高分辨率毫米波合成孔徑雷達
[摘要] 德國FGAN FHR的MEMPHIS雷達是一種試驗用脈沖多普勒毫米波雷 達，該雷達同時(shí)工作在35GHz和94GHz。利用100MHz或200MHz帶寬的LFM線(xiàn)性 調頻可獲得高距離分辨率。為了提高距離分辨率使之超過(guò)線(xiàn)性調頻帶寬所給出的 c／2B值，需利用由間隔為100MHz的8個(gè)步進(jìn)產(chǎn)生的800MHz總帶寬頻率步進(jìn)模 式。為了能利用通過(guò)測量獲得的而非合成的基準線(xiàn)性調頻，在后續的雷達數據處理 中應避免常用的“展寬”處理，從而適應和補償所有硬件導致的幅度和相位誤差。 由于“空間連結”，這種方式適用于距離范圍遠大于一單個(gè)線(xiàn)性調頻長(cháng)度距離的情 況。 高分辨率SAR成像中存在的一個(gè)問(wèn)題是如何適當補償平臺的運動(dòng)，平臺運動(dòng) 會(huì )在多普勒橫向距離處理中產(chǎn)生干擾。本文闡述了毫米波SAR雷達的特性并著(zhù)重 討論了解決方法。

1 引言 在很長(cháng)一段時(shí)間里， 試驗 雷達 MEMPHIS是在塔上或轉臺上以高帶寬進(jìn) 行地面目標特征的測量的，采用的是逆合成 孑L徑雷達方法。若作為一種合成孑L徑雷達進(jìn) 行空中測量，在DBS處理時(shí)因前視幾何關(guān) 系、數據獲取手段方面的限制，達不到這一 分辨率。轉速計| 水份計| 水份儀| 分析儀| 溶氧計| 電導度計| PH計| 酸堿計| 糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導計| 水分測定儀|僅有200MHz帶寬的MEMPHIS所 獲得的SAR數據的分辨率為75cm。為了進(jìn) 行高帶寬處理，必須開(kāi)發(fā)一種新的算法。先 期試驗表明新的結構能夠達到大約19cm的 距離分辨率。然而，在任何環(huán)境狀況(即飛 行穩定條件)下都不可能獲得同樣的橫向 距離分辨率。而對于上述的75cm分辨率，對 毫米波合成孔徑雷達的運動(dòng)補償要求是適 度的，橫向距離的高分辨率處理要求有載機 運動(dòng)的附加信息。然而，可以證明裝在前端 的相對簡(jiǎn)單的加速度傳感器可提供這些信 息，該信息是在距離和橫向距離上獲得相等 的分辨率所必不可少的。

2 MEMPHIS雷達的特征 由FGAN．FHR研發(fā)的MEMPHIS毫米波 雷達⋯ 是一種同時(shí)工作于35GHz和94GHz 的雙頻段雷達。在35GHz頻率，發(fā)射機采用占 空比高達10％ 的行波管，而在94GHz頻率， 發(fā)射機采用最大占空比為1％ 的EIA速調 管。采用100MHz或200MHz帶寬的線(xiàn)性調頻 來(lái)獲得高距離分辨率。通常情況下線(xiàn)性調頻 波長(cháng)度為400ns，線(xiàn)性調頻波發(fā)生器能產(chǎn)生的 最大波形長(cháng)度為1200ns，此長(cháng)度符合要求的 PRF和可利用的占空比。 MEMPHIS雷達既用于地面塔上／轉動(dòng) 臺上的測量，也裝在Transall飛機上進(jìn)行干 涉SAR測量。這意味著(zhù)測量距離范圍能從 10米到15米間變化或大于1000米。由于后 者比線(xiàn)性調頻波形長(cháng)度大得多，通常的“接 收去斜率”是一種難以實(shí)現的技術(shù)。因此接 收信號僅下變頻至基頻，并以l／B(B=單 個(gè)線(xiàn)性調頻帶寬)采樣成復值。 為了把距離分辨率提高到超過(guò)線(xiàn)性調 頻波形帶寬所給出的c／2B值，在單個(gè)脈沖 的線(xiàn)性調頻波形頂部采用間隔為100MHz 的8個(gè)步進(jìn)實(shí)現附加的頻率步進(jìn)模式。由于 每個(gè)線(xiàn)性調頻波形都只下變頻至其本身的 載頻和作相應采樣，因而這種方法可避免過(guò) 高的采樣率。

3 帶寬合成 采用聯(lián)合調頻／步進(jìn)頻率方法要求有 適當的后一處理來(lái)聯(lián)合單個(gè)的調頻。一些常 用的方法有：頻率步進(jìn)線(xiàn)性調頻 J、頻率跳 變脈沖 ， 、合成帶寬 ，引。最直接的方法是 參考文獻[2，7，8]中描述的方法，在這種方 法中首先要為每一單個(gè)線(xiàn)性調頻進(jìn)行脈沖 壓縮。然后每個(gè)粗略分辨單元的N個(gè)結果都 有一個(gè)可用下式描述的相位項： 一2R e tn’i式中fⅡ=fo+n·Af (1) 此相位項與一般的步進(jìn)頻率法中的相位項 相同。適當的匹配濾波器(MF)響應由逆離 散傅里葉變換(IDFT)給出，這就使得每個(gè) 粗分辨單元細分為N個(gè)HRR單元。此方法 用于瞬時(shí)脈沖寬度相對較短的毫米波雷達 的缺點(diǎn)是可能會(huì )發(fā)生十分強的旁瓣，取決于 采樣擊打在散射體上的位置。因此在 MEMPHIS雷達中不再探討其應用。 另一個(gè)方法可將單個(gè)調頻脈沖串聯(lián)成 一個(gè)長(cháng)調頻脈沖。這可以在時(shí)域 J、頻 域[4 ’加 或去斜坡模式下完成，這些將在以 下部分予以闡述。

4 去斜坡后的連結 當擴展AR的一個(gè)距離間隔被長(cháng)度為T(mén) 的線(xiàn)性調制脈沖照射時(shí)，后散射信號持續了 T+2AR／c=T+"i’R o如果采用常用的“展寬” 處理[1】，可通過(guò)約束條件T<T避免失真，這 意味著(zhù)限制短脈沖情況下的窄條帶或線(xiàn)性調 頻長(cháng)度的增加(由于硬件限制，這在 MEMPHIS情況下不可能)。在“展寬”處理情 況下，基準線(xiàn)性調頻是發(fā)射線(xiàn)性調頻的延伸： sT(t)一ect( )。ei-,u．kr．t2· (2) 下標“，I’’’是指信號下變頻至基帶，并且k = B／T。 在r；處被散射體j反射的載頻為fn的線(xiàn) 性調頻為： rj (t)=O’j．sT(t一等) ‘ = rect( ) “- e 2r； ·e-i’2~r’fn‘ (3) 散射體輪廓可用擴展距離加權(一r )近似為 一定數量的點(diǎn)散射體 盯(r)=Σo’jS(r—rj)j r (t)=Σrj (t) (4) 其中rn(t)為完全后散射信號。 “去斜坡”通過(guò)相對于適當基準時(shí)間 to(比如景象的前沿)的基準信號的復共軛 與接收信號相乘完成 Y (t)=rn(t)·s’(t) = ~ (rj~rect[拿卜 ct一 e ‘ ．re t( ÷ ) i．1r．kr．(1 (5) 此式中，矩形加權以其重疊決定影響后散射信 號的距離間距。取決于時(shí)間的相位項幅角為： i⋯ {2t．( )+( ) 一 ) (6) 對于一個(gè)頻率斜坡的N個(gè)脈沖中的每一個(gè) 脈沖，以At=1／B為步長(cháng)一直采樣。 i·21T．t．(krt0一k，2_ 5) (7) 式(7)項由一個(gè)與散射體相關(guān)的頻率k，× (2r／c)和一個(gè)頻移k t0組成，對于所有的 散射體頻移都相同。當t×k，×(2r／c)=1 時(shí)，相關(guān)相位以2 增進(jìn)。在一個(gè)時(shí)間步進(jìn) At=1／B后，這是2ri=c·T的情況，比如 在無(wú)虛假情況下可處理的最大距離加權由 線(xiàn)性調頻長(cháng)度給出。最好的距離分辨率可能 是由Ar=c／2B給出，得到： t = T。 由于時(shí)間加權被脈沖寬度T所限制，因 此選擇一個(gè)更長(cháng)的FFrI’不會(huì )改善分辨率。然 而，如果有可能以處理時(shí)問(wèn)本身增加的方法 連結不同部分，那么不模糊的距離R 被再 分成更細的步進(jìn)，即分辨率的改善。(1)的 相位項為： i．· 2-tr．·t．·(to一 ] )+ ．· [( )：一t 卜i·2 ～fo 2 rj= 2 ‘{詈．to·t+c旱· ·ct一譬 ) (8) (此處，中；包含既與t無(wú)關(guān)也與fn無(wú)關(guān)的所 有影響)。括號中的第一項為由取樣沖擊位 置引起的頻移，取樣沖擊使得在DFT后產(chǎn) 生一個(gè)散射體輪廓的偏移。 (B／T)×(2r／c)是一個(gè)單獨的散射體 頻率，該散射體頻率提供散射體DFT后的 位置rj，而(fn×T／B)為由載頻產(chǎn)生的時(shí)移， 這使得分步頻率線(xiàn)性調頻各個(gè)部分能夠連 結。 如果AR相對較窄，比如在轉臺／塔的 情況下，那么“延伸”基準保證每個(gè)散射體 在全部時(shí)間T中都可見(jiàn)，并且其沖擊響應有 可能的最小寬度，即c／2B。因此，如果與許 多符合時(shí)移Af×T／B的采樣那樣從采樣間 隔中心選擇，那么就產(chǎn)生一個(gè)無(wú)間隙的頻 譜，在該頻譜中每個(gè)散射體以其全部影響呈 現出來(lái)。 現在，在實(shí)際情況下所用的基準并不理 想，即它不是一個(gè)可以在數學(xué)上被任何需要 的量拉長(cháng)的合成線(xiàn)性調頻。在現實(shí)中用的是 被基準反射器返回的真實(shí)發(fā)射線(xiàn)性調頻的 回波。圖1為MEMPHIS的一個(gè)典型例子。 好處是這種回波信號包含了硬件會(huì )引 起的所有幅度失真和相位失真，因此以最佳 方式補償了接收信號中的這些失真。 圖1 相對30dBm 基準反射體在35GHz測量 的MEMPHIS的線(xiàn)性-調頻回波和頻率特 征(r)

5 橫向距離分辨率 對于合成孔徑成像的產(chǎn)生，橫向距離分 辨率必須與高距離分辨率適配。因此相關(guān)的 橫向距離處理比以前低距離分辨率情況有 更高的要求。35GHz和94GHz頻率下處理量 的早期研究表明，在35GHz時(shí)已經(jīng)必須考 慮距離游動(dòng)，但是在94GHz時(shí)成像誤差的 影響要小得多。然而，在任何情況下，都必須 考慮傳感器運載體的運動(dòng)。
一個(gè)通用的前提是載體平臺的運動(dòng)必 須小于雷達照射波束波長(cháng)的一半。 最大容許加速度誤差與發(fā)射頻率線(xiàn)性 相關(guān)，但是與分辨率與距離的關(guān)系為二次方 關(guān)系。對于A(yíng)GL為700米的典型飛行參數， 已完成了從Transall飛機的Milbus傳送來(lái) 的三個(gè)基本方向加速度數據的分析。記錄的 數據通常高于上面所述的限制。因此必須開(kāi) 發(fā)一種考慮實(shí)際飛行數據的修正算法。 在典型的2000米距離上，加速度矢量 的徑向量的精度必須達到0．026m／s 。發(fā)現 從飛機傳感器傳送來(lái)的飛行數據沒(méi)有足夠 的帶寬以致不能用于快速運動(dòng)的修正，甚至 自聚焦方法修正的數據也不能獲得所要求 的分辨率。因此要有附加的加速度傳感器直 接安裝在前端，該傳感器記錄孔徑時(shí)間內傳 感器和散射體間的相對距離變化。 在利用這種簡(jiǎn)單傳感器時(shí)必須注意測 量值由與重力矢量相關(guān)的相對幾何關(guān)系決 定。該偏差由飛機的實(shí)際位置決定并且必須 精確到0．1。，然而，該精度要為Milbus數據 所保持。擦地角也必須有相同的精度。加速 度數據在脈沖間積累并用于接收信號的相 位修正。 無(wú)多普勒修正和有多譜勒 75cm分辨率 圖2 SAR圖像。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，該相 位修正用于屬于每個(gè)單個(gè)FFT的數據，用一 種自動(dòng)聚焦算法來(lái)確定平均偏差值(一個(gè) FFT長(cháng)度中認為是常量)。此種兩步程序能 產(chǎn)生最好的成像質(zhì)量。剩余的加速度誤差幾 乎穩定在0．15m／s 。這給出了一個(gè)1。的擦 地角誤差(在3O。擦地角)。圖2顯示了應用 和不應用修正程序兩種情況下的成像。
35GHz頻率下19cm距離分辨率的研究 表明只有在斜距高達1000m和非常平靜的 天氣條件下，才不需要所述的修正程序。在 這種情況下，僅僅使用Milbus數據就能獲 得高質(zhì)量的成像。當距離超過(guò)兩千米時(shí)就必 須采用修正算法。為了獲得進(jìn)一步的改善， 必須校準重力對加速度傳感器的影響。