合成孔径雷达原理.ppt

合成孔径雷达原理,1 合成孔径雷达原理,机载合成孔径雷达的几何关系如图所示：,飞机以速度va沿x方向匀速直线飞行，飞行高度为h，机载雷达的天线以规定的俯角向航线正侧方向地面发射无线电波。垂直波束角为r，航向波束角为，测绘带宽为W，最大合成孔径长度为：Lmax，最小合成孔径长度为： Lmin。被测目标为一理想点目标p，p点与航线x的垂直斜距为R0。取航线x和R0所构成的平面为坐标平面。 设飞机在t=0时处在坐标原点，某一时刻t，飞机的位置xa=vat。点目标p的位置在这个坐标系里是固定的，（xp，R0）。在t时刻，p与飞机上雷达天线的斜距R为：,一般情况下， 则R可近似为： 天线发出的是周期性的相干等幅高频脉冲波，设其频率为f0，振幅为A，脉冲重复频率为fr，脉宽为。 假设发射的为一连续波余弦信号， 把实际信号看成是对连续信号的抽样，其抽样率即为脉冲重复频率fr； 假定余弦信号的振幅归一化为1，起始相位为0，则有：,， 发射信号 回波信号： K表示由距离R及其他因素引起的对信号幅度的衰减因子，0为信号往返延迟。 ， 那么，,归一化以后有： 这里， 取实部后有： 这个信号的相位部分由三项组成： ：原始发射信号的一次相位（线性相位）； ：是随R0而变的相位项，但与时间无关。对同一 垂直斜距的目标来讲， R0是常数， 是常数相位；,最重要的相位项 随时间呈平方律变化的二次相位项 那么回波的瞬时频率为： f0是发射信号的载频，第二项就是因天线与目标相对运动而引起的Doppler频移，即： 随时间呈线性变化。,回波信号是一种线性调频信号，其调制斜率为：,点目标p引起的Doppler有一个范围，以 为中心向正负两方向变化。当 时，天线位置正好处在p点与航线的垂直斜距点 ；在 时刻以前， ，其最大值发生在： Ls为p点所在位置的合成孔径长度，Ts为合成孔径时间。此时的Doppler频移为： 在 时刻以后， 为正，fd 为负值，其最大,值发生在 ，此时的Doppler频移为： 那么点目标p的回波Doppler频移的带宽为： 由于 所以有,从线性调频信号的频谱来考察回波信号的特点，即 这里 回波信号的包络为幅度归一化的矩形脉冲： 假定 于是有 ，其频谱为：,利用驻定相位原理来计算上述积分。被积函数的相位为 驻定相位点的时刻tk为： 表示驻定相位点tk附近的时刻。 把相位项 在驻定相位点tk展成幂级数，用 表示回波信号的相位 ，有,在 很小的条件下，取前三项即可。 那么， 回波信号的相位谱为：,2 从频谱分析、相关、匹配角度看合成孔径原理,地面上有二个点目标p1、p2，它们与飞行航向的垂直斜距相同，均为R0，二者所处方位不同。在x方向的坐标分别为x1、x2。,回波信号的Doppler带宽为： ，Ts是合成孔径时间。 p1、p2的区别 多普勒频率变化过程的起始点和终点不同。 设p1的回波信号的多普勒频率变化过程起始点为 ； 目标p2和p1的直线距离为： ，则p2的回波信号多普勒频率变化的起始点为：,因为va是常数，所以如果能够区分出 t也就是能分辨 x 。从频域角度看：在同一时刻二个回波信号的瞬时频率不一样，在t 时刻飞机的位置为 对于p1： 对于p2： 二者之差为： 如果能够分辨这个频率差，也就能分辨 x 。,分辨频率或分辨时间的途径：混频和相关 混频：采用一个具有同样调频斜率的线性调频信 号作为本振信号和二个回波信号sr1(t)及sr2(t)进行混频 差频+和频信号+低通滤波 得到二个恒定频率（单频）信号 p1（f1）；p2（f2）。,将其振幅归一化后变为矩形振幅的单脉冲信号，脉宽为Ts（合成孔径时间）。 这类脉冲的频谱呈sinc型,其半功率点宽度均为： ，带宽与脉冲宽度成反比，即 即 设单个天线方位向孔径为Dx，则,相关技术 复数形式：,其输出自相关函数亦为sinc型，峰值点出现 在 ，其第一个零点发生在 ，即 主瓣宽度为： 半功率点一般取主瓣宽度的一半，即,第二个目标p2的回波相关函数的形状与第一个完全相同，只是峰值出现的时间稍晚，有一个时延t， t与目标p1、p2的距离x有如下关系： 二个峰值可分辨的极限是：第二个峰值的延迟t应不小于主瓣的半功率点宽度。,单个天线方位向孔径为Dx，则 于是得到空间分辨力为： 上述这种聚焦型处理中的自相关过程是等效于匹配滤波器的。 由匹配滤波理论：滤波器的冲激响应 h(t)应是输入信号si(t)的延时镜像，即,合成孔径雷达的系统考虑, 信号强度： 天线接收的功率Pr为： Pt为发射功率（峰值），G为收发天线增益，为照射目标区域的RCS。通常此系统采用线性调频脉冲压缩和合成孔径处理，那么 采用线性调频脉冲压缩而获得的处理增益为 （脉宽， f 带宽）,合成孔径处理获得的处理增益为： 目标被真实天线波束照射的时间： 雷达的脉冲重复频率fr至少为最大多普勒频率的二倍，这样就有： 其中 ，又有： 接收机带宽B选择得与调频带宽相匹配,把天线增益G用有效孔径Ae来表示： 假定天线为椭圆形，半轴尺寸为Dx和Dy，利用系数为50%，则有： （采用了脉冲压缩和合成孔径雷达技术的雷达接收机输出的信噪比） 主要参数间的相互制约关系 假定飞机高度h和速度va已经确定，频率已经选定（f0， ），系统设计需要解决：空间分辨力；测绘带和脉冲重复频率,引起距离模糊 ，p2的回波在显示器上出现在 fr的选择必须考虑最大作用距离Rmax的要求，即,有可能有：,对于SAR要求： 从测绘带范围内来的目标回波应在同一重复周期内到达； 设测绘带两端最短和最长距离分别为R1，R2，则fr为： 由于天线旁瓣发射的能量也照射地面，因而总有一些回波与测验带来的回波在某一周期内同时到达天线，从而引起距离模糊。,距离模糊比： Rr = 有雷达方程可以得出：,Ga：表示第一模糊区的天线增益 Ra：模糊区的斜距 sa ：模糊区的方位分辨率,压低天线距离向的第一旁瓣 Ga/G 小 选择较低的重复频率得到较小的 失配导致的 fr 不但有一个上限，还应该有个下限 由多普勒信号带宽所确定。 fr 的脉冲串等效于对一个线性调频连续波信号的抽样，fr 就是抽样频率。即fr 的下限应为：,， a为天线方位向波束角,引入方位分辨参数 由于 有： 如果va固定，则方位分辨力要求越高，fr 的下限越大 大的Doppler带宽。 有： 在一个重复周期内前进的距离不能大于一个分辨单元 。,SAR的脉冲工作方式也会带来方位模糊。 在合成孔径长度Ls内， 由于真实小天线脉冲 工作结果，形成一种 类似于双程相移的线 阵天线。 式中2N+1表示合成孔径时间 内雷达发射的脉冲个数；x 为真实小天线发射脉冲的间,距。,峰值点可由下式求出： 相互间隔为： 方位模糊就是由这种栅瓣型多峰值造成的。 定义方位模糊比：,抑制方位模糊的办法是对真实天线的方向图加权。 若真实天线的方向孔径为D，设其孔径处场强均匀分布，则其方向图为： ，其第一零点位置在 合成天线的实际方向图为：,为了尽量抑制栅瓣，尽量减小方位模糊 使真实天线方向图的第一零点与第一栅瓣的位置 重合，或使其位置小于第一栅瓣