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(shí)驗(yàn)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(gè)位于目標(biāo)場(chǎng)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(jì)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(shì)，能夠快速部署在地面或小型無(wú)人機(jī)等輕型載荷上，實(shí)現(xiàn)對(duì)正前方敏感區(qū)域的有效監(jiān)測(cè)，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(shí)用價(jià)值。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)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(guó)、意大利聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)采用對(duì)地靜止衛(wèi)星發(fā)射的連續(xù)數(shù)字電視信號(hào)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(duì)100 m以內(nèi)的不同目標(biāo)（如柵欄，燈桿，樹(shù)木和汽車(chē)）成像［1］。意大利和英國(guó)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(duì)海面目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和定位［2-4］。Hajar Abedi 等人對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)［6］。

國(guó)內(nèi)，北京理工大學(xué)在包頭地區(qū)開(kāi)展小型無(wú)人機(jī)載前視雙基地SAR 實(shí)驗(yàn)，并提出一種改進(jìn)的NCS算法用于實(shí)測(cè)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(kāi)展GNSSBSAR 城區(qū)成像和形變反演實(shí)驗(yàn)［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(dòng)參數(shù)估計(jì)的FFBP 算法［16］、一種針對(duì)高速機(jī)動(dòng)前視SAR的PFA 算法［17］、一種用于擴(kuò)展空-時(shí)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(jì)和去除方法［20］。

目前國(guó)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(kāi)發(fā)成本高、部署難度大等問(wèn)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(jì)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(duì)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(hào)，系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，同時(shí)也獲得了實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)器成像結(jié)果，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的正確性與實(shí)用性。第4 部分對(duì)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(gè)獨(dú)立的回波通道和一個(gè)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(shí)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(tái)）。其組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)，對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻處理，將中頻信號(hào)傳送至3 個(gè)數(shù)字分機(jī)。接收機(jī)系統(tǒng)共有5 個(gè)射頻分機(jī)，即5個(gè)信號(hào)通道，其中4個(gè)接收回波信號(hào)，1個(gè)接收直達(dá)波信號(hào)。采集直達(dá)波信號(hào)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(shí)頻同步處理［21］。

數(shù)字分機(jī)的主要功能有：（1）采集、存儲(chǔ)來(lái)自5 個(gè)射頻模塊的回波信號(hào)和直達(dá)波信號(hào)。1 個(gè)數(shù)字分機(jī)有2 路AD，其中2 個(gè)數(shù)字分機(jī)用于采集、存儲(chǔ)4 路回波信號(hào)，1 個(gè)數(shù)字分機(jī)采集和存儲(chǔ)1 路直達(dá)波信號(hào)，即3 個(gè)數(shù)字分機(jī)共采集和存儲(chǔ)5 路信號(hào)。（2）伺服分機(jī)控制功能。1 個(gè)數(shù)字分機(jī)接收到來(lái)自總控分機(jī)的控制指令后，對(duì)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(shí)鐘分發(fā)功能?？偪胤謾C(jī)接收來(lái)自時(shí)頻同步模塊的1 pps 觸發(fā)脈沖和20 MHz 正弦同步工作時(shí)鐘，將1 pps 觸發(fā)脈沖分發(fā)至3個(gè)數(shù)字分機(jī)，將20 MHz正弦同步信號(hào)分發(fā)至3 個(gè)數(shù)字分機(jī)和5 個(gè)射頻模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各分機(jī)之間的時(shí)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(guò)RS422協(xié)議分別發(fā)送至3個(gè)數(shù)字分機(jī)，通過(guò)SPI協(xié)議發(fā)送至5 個(gè)射頻模塊，同時(shí)接收3 個(gè)數(shù)字分機(jī)和5 個(gè)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制指令和工作狀態(tài)信息在各個(gè)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(lái)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(hào)處理板，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)姿態(tài)信息在各分機(jī)間的傳送?？偪胤謾C(jī)與其他分機(jī)的連接簡(jiǎn)圖如圖2所示。

伺服分機(jī)的功能是接收來(lái)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(shí)現(xiàn)波束指向同步。同時(shí)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(shí)為系統(tǒng)提供當(dāng)前位置、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，將運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)頻同步模塊為系統(tǒng)提供同步脈沖和參考時(shí)鐘。

對(duì)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(wú)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(duì)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(shí)頻同步方案

為了增加外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(hào)體制一般為脈沖信號(hào)，單點(diǎn)目標(biāo)的基帶回波信號(hào)的表達(dá)式可建模如下：

其中，Tn為第n個(gè)脈沖的實(shí)際發(fā)射時(shí)刻，Tp為發(fā)射脈寬，τk(n)為第k個(gè)目標(biāo)的第n個(gè)脈沖的回波延時(shí)。當(dāng)考慮系統(tǒng)頻率誤差時(shí)，發(fā)射機(jī)第n個(gè)脈沖的實(shí)際的發(fā)射時(shí)刻為T(mén)n，載頻的瞬時(shí)頻率誤差為fe(t)，那么有fc(t)=f0+fe(t)，第n個(gè)脈沖實(shí)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(hào)的初始相位。

接收機(jī)實(shí)際接收時(shí)刻為T(mén)n+τ(n)，本振的瞬時(shí)頻率誤差為(t)，那么有(t)=f0+(t)，接收機(jī)進(jìn)行相位檢波時(shí)的相位是：

φ0'是接收機(jī)相參振蕩信號(hào)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(shí)間變化：

表達(dá)式中，θ2(n)=-2πf0τ(n)對(duì)應(yīng)方位向多普勒相位項(xiàng)，用于進(jìn)行方位向的匹配濾波；θ0=φ0-φ0'對(duì)應(yīng)發(fā)射載波信號(hào)與接收載波信號(hào)初始時(shí)刻相位差，不影響成像；θ1(n，Tn+τ(n))對(duì)應(yīng)收發(fā)之間頻率同步誤差和時(shí)間同步誤差而引入的隨慢時(shí)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(shí)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(shí)間成線性變化，則相位上存在二次相位誤差項(xiàng)和線性相位誤差項(xiàng)，造成方位向散焦。fe(t)和fe'(t)的隨機(jī)抖動(dòng)，則會(huì)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(duì)時(shí)間同步誤差和頻率同步的要求，并最終轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(shí)間同步誤差要求圖像在距離向上的位移小于一個(gè)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(shí)頻同步方案分為粗同步和精同步兩個(gè)步驟。粗同步實(shí)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(shí)頻同步模塊，通過(guò)收發(fā)間高穩(wěn)定相參的1 pps 脈沖維持幀同步信號(hào)和PRT 信號(hào)的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步；利用高精度頻率20 MHz 參考信號(hào)實(shí)現(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)本振、中頻信號(hào)的相參和頻率同步。對(duì)兩個(gè)時(shí)頻模塊輸出的20 MHz 信號(hào)進(jìn)行了采集，分析單個(gè)PRT 內(nèi)兩路信號(hào)的相位偏差，結(jié)果如圖5所示。

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

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

時(shí)頻同步模塊隨著工作時(shí)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(jí)，滿足單位時(shí)間頻率漂移精度指標(biāo)。時(shí)頻同步模塊的1 pps秒脈沖的時(shí)間同步精度為±20 ns，滿足時(shí)間同步精度指標(biāo)，因此該時(shí)頻同步模塊可以用于外輻射源雙基地SAR的粗同步時(shí)頻基準(zhǔn)。

同一PRT 內(nèi)，直達(dá)波信號(hào)或者轉(zhuǎn)發(fā)器的信號(hào)與目標(biāo)場(chǎng)景回波信號(hào)的相位同步誤差可以認(rèn)為是一致的，則目標(biāo)場(chǎng)景回波信號(hào)的相位同步誤差可以通過(guò)提取直達(dá)波或轉(zhuǎn)發(fā)器信號(hào)的相位誤差來(lái)補(bǔ)償。因此，針對(duì)目前雙基地SAR 系統(tǒng)中相位同步誤差隨機(jī)抖動(dòng)較大的情況，可以利用直達(dá)波信號(hào)或在目標(biāo)場(chǎng)景中設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)器來(lái)提取隨機(jī)相位同步誤差，從而補(bǔ)償目標(biāo)場(chǎng)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(gè)點(diǎn)目標(biāo)、信噪比非常高的單程回波信號(hào)，利用直達(dá)波提取相位同步誤差可以補(bǔ)償場(chǎng)景回波的相位，總體方法是：采集場(chǎng)景回波和直達(dá)波數(shù)據(jù)，對(duì)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(gè)PRT 的脈壓峰值點(diǎn)，從而得到各個(gè)PRT 的峰值點(diǎn)相位，之后對(duì)峰值點(diǎn)相位進(jìn)行擬合，提取出每個(gè)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(duì)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)精同步。

3 多通道外輻射源前視SAR 接收機(jī)系統(tǒng)測(cè)試及外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證多通道外輻射源前視SAR 接收機(jī)系統(tǒng)的實(shí)用性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法如下：使用一臺(tái)Ku 波段信號(hào)源作為發(fā)射機(jī)，分別輸出多個(gè)頻率步進(jìn)的正弦信號(hào)，將信號(hào)通過(guò)射頻線纜饋送至一個(gè)喇叭天線，喇叭天線正對(duì)接收機(jī)的4 個(gè)回波射頻模塊。回波射頻模塊接收到信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和下變頻處理，下變頻本振信號(hào)由飛控（地面控制站）輸入的參數(shù)控制，輸出信號(hào)的中心頻率固定。射頻模塊將中頻信號(hào)傳輸至數(shù)字分機(jī)的存儲(chǔ)器。即輸入信號(hào)為：

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

輸出信號(hào)為：

其中，A為輸出增益，fI為輸出中頻。

讀取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)文件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 處理，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)文件是否包含喇叭天線輻射出的正弦信號(hào)。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(hào)的FFT 譜線，表明系統(tǒng)正確接收到了來(lái)自信號(hào)源的外輻射信號(hào)，系統(tǒng)工作正常，表明系統(tǒng)具有接收大帶寬信號(hào)的能力，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的正確性。

在連云港海濱城區(qū)開(kāi)展實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)射平臺(tái)選用無(wú)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(chǎng)景位于城區(qū)，主要包含了幾個(gè)十字路口，一些建筑物，并人工放置了一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器作為強(qiáng)散射點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Parameters of the experiment

外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)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(chǎng)景的東南方向，距離場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(gè)十字路口，右側(cè)有一條道路，與光學(xué)圖像中場(chǎng)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(duì)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(jì)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(shí)頻同步精度指標(biāo)和同步方案，完成了系統(tǒng)集成與測(cè)試，開(kāi)展外輻射源多通道前視雙基地SAR 外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，獲取了多通道合成的實(shí)測(cè)前視成像結(jié)果，驗(yàn)證了接收機(jī)系統(tǒng)的實(shí)用性。后續(xù)還將開(kāi)展外輻射源前視多通道SAR 運(yùn)動(dòng)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?jī)r(jià)值。