張昊宇

摘 要：基于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)的干涉逆合成孔徑雷達（InISAR）可以做到對目標的全天候、全天時自動成像監(jiān)控，這相對于傳統(tǒng)的光學(xué)紅外成像具有不可比擬的優(yōu)勢。由于InISAR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大部分研究工作仍基本處于理論分析與暗室實驗階段。本文公布了首臺可用于實際監(jiān)測的InISAR雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與對船成像實測結(jié)果。

關(guān)鍵詞：干涉逆合成孔徑雷達；調(diào)頻連續(xù)波；船只監(jiān)測

中圖分類號：U665 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）4-0038-02

海洋防御體系中最重要的一環(huán)是對海上船只的探測和識別，它相當于防御體系的“眼睛”，能夠第一時間發(fā)現(xiàn)敵方行動。海事預(yù)警雷達只能偵測到船只位置卻無法對其成像，因而無法做到對船只的自動鑒別，即只能“探測”而不能“識別”。目前能夠?qū)Ｉ洗贿M行成像的方法只有基于成像傳感器：光學(xué)成像傳感器可以清晰準確地識別目標，但受到惡劣天氣的影響較大；紅外成像傳感器可以克服天氣的影響但分辨率低且距離短。海面監(jiān)測的最終目標是可以實現(xiàn)全天候、全自動的海上船只監(jiān)測，能夠探測出船只的速度、位置、三維體積等信息，并能夠做到自動識別。目前在所有的技術(shù)中，有潛力完成這一目標的只有基于合成孔徑雷達（SAR）/逆合成孔徑雷達（ISAR）的成像手段。然而傳統(tǒng)的ISAR只能夠?qū)Υw進行二維成像，由于無法獲取船只的高度信息，這不利于船體的自動識別?；诟缮婺婧铣煽讖嚼走_（InISAR）的方法是對傳統(tǒng)ISAR的改進，通過多天線系統(tǒng)對回波信號進行干涉處理獲取船體高度信息，這對于海上船只監(jiān)測與自動識別具有重大意義。

1干涉逆合成孔徑雷達系統(tǒng)簡介

1.1成像算法

目前提出的InISAR雷達架構(gòu)主要有雙天線架構(gòu)，三天線L型架構(gòu)，多天線架構(gòu)。其中三天線L型架構(gòu)是一種經(jīng)典架構(gòu)，該架構(gòu)在垂直維和水平維放置天線，持續(xù)發(fā)射并接收電磁波信號，通過對發(fā)射脈沖壓縮獲取距離維高分辨率，并計算目標上每一個分辨率單元對三個天線的相位差獲取散射點的水平和高度信息，共同構(gòu)建目標的三維圖像。假設(shè)三天線L型雷達擁有A、B、C三個天線，其中A天線是收發(fā)共用天線。分別建立雷達坐標系（A， X， Y， Z）和目標坐標系（O， x， y， z），其中目標任意一點的位置為（O， xp， yp， zp）。假設(shè)雷達發(fā)射信號[1-2]為S = rect （ ） exp （ j2π （fc t + γtq2/2）），其中rect為矩形幅值，fc為載頻，Tp為發(fā)射信號的寬度，γ 是線性調(diào)頻系數(shù)，tq為快時間。由于高頻區(qū)目標可以看做多個點目標散射的集合，這里假設(shè)目標由Np個散射點構(gòu)成，Ai為每個點的散射強度。則A，B，C三個天線接收到的信號分別為：

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

InISAR雷達技術(shù)目前仍處于研發(fā)階段，在國內(nèi)仍處于理論建模分析階段，對于外場的實測數(shù)據(jù)非常少，而本文提出的InISAR雷達已經(jīng)可以應(yīng)用于外場測試。該雷達基于調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)（FMCW），可以大幅度地降低雷達的體積和重量，降低發(fā)射功率，提高近距離目標的探測成功率，并可以極大地抑制海雜波對反射信號的影響。

該型號雷達的參數(shù)如下，中心頻率9.6 GHz （X波段）； 帶寬可調(diào)到 300 MHz； 距離分辨率可調(diào)至 0.5 m； 天線類型為雙極化平板天線（極化模式）或垂直極化平板天線 （干涉模式）；天線長度0.5 m；掃描角度40°；增益13 dB；旁瓣增益-13 dB；極化方式為線極化；極化為水平（ H ）/垂直（V）極化；收發(fā)隔離> 80 dB；發(fā)射功率可調(diào)到5 W （CW） ；PRF可調(diào)到 10 KHz； 最大/最小工作距離為10Km/5m；同步方式為相位時間雙同步； 工作溫度-20°C到 +80°C；數(shù)據(jù)接口為GbE；供電需求為220VAC；遠程控制方式為TCP/IP；顯示方式為點云構(gòu)成目標輪廓。

2 對船成像結(jié)果

2.1 系統(tǒng)工作模式

該型號InISAR雷達可以工作在全極化模式和干涉模式兩種模式，當工作在干涉模式下，其中一個天線（T）發(fā)射垂直極化（V）電磁波信號，另外三個天線 （R1，R2，R3）接收垂直極化（VV）的反射信號，一共形成三個通道的接收信號（TR1，TR2，TR3）。這四個天線呈正方形排列，分別位于正方形的四個頂點，當然，每一個天線都具有發(fā)射和接收信號的功能，因此按照發(fā)射順序不同，可以形成四種模式。其中橫向的接收模式TR1與船體的二維尺寸探測密切相關(guān)，而TR2則與船體的高度密切相關(guān)。TR1和TR2分別代表了船體的水平和垂直基線。而TR3的回波信號，目前尚未做進一步處理，我們根據(jù)經(jīng)驗簡單判斷TR3信號可以分解為垂直基線方向和水平基線方向，但背后可能孕育著更豐富的信息，我們將在未來的工作中予以特別的分析。

2.2 成像結(jié)果

該型號InISAR雷達全極化模式下的雷達成像示意圖如圖1所示。圖1左上是發(fā)射和接收垂直波時的雷達圖像（VV），反映了來自船舶的垂直結(jié)構(gòu)的信息，右上是當發(fā)射和接收水平波時的雷達圖像（HH），反映了來自船舶的水平結(jié)構(gòu)的信息。左下圖是發(fā)射垂直波接收水平波時的雷達圖像，而右下圖像是相反的。當使用交叉極化采集數(shù)據(jù)時，雷達回波強度明顯減小。而強度信息勾勒出了船體的高程信息，即提供了船只的整體三維圖像。此外，這四幅圖均提供了船體的速度（橫坐標，約4.5km/s）與距離信息（縱坐標，約3.1km遠）。

3 結(jié)論

本文公布基于InISAR雷達對船監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，成像算法以及對船成像的實測結(jié)果。 基于該系統(tǒng)的InISAR雷達可以對船只做到全天候，全天時，全自動的監(jiān)控與分類，這對于民用領(lǐng)域的船只分類與管理提供了強大而可靠的技術(shù)支撐。

參考文獻：

[1] 保錚，邢孟道，王彤.雷達成像技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 張冬晨.InISAR三維成像的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2009.

本文為基金項目：浙江海洋大學(xué)科研啟動經(jīng)費資助，No.21045012815