楊曉琳 譚維賢 林 赟 王彥平 洪 文

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基于單特顯點(diǎn)調(diào)頻連續(xù)波陣列SAR系統(tǒng)幅相誤差校正方法研究

楊曉琳*①②③譚維賢①②林 赟①②王彥平①②洪 文①②

①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)②(微波成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)③(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)陣列合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)(SAR)將FMCW體制與陣列SAR技術(shù)相結(jié)合，在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。但是，實(shí)際調(diào)頻連續(xù)波陣列SAR系統(tǒng)中不可避免地存在調(diào)頻率非線性誤差和多通道幅相誤差問題，如不校正會(huì)造成雷達(dá)圖像質(zhì)量降級(jí)。該文建立考慮上述誤差的信號(hào)模型，并針對(duì)該模型提出一種基于單特顯點(diǎn)回波數(shù)據(jù)的誤差校正方案和成像處理流程，最后通過仿真和實(shí)際數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證了所提方法的有效性。

SAR；調(diào)頻連續(xù)波；陣列成像；調(diào)頻率非線性校正；多通道幅相誤差校正

1 引言

對(duì)于發(fā)射信號(hào)調(diào)頻率非線性校正，目前主要使用文獻(xiàn)[8]提出的誤差模型和校正方案。該方法在進(jìn)行非線性校正的同時(shí)完成了殘余視頻相位(Residual Video Phase, RVP)補(bǔ)償，對(duì)于頻譜不太大的非線性信號(hào)有非常理想的校正結(jié)果。但是，該方法只適用于單通道系統(tǒng)，并沒有考慮多通道幅相誤差的影響，在多通道系統(tǒng)中不能直接應(yīng)用該方法進(jìn)行調(diào)頻率非線性誤差的估計(jì)和校正；對(duì)于多通道幅相誤差校正，文獻(xiàn)[9]詳細(xì)研究了一種基于特顯點(diǎn)和外定標(biāo)器的幅相誤差校正方法。但是，該方法是基于脈沖體制下的，在脈沖體制下信號(hào)不存在FMCW體制下的調(diào)頻率非線性誤差問題，因此這種述方法不適用于FMCW體制下的多通道幅相誤差校正。

為解決上述問題，本文研究了FMCW體制下陣列SAR系統(tǒng)幅相誤差校正方法。同時(shí)考慮調(diào)頻率非線性誤差和多通道不一致性兩個(gè)誤差因素，建立誤差模型，并仿真分析了誤差存在時(shí)對(duì)成像質(zhì)量的影響。針對(duì)誤差模型中非線性誤差及多通道幅相誤差耦合在一起難于估計(jì)和補(bǔ)償?shù)膯栴}，文章提出了一種基于單特顯點(diǎn)回波數(shù)據(jù)的誤差估計(jì)和校正方法，給出了數(shù)據(jù)處理流程。該方法基于RVP濾波可以將非線性誤差和多通道幅相誤差相分離的思路，首先采用兩步微分法估計(jì)非線性誤差，然后用該估計(jì)結(jié)果補(bǔ)償經(jīng)RVP濾波后的單特顯點(diǎn)回波信號(hào)，補(bǔ)償后的信號(hào)中只存在多通道幅相誤差，進(jìn)而可以完成多通道幅相誤差估計(jì)，最后用上述非線性誤差和多通道幅相誤差的估計(jì)結(jié)果完成觀測場景的誤差補(bǔ)償校正。文章最后，通過仿真和實(shí)際數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證提出校正方法的有效性。

2 誤差信號(hào)模型

圖1 FMCW陣列SAR成像幾何

3 誤差影響分析

下面分析當(dāng)這些誤差存在時(shí)對(duì)成像質(zhì)量的影響。通過測量點(diǎn)目標(biāo)兩個(gè)方向(距離向、陣列向)質(zhì)量參數(shù)來評(píng)價(jià)成像質(zhì)量，其中最重要的質(zhì)量參數(shù)包括：(1)圖像分辨率(本文用沖擊響應(yīng)寬度(Impulse Response Width, IRW)表示，定義為3 dB寬度所包含的像素點(diǎn)數(shù)乘以像素間距)；(2)峰值旁瓣比(Peak Side Lobe Ratio, PSLR)；(3)積分旁瓣比(Integrated Side Lobe Ratio, ISLR)。其具體定義及測量方法請(qǐng)見文獻(xiàn)[11]。

圖2 調(diào)頻率非線性變化對(duì)成像質(zhì)量影響

4 誤差校正方法

圖3 IRW, PSLR, ISLR隨多通道幅度誤差變化曲線

圖4 IRW, PSLR, ISLR隨多通道相位誤差變化曲線

圖5 有無誤差成像結(jié)果對(duì)比

4.1調(diào)頻率非線性誤差校正

提取式(4)的相位信息，然后去除理想信號(hào)的相位值，將得到的兩次相位誤差做差得到差拍相位為

綜上所述，完成調(diào)頻率非線性誤差校正后的信號(hào)為

4.2 多通道幅相誤差校正

綜上所述，將FMCW陣列成像雷達(dá)系統(tǒng)所有個(gè)通道按照?qǐng)D6所示流程處理即可完成整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)頻率非線性誤差和多通道幅相誤差的校正。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖6提出的校正流程，第1步采集兩次參考目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，按照第4.1節(jié)所述步驟對(duì)于每一個(gè)通道估計(jì)調(diào)頻率非線性誤差，數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)照片如圖7(a)所示。第2步采集單特顯點(diǎn)回波數(shù)據(jù)，對(duì)于每一個(gè)通道估計(jì)多通道幅度誤差和相位誤差，數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)照片如圖7(b)所示。第3步采集實(shí)際場景回波數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)照片如圖7(c)所示，利用第1步估計(jì)的調(diào)頻率非線性誤差和第2步估計(jì)的多通道幅相誤差按照?qǐng)D6所示流程進(jìn)行誤差校正和成像處理，結(jié)果如圖8所示。

圖6 FMCW陣列成像雷達(dá)系統(tǒng)誤差校正處理流程

由圖8(a)可知，不做任何校正直接成像時(shí)，由于調(diào)頻率非線性和多通道幅相誤差的共同作用使得圖像在兩個(gè)方向均出現(xiàn)非常嚴(yán)重的散焦現(xiàn)象，從成像結(jié)果中已無法分辨出觀測場景的任何信息。完成調(diào)頻率非線性校正后的成像結(jié)果如圖8(b)所示，距離向的散焦現(xiàn)象得到了很大程度的抑制，由于此時(shí)信號(hào)中還存在多通道幅相誤差，誤差對(duì)圖像陣列方向的影響還存在。再進(jìn)一步完成多通道幅相誤差校正后的結(jié)果分別如圖8(c)所示，分析圖像中大角反射器目標(biāo)質(zhì)量參數(shù)可知，距離向分辨率為0.18 m；陣列向分辨率為0.3 m, PSLR為-13.1 dB, ISLR為-8.9 dB。

圖7 FMCW陣列成像誤差校正試驗(yàn)

圖8 誤差校正前后成像結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)束語

本文提出了FMCW陣列SAR系統(tǒng)幅相誤差模型，研究了不同誤差項(xiàng)對(duì)成像質(zhì)量的影響，給出了FMCW體制下陣列SAR系統(tǒng)基于單特顯點(diǎn)目標(biāo)回波進(jìn)行綜合誤差校正的處理流程。通過仿真和實(shí)際數(shù)據(jù)處理，對(duì)提出的校正方法進(jìn)行了驗(yàn)證，該校正方法能夠校正系統(tǒng)中存在的幅相誤差，校正后的數(shù)據(jù)可以通過傳統(tǒng)成像算法處理得到聚焦的2維圖像。

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楊曉琳： 男，1985年生，博士生，研究方向?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)3維成像理論、陣列天線SAR、FMCW信號(hào)處理.

譚維賢： 男，1981年生，博士，副研究員，研究方向?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)3維成像體制與算法、陣列天線SAR、人體微波3維成像原理與應(yīng)用.

林 赟： 女，1983年生，博士，助理研究員，研究方向?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)3維成像信號(hào)處理.

王彥平： 男，1976 年生，副研究員，研究方向?yàn)? 維成像SAR、軌道(地基)SAR、陣列天線SAR 等.

洪 文： 女，1968年生，研究員，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理理論、微波成像算法、微波遙感圖像理解及其應(yīng)用.

Amplitude and Phase Errors Correction Method for FMCW Array SAR System Using Single Prominent Point Echo

Yang Xiao-lin①②③Tan Wei-xian①②Lin Yun①②Wang Yan-ping①②Hong Wen①②

①(,,100190,)②(,100190,)③(,100049,)

Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) array antenna SAR system combines the FMCW and array antenna imaging technology, which is of abroad interest in both civil and military applications. While in practical FMCW array SAR, the presents of unavoidable sweep rate non-linearity error in the frequency modulation and the multi-channel amplitude/phase errors severely degrade the reconstruction image quality. The signal model with sweep rate non-linearity error and multi-channel amplitude/phase errors is proposed in this paper. An error calibration scheme and data processing flow chart based on single prominent point echo are presented. Extensive simulations and real data processing are performed to validate the effectiveness of the proposed calibration scheme.

SAR; Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW); Array imaging; Sweep rate non-linearity correction; Multi-channel amplitude/phase error calibration

TN958

A

1009-5896(2014)11-2672-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01963

楊曉琳 yangxl308@gmail.com

2013-12-17收到，2014-06-13改回

國家自然科學(xué)基金(61072112, 61372186)，國家自然科學(xué)基金青年基金(61002038)資助課題