外輻射源多通道前視SAR接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王承昊 劉飛峰 王戰(zhàn)澤 徐智祥

（1.北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院雷達(dá)技術(shù)研究所，北京 100081；2.衛(wèi)星導(dǎo)航電子信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室（北京理工大學(xué)），北京 100081）

1 引言

外輻射源前視多通道SAR 是一種以非合作照射源作為發(fā)射機(jī)，具有多個位于目標(biāo)場景區(qū)域正前方的接收單元的雙基地SAR 系統(tǒng)。外輻射源前視多通道SAR 與傳統(tǒng)正側(cè)視收發(fā)一體SAR 系統(tǒng)相比，具有構(gòu)型設(shè)計靈活、前視成像幅寬大、目標(biāo)區(qū)域信噪比高、生存能力強(qiáng)、體積小、成本低等顯著優(yōu)勢，能夠快速部署在地面或小型無人機(jī)等輕型載荷上，實現(xiàn)對正前方敏感區(qū)域的有效監(jiān)測，在地面重點(diǎn)目標(biāo)監(jiān)視、物資空投、精確制導(dǎo)打擊等需求下具有重大實用價值。

近年來，國內(nèi)外已開展一系列關(guān)于雙基地SAR系統(tǒng)的研究。日本東京大學(xué)、法國、意大利聯(lián)合研究團(tuán)隊采用對地靜止衛(wèi)星發(fā)射的連續(xù)數(shù)字電視信號作為外輻射源，構(gòu)建地基外輻射源雙基地SAR 系統(tǒng)，可以對100 m以內(nèi)的不同目標(biāo)（如柵欄，燈桿，樹木和汽車）成像［1］。意大利和英國學(xué)者利用導(dǎo)航衛(wèi)星作為外輻射源的多基地SAR 系統(tǒng)，對海面目標(biāo)進(jìn)行檢測和定位［2-4］。Hajar Abedi 等人對外輻射源雙基地SAR 穿墻成像進(jìn)行了研究［5］。歐空局研究團(tuán)隊使用C波段的衛(wèi)星Sentinel作為非合作外輻射源，在地面部署接收機(jī)，進(jìn)行雙基地干涉實驗［6］。

國內(nèi)，北京理工大學(xué)在包頭地區(qū)開展小型無人機(jī)載前視雙基地SAR 實驗，并提出一種改進(jìn)的NCS算法用于實測數(shù)據(jù)處理［7］；以北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星作為外輻射源，地面部署接收機(jī)的方式，開展GNSSBSAR 城區(qū)成像和形變反演實驗［8-15］。電子科技大學(xué)相繼提出了一種雙基地前視SAR 嵌入運(yùn)動參數(shù)估計的FFBP 算法［16］、一種針對高速機(jī)動前視SAR的PFA 算法［17］、一種用于擴(kuò)展空-時雜波抑制的雙基地前視SAR MP-DPCA 方法［18］。西安電子科技大學(xué)提出了一種基于橢圓正交基坐標(biāo)的雙基地前視SAR 的FFBP 算法［19］。中科院提出了一種多基地SAR俯仰多通道強(qiáng)距離向模糊估計和去除方法［20］。

目前國內(nèi)外研發(fā)的大部分雙基地SAR 系統(tǒng)，存在前視成像質(zhì)量低、通道數(shù)少、系統(tǒng)開發(fā)成本高、部署難度大等問題。為了進(jìn)一步發(fā)掘雙基地SAR 系統(tǒng)的應(yīng)用潛力，本文設(shè)計了一種小型化多通道外輻射源前視雙基地SAR 接收機(jī)系統(tǒng)，并完成了系統(tǒng)的整機(jī)集成和調(diào)試工作。第2部分對多通道外輻射源前視雙基地SAR 接收機(jī)系統(tǒng)的組成和各模塊的功能，以及雙基地同步方案進(jìn)行了詳細(xì)闡述。第3 部分展示了輸入頻率步進(jìn)的單頻點(diǎn)信號，系統(tǒng)的測試結(jié)果，同時也獲得了實測轉(zhuǎn)發(fā)器成像結(jié)果，驗證了系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)的正確性與實用性。第4 部分對本文的工作進(jìn)行了總結(jié)。

2 外輻射源多通道前視雙基地SAR 接收機(jī)系統(tǒng)

2.1 外輻射源多通道前視雙基地SAR 接收機(jī)系統(tǒng)組成

外輻射源前視SAR多通道接收機(jī)系統(tǒng)包含4個獨(dú)立的回波通道和一個直達(dá)波通道，可以保證在任意雙基地構(gòu)型下直達(dá)波的有效接收。系統(tǒng)主要包括總控分機(jī)、雙通道數(shù)字分機(jī)、射頻分機(jī)、組合導(dǎo)航分機(jī)、時頻分機(jī)、伺服分機(jī)、二次電源分機(jī)、飛控模塊（地面控制臺）。其組成結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

射頻分機(jī)的主要功能是從天線接收Ku 波段射頻信號，對射頻信號進(jìn)行下變頻處理，將中頻信號傳送至3 個數(shù)字分機(jī)。接收機(jī)系統(tǒng)共有5 個射頻分機(jī)，即5個信號通道，其中4個接收回波信號，1個接收直達(dá)波信號。采集直達(dá)波信號是為了在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)進(jìn)行精確的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)時頻同步處理［21］。

數(shù)字分機(jī)的主要功能有：（1）采集、存儲來自5 個射頻模塊的回波信號和直達(dá)波信號。1 個數(shù)字分機(jī)有2 路AD，其中2 個數(shù)字分機(jī)用于采集、存儲4 路回波信號，1 個數(shù)字分機(jī)采集和存儲1 路直達(dá)波信號，即3 個數(shù)字分機(jī)共采集和存儲5 路信號。（2）伺服分機(jī)控制功能。1 個數(shù)字分機(jī)接收到來自總控分機(jī)的控制指令后，對伺服分機(jī)下發(fā)姿態(tài)控制信息，使伺服分機(jī)指向預(yù)設(shè)的角度。

總控分機(jī)是外輻射源前視SAR 多通道接收機(jī)系統(tǒng)最核心部分，主要功能有：（1）同步時鐘分發(fā)功能?？偪胤謾C(jī)接收來自時頻同步模塊的1 pps 觸發(fā)脈沖和20 MHz 正弦同步工作時鐘，將1 pps 觸發(fā)脈沖分發(fā)至3個數(shù)字分機(jī)，將20 MHz正弦同步信號分發(fā)至3 個數(shù)字分機(jī)和5 個射頻模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)各分機(jī)之間的時頻同步。（2）控制指令分發(fā)功能?？偪胤謾C(jī)接收飛控模塊（地面控制站）發(fā)送的控制指令通過RS422協(xié)議分別發(fā)送至3個數(shù)字分機(jī)，通過SPI協(xié)議發(fā)送至5 個射頻模塊，同時接收3 個數(shù)字分機(jī)和5 個射頻模塊的工作狀態(tài)反饋信息，再將反饋信息傳送回飛控模塊（地面控制站），實現(xiàn)系統(tǒng)控制指令和工作狀態(tài)信息在各個分機(jī)間的傳輸。（3）姿態(tài)信息分發(fā)功能?？偪胤謾C(jī)接收來自慣導(dǎo)模塊（組合導(dǎo)航模塊）的姿態(tài)信息，將姿態(tài)信息傳送至1塊信號處理板，實現(xiàn)系統(tǒng)姿態(tài)信息在各分機(jī)間的傳送。總控分機(jī)與其他分機(jī)的連接簡圖如圖2所示。

伺服分機(jī)的功能是接收來自數(shù)字分機(jī)的姿態(tài)控制指令，調(diào)整天線的俯仰、方位角度，確保接收機(jī)天線波束指向與發(fā)射機(jī)一致，實現(xiàn)波束指向同步。同時將工作狀態(tài)信息反饋至數(shù)字分機(jī)。慣導(dǎo)（組合導(dǎo)航模塊）的功能是定時為系統(tǒng)提供當(dāng)前位置、速度、加速度等運(yùn)動狀態(tài)信息，將運(yùn)動狀態(tài)信息傳輸至總控分機(jī)。飛控（地面控制站）向系統(tǒng)提供配置參數(shù)，包括脈沖寬度、PRT、回波和直達(dá)波起始采樣時間、射頻模塊增益、伺服俯仰角、伺服方位角、距離向采樣點(diǎn)數(shù)、起始頻點(diǎn)等。二次電源向系統(tǒng)各分機(jī)提供使其正常工作的電壓和電流。時頻同步模塊為系統(tǒng)提供同步脈沖和參考時鐘。

對各硬件分機(jī)進(jìn)行整合組裝，外輻射源前視SAR 多通道接收機(jī)系統(tǒng)硬件整機(jī)如圖3所示。各硬件分機(jī)都安裝在吊艙中，吊艙重量約10.4 kg，可部署于小型無人機(jī)上，吊艙與支撐結(jié)構(gòu)固定后，可較為便捷地部署在地面上。

外輻射源前視SAR 多通道接收機(jī)系統(tǒng)整機(jī)集成后，對整機(jī)進(jìn)行調(diào)試，使硬件系統(tǒng)各分機(jī)與飛控（地面控制站）之間協(xié)同工作。調(diào)試環(huán)境如圖4 所示。調(diào)試所需儀器包括示波器和頻譜儀等。

2.2 外輻射源多通道前視雙基地SAR 時頻同步方案

為了增加外場實驗的可控性與便捷性，選定機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)作為外輻射源。機(jī)載雷達(dá)的發(fā)射信號體制一般為脈沖信號，單點(diǎn)目標(biāo)的基帶回波信號的表達(dá)式可建模如下：

其中，Tn為第n個脈沖的實際發(fā)射時刻，Tp為發(fā)射脈寬，τk(n)為第k個目標(biāo)的第n個脈沖的回波延時。當(dāng)考慮系統(tǒng)頻率誤差時，發(fā)射機(jī)第n個脈沖的實際的發(fā)射時刻為Tn，載頻的瞬時頻率誤差為fe(t)，那么有fc(t)=f0+fe(t)，第n個脈沖實際發(fā)射的載波相位為：

其中φ0是發(fā)射機(jī)相參振蕩信號的初始相位。

接收機(jī)實際接收時刻為Tn+τ(n)，本振的瞬時頻率誤差為(t)，那么有(t)=f0+(t)，接收機(jī)進(jìn)行相位檢波時的相位是：

φ0'是接收機(jī)相參振蕩信號的初始相位。

相干檢波提取的相位差為：

其中：

相位誤差只隨慢時間變化：

表達(dá)式中，θ2(n)=-2πf0τ(n)對應(yīng)方位向多普勒相位項，用于進(jìn)行方位向的匹配濾波；θ0=φ0-φ0'對應(yīng)發(fā)射載波信號與接收載波信號初始時刻相位差，不影響成像；θ1(n，Tn+τ(n))對應(yīng)收發(fā)之間頻率同步誤差和時間同步誤差而引入的隨慢時間變化相位誤差，相位誤差的形式有頻率誤差的形式?jīng)Q定，影響最終的成像。如果fe(t)和fe'(t)均為固定值，則慢時間域存在線性相位誤差，造成方位向移位；若fe(t)和fe'(t)隨慢時間成線性變化，則相位上存在二次相位誤差項和線性相位誤差項，造成方位向散焦。fe(t)和fe'(t)的隨機(jī)抖動，則會造成噪聲基底抬高。

以下面的系統(tǒng)參數(shù)為例，給出雙基地SAR 系統(tǒng)對時間同步誤差和頻率同步的要求，并最終轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)對頻率基準(zhǔn)的誤差要求。工作頻率f0=15 GHz，脈沖寬度Tp=3 μs，發(fā)射帶寬B=50 MHz，合成孔徑時間Ta=1.5 s，PRT=100 μs，采樣率fs=160 MHz，發(fā)射機(jī)速度Vt=20 m/s，接收機(jī)靜止，發(fā)射機(jī)作用距離RT=1km，接收機(jī)作用距離Rr=5 km。時間同步誤差要求圖像在距離向上的位移小于一個聚焦深度，雙基地情況下調(diào)頻斜率為：

外輻射源多通道前視雙基地SAR 的時頻同步方案分為粗同步和精同步兩個步驟。粗同步實現(xiàn)方案是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)系統(tǒng)使用同一規(guī)格的時頻同步模塊，通過收發(fā)間高穩(wěn)定相參的1 pps 脈沖維持幀同步信號和PRT 信號的產(chǎn)生，實現(xiàn)時間同步；利用高精度頻率20 MHz 參考信號實現(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)本振、中頻信號的相參和頻率同步。對兩個時頻模塊輸出的20 MHz 信號進(jìn)行了采集，分析單個PRT 內(nèi)兩路信號的相位偏差，結(jié)果如圖5所示。

統(tǒng)計可得，相位偏差標(biāo)準(zhǔn)差為0.0288 rad，對應(yīng)的相對頻率偏差為=2.29e-10＜σ，滿足收發(fā)之間頻率基準(zhǔn)的相對頻率偏差指標(biāo)。通過多次測量，得到頻率誤差系數(shù)隨時間變化的關(guān)系，如下表1所示。

表1 頻率誤差系數(shù)隨時間變化量Tab.1 Change of frequency error coefficient with time

時頻同步模塊隨著工作時間的增加，其精度指標(biāo)有所提高，頻率誤差系數(shù)也即準(zhǔn)確度能達(dá)到1e-11量級，滿足單位時間頻率漂移精度指標(biāo)。時頻同步模塊的1 pps秒脈沖的時間同步精度為±20 ns，滿足時間同步精度指標(biāo)，因此該時頻同步模塊可以用于外輻射源雙基地SAR的粗同步時頻基準(zhǔn)。

同一PRT 內(nèi)，直達(dá)波信號或者轉(zhuǎn)發(fā)器的信號與目標(biāo)場景回波信號的相位同步誤差可以認(rèn)為是一致的，則目標(biāo)場景回波信號的相位同步誤差可以通過提取直達(dá)波或轉(zhuǎn)發(fā)器信號的相位誤差來補(bǔ)償。因此，針對目前雙基地SAR 系統(tǒng)中相位同步誤差隨機(jī)抖動較大的情況，可以利用直達(dá)波信號或在目標(biāo)場景中設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)器來提取隨機(jī)相位同步誤差，從而補(bǔ)償目標(biāo)場景的相位同步誤差，進(jìn)一步提升同步精度。

直達(dá)波可看作是只含單個點(diǎn)目標(biāo)、信噪比非常高的單程回波信號，利用直達(dá)波提取相位同步誤差可以補(bǔ)償場景回波的相位，總體方法是：采集場景回波和直達(dá)波數(shù)據(jù)，對直達(dá)波數(shù)據(jù)進(jìn)行距離向脈沖壓縮，提取直達(dá)波各個PRT 的脈壓峰值點(diǎn)，從而得到各個PRT 的峰值點(diǎn)相位，之后對峰值點(diǎn)相位進(jìn)行擬合，提取出每個PRT 的隨機(jī)相位同步誤差，利用提取的隨機(jī)相位同步誤差對場景回波的相位逐PRT 進(jìn)行補(bǔ)償，從而減小了隨機(jī)相位同步誤差，實現(xiàn)精同步。

3 多通道外輻射源前視SAR 接收機(jī)系統(tǒng)測試及外場實驗結(jié)果

為了驗證多通道外輻射源前視SAR 接收機(jī)系統(tǒng)的實用性，在實驗室環(huán)境下進(jìn)行測試。測試方法如下：使用一臺Ku 波段信號源作為發(fā)射機(jī)，分別輸出多個頻率步進(jìn)的正弦信號，將信號通過射頻線纜饋送至一個喇叭天線，喇叭天線正對接收機(jī)的4 個回波射頻模塊?；夭ㄉ漕l模塊接收到信號后，對信號進(jìn)行放大和下變頻處理，下變頻本振信號由飛控（地面控制站）輸入的參數(shù)控制，輸出信號的中心頻率固定。射頻模塊將中頻信號傳輸至數(shù)字分機(jī)的存儲器。即輸入信號為：

其中，f0是輸入信號起始頻率，Δf為頻率步進(jìn)量，n為輸入的單頻點(diǎn)信號個數(shù)，φ0為輸入信號的初始相位。

輸出信號為：

其中，A為輸出增益，fI為輸出中頻。

讀取存儲器中的數(shù)據(jù)文件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 處理，檢驗數(shù)據(jù)文件是否包含喇叭天線輻射出的正弦信號。五通道的數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖6所示。

通道一和通道五都顯示出頻率步進(jìn)單頻點(diǎn)正弦信號的FFT 譜線，表明系統(tǒng)正確接收到了來自信號源的外輻射信號，系統(tǒng)工作正常，表明系統(tǒng)具有接收大帶寬信號的能力，驗證了系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的正確性。

在連云港海濱城區(qū)開展實測實驗，發(fā)射平臺選用無人機(jī)載非合作發(fā)射機(jī)，接收機(jī)采用上述自主研發(fā)的多通道接收機(jī)原理樣機(jī)。成像場景位于城區(qū)，主要包含了幾個十字路口，一些建筑物，并人工放置了一個轉(zhuǎn)發(fā)器作為強(qiáng)散射點(diǎn)。實驗參數(shù)如下表2所示。

表2 實驗參數(shù)Tab.2 Parameters of the experiment

外場實驗開展方案如下圖7所示。多通道接收機(jī)靜止放置在一座小山頂上，位于目標(biāo)場景的東南方向，距離場景中心的作用距離約5 km。外輻射源發(fā)射機(jī)在目標(biāo)場景的北邊飛行。

四通道合成后的外輻射源前視成像結(jié)果如下圖8所示。從成像結(jié)果可以較為清晰地看到成像場景內(nèi)自然景物的輪廓信息，比如圖像中偏左側(cè)存在一些較強(qiáng)的散射點(diǎn)，是十字路口和一些建筑物形成的，轉(zhuǎn)發(fā)器位于十字路口的左側(cè)邊緣處，是成像場景內(nèi)的最強(qiáng)散射點(diǎn)。轉(zhuǎn)發(fā)器十字路口右側(cè)中間位置還有一個十字路口，右側(cè)有一條道路，與光學(xué)圖像中場景的分布情況能夠?qū)?yīng)上。前視成像結(jié)果的成像幅寬達(dá)到了1 km，體現(xiàn)了多通道體制對于成像幅寬的提升效果。

4 結(jié)論

為了進(jìn)一步拓展雙基地SAR 系統(tǒng)的應(yīng)用潛力，本文設(shè)計了一種小型化的外輻射源多通道前視SAR 接收機(jī)系統(tǒng)，闡述了收發(fā)時頻同步精度指標(biāo)和同步方案，完成了系統(tǒng)集成與測試，開展外輻射源多通道前視雙基地SAR 外場實驗，獲取了多通道合成的實測前視成像結(jié)果，驗證了接收機(jī)系統(tǒng)的實用性。后續(xù)還將開展外輻射源前視多通道SAR 運(yùn)動補(bǔ)償、高分辨成像、抗干擾等方面的研究，進(jìn)一步挖掘該系統(tǒng)的研究價值。