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 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FGANFHR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线性调频可获得高间隔分辨率。为了进步间隔分辨率使之超过线性调频带宽所给出的c/2 B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。为了能利用通过丈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"，这种方式适用于间隔范围远大于一单个线性调频长度间隔的情况。高分辨率SAR成像中存在的一个题目是如何适当补偿平台的运动，平台运动会在多普勒横向间隔处理中产生干扰。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丈量的，采用的是逆合成孑L径雷达方法。若作为一种合成孑L径雷达进行空中丈量，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。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的间隔分辨率。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间隔分辨率。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，横向间隔的高分辨率处理要求有载机运动的附加信息。然而，可以证实装在前真个相对简单的加速度传感器可提供这些信息，该信息是在间隔和横向间隔上获得相等的分辨率所必不可少的。 2MEMPHIS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间隔分辨率。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/转动台上的丈量，也装在Transall飞机上进行干涉SAR丈量。这意味着丈量间隔范围能从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"接收往斜率"是一种难以实现的技术。SEO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。为了把间隔分辨率进步到超过线性调频波形带宽所给出的c/2 B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。电力网|金钛仪器网|衡欣仪器仪表|骏凯电子仪器仪表|共立仪器仪表|台湾泰仕广州办事处|风速计|台湾群特广州办事处|北京泰仕|深圳仪器仪表|照度计|希玛仪器广州销售平台|东莞 台湾TES泰仕|仪表网由于每个线性调频波形都只下变频至其本身的仪器仪表| 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:一2Retn'i式中f?=fo+nAf(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'加或往斜坡模式下完成，这些将在以下部分予以阐述。 4往斜坡后的连结当扩展AR的一个间隔间隔被长度为T的线性调制脉冲照射时，后散射信号持续了T+2AR/c=T+"i'Ro假如采用常用的"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()"-e2r;e- i'2~r'fn'(3)散射体轮廓可用扩展间隔加权(一r)近似为一定数目的点散射体盯(r)=Σo'jS(r― rj)jr(t)=Σrj(t)(4)其中rn(t)为完全后散射信号。"往斜坡"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'.ret(?)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间隔间距。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。i21T.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kt0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=cT的情况，比如在无虚假情况下可处理的最大间隔加权由线性调频长度给出。最好的间隔分辨率可能是由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，假如有可能以处理时问本身增加的方法连结不同部分，那么不模糊的间隔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i2~fo2rj=2'{詈.tot+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。假如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，假如与很多符合时移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VPS。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丈量的MEMPHIS的线性-调频回波和频率特征(r) 5横向间隔分辨率对于合成孔径成像的产生，横向间隔分辨率必须与高间隔分辨率适配。因此相关的横向间隔处理比以前低间隔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时已经必须考虑间隔游动，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。 一个通用的条件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，但是与分辨率与间隔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米间隔上，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间隔变化。在利用这种简单传感器时必须留意丈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2SAR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均匀偏差值(一个FFT长度中以为是常量)。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间隔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。当间隔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。 历史上的今天: 桂丹路全线贯通提速商务休闲生活2010-09-30十一,北京--2010-09-30秋季养生2010-09-30魔剑系列故事2010-09-30保证市场供应2010-09-30