图1 定点聚束SAR工作方式示意图
在机载合成孔径雷达(SAR)系统中，条带式SAR成像和聚束式SAR成像是合成孔径雷达最常用的两种工作模式。条带式SAR成像模式主要用于连续大面积成像普查，其方位向分辨率为天线方位有效口径的二分之一[1]，工程设计上通常采用波束展宽的方式实现方位向高分辨条带成像，即减小了天线方位有效口径，导致天线增益降低，进而影响到雷达使用威力。为适用远距离高分辨率成像的需求，后来产生了定点聚束成像模式，该模式通过控制天线方位波束指向，在不缩小天线口径的前提下，使其在一定的转角范围内波束始终指向固定目标场景以提高方位向的积累时间，达到高方位向分辨率。但定点聚束不同于条带聚束，只能对方位波束照射区域进行成像，成像区域有限。为解决定点聚束方位测绘带有限的问题，在定点聚束模式的基础上出现了滑动聚束模式。与定点聚束不同，波束固定照射方式不同，滑动聚束通过控制波束辐射区在地面的运动速度增加方位向相干积累时间，在提高分辨率的同时增加方位向成像区域范围。
本文首先介绍了定点聚束、滑动聚束两种聚束工作方式的工作原理，并在此基础上给出了两种聚束方式下的分辨率、测绘带宽、作用距离等方面的指标分析，针对机载合成孔径雷达常规聚束工作模式战技指标要求，提出了基于定点、滑动两种聚束方式的机载合成孔径雷达聚束SAR模式波束控制设计方法，最后给出了试验验证的情况。
定点聚束模式为在合成孔径时间内天线波束始终照射一个感兴趣的区域，获取方位向高分辨率，其工作示意图如图1所示，Δθ为天线波束方位向扫描角度范围。
图1 定点聚束SAR工作方式示意图
表1为条带SAR、定点聚束SAR、滑动聚束SAR三种工作模式下方位分辨率、方位测绘带宽及作用距离等指标对照情况，可看出定点聚束SAR模式天线波束地面照射区域固定，波束移动速度为0，方位向分辨率与天线波束方位向扫描角度范围有关，而其方位向测绘带宽Ls为方位向波束地面照射范围，Ls=R·θ，其中R为作用距离，θ为方位向波束宽度[2]。
如表1所示，在条带SAR模式中，天线辐照区在地面移动的速度与飞机飞行的速度相等；在聚束SAR模式中，天线辐照区在地面移动的速度为0；当天线辐照区的移动速度介于0和载机飞行速度之间时，这就是滑动聚束模式。换言之，条带模式和聚束模式可以看成是滑动聚束模式的一种特例。滑动聚束SAR通过控制天线的扫描速度来控制天线辐照区在地面移动的速度，从而增加了相干累积时间，可以得到比条带SAR方位向更高的分辨率。由于滑动聚束SAR辐照区在地面移动的速度不为0，因此，滑动聚束SAR可以获得比聚束SAR更大的方位向测绘带宽，滑动聚束SAR工作模式示意图如图2所示。3种工作模式的特性关系如表1所示[3-4]。
图2 滑动聚束SAR工作方式示意图
表1 3种工作模式特性关系
指标项条带SAR定点聚束SAR滑动聚束SAR波束地面照射区域移动速度vf/(m·s-1)va00≤vf≤va方位向分辨率ρa/mD2λ4sinΔθ2 Dvf2va方位向测绘带宽/m没有限制Ls2θmax·Rva-vfvf+Ls作用距离/kmRmax=PavG2λ2σTi(4π)3KTη·SNR0 14
表1中：va为飞机平台飞行速度；D为天线方位向口径尺寸；Δθ为天线波束方位向扫描角度范围；θmax为方位波束最大指向角，正侧视工作下有Δθ=2θmax；λ为雷达工作波长；R为作用距离；Ls为方位向波束地面照射范围；Rmax为最大作用距离；Pav为发射平均功率；G为收发天线的增益；σ为目标有效反射面积；K为玻耳兹曼常数；T为接收机温度；Ti为目标驻留时间；η为系统损耗；SNR0为脉冲压缩后的信噪比。
机载合成孔径雷达常规聚束工作模式战技指标要求如表2所示。
表2 常规聚束工作模式战技指标要求
工作模式作用距离成像测绘带宽(方位向×距离向)分辨率(方位向×距离向)聚束SARR0min～R0maxw0g×w0gρa×ρr
从表2可以看出，机载合成孔径雷达常规聚束工作模式针对远近不同的作用距离对雷达的分辨率及成像带宽要求相同，对于定点聚束方式而言，其方位向测绘带宽Ls=R·θ，与作用距离有关系，作用距离越近方位向测绘带宽越小，通常在最小作用距离要求处无法满足方位向测绘带宽的要求，即
为解决上述问题通常在工程设计时采用定点聚束与滑动聚束相结合的聚束SAR工作方式，在远距满足方位测绘带宽的情况下使用定点聚束，在近定点聚束无法满足方位测绘带宽时，采用滑动聚束的方式以拓展方位向测绘带宽。
机载合成孔径雷达聚束SAR模式下，天线在一个波束扫描范围Δθ内进行照射成像，飞机沿航线直线飞行，天线波束按照扫描步进θv进行调整，使得波束对地面目标照射时间满足成像所需的积累时间[5]。以下引入扫描帧、波位、波位计数及脉冲计数的概念，如图3所示。
图3 聚束SAR计数关系图
1) 扫描帧：聚束模式针对一定区域目标进行成像，波束在方位向完成一个扫描范围Δθ为一扫描帧。一扫描帧的波束范围扫描范围为α～β(|α-β|=Δθ)，α为波束起始指向角，β为波束终止指向角。
2) 波位：天线波束在方位向按照θv扫描步进进行扫描，在扫描帧中有多个波位，每个波位间隔为θv，则每帧扫描中共有
个波位，波束在每个波位驻留一定时间来控制波束扫描速度，以适应飞机平台运动。
3) 脉冲计数：雷达按照脉冲重复频率(PRF)发射脉冲信号，在每个波位驻留时间内发射的脉冲即为脉冲计数，每发射一个脉冲，脉冲计数加一。每个波位下的脉冲总数相等，即波位脉冲驻留数N相同；每更新一个波位计数，脉冲计数清零。
通过调节每个波位波束驻留时间来控制天线扫描速度，在雷达发射脉冲重复频率(PRF)已知的情况下设计每个波位的脉冲计数，当前波位脉冲计数积累到一定值N时，波束扫描一个步进，根据定点聚束模式几何关系，为保证波束在地面照射区域的移动速度为0，波束扫描速度与飞机平台运动速度持恒，其波位脉冲驻留数计算公式如下：
N=R·sin(θv)/va·PRF
(1)
滑动聚束方式下波束在地面照射区域具有一定移动速度vf，因此在增加定点聚束每个波位脉冲驻留数，打破波束扫描速度与飞机平台速度的平衡，进而使得波束在地面照射区域具有一定的移动速度。这里引进滑动系数k(k≥1)，滑动聚束方式下，波位驻留脉数N0=k·R·sin(θv)/va·PRF，通过设置k的取值，调节波束在地面的滑动速度。
1) 方位向测绘带宽
如图4所示，O点为某时刻波束中心指向T，在经过一个波束扫描步进后，定点聚束方式下，飞机运动到B点，而滑动聚束方式较定点聚束波位驻留时间长，在经过一个波束扫描步进后，飞机运动到A点，波束中心指向T1，波束在地面滑动了一段距离：
L=N0/PRF·va-N/PRF·va=
(N0-N)/PRF·va=(k-1)·R·sin(θv)
(2)
则波束滑动速度计算如下：
vf=
(3)
则滑动聚束模式方位测绘带宽wg计算如下：
wg=
vf+R·θ=
2θmaxR·(k-1)+R·θ
(4)
为聚束模式测绘带宽要求指标，为固定值，令
代入式(4)，可得
(5)
式中：2θmax为聚束波束扫描范围；θ为方位向波束宽度，Rg可理解为定点聚束方式下满足方位向波束宽度θ下wg测绘带宽指标要求的最近作用距离。在聚束模式方式划分时，采用Rg为边界条件，作用距离大于Rg采用定点聚束方式，反之采用滑动聚束方式，因此
一般情况下
则
从滑动聚束方位测绘带宽计算方式可看出k值越大测绘带宽越大，为简化工程设计，取
此时滑动聚束方位测绘带宽：
wg=2θmax(Rg-R)+R·θ
(6)
可求得此时的wg≥Rg·β，测绘带宽满足指标要求。
图4 滑动聚束波束扫描示意图
2) 方位向分辨率
按如上分析，则滑动聚束方位向分辨率计算如下：
(7)
由上式可见，滑动聚束SAR模式方位向分辨率与方位波束宽度及作用距离相关，为满足作用距离范围内方位分辨率要求，则滑动聚束方位波束宽度要求如下：
(8)
基于表2中的机载合成孔径雷达常规聚束工作模式战技指标要求，聚束SAR工作模式按设计如下：
按照雷达作用距离范围、测绘带宽、分辨率的要求，结合上述滑动聚束分辨率计算公式，确定合成孔径雷达天线方位向波束宽度θ；计算
求得边界条件Rg，作用距离大于Rg采用定点聚束方式，反之采用滑动聚束方式；计算波束扫描范围Δθ，按照定点聚束SAR的方位分辨率
为方位加权展宽系数，则定点聚束SAR模式扫描范围
由以上分析可知，滑动聚束SAR模式分析可知，Δθ需尽量取大点，保证
某机载合成孔径雷达聚束模式指标要求如表3所示。
表3 某机载合成孔径雷达聚束模式指标要求
工作模式作用距离成像测绘带宽(方位向×距离向)分辨率(方位向×距离向)聚束SAR25～80km3km×3km0.3m×0.3m
按照如上设计方法，该机载合成孔径雷达主要参数设计如表4所示。
表4 聚束模式系统参数
参数参数值方位向波束宽度θ3.9°工作波长λ0.03m定点、滑动聚束分割作用距离Rg47km扫描范围Δθ12°波束扫描步进θv0.1°脉冲重复频率PRF1400Hz载机飞行速度va236m/s方位向加权展宽系数ka1.3
图5和图6为该机载合成孔径雷达聚束SAR模式0.3 m分辨率挂飞试验结果。图5的作用距离为35 km，采用滑动聚束SAR模式，方位向测绘带宽满足3.16 km指标要求，实测方位向分辨率为0.26 m；图6的作用距离为50 km，方位向测绘带宽满足3.12 km指标要求，实测方位向分辨率为0.22 m。
图5 滑动聚束SAR图像
图6 定点聚束SAR图像
机载合成孔径雷达聚束SAR模式可远距离地提供地面一定范围内感兴趣区域高分辨的成像信息，可用于对地面重点目标进行监视和识别，掌握目标态势，为人类活动提供准确的信息支持。本文基于定点、滑动两种聚束方式，针对机载合成孔径雷达常规聚束SAR工作模式战技指标要求，提出了基于定点、滑动两种聚束方式的机载合成孔径雷达聚束SAR模式波束控制设计方法，并结合试验验证，提供了工程实践的可行性。
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