視頻合成孔徑雷達振動誤差分析及補償方案研究

趙雨露張群英李 超紀奕才方廣有

①(中國科學院電子學研究所電磁輻射與探測技術(shù)重點實驗室 北京 100190)

②(中國科學院大學 北京 100190)

視頻合成孔徑雷達振動誤差分析及補償方案研究

趙雨露①②張群英*①李 超①紀奕才①方廣有①

①(中國科學院電子學研究所電磁輻射與探測技術(shù)重點實驗室 北京 100190)

②(中國科學院大學 北京 100190)

視頻合成孔徑雷達(Video Synthetic Aperture Radar, ViSAR)具有成像幀速快、分辨率高等優(yōu)點，對近距運動目標的精細偵查和定位有迫切應用需求。相比微波段SAR成像系統(tǒng)，ViSAR載波波長短，平臺的微小振動會引起回波信號相位的顯著變化，常常導致圖像無法聚焦，使得ViSAR在實際應用中受到限制，因此有必要開展ViSAR運動誤差分析及其補償技術(shù)的研究。該文分析結(jié)果表明，載機平臺在飛行方向的振動和在斜距方向的低頻振動對成像結(jié)果影響較小，而在斜距方向的高頻振動對成像結(jié)果影響較大，要求補償精度較高。鑒于ViSAR運動補償?shù)奶厥庑?，該文提出一種運動補償方案，可以滿足ViSAR成像中的補償精度要求，最后，通過ViSAR成像仿真實驗，初步驗證了理論分析的正確性和運動補償方案的有效性。

合成孔徑雷達(SAR)；高幀率；振動誤差；運動補償

1 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境中，利用無人機等小型飛行平臺，對敵方坦克、步兵車和小股作戰(zhàn)部隊等地面動目標實施全天時、全天候地精確跟蹤打擊，是一種科學戰(zhàn)勝敵軍的重要軍事手段。為了保證準確有效地追蹤目標，低空飛行器必須裝備現(xiàn)代化的圖像感知設備來探測和識別這些可疑目標，并對關(guān)心區(qū)域進行高精度實時成像。目前，低空飛行平臺裝備的目標探測系統(tǒng)主要包括紅外/可見光傳感器和合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radars, SAR)兩種[1-4]，但紅外/可見光傳感器無法穿透云層成像，常規(guī)機載SAR可對靜止場景和目標實現(xiàn)高分辨成像，采用地面動目標指示技術(shù)可實現(xiàn)運動目標的檢測和定位[5,6]，但所需積累時間長，成像幀率僅約為0.1 Hz，不能實現(xiàn)對特定運動目標的跟蹤，無法滿足機動作戰(zhàn)、快速響應的軍事需求。

針對常規(guī)機載SAR存在的成像速率低、慢動目標檢測困難等問題，有必要研制一種新型高幀率合成孔徑雷達系統(tǒng)，它能夠全天時、全天候、高精度地對地面目標區(qū)域進行實時成像，并能有效探測和跟蹤慢速運動目標，從而提高攻擊機和低空無人機的偵察打擊能力。若能在現(xiàn)有低空飛行器上裝備高性能SAR成像系統(tǒng)，不僅能有效克服紅外/可見光傳感器易受天氣條件和戰(zhàn)場環(huán)境影響的弱點，也能克服常規(guī)SAR系統(tǒng)幀速低、動目標檢測跟蹤難等缺陷，通過一幀幀清晰影像的漸變顯現(xiàn)形成視覺活動圖像，使作戰(zhàn)指揮人員能夠更加直觀地感知目標區(qū)域的動態(tài)信息，有效提升我軍的偵察能力和機動作戰(zhàn)能力。

2012年5月美國國防部先進研究項目局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)發(fā)布了一項名為視頻合成孔徑雷達(Video Synthetic Aperture Radar, ViSAR)的研究項目[7,8]，目標是研發(fā)一種工作在太赫茲頻段的高分辨率全動態(tài)視頻合成孔徑雷達，能夠穿透云、煙塵等障礙物對地面目標進行成像探測和跟蹤，并且可借助云霧天氣保護自身不受敵方攻擊。項目設定ViSAR系統(tǒng)分辨率為0.2 m，圖像幀速率大于5 Hz，并擬采用“一發(fā)四收”的多天線技術(shù)實現(xiàn)運動目標的有效探測和精確重定位。

隨著載波頻率的提高，成像結(jié)果對平臺運動誤差越來越敏感，對運動補償?shù)木纫笠苍絹碓礁?，因此給運動補償帶來了很大的困難，限制了ViSAR的發(fā)展。對高分辨率機載SAR來說，運動補償方法主要分為基于運動傳感器數(shù)據(jù)補償和基于回波數(shù)據(jù)補償兩種方法[9,10]，補償后微波段SAR圖像成像質(zhì)量大幅提高。然而，對工作在太赫茲頻段的ViSAR系統(tǒng)而言，平臺的微小高頻振動如載機內(nèi)部振動可導致ViSAR系統(tǒng)散焦嚴重[11]。根據(jù)國家軍用標準關(guān)于環(huán)境適應性的試驗規(guī)定(GJB150.16-86)[12]，機載平臺振動誤差環(huán)境主要可分為螺旋槳飛機、噴氣式飛機和直升機3種，其中螺旋槳飛機和噴氣式飛機振動量級在毫米級，已有的運動傳感器系統(tǒng)可能無法測量出其低振幅高頻振動，且圖像散焦嚴重時，無法基于回波數(shù)據(jù)利用自聚焦技術(shù)進行補償，因此直接照搬微波段SAR運動補償技術(shù)行不通。目前仍未見有關(guān)ViSAR平臺微小振動誤差定量分析及其運動補償方法的公開報道。

因此本文研究了振動誤差對ViSAR成像的影響，并提出一種有效的運動補償方案。主要內(nèi)容包括從大氣衰減條件及成像幀速要求等確定系統(tǒng)參數(shù)；建立正弦振動誤差作為理論誤差模型，分析振動誤差對回波信號相位影響，定量分析ViSAR補償后可允許剩余運動誤差閾值與振動頻率的關(guān)系，根據(jù)理論分析結(jié)果，并結(jié)合微波段SAR與激光SAR補償方法研究，提出一種有效的運動誤差補償方案，即結(jié)合光學隔振技術(shù)、基于低精度運動測量數(shù)據(jù)粗補償和基于回波數(shù)據(jù)自聚焦技術(shù)精補償?shù)?級運動補償法。并通過在點目標仿真成像結(jié)果中加入噴氣式飛機隨機振動誤差，進行仿真驗證，補償結(jié)果驗證了該方案的有效性。

2 ViSAR系統(tǒng)參數(shù)設計

根據(jù)美國DAPRA論證，在SAR圖像中，能夠精確區(qū)分地面移動部隊、車輛，甚至單人移動目標所需的距離向及方位向分辨率δa均需達到0.2 m。 ViSAR主要探測跟蹤對象是小型機動目標，其速度范圍為1～10 m/s，橫向加速度范圍是0.98～9.8 m/s2。成像系統(tǒng)在滿足分辨率為0.2 m的條件下，采用視頻圖像技術(shù)要實現(xiàn)對最小速度為1 m/s的目標進行檢測跟蹤，成像幀率應不低于5 Hz。假設目標與雷達斜距為R0，平臺飛行速度為v以及方位向分辨率為，系統(tǒng)工作頻率fc與成像幀率Fr的關(guān)系為為實現(xiàn)5 Hz的成像幀率，當雷達與目標之間的斜距為5 km，載機飛行速度為100 m/s，方位向分辨率為0.2 m時，在幀率Fr=5 Hz的要求下，系統(tǒng)工作頻率至少應為fc=187.5 GHz。因此，要完成ViSAR系統(tǒng)對地面移動目標的跟蹤監(jiān)測，雷達系統(tǒng)工作頻率需在187.5 GHz以上。

而水蒸氣和氧氣對太赫茲波衰減影響比較嚴重，極化分子與入射波作用會產(chǎn)生強烈吸收，同時空中的水分凝結(jié)物(如雨、霧、雷、霜、云等)會引起附加的衰減。大氣中水分對毫米波與太赫茲頻段電磁波的衰減，最嚴重的可達到100 dB/km以上[13,14]。在高于187.5 GHz頻段，國際公認的大氣衰減窗口主要為220 GHz, 340 GHz, 420 GHz, 580 GHz, 670 GHz等。圖1為夏季中緯地區(qū)標準天氣狀況下的地表大氣衰減曲線，此時大氣基本參數(shù)為：溫度295 K，大氣壓1013 hpa，濕度74%。

從圖1可以看出，可選擇大氣衰減相對較小的220 GHz或340 GHz窗口作為ViSAR系統(tǒng)的工作頻段。通過進一步定量地比較這兩個頻率窗口的大氣吸收特性，可知 340 GHz處的大氣衰減要比220 GHz處嚴重得多，在濕度80%的大霧天氣下，二者大氣衰減分別達到15 dB/km和10 dB/km。因此，從大氣衰減角度來說，選擇220 GHz作為ViSAR系統(tǒng)的工作頻率是合理的。

當ViSAR系統(tǒng)工作在正側(cè)視條帶模式下時，ViSAR系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

圖1 夏季中緯地區(qū)標準天氣狀況下的地表大氣衰減曲線Fig. 1 Surface atmospheric attenuation curve in summer midlatitude regions under standard weather condition

表1 ViSAR系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab. 1 Simulation parameters of ViSAR

然而，工作在太赫茲頻段的ViSAR相比微波SAR而言，波長較短，使其具有短時間獲得高幀速高分辨率圖像的可能性，但與之相對應，載機平臺的微小振動都會引起信號相位的顯著變化，而這種微小振動可能無法通過現(xiàn)有的運動傳感器測得，但仍會導致成像結(jié)果失焦，這給ViSAR成像處理帶來許多困難。

3 正弦運動誤差理論推導與定量分析

本文通過建立正弦運動誤差模型，推導出振動誤差對3個方向上產(chǎn)生的回波相位誤差及對成像質(zhì)量的影響[16]，并定量分析振動誤差幅度閾值與振動頻率的關(guān)系，確定運動補償精度。若平臺微小振動誤差幅度小于理論誤差閾值，可認為對成像并無影響。

以條帶模式正側(cè)視ViSAR為例進行分析，其簡單幾何運動模型如圖2所示，其中理想運動路線為沿平行于X軸方向勻速移動，而曲線代表實際運動路線。理想單點目標回波信號為

圖2 ViSAR 運動幾何模型圖Fig. 2 ViSAR motion geometry model

式中t為距離向快時間，tm為方位向慢時間，第1項為包絡延時項，ar為其包絡幅度，第2項為距離向線性調(diào)頻信號，Kr為線性調(diào)頻信號調(diào)頻率，R(tm)為目標斜距，c為光速，第3項為多普勒頻移產(chǎn)生的方位向相位，λ為載波波長。

實際航跡可表示為[X(tm),Y(tm),Z(tm)]，而理想航跡可表示為[Vtm,0,H],H為雷達飛行高度，兩種航跡的坐標差即為位置的3個誤差分量，可表示為ΔX=X(tm)-Vtm, ΔY=Y(tm), ΔZ=Z(tm)-H。為分析方便，假設其中一點目標位置坐標為Pn(0,Yn,0)，此時實際雷達天線相位中心(AntennaPhase Center, APC)到Pn點的距離為

其中，低頻振動主要造成2次相位畸變，分辨率下降。高頻振動主要造成旁瓣電平升高，積分旁瓣比也隨之增大。中頻振動則比較復雜，除考慮主瓣展寬外，主瓣偏移及旁瓣增大也必須考慮。

(1) 正弦低頻振動

由于低頻振動主要造成2次相位誤差，可將式(4)展成泰勒級數(shù)為

(2) 正弦中頻振動

中頻振動影響比較復雜，既需考慮1次相位誤差，又要考慮2次相位誤差。此時將式(4)展成勒讓德多項式為

利用勒讓德多項式正交性，經(jīng)過化簡可得

若從1次相位誤差出發(fā)來考慮對誤差振動幅度的要求，假設偏移值的最大允許值為Δxm，則對幅度限制為

(3) 正弦高頻振動

高頻振動主要造成旁瓣電平增大，按照成對回波理論[16]，其ISLR可表示為

同理可進行Y軸方向上有關(guān)正弦誤差的推導。如表2所示為最終正弦誤差Y方向和Z方向理論推導結(jié)果。X方向相位誤差為可通過仿真手段進行分析。

由以上分析可知，經(jīng)運動補償后滿足成像質(zhì)量指標要求時，若剩余相位誤差在可容忍范圍內(nèi)，即剩余運動誤差小于表2所示的誤差閾值，則認為滿足運動補償精度要求。根據(jù)成像質(zhì)量參數(shù)要求，利用仿真手段分析平臺振動頻率與對應誤差幅度閾值的關(guān)系。為與微波段SAR進行比較，本文選取載頻為22 GH，帶寬為1 GHz，天線口徑為0.2 m的毫米波SAR系統(tǒng)為對照組，其雷達飛行高度，雷達飛行速度均與ViSAR系統(tǒng)一致，ViSAR系統(tǒng)合成孔徑時間約為0.078 s，該對照系統(tǒng)合成孔徑時間約為0.78 s。以主瓣展寬不超過4%，ISLR不超過-18 dB, PSLR不超過-20 dB為成像質(zhì)量參數(shù)要求進行仿真。最終得到3個方向上正弦誤差振動頻率與誤差幅度閾值之間的關(guān)系如圖3所示。

如圖3(a)所示，雷達載頻為220 GHz時，X軸方向上振動頻率較低時，1次相位誤差對成像影響最大，若限定1次相位誤差偏離不超過1個方位向分辨單元，振動頻率小于12 Hz時X軸正弦誤差幅度閾值為0.3 m左右，此時載機微小振動誤差幅度遠小于0.3 m，可認為對ViSAR成像結(jié)果影響不大。如圖3(b)和圖3(c)所示，由表3可知，在載頻為220 GHz時，當振動頻率小于18 Hz時，ViSAR可容忍的誤差幅度閾值與合成孔徑時間成反比，此時ViSAR系統(tǒng)比同等方位向分辨率微波段SAR補償難度更小，若振動頻率超過18 Hz時，此時可容忍誤差幅度閾值僅與波長成正比，其誤差閾值在微米級，運動補償精度要求很高。若載機振動誤差幅度超過閾值，可導致ViSAR圖像散焦。由此得出結(jié)論，較同等分辨率微波段SAR而言，在X軸方向上平臺微小振動對ViSAR成像結(jié)果影響很小，而Y軸方向和Z軸方向上振動頻率較低時更易補償，振動頻率較高時誤差補償難度加大，因此高頻振動誤差補償技術(shù)是實現(xiàn)ViSAR系統(tǒng)運動補償?shù)碾y點。

表2 ViSAR成像對振動誤差的要求Tab. 2 Requirements for motion errors of ViSAR imaging

圖3 不同頻段SAR正弦運動誤差振動頻率與振動誤差閾值的關(guān)系Fig. 3 Relationship between sinusoidal motion error frequency and threshold in different bands of SAR

表3 國內(nèi)外GPS/INS定位精度調(diào)研Tab. 3 Research of domestic and overseas positioning accuracy of GPS/INS

4 運動補償方案研究

束寬度Δθ僅為0.39°，如果載機在視線方向產(chǎn)生ΔR的誤差，在波束μ邊緣處所引起的相位誤差是而在波束中心則引起相位誤差為由計算可得二者相位誤差值僅相差0.01 rad，因此可忽略誤差方位向空變性[18]。以微波段高分辨率SAR和激光SAR補償方法為參考[19-21]，本文提出了一種ViSAR運動補償方案，即結(jié)合運動傳感器測量數(shù)據(jù)補償技術(shù)、光學隔振平臺隔振技術(shù)和回波數(shù)據(jù)自聚焦補償于一體的3級運動補償法。通過光學隔以ΔR值為0.2 m為例，

根據(jù)以上分析可知與高分辨率微波段SAR相比，除高頻振動補償難度較大外，其余補償精度要求均與微波段SAR相當甚至要求更低，但微小的高頻振動將導致成像結(jié)果完全失焦，因此高頻振動補償是ViSAR運動補償?shù)闹刂兄亍４送饪紤]到誤差空變性問題，由于ViSAR測繪帶較窄，可借鑒微波SAR解決距離向空變性方法，采用距離向劃分子帶或兩步運動補償技術(shù)和成像算法結(jié)合可有效補償距離向運動誤差空變問題[17]，而由于ViSAR方位向波振平臺隔振技術(shù)，初步抑制平臺微小振動(第1級)；再通過基于GPS/INS數(shù)據(jù)的粗補償(第2級)，消除回波包絡誤差和部分相位誤差；同時在成像處理中采用條帶相位梯度自聚焦( Strip Map Phase Gradient Autofocus, SPGA)方法來進一步抑制振動影響的精補償[22](第3級)，盡可能消除殘余相位誤差，最終可達到ViSAR系統(tǒng)所要求的補償精度。

圖4為ViSAR運動補償流程圖。其中基于運動傳感器的機載SAR的運動補償，是指利用載機多種運動傳感器來測量載機平臺的各種運動狀態(tài)的數(shù)據(jù)，從而計算出運動平臺的運動誤差并且將運動誤差造成的影響從雷達數(shù)據(jù)中消除。由于GPS/INS具有數(shù)據(jù)率低、長期穩(wěn)定性好的特點，而天線相位中心處的低成本傳感器則有數(shù)據(jù)率高、精度漂移嚴重的特點，數(shù)據(jù)融合后可以對天線相位中心處的運動狀態(tài)進行高速率的精確測量，并具有長期的穩(wěn)定性。但通常情況下由于慣導精度及數(shù)據(jù)率的限制，通過慣導得到的位移仍不夠精確，因此只能作為粗補償。如表3所示為國內(nèi)外GPS/INS系統(tǒng)定位精度調(diào)研，由表3可知目前無法通過GPS/INS系統(tǒng)測得毫米級振動誤差。

圖4 ViSAR運動補償流程圖Fig. 4 Flow diagram of ViSAR motion compensation

針對高頻微小振動，可利用隔振技術(shù)，即在振動源和待隔振系統(tǒng)之間的振動傳輸通道上加裝彈性元件，用以減少振動從振動源傳輸?shù)酱粽裣到y(tǒng)的能量。隔振大致分為被動隔振、主動隔振和主/被動混合隔振兩類。被動隔振是在振動傳播途徑中加入被動元件，如彈簧，橡膠，空氣彈簧等，以減小傳遞到接收結(jié)構(gòu)的振動強度；主動隔振是在被動隔振的基礎上，并聯(lián)能產(chǎn)生滿足一定要求的作動器，或者用作動器代替被動隔振裝置的部分或全部元件，通過適當控制作動器的運動，達到減振的目的，適用于超低頻隔振。針對ViSAR運動補償需求，應選擇被動隔振技術(shù)。

美國Minus K公司研制的BM-10光學隔振平臺，采用被動隔振技術(shù)，載荷范圍為14～25 kg，隔振效果通常比高性能空氣系統(tǒng)高出10～100倍，在納米技術(shù)、半導體、材料研究、光學實驗等領(lǐng)域有重要應用。該平臺在振動頻率為2 Hz時可對振動強度達到93%的隔振效率，5 Hz時隔振效率為99%，10 Hz以上時可達到99.9 %的隔振效率，如圖5所示為BM-10平臺隔振效果圖。

超過10 Hz以上的高頻微小振動可通過光學隔振技術(shù)進行隔振，有效降低平臺振動對ViSAR成像的影響，實現(xiàn)圖像一定程度上的聚焦。

為實現(xiàn)ViSAR所需的高補償精度，基于回波數(shù)據(jù)的自聚焦算法起著至關(guān)重要的作用，它有效地彌補了運動補償之后的殘余誤差以及其它各種因素造成的相位誤差，相位誤差估計的精度依賴于具體的成像場景及采用的自聚焦方法，現(xiàn)有的自聚焦方法包括子孔徑相關(guān)法(MD)、多子孔徑相關(guān)法(MAM)、相位差法(PD)和相位梯度自聚焦算法(PGA)等。這些算法都是從相位誤差函數(shù)出發(fā)，目的是得到對相位誤差的準確估計，其中MD算法把整個孔徑分割成兩個子孔徑，根據(jù)子圖像之間的互相關(guān)結(jié)果估計相位誤差，但只能估計2次相位誤差，往往不能適應高分辨成像的要求。改進的多子孔徑相關(guān)算法(MAM)原理上能估計高階相位誤差，但由于子孔徑過短使估計結(jié)果偏差更大，而ViSAR由于幀速的需求，子孔徑僅為幾米，因此無法采用這種方法。而PGA算法利用了相位誤差的冗余性，通過對相位誤差的導數(shù)進行估計來完成對相位誤差的估計和補償，從復圖像域出發(fā)，將散焦的圖像聚焦，圓周移位和對圖像域數(shù)據(jù)加窗，最終完成相位梯度估計并實現(xiàn)補償。針對條帶模式ViSAR系統(tǒng)，最終可采用條帶相位梯度自聚焦算法(SPGA)進行精補償。

5 ViSAR成像結(jié)果仿真研究

為驗證該運動補償方案的有效性，通過在ViSAR系統(tǒng)點目標仿真數(shù)據(jù)中加入實際飛機振動誤差，考慮其對成像結(jié)果的影響。振動環(huán)境誤差主要可分為螺旋槳飛機、噴氣式飛機和直升機3種，分別截取各類實測載機高頻振動(大于10 Hz)誤差軌跡如圖6所示。

圖5 BM-10隔振效果圖(縱向)Fig. 5 BM-10 isolation effect drawing (vertical)

由圖6可知螺旋槳飛機振動幅度最小，直升機振動幅度已達到分米級，因此最好選擇螺旋槳飛機或噴氣式飛機作為ViSAR載機平臺。以斜距方向上加入噴氣式飛機振動誤差為例，其微小振動誤差將導致ViSAR系統(tǒng)成像結(jié)果完全失焦，如圖8所示。圖7為未加誤差前的ViSAR成像結(jié)果圖。

通過逐步仿真可知，當光學隔振平臺對振動強度的隔振效率達到99%后即可實現(xiàn)聚焦，隔振后成像結(jié)果如圖9所示，此時存在輕微散焦，積分旁瓣比較高，需要進一步精細補償來提高圖像對比度。利用SPGA算法迭代6次后，其特顯點的成像參數(shù)如表4所示，結(jié)果表明經(jīng)過該運動補償方案補償后成像結(jié)果已符合ViSAR成像要求，成像結(jié)果如圖10所示。

6 結(jié)論

圖6 載機隨機振動誤差軌跡Fig. 6 Random vibration trajectories of different aircrafts

圖7 未加振動誤差前ViSAR成像結(jié)果圖Fig. 7 ViSAR imaging result without vibration error

圖8 加振動誤差后ViSAR成像結(jié)果圖Fig. 8 ViSAR imaging result with vibration error

表4 補償后ViSAR成像結(jié)果參數(shù)Tab. 4 Imaging result parameters of ViSAR after compensation

本文根據(jù)ViSAR系統(tǒng)參數(shù)及成像指標定量分析了ViSAR可容忍的剩余振動誤差閾值與振動頻率的關(guān)系。分析表明相比同等分辨率微波段SAR，平臺在載機飛行方向的振動和在Y方向和Z方向的低頻振動對成像結(jié)果影響較小，而在Y方向和Z方向的高頻振動對成像結(jié)果影響較大，要求補償精度較高。根據(jù)誤差理論定量分析，提出結(jié)合光學隔振技術(shù)、基于運動測量數(shù)據(jù)粗補償和基于回波數(shù)據(jù)自聚焦技術(shù)的3級ViSAR運動補償方案，并通過在仿真中加入實際載機平臺振動誤差后進行補償方案驗證，結(jié)果表明了該補償方案的有效性，本文為進一步ViSAR系統(tǒng)的設計和數(shù)據(jù)處理提供了理論基礎和實施方案研究。

圖9 隔振99%后ViSAR成像結(jié)果圖Fig. 9 ViSAR imaging result by 99% vibration isolation

圖10 隔振加SPGA補償后成像結(jié)果圖Fig. 10 ViSAR imaging result by vibration isolation and SPGA

[1]楊建宇. 雷達技術(shù)發(fā)展規(guī)律和宏觀趨勢分析[J]. 雷達學報, 2012, 1(1): 19-27. Yang Jian-yu. Development laws and macro trends analysis of radar technology[J].Journal of Radars, 2012, 1(1): 19-27.

[2]Cristallini D, Pastina D, Colone F,et al.. Efficient detection and imaging of moving targets in SAR images based on chirp scaling[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2013, 51(4): 2403-2416.

[3]Chen Z, Deng T, Gao L,et al.. A novel spatial-temporal detection method of dim infrared moving small target[J].Infrared Physics&Technology, 2014, 66: 84-96.

[4]Dong Xia-bin, Huang Xin-sheng, and Zheng Yong-bin. A novel infrared small moving target detection method based on tracking interest points under complicated background[J].Infrared Physics&Technology, 2014, 65: 36-42.

[5]Sjogren T K, Vu V, Pettersson M I,et al.. Suppression of clutter in multichannel SAR GMTI[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2014, 52(7): 4005-4013.

[6]Brenner A R and Ender J H G. Demonstration of advanced reconnaissance techniques with the airborne SAR/GMTI sensor PAMIR[J].IEE Proceedings-Radar, Sonar and Navigation,2006, 153(2): 152-162.

[7]Liu Zhi-wei, Su Ke, Gary E,et al.. Video-rate terahertz interferometric and synthetic aperture imaging[J].AppliedOptics, 2009, 48(19): 3788-3794.

[8]Linnehan R, Miller J, Bishop E,et al.. An autofocus technique for video-SAR[J].SPIE, 2013, 8746: 874608-1-874608-10.

[9]Xing Meng-dao, Jiang Xiu-wei, Wu Ren-biao,et al.. Motion compensation for UAV SAR based on raw radar data[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2009, 47(8): 2870-2883.

[10]Zhu Dai-yin, Jiang Rui, Mao Xin-hua,et al.. Multisubaperture PGA for SAR auto-focusing[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2013, 49(1): 468-488.

[11]沈斌. THz頻段SAR成像及微多普勒目標檢測與分離技術(shù)研究[D].[碩士論文], 電子科技大學, 2008: 27-35. Shen Bin. SAR imaging and micro-Doppler target detection and separation technology research[D].[Master dissertation], University of Electronic Science and Technology, 2008: 27-35.

[12]中國人民解放軍總裝備部. GJB 150.16-186國家軍用標準-環(huán)境[S]. 國防科工委軍標出版發(fā)行部, 1992. PLA General Armament Department. GJB150.16-186 national military standards environment[S]. National Defense Military Standard Publishing Department, 1992.

[13]Yang Y, Shutler A, and Grischkowsky D. Measurement of the transmission of the atmosphere from 0.2 to 2 THz[J].Optics Express, 2011, 19(9): 8830-8838.

[14]Krupnov A, Golubiatnikov G, Markov V,et al.. Pressure broadening of the rotational line of oxygen at 425 GHz[J].Journal of Molecular Spectroscopy, 2002, 215(2): 309-311.

[15]林華. 無人機載太赫茲合成孔徑雷達成像分析與仿真[J]. 信息與電子工程, 2010, 8(4): 373-377. Lin Hua. Analysis and simulation of UAV terahertz wave synthetic aperture radar imaging[J].Information and Electronic Engineering, 2010, 8(4): 373-377.

[16]張澄波. 綜合孔徑雷達-原理、系統(tǒng)分析與應用[M]. 北京: 科學出版社, 1989: 48-51, 209-323. Zhang Cheng-bo. Synthetic Aperture Radar-Principle, System Analysis and Applications[M]. Beijing: Sciences Publisher, 1989: 48-51, 209-323.

[17]Fornaro G. Trajectory deviations in airborne SAR: analysis and compensation[J].IEEE Transations on Aerospace and Electronic Systems, 1999, 35(3): 997-1009.

[18]譚鴿偉, 鄧云凱. 機載SAR的運動誤差的二維空變性及其補償[J]. 電子與信息學報, 2009, 31(2): 366-369. Tan Ge-wei and Deng Yun-kai. The two-dimensional spatial-variant properties of airborne SAR motion error and its compensation[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2009, 31(2): 366-369.

[19]馬萌, 李道京, 杜劍波. 振動條件下機載合成孔徑激光雷達成像處理[J]. 雷達學報, 2014, 3(5): 591-602. Ma Meng, Li Dao-jing, and Du Jian-bo. Imaging of airborne synthetic aperture ladar under platform vibration condition[J].Journal of Radars, 2014, 3(5): 591-602.

[20]李增局, 吳謹, 劉國國. 振動影響機載合成孔徑激光雷達成像初步研究[J]. 光學學報, 2010, 30(4): 995-1001. Li Zeng-ju, Wu Jin, and Liu Guo-guo. Preliminary investigation on airborne SAL imaging with platform vibration[J].Acta Optica Sinica, 2010, 30(4): 995-1001.

[21]張雙喜, 孫光才, 周峰, 等. 一種基于子孔徑自聚焦的高頻運動誤差估計和補償方法[J]. 電子與信息學報, 2010, 32(12): 3013-3017. Zhang Shuang-xi, Sun Guang-cai, Zhou Feng,et al.. A method of based on sub-aperture autofocus to estimate the high-frequency motion error and compensation[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2010, 32(12): 3013-3017.

[22]孟大地, 丁赤飚. 一種用于條帶式SAR的自聚焦算法[J]. 電子與信息學報, 2005, 27(9): 1349-1352. Meng Da-di and Ding Chi-biao. A new approach to autofocus consideringstrip map SAR [J].Journal of Electronics&Information Technology, 2005, 27(9): 1349-1352.

趙雨露(1991-)， 女，安徽六安人，中國科學院電子學研究所在讀碩士生，研究方向為太赫茲合成孔徑雷達運動補償。

E-mail: fangxuanxing@163.com

張群英(1972-)，女，陜西禮泉人，中國科學院電子學研究所研究員，博士生導師，主要研究方向為微波探測技術(shù)領(lǐng)域的新方法新技術(shù)及新應用研究、微波成像信號處理與成像方法研究。

E-mail: qyzhang@mail.ie.ac.cn

李 超(1976-)，男，浙江臺州人，中國科學院電子學研究所副研究員，主要研究方向為太赫茲成像技術(shù)、微波/太赫茲波段的左手材料設計和計算電磁學等。

E-mail: lichao@mail.ie.ac.cn

Vibration Error Analysis and Motion Compensation of Video Synthetic Aperture Radar

Zhao Yu-lu①②Zhang Qun-ying①Li Chao①Ji Yi-cai①Fang Guang-you①

①(Key Laboratory of Electromagnetic Radiation and Detection Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,China)

②(Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,China)

Video Synthetic Aperture Radar (ViSAR) system offers high imaging frame rate, and high resolution, and it is consequently used to investigate and locate near-moving targets. Compared with microwave SAR, the practical application of ViSAR is restricted by motion compensation caused by short wavelength. Even slight platform vibrations cause significant variations in the phase of echo signal. Thus, it is imperative to analyze the motion compensation and the error of ViSAR. In this study, the results show that imaging is affected less in the direction of flight direction and by low vibration in the direction of the slant range. In contrast, high-frequency vibration in the direction of the slant range requires higher compensation accuracy. Given the particularity of ViSAR's motion compensation, a compensation scheme is designed to achieve high compensation precision. The effectiveness of the scheme is verified by ViSAR imaging simulation experiments.

Synthetic Aperture Radar (SAR); High frame rate; Vibration errors; Motion compensation

TN958

A

2095-283X(2015)02-0230-10

10.12000/JR14153

趙雨露, 張群英, 李超, 等. 視頻合成孔徑雷達振動誤差分析及補償方案研究[J]. 雷達學報, 2015, 4(2): 230-239. http://dx.doi.org/10.12000/JR14153.

Reference format:Zhao Yu-lu, Zhang Qun-ying, Li Chao,et al.. Vibration error analysis and motion compensation of video synthetic aperture radar[J].Journal of Radars, 2015, 4(2): 230-239. http://dx.doi.org/ 10.12000/JR14153.

2014-12-12收到，2015-01-23改回；2015-04-21網(wǎng)絡優(yōu)先出版

國家863項目資助課題

*通信作者： 張群英 qyzhang@mail.ie.ac.cn