機(jī)載低頻超寬帶合成孔徑雷達(dá)運動補償
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低頻UHF波段超寬帶合成孔徑雷達(dá)(SAR)是于上世紀(jì)九十年代發(fā)展起來的一種新型SAR系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過發(fā)射大時寬帶寬積信號獲得距離向高分辨率，利用方位向的大處理角獲得方位向的高分辨率，而發(fā)射信號低頻特性使系統(tǒng)具備探測被葉簇覆蓋的隱蔽目標(biāo)。
運動誤差是造成低頻超寬帶合成孔徑雷達(dá)(UWB SAR)成像質(zhì)量降低的主要因素之一。載機(jī)的非理想運動引入的相位誤差主要影響點目標(biāo)在方位向的成像質(zhì)量，包括：幾何失真、分辨率降低、信噪比減小和產(chǎn)生虛假目標(biāo)等。低頻UWBSAR運動補償的特點有：大波束角使誤差具有空變特性、要求測量設(shè)備精度高、必須進(jìn)行實時補償、高頻誤差較大以及大距離遷移現(xiàn)象難以實現(xiàn)運動補償等。因此，普通高頻窄帶SAR的定點運動補償方法不再適用，必須將運動誤差分解為非空變相位誤差和空變相位誤差，并分別進(jìn)行補償。
本文給出了機(jī)載低頻超寬帶SAR運動補償方法，分別對非空變和空變相位誤差進(jìn)行補償。并對該方法補償后的剩余誤差進(jìn)行分析，以及采用計算機(jī)仿真來驗證該方法。
2 機(jī)載低頻超寬帶SAR運動補償
機(jī)載超寬帶SAR運動幾何關(guān)系如圖l所示，圖中陰影部分為感興趣目標(biāo)區(qū)域(ROI)，假設(shè)SAR系統(tǒng)波束張角為θs，機(jī)載平臺的運動誤差沿飛行方向和距離方向兩分量分別表示為
其中變量u為飛機(jī)坐標(biāo)，顯然兩個方向的運動誤差分量都是u的函數(shù)。假設(shè)這兩個運動誤差分量均可從導(dǎo)航定位系統(tǒng)中獲得。飛機(jī)的理想軌跡為沿y軸的直線，由于運動誤差，而實際軌跡則是沿圖l中的曲線飛行。實際條件下該曲線為一條空間曲線，但可等價于圖中一條平面曲線。
考慮ROI中一個點目標(biāo)A，位于圖1中的(x0，y0)處，目標(biāo)回波在距離頻率一方位向空間域上可表示：
由于后續(xù)討論不軍涉發(fā)射信號頻譜，所以在式(1)中可忽略。該信號是典型的球形相位函數(shù)。可見該點目標(biāo)回波中存在的相位誤差為：
對于低頻超寬帶SAR系統(tǒng)，其波束角通常較大，因此相位誤差在一個孔徑中起伏較大?？梢岳枚c補償方法，降低相位誤差的起伏：
其中，θC是點目標(biāo)A相對于合成孔徑中心的視角。補償相位φMC1(u)是(2)式在窄波束角度條件下的近似，它是非空變的，經(jīng)過(3)式相位補償后，目標(biāo)A處的相位誤差為：
該相位誤差是空變的，但是起伏相對于目標(biāo)球形相位的起伏小，因此可以直接映射到二維頻域，得到空變?yōu)V波器H(kx，ky)為：
利用駐留相位原理可以得到映射關(guān)系：
其中，kx和ky分別表示距離向和方位向波數(shù)。將經(jīng)過(3)式相位補償后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到二維頻域，利用Stoh插值，得到(kx，ky)域的數(shù)據(jù)。利用空變?yōu)V波器對點目標(biāo)回波進(jìn)行二維頻域濾波，就可以完全補償目標(biāo)A處的運動誤差。
3 運動補償誤差分析
利用該運動補償方法可以完全補償一個點目標(biāo)處的運動誤差，但是由于采用了式(5)的空變?yōu)V波器，使得位于不同位置的其他點目標(biāo)處的運動誤差沒有得到完全補償。在實際情況下，通常ROI局限于某一區(qū)域，因此有必要討論該運動補償方法對ROI中其他目標(biāo)的補償效果。ROI的目標(biāo)特征可以通過數(shù)字聚束的方法得到，它是通過在距離頻率一方位向空間域?qū)π盘栠M(jìn)行去調(diào)頻，在二維頻域加窗后得到類似聚束方法得到的數(shù)據(jù)。
假定ROI區(qū)域中還存在另一個點目標(biāo)B(x1，y1)，目標(biāo)的幾何關(guān)系如圖2所示。其中點P0和Pm分別表示系統(tǒng)天線相位中心理想位置和實際位置。若利用上一節(jié)方法．可完全補償A點處的運動誤差，那么B點處的相位誤差則為：
由于運動誤差相對于目標(biāo)到雷達(dá)的距離小幾個數(shù)量級，則可以近似得到：
其中，△(u)表示系統(tǒng)天線相位中心偏離理想位置的距離，它是飛機(jī)位置u的函數(shù)。角度ψA和ψB分別表示目標(biāo)A和B相對于飛機(jī)位置的視角。它們的取值范圍為[一θs／2，θs／2]。利用式(8)可以很容易得到相位誤差最大時的條件：
從式(9)可以得到，若A點處于ROI中心，那么B點處于天線照射孔徑邊緣時，運動補償后剩余相位誤差最大，利用該公式可以得到在給定最大相位誤差條件下，容許的最大運動誤差和最大波束張角。其中最大相位誤差可以根據(jù)圖像質(zhì)量的容忍度來確定。
從式(10)可以看出，當(dāng)圖像質(zhì)量一定時，即容忍的剩余相位誤差一定時，波束張角和運動誤差互相制約。這說明對于低頻超寬帶SAR這樣的大波束張角的情況，對運動誤差的限制要比普通高頻窄帶SAR系統(tǒng)嚴(yán)格得多。利用式(10)來選擇ROI大小。
4 仿真試驗
在計算機(jī)仿真中，模擬機(jī)載情況，合成孔徑長度為2 000米，ROI中心點選擇距離雷達(dá)最近距離為5 000米，在ROI中放置9個目標(biāo)，運動誤差如圖3所示。利用常規(guī)成像算法得到如圖4(a)所示的圖像，由于運動誤差導(dǎo)致無法聚焦，從圖4(a)中無法分辨出點目標(biāo)。利用本文提出的運動補償方法，A點作為參考點，對其非空變和空變相位誤差進(jìn)行完全補償。從圖4(b)可以看出，周圍得8個點Bl~B8均可從圖中分辯出來，但是由于存在剩余相位誤差，8個點目標(biāo)沿方位向旁瓣較A點大，成像質(zhì)量下降，而B2和B7點由于處于參考點附近，因此其成像質(zhì)量優(yōu)于其他6個點。這與本文提出的運動補償誤差分析結(jié)果相吻合。
5 結(jié)語
由于低頻超寬帶SAR具有較大的波束張角，因此必須考慮孔徑內(nèi)不同位置的運動誤差的空變效應(yīng)。本文給出了適合低頻超寬帶SAR的運動補償方法，并對該方法的補償剩余相位誤差進(jìn)行分析，得出了圖像質(zhì)量一定條件下的最大波束張角和最大容忍的運動誤差。最后的計算機(jī)仿真驗證了該方法的有效性。
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