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本文讨论了战场侦察用的机载毫米波合成孔径雷达的性能特点。合成孔径雷达可在不良的环境条件(如气候、灰尘、烟雾、遮挡物)下对战场进行高分辨率实时成像，并探测活动目标。本文所介绍的这个雷达系统最重要且最新颖的方面，就是采用毫米波(而不是传统的微波)频段和无人机平台。前者意味着可减轻雷达的重量并缩小其体积。后者则可深入敌前沿纵深完成侦察任务，提高系统的作战效率。
本文介绍了整个系统的体系结构，包括机载雷达、空中平台、通信设备和机动式地面站。最后还介绍了有关动目标探测与成像的问题。
1 引言
本文介绍了对战场侦察和目标捕获用的传感器进行可行性研究的情况。若需深入敌方领土几十公里进行侦察，就要求传感器平台采用无人机(如靶机和遥控飞行器)。今天的无人机装备的是光电和红外遥感系统。然而，由于气候条件以及战场上出现的烟雾、灰尘和人工遮挡物等问题，限制了这些系统的性能发挥。这些原因促使人们采用可全天候工作的雷达系统。
当然，常规雷达不能提供和光电与红外系统相同的测量精度和分辨率。采用合成孔径雷达，就可以解决这些问题。简言之，合成孔径雷达利用无人机的运动，可实现高分辨率成像。雷达天线是侧视的，它沿无人机的飞行路线移动，模拟一个孔径非常大的天线，相当于一个方位上非常窄的波束，因此，可提供非常高的方位分辨率。
采用无人机时，可以深入敌方领土，在近距离(通常是10～20km)内对感兴趣的区域进行侦察成像。在这种情况下，工作频段就值得考虑采用毫米波，而不是采用今天大多数雷达所用的微波。采用毫米波有下述优点：一是雷达系统可以做得很小，二是对一定的实孔径天线来说，可以提高分辨率。因为在本文的情况下，雷达的作用距离要求很近，所以，毫米波的衰减就显得并不特别重要。本文所介绍的系统是一部35GHz(波长为8.57mm)的合成孔径雷达，装在遥控飞行器上。频率在35GHz，而没有选在94GHz，主要考虑的是减少大气衰减的问题。本文的第2部分，详细介绍了整个系统及其工作模式。第3部分介绍了雷达的主要参数和框图。第4部分给出了雷达在晴天和雨天时的性能。最后，第5部分讨论了对活动目标的探测与成像的问题。
2 系统描述
系统的战术要求可以简述如下：(1)利用不同的电磁反射特性对各种地物(如道路、房屋、机场等)成像；(2)探测慢速(即速度不超过40km/h) 目标(如坦克、卡车、部队等)，并成像；(3)在有烟雾、灰尘和中雨和环境下昼夜工作。距离和方位分辨率要求是5m，而辐射度分辨率要求是1.5dB。利用这些数值，可对探测到的目标进行分类。
该系统由4个分系统组成，即：(1)飞行器；(2)雷达；(3)空/地/空通信链；(4)地面站。
飞行器长4m，直径0.4m。飞行路线可以遥控，也可以程控。飞行时间为1～2h。巡航速度为720km/h。该无人机有两种工作高度：一种是1500m；一种是10000m。
在执行任务时，无人机可以进入作战前沿纵深50多公里处，位置误差为50m，速度误差为1%。俯仰、横滚和偏航时的高度误差为0.1/s。这些参数在估算实际的成像分辨率时很重要。正如下文所述，平台定位的精度决定了合成孔径雷达可实现的分辨率。
雷达载荷约重60kg，体积为0.05m3，安装在无人机的头部。雷达所需要的电源为500W，由28V直流电网提供。预计采用一个液体冷却系统。在无人机的两边，各装有一副天线，长1m、宽0.24m，从而可获得两幅与飞行路线对称的带状地形图像。在1500m和10000m高度上天线的俯仰波束宽度分别是20°和5°，而天线波束偏离垂直俯视的角度都是50°，相应的带状扫描宽度分别是5km和2.5km。天线重量2kg。
数据链分系统用于雷达与地面站之间的通信，具有抗干扰能力。上行链路是窄带链路，用来向雷达发送指挥和控制信号，如开机、确定工作模式等。同一链路还以遥控方式向无人机发送控制信号。下行链路是宽带(64Mb/s)链路，用来向地面站传送雷达原始遥感数据以及其它与雷达机内测试设备有关的信号。
地面站有3种功能，即：(1)监控无人机的飞行；(2)操纵和控制雷达；(3)处理雷达原始数据(全息信号)，形成场景图象。为此，在地面站安装了 4个单元，即：合成孔径雷达处理单元、带键盘的显示单元、数据链接口单元和录取单元。全息信号(即从目标场景散射回来、并存储在雷达距离-方位矩阵的信号)传送到地面，然后在合成孔径雷达处理单元中处理。显示单元直接与数据链接口连接，通过键盘监视与控制无人机的飞行以及雷达的工作模式。显示器可实时或者脱机显示合成的图象。录取单元可存储雷达的原始数据、处理后的图象以及无人机飞行时的运动参数。
合成孔径雷达处理单元对全息信号进行匹配滤波后，提供目标场景图象。粗略地说，通过对距离轴向的全息图进行压缩，并进一步对方位轴向的合成信号进行压缩，就可以实现匹配滤波。距离压缩是通过将全息图与发射的线性调频脉冲信号进行相关来实现的；而方位压缩是通过与参考方位函数相关来实现的。可以证明，这个函数是另一个线性调频脉冲，其参数取决于与"无人机遥感图象"有关的几何特性。在本文所介绍的系统中，距离压缩是在无人机上完成，而方位压缩的计算量太大，因此，需在地面站上进行处理。实现合成孔径雷达信号处理的计算机体系结构，是一种专用硬件和微程序硬件的混合结构。计算机的主要性能与实时处理全息图的能力有关。计算机的数据率与数据链的数据率相同，为64Mb/s，由2000个样本点组成，每点编码为8位，脉冲重复频率的数据率为4kHz(参见第 3和第5部分)。对带状地形扫描时所得到的每个距离门来说，2000个样本对应于2路实样本。距离门数最多是1000个，而且是在1500m高度执行任务时获得。
3 机载雷达系统
机载雷达系统的作用，是通过发射一个相参波形，然后接收相应的散射全息信号，存储在距离-方位矩阵中，从而实现对目标场景的探测。下面简要介绍雷达的主要组成部分。雷达参数的选择有时候是一件复杂的工作，需要依靠计算机程序才能完成。
天线采用裂缝波导，固定在无人机机身上，对不同的高度偏离垂直俯视的角度都是50°。
如前所述，对两种不同的飞行高度，波束俯仰宽度是不同的，这可用同一副宽0.24m的天线，从低空到高空扫描时使波束逐渐变窄来实现。预计对第二代系统进行的改进，就是采用相控阵天线，它可以补偿平台的姿态误差，并改善波束扫描某一区域的捷变能力。
射频信号源将本地振荡信号和驱动信号送给发射机。发射的波形是一个脉冲串，每个脉冲由线性调频码实现频率调制。脉冲宽度为6μs，线性调频带宽是 40MHz，对应于压缩后脉冲的距离分辨率为5m。波形的脉冲重复频率(PRF)为4kHz，相应占空比为2.4%。选择PRF值的方式，就是要包含有固定场景的多普勒频谱和活动目标的回波。对"雷达成像场景"的相对几何特性来说，固定场景的多普勒频谱宽度是400Hz。由于需留出足够的清晰频谱空间给活动目标的回波信号(动目标信号接收时无频率模糊-参见第5部分)，所以，PRF值选为4kHz。发射机是一个相参行波管，用来对波形进行调制和放大。行波管峰值功率是300W，平均功率为7.2W。
线性调频脉冲发生器和压缩器采用的是声表面波技术。压缩比要求做到180。超外差射频单元对接收到的信号进行放大，然后下变频到中频。整个接收机的噪声系统是12dB。
最后，视频处理单元输出一个相参基带信号，进行模/数变换，然后产生全息矩阵的缓慢时间轴(即方位坐标)和快速时间轴(即距离坐标)，并将数据送到下行链路。取样频率40MHz，数据用8位来表示。表1列出了雷达各种模块的重量、体积和功耗。表2列出了在两种不同高度工作时雷达的主要参数。
4 雷达的性能
在虚警率一定的情况下，合成孔径雷达的成像能力可以表示为对某单元反射的信号之探测概率。对战场上各种目标的探测概率差不多都相同的，这一点被认为是合理的。另一个品质因数，就是传感器的空间分辨率(包括距离和方位)和辐射度分辨率。前者可确定分辨单元的尺寸，后者则表示了传感器分辨两个邻近的但反射特性不同的单元之能力。
距离分辨率与压缩脉冲的宽度有关：如前所述，系统的指标要求这个分辨率为5m。方位分辨率与天线的长度和一个合成天线周期内平均照射次数有关。天线长度为1m，则相应的最大方位分辨率为0.5m。这样高的分辨率可以与辐射度分辨率进行折衷考虑。将10次单独的照射进行平均，可以将方位分辨率降低到 5m，但是却将辐射度分辨率大大提高到一个优于1.5dB的值。这样的一个值就完全能够分辨出道路、机场等所具有的各种类型的反射特性，符合系统指标要求。
表2 雷达的主要参数
探测概率与信号功率和干扰功率之比有关。更确切地说，当雷达的目的是对某一场景成像时，要估算的一个参数就是场景中某一单元反射的功率和接收机噪声功率之比。
在另一作战环境中，探测点状目标也是雷达的目的。这时，就值得考虑目标散射的功率和场景单元散射的功率加上接收机噪声功率之比。对合成孔径雷达来说，这样一个功率之比，利用距离方程式很容易估算。假设地形反射系数为-25dB(对35GHz雷达来说，这是一个平均值)，目标雷达反射面积的参考值为 1m2，则可以证明，对两种不同飞行高度的无人机来说，可得到比较合适的探测概率(PD=0.9)。
在存在着大气、薄雾、浓雾、雨和烟尘所引起的衰减情况下，探测性能就会下降。大气引起的衰减在单程时为0.8dB/km，那么，在低空飞行侦察时，双向总衰减为3.24dB。在执行高空侦察任务时，衰减提高到7.2dB。这些衰减不会影响合成孔径雷达的探测性能。
在有浓雾和下雨的情况下，分析就变得更加复杂。首先，除了衰减以外，还有一种后向散射过程，它在雷达接收机的输入端产生一种干扰，也许会遮挡场景的图象。这种有害的干扰作用不仅与后向散射的信号功率有关，而且还与信号的时间相关有关(当它与合成孔径雷达的相参积分时间比较时)。第二，如图5所示，雨和雾都限制在空间。这种几何特性引起两种需要研究的情况。在情况(a)中，XR2>XT，其中XT为所讨论的单元的坐标(如扫描地带中部的单元)。雨柱存在于所讨论的单元中，衰减和后向散射的过程同时存在。在情况(b)中，XR2
5 动目标的探测与成像
当合成孔径雷达观察一个运动参数未知的动目标时，是不能提供很好的目标图象。这是因为要在压缩过程中使用的参考方位线性调频脉冲与固定场景散射的线性调频脉冲匹配，而与动目标散射的线性调频脉冲不匹配。
以一个点状目标为例。它相对于合成孔径平台具有径向的速度。业已证明，相应的点目标图象相对于正确的位置在方位上有偏移，如下式所示:
Δx=(R0Vr/V) (1)
[ 本帖最后由 fearther 于 2011-8-26 07:52 编辑 ] |
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发表于 2011-8-26 07:24
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