘ (3) 散射体轮廓可用扩展距离加权(一r )近似为 一定数量的点散射体 盯(r)=Σo’jS(r—rj)j r (t)=Σrj (t) (4) 其中rn(t)为完全后散射信号。 “去斜坡”通过相对于适当基准时间 to(比如景象的前沿)的基准信号的复共轭 与接收信号相乘完成 Y (t)=rn(t)·s’(t) = ~ (rj~rect[拿卜 ct一 e ‘ ．re t( ÷ ) i．1r．kr．(1 (5) 此式中，矩形加权以其重叠决定影响后散射信 号的距离间距。取决于时间的相位项幅角为： i⋯ {2t．( )+( ) 一 ) (6) 对于一个频率斜坡的N个脉冲中的每一个 脉冲，以At=1／B为步长一直采样。 i·21T．t．(krt0一k，2_ 5) (7) 式(7)项由一个与散射体相关的频率k，× (2r／c)和一个频移k t0组成，对于所有的 散射体频移都相同。当t×k，×(2r／c)=1 时，相关相位以2 增进。在一个时间步进 At=1／B后，这是2ri=c·T的情况，比如 在无虚假情况下可处理的最大距离加权由 线性调频长度给出。最好的距离分辨率可能 是由Ar=c／2B给出，得到： t = T。 由于时间加权被脉冲宽度T所限制，因 此选择一个更长的FFrI’不会改善分辨率。然 而，如果有可能以处理时问本身增加的方法 连结不同部分，那么不模糊的距离R 被再 分成更细的步进，即分辨率的改善。(1)的 相位项为： i．· 2-tr．·t．·(to一 ] )+ ．· [( )：一t 卜i·2 ～fo 2 rj= 2 ‘{詈．to·t+c旱· ·ct一譬 ) (8) (此处，中；包含既与t无关也与fn无关的所 有影响)。括号中的第一项为由取样冲击位 置引起的频移，取样冲击使得在DFT后产 生一个散射体轮廓的偏移。 (B／T)×(2r／c)是一个单独的散射体 频率，该散射体频率提供散射体DFT后的 位置rj，而(fn×T／B)为由载频产生的时移， 这使得分步频率线性调频各个部分能够连 结。 如果AR相对较窄，比如在转台／塔的 情况下，那么“延伸”基准保证每个散射体 在全部时间T中都可见，并且其冲击响应有 可能的最小宽度，即c／2B。因此，如果与许 多符合时移Af×T／B的采样那样从采样间 隔中心选择，那么就产生一个无间隙的频 谱，在该频谱中每个散射体以其全部影响呈 现出来。 现在，在实际情况下所用的基准并不理 想，即它不是一个可以在数学上被任何需要 的量拉长的合成线性调频。在现实中用的是 被基准反射器返回的真实发射线性调频的 回波。图1为MEMPHIS的一个典型例子。 好处是这种回波信号包含了硬件会引 起的所有幅度失真和相位失真，因此以最佳 方式补偿了接收信号中的这些失真。 图1 相对30dBm 基准反射体在35GHz测量 的MEMPHIS的线性-调频回波和频率特 征(r)

5 横向距离分辨率 对于合成孔径成像的产生，横向距离分 辨率必须与高距离分辨率适配。因此相关的 横向距离处理比以前低距离分辨率情况有 更高的要求。35GHz和94GHz频率下处理量 的早期研究表明，在35GHz时已经必须考 虑距离游动，但是在94GHz时成像误差的 影响要小得多。然而，在任何情况下，都必须 考虑传感器运载体的运动。
一个通用的前提是载体平台的运动必 须小于雷达照射波束波长的一半。 最大容许加速度误差与发射频率线性 相关，但是与分辨率与距离的关系为二次方 关系。对于AGL为700米的典型飞行参数， 已完成了从Transall飞机的Milbus传送来 的三个基本方向加速度数据的分析。记录的 数据通常高于上面所述的限制。因此必须开 发一种考虑实际飞行数据的修正算法。 在典型的2000米距离上，加速度矢量 的径向量的精度必须达到0．026m／s 。发现 从飞机传感器传送来的飞行数据没有足够 的带宽以致不能用于快速运动的修正，甚至 自聚焦方法修正的数据也不能获得所要求 的分辨率。因此要有附加的加速度传感器直 接安装在前端，该传感器记录孔径时间内传 感器和散射体间的相对距离变化。 在利用这种简单传感器时必须注意测 量值由与重力矢量相关的相对几何关系决 定。该偏差由飞机的实际位置决定并且必须 精确到0．1。，然而，该精度要为Milbus数据 所保持。擦地角也必须有相同的精度。加速 度数据在脉冲间积累并用于接收信号的相 位修正。 无多普勒修正和有多谱勒 75cm分辨率 图2 SAR图像。分辨率75cm，19era和有多普 勒修正的19era。 完整的程序包括上述的相位修正，该相 位修正用于属于每个单个FFT的数据，用一 种自动聚焦算法来确定平均偏差值(一个 FFT长度中认为是常量)。此种两步程序能 产生最好的成像质量。剩余的加速度误差几 乎稳定在0．15m／s 。这给出了一个1。的擦 地角误差(在3O。擦地角)。图2显示了应用 和不应用修正程序两种情况下的成像。
35GHz频率下19cm距离分辨率的研究 表明只有在斜距高达1000m和非常平静的 天气条件下，才不需要所述的修正程序。在 这种情况下，仅仅使用Milbus数据就能获 得高质量的成像。当距离超过两千米时就必 须采用修正算法。为了获得进一步的改善， 必须校准重力对加速度传感器的影响。