一、前言

此示例說明如何設(shè)計在 X 波段工作的合成孔徑雷達(dá) （SAR） 傳感器并計算傳感器參數(shù)。SAR利用雷達(dá)天線在目標(biāo)區(qū)域上的運(yùn)動來提供目標(biāo)區(qū)域的圖像。當(dāng)SAR平臺在目標(biāo)區(qū)域上空行進(jìn)時，當(dāng)脈沖從雷達(dá)天線發(fā)送和接收時，會產(chǎn)生合成孔徑。

本示例重點(diǎn)介紹如何設(shè)計 SAR 傳感器以滿足一組性能參數(shù)。它概述了將方位角分辨率和檢測概率等性能規(guī)格轉(zhuǎn)換為天線尺寸和發(fā)射功率等SAR系統(tǒng)參數(shù)的步驟。它為帶狀圖和聚光燈操作模式的設(shè)計參數(shù)建模。與帶狀圖操作相比，聚光燈模式可以提供更好的分辨率和更強(qiáng)的場景信號，但代價是場景大小或區(qū)域成像速率減小。該示例還對方位角啁啾信號的參數(shù)進(jìn)行了建模。

下圖對各種系統(tǒng)和性能參數(shù)進(jìn)行了分類。此示例介紹用于選擇系統(tǒng)參數(shù)以滿足性能參數(shù)的函數(shù)。

二、設(shè)計規(guī)格

該機(jī)載SAR系統(tǒng)的目標(biāo)是提供距離機(jī)載平臺最遠(yuǎn)10 km的目標(biāo)區(qū)域圖像，范圍和方位角分辨率為1 m。該平臺在 5 公里的高度運(yùn)行，并以 100 m/s 的速度移動。所需的性能指標(biāo)是檢測概率 （Pd） 和誤報概率 （Pfa）。Pd 值必須為 0.9 或更大。Pfa 值必須小于 1e-6。

三、機(jī)載SAR系統(tǒng)設(shè)計

合成孔徑長度、積分時間、覆蓋率、帶狀圖的波束寬度以及聚光燈模式以及信號帶寬等系統(tǒng)參數(shù)是定義SAR系統(tǒng)運(yùn)行能力的關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)確保SAR系統(tǒng)在計算的積分時間內(nèi)以寬波束覆蓋感興趣的區(qū)域。計算出的信號帶寬滿足所需的范圍分辨率。

3.1 信號配置

要計算SAR系統(tǒng)參數(shù)，首先必須知道傳播信號的波長，這與系統(tǒng)的工作頻率成反比。對于此示例，將工作頻率設(shè)置為 10 GHz，這是典型的機(jī)載 SAR 系統(tǒng)。使用該函數(shù)計算傳播信號的波長。

信號帶寬映射到SAR的傾斜距離分辨率，傾斜距離分辨率是區(qū)分相隔距離的兩個目標(biāo)所需的因素。傾斜距離分辨率為您提供區(qū)分兩個目標(biāo)所需的最小范圍差異。使用該函數(shù)計算信號帶寬，該帶寬由傾斜范圍分辨率決定。

3.2 帶狀圖搜救模式

帶狀圖SAR模式假設(shè)雷達(dá)天線相對于平臺運(yùn)動方向的指向方向是固定的。此示例中的天線指向?qū)拏?cè)方向。

3.3 天線方向

俯角通常用于定義仰角中的天線指向方向。此示例假定地球是平坦的，因此凹陷角與掠角相同。使用該函數(shù)根據(jù)視線范圍計算掠射角度。

3.4 天線方位角尺寸

接下來，使用 and 函數(shù)分析和計算合成孔徑長度及其方位角分辨率，以選擇天線方位角尺寸。將合成長度繪制為跨范圍分辨率的函數(shù)。將天線方位角尺寸繪制為合成長度的函數(shù)。

這些數(shù)字表明，帶狀圖模式的合成孔徑長度為149.9 m，可以很好地滿足1 m的方位角分辨率。在這種情況下，可用于帶狀圖模式的最小天線方位角尺寸為 2 m。減小天線方位角尺寸以獲得比帶狀圖模式的 1 m 更好的方位角分辨率。

對于帶狀圖模式，將合成孔徑長度設(shè)置為 149.9 m，天線方位角尺寸為 2 m。

3.5 天線仰角尺寸

接下來，根據(jù)所需的條帶長度確定天線高程尺寸。對于此示例，假設(shè)所需的條帶長度為 2.4 km。使用該函數(shù)分析條帶長度以選擇天線高程尺寸。

該圖表明，給定 0 m 的條帶長度，天線高程尺寸為 25.2400 m 是合適的。將天線仰角尺寸設(shè)置為 0.25 m。

3.6 實(shí)際天線波束寬度和增益

使用該函數(shù)計算實(shí)際天線波束寬度。使用該函數(shù)計算天線增益。

3.7 合成波束寬度、處理時間和約束

接下來，使用 、、 和 函數(shù)計算合成波束寬度、積分時間、面積覆蓋率和最大條帶長度。請注意，SAR系統(tǒng)的方位波束寬度遠(yuǎn)小于真實(shí)孔徑雷達(dá)的方位波束寬度。

在這種情況下，使用 SAR 的最大可能方位角分辨率為 1 m。然而，為了達(dá)到這種性能，脈沖需要積分超過1.5秒。

3.8 聚光燈 SAR 模式

聚光燈SAR能夠顯著擴(kuò)展SAR成像能力到高分辨率成像。這是可能的，因為聚光燈模式確保雷達(dá)天線在成像區(qū)域周圍瞬時瞇眼，從而與帶狀圖模式相比，照亮目標(biāo)區(qū)域的持續(xù)時間更長。

3.9 相干積分角

在本例中，帶狀圖模式下的方位角分辨率為 1 m。聚光燈模式的分辨率通常用平臺穿過合成孔徑長度時雷達(dá)視軸矢量的相干積分角來表示。

使用 and 函數(shù)計算相干積分角和合成孔徑長度。

對于 1 m 的天線方位角尺寸，帶狀圖模式下的最佳方位角分辨率為 2 m。在聚光燈模式下，使用相同的天線方位角尺寸 2 m 以獲得 0.5 m 的更好方位角分辨率。在聚光燈模式下，操縱雷達(dá)波束以將目標(biāo)保持在更長的時間內(nèi)，從而形成更長的合成孔徑。

接下來，使用 and 函數(shù)分析合成孔徑長度及其在不同相干積分角下的方位角分辨率。

該圖表明，在聚光燈SAR模式下，聚光燈模式下的合成孔徑長度為300 m，對應(yīng)于0.5 m的方位角分辨率。對于 1.71 度的相干積分角，聚光燈模式下的方位角分辨率為 0.5 m。需要注意的是，減小天線方位角尺寸以在帶狀圖模式下獲得類似的方位角分辨率。

將聚光燈模式的合成光圈長度設(shè)置為 300 m，將相干積分角設(shè)置為 1.71 度。

3.10 合成波束寬度、處理時間和約束

與帶狀圖模式相比，聚光燈模式可以提供更好的分辨率和更強(qiáng)的場景信號，但代價是減小場景大小或區(qū)域成像速率。

使用 、、 和 函數(shù)計算合成波束寬度、積分時間、面積覆蓋率和最大條帶長度。請注意，聚光燈 SAR 系統(tǒng)的區(qū)域覆蓋率和最大條帶長度遠(yuǎn)小于帶狀圖模式。

四、方位角啁啾信號參數(shù)

確定方位啁啾信號參數(shù)，即方位角啁啾速率、多普勒帶寬、波束壓縮比和去啁啾后的方位帶寬。您可以導(dǎo)出方位角時間帶寬積。這些對于設(shè)計精確的方位角合成孔徑處理機(jī)制非常重要。

使用該函數(shù)計算方位角啁啾速率，即傳感器照亮散射體時方位角信號改變頻率的速率。

分析方位角啁啾率對距離和多普勒錐角變化的敏感性。該圖顯示，增加雷達(dá)的明確范圍會降低方位角啁啾速率。

使用該函數(shù)計算方位角降印后的場景帶寬。假設(shè)場景大小為 916 m。

分析場景帶寬對多普勒錐角變化的靈敏度。

接下來，使用 and 函數(shù)計算從點(diǎn)散射體接收信號的多普勒帶寬和波束壓縮比。請注意，聚光燈 SAR 模式的多普勒帶寬和光束壓縮比遠(yuǎn)大于帶狀圖 SAR 模式。

五、SAR 功率計算

使用帶狀圖 SAR 模式的雷達(dá)方程的功率形式估計必須傳輸?shù)姆逯倒β?。所需的峰值功率取決于許多因素，包括最大明確范圍、接收器所需的SNR以及波形的脈沖寬度。在這些因素中，接收器所需的SNR由Pd和Pfa的設(shè)計目標(biāo)決定。對雷達(dá)系統(tǒng)及其環(huán)境的目標(biāo)RCS、PRF以及不同的增益和損耗源進(jìn)行建模和估計。

5.1 接收器信噪比

首先，計算接收器所需的信噪比。Pd、Pfa和SNR之間的關(guān)系可以用接收器工作特性（ROC）曲線來最好地表示。

ROC曲線表明，為了滿足Pfa = 1e-6和Pd = 0.9的設(shè)計目標(biāo)，接收信號的SNR必須超過13 dB。您可以通過查看圖來推測SNR值，但僅計算所需值更為簡單。使用該函數(shù)，派生所需的 SNR。

5.2 目標(biāo)RCS

使用該函數(shù)計算反射率，即給定掠射角和工作頻率的歸一化雷達(dá)截面 （NRCS）。然后使用該函數(shù)計算地面圖像平面中的目標(biāo)RCS，并考慮雷達(dá)分辨率。

5.3 PRF 上限和下限

使用該函數(shù)在給定雷達(dá)速度和掠射角的情況下確定范圍條帶和方位角分辨率的最小和最大 PRF 值。

5.4 PRF選擇

PRF通常是可編程的，可以針對每種應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。使用該函數(shù)根據(jù)雷達(dá)速度和沿方位角的實(shí)際天線尺寸計算雷達(dá)的PRF。指定恒定滾降系數(shù)作為安全裕度，以防止主瓣返回在PRF間隔中混疊。如果PRF設(shè)置得太低，雷達(dá)就會受到光柵瓣和多普勒模糊的影響。如果PRF設(shè)置得太高，則范圍測量將不明確。

所選 PRF 在 PRF 范圍內(nèi)。

5.5 處理增益

使用該函數(shù)計算匹配濾波器后噪聲帶寬降低引起的距離處理增益。使用該函數(shù)計算由于脈沖相干積分而產(chǎn)生的方位角處理增益。

5.6 損耗和噪聲因數(shù)

使用該函數(shù)估計級聯(lián)接收機(jī)級的噪聲系數(shù)。假設(shè)具有以下值的七個階段：noisefigure

第1級LNA：噪聲系數(shù) = 1.0 dB，增益 = 15.0

第2級RF濾波器：噪聲系數(shù) = 0.5 dB，增益 = -0.5

第3級混頻器：噪聲系數(shù) = 5.0 dB，增益 = -7.0

第4級中頻濾波器：噪聲系數(shù) = 1.0 dB，增益 = -1.0

第5級中頻前置放大器：噪聲系數(shù) = 0.6 dB，增益 = 15.0

第6級中頻級：噪聲系數(shù) = 1.0 dB，增益 = 20.0

第7級鑒相器：噪聲系數(shù) = 6.0 dB，增益 = -5.0

使用該函數(shù)計算平坦陸地上的單向雷達(dá)傳播系數(shù)。使用該函數(shù)計算大氣氣體吸收造成的損失。

5.7 發(fā)射功率

使用該函數(shù)通過SAR雷達(dá)方程計算峰值功率。您還可以指定其他損耗和系數(shù)，包括方位角波束形狀損耗、窗口損耗、傳輸損耗和接收線損耗。使用該函數(shù)估計光束形狀損耗，并將所有其他固定損耗組合使用5 dB。對于此分析，請指定為 “” 以使用最弱的陸地目標(biāo)。有限的數(shù)據(jù)收集時間限制了收集的總能量，雷達(dá)中的信號處理使SAR圖像中的SNR增加了兩個主要增益因子。第一個是由于脈沖壓縮，第二個是由于脈沖的相干積分。

六、總結(jié)

此示例顯示了設(shè)計可在帶狀圖和聚光燈模式下運(yùn)行的 X 波段 SAR 系統(tǒng)必須計算的方面。該示例表明，同一SAR系統(tǒng)可以在帶狀圖和聚光燈模式下運(yùn)行，并根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)不同級別的分辨率，但代價是其他參數(shù)。首先，分析并選擇天線尺寸以滿足所需的分辨率。然后估算天線增益、處理時間、約束條件和方位啁啾信號參數(shù)。然后估計雷達(dá)及其環(huán)境中所需的SNR，目標(biāo)RCS，PRF，處理增益和損耗。最后，使用SAR方程計算峰值發(fā)射功率。

七、參考文獻(xiàn)

[1] Carrara, Walter G., Ronald M. Majewski, and Ron S. Goodman. Spotlight Synthetic Aperture Radar: Signal Processing Algorithms. Boston: Artech House, 1995.

八、程序

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