朱耿尚 楊星

摘 要：傳統(tǒng)的定標(biāo)器已不能滿足對(duì)多極化SAR雷達(dá)的標(biāo)定需求，迫切需要采用一種新型的標(biāo)定方法對(duì)多極化SAR雷達(dá)的極化特性及精度進(jìn)行標(biāo)定。該文首先對(duì)極化定標(biāo)器進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)的概述，并對(duì)現(xiàn)有極化定標(biāo)器的局限與不足進(jìn)行了定性分析。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于DRFM的數(shù)字化極化有源定標(biāo)器（Polarimetric Active Radar calibrator，PARC）的設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)備組成、功能與原理進(jìn)行了詳細(xì)論述，為未來(lái)PARC的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：多極化SAR雷達(dá) DRFM 極化有源定標(biāo)器（PARC）

中圖分類號(hào)：TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）05（c）-0025-02

合成孔徑雷達(dá)（SAR）具有高分辨率、寬測(cè)繪成像等優(yōu)勢(shì)，并具有全天時(shí)、全天候等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、林業(yè)、測(cè)繪及軍事偵察等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。隨著SAR系統(tǒng)的不斷開(kāi)發(fā)與完善，SAR系統(tǒng)也由單模式、單極化向多模式、全極化的方向發(fā)展，采集的數(shù)據(jù)也具有多樣性，應(yīng)用范圍和用途也有了急速的擴(kuò)展[1]。由于全極化信息可以完整的解譯地物目標(biāo)的多種物理特征和后向散射特性，且具備垂直分布信息的解譯能力，因此為了使得到的極化數(shù)據(jù)具有可融合性和通用性，極化定標(biāo)成為不可或缺的處理步驟[2-3]。為了獲取真實(shí)的極化信息，多極化SAR 系統(tǒng)必需進(jìn)行極化定標(biāo)，校正天線與收發(fā)通道誤差造成的信號(hào)失真。

1 極化定標(biāo)概述

多極化SAR能夠測(cè)量出完整的散射矩陣，為目標(biāo)區(qū)域提供豐富的雷達(dá)散射信息。多極化SAR定標(biāo)包括串?dāng)_定標(biāo)、通道不平衡定標(biāo)，以及絕對(duì)輻射定標(biāo)等。Whitt等[4]提出了利用點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行極化定標(biāo)的算法，它對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)的性能要求非常低，可選擇的點(diǎn)目標(biāo)范圍非常大，適用性更廣泛，實(shí)驗(yàn)室條件和野外條件下都可以使用。Sarabandi等[5]提出利用分布目標(biāo)進(jìn)行極化合成孔徑雷達(dá)極化定標(biāo)算法，它需要微波散射計(jì)對(duì)分布目標(biāo)的散射特性進(jìn)行測(cè)量，獲取高精度數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。利用3個(gè)已知散射矩陣目標(biāo)的極化定標(biāo)方法，最大的優(yōu)點(diǎn)是可以完全測(cè)量目標(biāo)的散射矩陣，并可適用于任何多極化SAR系統(tǒng)，但這種技術(shù)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的指向和已知目標(biāo)散射矩陣的精度比較敏感。另外，還有利用雜波統(tǒng)計(jì)特性、SAR 系統(tǒng)特性等定標(biāo)方法。實(shí)際應(yīng)用中，選取那種定標(biāo)算法滿足應(yīng)用需求，需要大量的理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)分析。

多極化SAR的定標(biāo)是通過(guò)測(cè)量各種定標(biāo)器的已知散射特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。早期的定標(biāo)體主要為金屬球、多角反射器及金屬平板等無(wú)源定標(biāo)器，，然而采用無(wú)源定標(biāo)器方法來(lái)對(duì)多極化SAR定標(biāo)是存在很多缺陷，其缺陷具體表現(xiàn)為：（1）RCS值比較小，并且很容易受到地雜波的影響。（2）隨著觀測(cè)角度變化，無(wú)源定標(biāo)器的RCS變化很大。（3）需要在測(cè)繪帶擺放大量定標(biāo)器，成本較高，而且布置復(fù)雜[6]。有源定標(biāo)器能夠解決上述問(wèn)題，因此，有源定標(biāo)器逐漸成為當(dāng)前多極化SAR定標(biāo)的研究熱點(diǎn)。

有源極化定標(biāo)技術(shù)是利用PARC系統(tǒng)接收雷達(dá)信號(hào)并經(jīng)驗(yàn)遲等處理后轉(zhuǎn)發(fā)回雷達(dá)接收機(jī)，由于PARC系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的幅度、相位和極化信息是己知的，極化雷達(dá)獲取該轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)井進(jìn)行處理后，即可得到極化雷達(dá)自身的系統(tǒng)誤差矩陣。與無(wú)源校準(zhǔn)技術(shù)相比，有源極化定標(biāo)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）通過(guò)控制轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，能有效抑制地物雜波和氣象雜波等環(huán)境干擾。（2）PARC的收/發(fā)大線增益和系統(tǒng)鏈路增益可使轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)具有較大功率，從而模擬具有較大RCS的目標(biāo)，并能根據(jù)實(shí)際需求靈活改變其數(shù)值。（3）設(shè)計(jì)的PARC大線一般具有較寬的波束寬度，便于遠(yuǎn)距離情形下波束對(duì)準(zhǔn)。（4）若采用數(shù)字轉(zhuǎn)發(fā)模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和多普勒頻移的精確調(diào)制，從而模擬距離和速度可變的目標(biāo)。

2 數(shù)字式極化有源定標(biāo)器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)PARC系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，由一段光纖延遲線連接接收和發(fā)射天線形成物理時(shí)延，PARC系統(tǒng)內(nèi)部包括放大器和帶通濾波器等元器件對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。有源反射器主要具有如下功能。

（1）通過(guò)增益控制，可調(diào)節(jié)雷達(dá)截面積。

（2）通過(guò)脈沖延時(shí)，可改變?cè)摲瓷淦髟诶走_(dá)圖像中距離向的成像位置。

（3）通過(guò)校準(zhǔn)信號(hào)可完成系統(tǒng)的自檢，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的工作。

傳統(tǒng)的有源定標(biāo)器系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)可變的時(shí)延和多普勒調(diào)制，其模擬的極化散射矩陣在每次測(cè)量中也是固定的。

該文擬采用一種基于數(shù)字射頻存儲(chǔ)器（DRFM）的極化有源定標(biāo)器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，組成及原理如圖1所示?；贒RFM的PARC系統(tǒng)具有采集、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)等功能，可獨(dú)立工作于3種基本模式：信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)模式、發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模式以及接收機(jī)模式。

為提高系統(tǒng)極化隔離度，擬采用雙接收天線、雙發(fā)射天線方案。系統(tǒng)框圖如圖2所示，系統(tǒng)采用兩個(gè)接收天線，兩個(gè)發(fā)射天線，天線為單極化天線，分別為H極化和V極化，天線之間放置極化隔離板提高天線極化隔離度。

系統(tǒng)共3個(gè)接收通道，包括兩個(gè)極化接收通道和一個(gè)單極化寬帶接收通道，另外在射頻發(fā)射單元含有兩個(gè)發(fā)射通道，為水平極化發(fā)射通道和垂直極化發(fā)射通道，兩個(gè)發(fā)射通道采用定向耦合器進(jìn)行耦合，以實(shí)現(xiàn)極化通道轉(zhuǎn)換功能。通過(guò)切換通道開(kāi)關(guān)再輔以高速信號(hào)處理單元的功能，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)有源轉(zhuǎn)發(fā)、自主發(fā)射、信號(hào)接收以及自校正的功能。

當(dāng)有源定標(biāo)器工作在有源轉(zhuǎn)發(fā)模式時(shí)，根據(jù)任務(wù)要求，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)為寬帶信號(hào)時(shí)，開(kāi)關(guān)2和開(kāi)關(guān)4閉合，通過(guò)雙向開(kāi)關(guān)控制，信號(hào)經(jīng)天線接收、濾波后進(jìn)入寬帶接收通道進(jìn)行濾波、下變頻、增益控制和AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)入高速數(shù)字處理分機(jī)，通過(guò)DRFM對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行保存后延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)。發(fā)射信號(hào)依次經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換進(jìn)入發(fā)射通道進(jìn)行發(fā)射；當(dāng)工作模式為極化定標(biāo)模式時(shí)，信號(hào)通過(guò)單極化天線接收后送往2個(gè)極化接收通道，通過(guò)A/D形成數(shù)字信號(hào)送入數(shù)字處理分機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A 后送入極化發(fā)射通道進(jìn)行增益控制、上變頻、濾波處理后，根據(jù)任務(wù)要求信號(hào)通過(guò)定向耦合器送入相應(yīng)單極化天線進(jìn)行發(fā)射完成極化散射矩陣系數(shù)的確定。

當(dāng)有源定標(biāo)器在接收機(jī)模式時(shí)，根據(jù)任務(wù)要求，發(fā)射通道開(kāi)關(guān)關(guān)閉，根據(jù)接收信號(hào)的不同進(jìn)行接收通道開(kāi)關(guān)切換，信號(hào)通過(guò)天線的接收進(jìn)入相應(yīng)的接收通道，在接收通道內(nèi)進(jìn)行濾波、下變頻、增益控制等處理，通過(guò)A/D后數(shù)字信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理分機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集及存儲(chǔ)。

當(dāng)有源定標(biāo)器在自主發(fā)射模式時(shí)，根據(jù)任務(wù)要求，接收通道開(kāi)關(guān)關(guān)閉。信號(hào)處理分機(jī)產(chǎn)生數(shù)字波形，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后送入發(fā)射通道，發(fā)射通道內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、增益控制處理后送入天線進(jìn)行微波發(fā)射。可控衰減器和放大器對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的極化定標(biāo)技術(shù)在實(shí)際場(chǎng)景中遇到了新的難題，因此有必要擴(kuò)展思路，研究新體制多極化SAR的有源定標(biāo)理論和技術(shù)，以滿足多極化SAR雷達(dá)理論和系統(tǒng)不斷發(fā)展的需求。PARC的設(shè)計(jì)是一個(gè)同時(shí)具有很強(qiáng)科學(xué)性和工程性的課題，涉及雷達(dá)系統(tǒng)硬件、信號(hào)處理、天線設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理等多個(gè)方面，對(duì)提高SAR雷達(dá)對(duì)極化信息的獲取能力具有十分重要的意義。

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