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国防科学技术大学研究生院博七学位论文 摘要 调频连续波( f m c 技术与合成孔径( s a r ) 技术的结合为发展体积小、重量 轻、成本低的高分辨成像传感器提供了条件。今天，小型无人机已经高度成熟， 然而到目前为止，这些平台一个主要的缺点就是承载能力受限。高度小型化的 f m c ws a r 符合s a r 系统低成本的发展趋势，具备结构简单、价格低廉、功耗 低、截获概率低等一系列优点，非常适合有效载荷受严格限制的小型无人机平台 的需要，因此，受到各个国家越来越多科研机构的关注。针对f m c ws a r 系统 在理论和实践中亟待解决的关键技术问题，本文展开相关研究。 “停走停假设是目前脉冲s a r 信号处理和理论分析的基础，然而，f m c w s a r 由于连续发射大扫频周期信号而使“停走停近似失效。针对这一问题，论 文首先分析了f m c ws a r “停走停”工作模式的有效性判定问题，在“停走 停 假设不成立的情况下建立去调频f m c ws a r 回波信号模型，在此基础上， 提出了基于傅氏变换的分布目标回波模拟快速算法。 残留视频相位( 1 w p ) 和斜置是去调频处理特有的产物，论文定量分析其对 常规f m c ws a r 成像的影响，讨论了消除r 、厂p 的方法；针对脉内载机运动引起 的快时间多普勒效应，结合距离一多普勒算法，讨论了快时间多普勒效应引起的 距离走动问题，并给出校正方法；同时，分析了在大波束角或者斜视情况下导致 算法性能下降的主要误差来源，提出一种适合f m c ws a r 系统的改进的距离多 普勒算法。 距离多普勒算法通过在方位频域插值校正快时间多普勒效应，由于受插值精 度的影响，补偿效果不理想。针对这一问题，论文提出一种改进的距离堆栈算法， 该算法不需要插值，不存在几何失真，避免插值计算导致的精度损失，非常适用 于近距离f m c w 雷达成像。 f m c ws a r 系统另一个突出问题是系统对采样率、数据处理量有严格的限 制。在采样率受限的条件下，传统脉冲体制下的f s 算法直接应用到f m c ws a r 中来，会引起严重的距离维频谱混叠，导致无法成像。针对这一问题，论文提出 一种改进的f s 算法，在避免尺度变换导致距离频谱混叠的同时，矫正了脉内及脉 间载机运动引起的距离走动和距离弯曲，实现了精确成像。 运动目标检测是军用机载雷达的一项基本功能。为了保持f m c ws a r 体积 小、重量轻的优点，同时充分发挥单天线f m c ws a r 系统的作用，用户更希望 f m c ws a r 利用单通道数据达到检测地面动目标的目的。论文借鉴发射调频三角 波信号构建双通道回波数据的思想，结合d p c a 方法，提出利用d p c a 方法单通 道f m c ws a r 动目标检测算法。算法重点研究了在常规s a r 成像时可以忽略的 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 r v p ，在d p c a 方法进行动目标显示时引起通道相位失配问题，得到要获得较好 的s c r ，必须在成像过程中消除r v p 影响的重要结论。 最后论文从f m c ws a r 系统设计角度出发，对影响f m c ws a r 系统性能 的关键因素一调频线性度以及相位噪声进行系统分析。通过定量分析线性度与峰 值旁瓣比的关系，利用数据拟合得到线性度一峰值旁瓣比曲线，可方便的根据期 望的峰值旁瓣比得到信号源线性度指标要求；同时，对振荡器相位噪声以及泄漏 信号相位噪声对系统的影响进行分析，得到f m c ws a r 图像信噪比计算公式， 用于指导工程实践。 主题词：合成孑l 径雷达；调频连续波；去调频；成像算法；距离多普勒算法； 距离堆栈算法；频率尺度变换算法；快时间多普勒效应；放大的残留视频相位； 相位中心偏置天线；单天线；动目标检测； 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t t h ec o m b i 眦t i o no f 雠q u e n c ym o d u l a t e dc o n t i n u o u sw a v e ( f m c t e c l l i l o l o g ) r 、杭t hs y l m l e t i ca p e r t u r er a 叠呱s a r ) m e t l l o d ss h o u l dp a v et h ew a yf o rt h ed e v e l o p m e n t o fas m a l l ，l i g i g h t ，c o s te f f e c t i v ei m a g i n gs e n s o r so fl l i g hr e s o l u t i o n m i l l i - u a v s ( m u a v ) l l a v er e a c h e dal l i g hd e g r e eo fm a t u r 时；h o w e v e r ，s o 栅t i l e s ep l a t f o m s m 勾o rd r a 、b a c ki st h e i rl i m i t e dp a y l o a d 1 1 1 eh i g l l l y 而r l i a t i l r i z e df m c ws a rs y s t e m s a t i s f i e st h er e q u h m e mo fc o s t e f f e c t i v ed e v e l o p m e m 仃e n da n di t ss m a l le n o u 曲t 0b e m o u l l t e do ns u c hm u a v s y s t e 】 i lf o ri t sa d v a n t a g e ss u c ha sc o m p a c t ，c o s t e f f e c t i v e ，l o w p o w e rc o n s 啪i i l g 肌dl o wp r o b a b i l i t ) ro fi n t e r c e p t i o n ( l p i ) ，e t c s o ，m o r ea i l di n o r e s c i e n t i f i cr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n ss h o wag r e a ti n t e r e s ti ni t i i lt h i sd i s s e r t a t i o 玛地 c h a l l e n g et e c i m i o l o g i e so ff m - c ws a r i i lt h e o 巧a 1 1 dp r a c t i c ea r ed i s c u s s e d t h es t o pa r l dg o 印p r o x i n l a t i o ni sm eb a s i so fp u l s es a r p r o c e s s i r 培a 1 1 dt l l e o r e t i c 锄1 y s i s ，h o w e v e r ，i 1 1f m c ws a r 印p l i c a t i o i l s ，恤c o n v e n t i o 烈s t o p 觚d9 0 a p p r o x i m a t i o nu s e di np u l s er a d a ra l g o r i t l l i i l sc a nb en o tv a l i da n y m o r ef o ri t sr e l a t i v e l y 1 0 n gs w e e pc y c l e t h e 舭s i s 伍s t l y 锄l y z e d 恤e 虢c t i v e n e s sc m r i o no f 恤 印p r o x 证l a t i o n ；t h e na n a l ”i c a ld e v e l o p m e n to ff m - c w s a rs i g r mm o d e l i sp r e n t e d 谢t h o u tu s i n gt 1 1 e 咖pa n d9 0a p p r o x i m a t i o n ；i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt 0t h eg i v e ns i 印a l m o d e l ，af 瓠tr a wd a l as i m u l a t i o na l g o r i t h mb a s e do nf f t i sp r e s e n t e d r e s i d u a lv i d e op t 瑚e ( i w p ) a n dm es l o p e 觚o ra r et l l ec l l a i 秕t e r i s t i c so ft h e d e - c 1 1 i 印o p e r a t i o 玛t h et l l e s i sa 1 1 a l y z e dt 1 1 e i re f f e c t so nc o r e n t i o n ms a ri l n a g i n g q u a l i 锣，锄dt h ec o r r e s p o n d i n gc o m p e i l s a t i o nm e t h o d sa r ed i s c u s s e d t h ec a 玎i e r s m o t i o n 、析t m nt l l e s 、e e p c a u s e st h ef a s t t i m e d o p p l e re f ! e e c t ， b 嬲e do nt h e i h n g e d o p p l e ra l g o r i 皿，m et h e s i sd i s c u s s e dt h er a n g ew a l kc a u s e db yf 瓠t - t i m e d o p p l e re 虢c ta i l dt 1 1 ec o r r e c t i o nm e t h o di sg i v e n i i lm ec a s eo fl a r g eb e 锄晰d t l l ，a m o d i f i e d r a i 培e - d o p p l e rm g o r i t h n i s p r o p o s e d t o c o n q u e r t h e p e r f o n t l a i l c e d e t e r i o r a t i o nc a l l s e db yt 1 1 em o d e l 印p r o x i m a t i o n t h er 姐g e - d o p p l e ra l g o r i t h mc o r r e c t 也ef 瓠t - t i i i l ed o p p l e re f f e c ti i la z i m u m d o p p l e rd o m a i nb yi m e 印o l a t i o i l t 1 1 ec o m p e l l s a t i o np r e c i s i o n i sr e s t r i c t e db yt t l e i n t e r p o l a t i o np r e c i s i o n t oc o n 叩l e rn l i sp r o b l e m ，m e 也e s i sp r o p o s e dar n o d i j e i e dr a n g e s t a c b n ga l g o r i t h m t h e 甜g o r i t i l i i ld o e sr l o tr e q u i r e 洫t e r p o l a t i 9 如n oe x i s t i i 培t h e g e o m e 仃yd i s t o r t i o i l i t sr e c o n s t n j c t e di m a g e sd on o ts u 丑ht 1 1 ep r e c i s i o nl o s s 丘o m i n t e 印o l a t i o nc 2 l l c u l a t i o n ；i ti sa p p l i c a b l ei nn e a r - f i e l df m c wm d a ri m a g i n g a n o 缸ro u t s t a l l d i n gp r o b l e mi 1 1f m - c ws a rs y s t e n li st l a tm es 锄p l i n g 舶q u e n c ya i l dm e 讹p r o c e s s i n gc 印a c 时a r el i m i t e d mt h ec a s eo fl o ws a n l p l i n g n e q u e n c y ，t l l e 行e q u e n c ys p e c 仇j i i li nr a i l g em a yb a d l yb ef o l d e di ft l l ec 0 1 w e m i o n a l p u l s es a rf sa l g o r i t 1 l ni su s e d 洫f m c ws a rd i r e c t l y ，t l l ei m a g i n gq u m i t yi s d e t e r i o r a t e d t os o l v et h ep r o b l e m ，an l o d i f i e df sa l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，w h i c ha v o i d e d 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 丘e q u e n c ys p e c t n nf o l dmr a n g ec a u s e db ys c a l i n gt r a n s f o 肌，a sw e l la sc o r r e c t e dt 上l e r a n g ew a j kc a i l s e db yt l l em o t i o nd 谢n gt h es w e e pa 1 1 dr a n g ec u r v a t u r ec a u s e db yt h e m o t i o nb e t 、e e ns u c c e s s i v es w e e p s ，t h ep r e c i s ei i n a g i n gi sa c c e s s e d m o v i n gt a r g e t si n d i c a t i o n ( m t i ) b a s e do na i r b o m er a d a rs y s t e m sh a sb e e n a c n j c i a la m c t i o nf o rm i l i t a r ya p p l i c a t i o n t om a i n t a i nt h ea d v a n t a g e sl i k es m a l l ，l i 曲t w e i g h t ，e t c a 1 1 dm a l ( et h eb e s to ft h es i n g l ea n t e l l i l ao ff m c ws a rs y s t e m ，u s e r sh o p e t 1 1 a tm t ii si m p l e m e n t e du s i n go n es i n 9 1 ec h 锄e le c h od a t a t h et h e s i sc o m b i n e dt h e i d e a lo fc o n s t r u c t i n gm ed o u b l ec h a i l n e l sr e t u 】m sb yt r a 【1 1 s m i n i n gl i n e a r 仃i a l l g u l a r 硼e f o rr e f e r e n c e 、i t ht h ed p c a m e t h o d ，p r o p o s e dan e wa j g o r i t h mo ns i n g l ec h a i l e lm t i t h ea l g o r i t h mi n v e s t i g a t e do ne m p h a s i st h a t 血er v pw m c hc a l lb ei g n o r e di i lt h e 删i o 彻r yt a r g e t si m a g i n gm a yc a u s es e v e r ep h a s em i s m a t c h i n gb e 帆e e nt i l e 咖 c b a n n e l s ，a n dd r e wt h ec o n c l u s i o nt h a t ，t o 萨tb e t t e rs c 凡t h er v pm u s tb ee l i n l i n a t e d i nt h ei i l l a g i n gp r o c e s s f i n a l l y ，i i lt e m so fs y s t e md e s i g i l ，m et l l e s i sa n a l y z e dt 1 1 ek e ye l e m e n t sl i m i t i n g t l l e s y s t e mp e o n i l a l l c e 一舶q u e n c ym o d u l a t i o n ( f m ) n 0 1 1 l i n e 撕t i e sa i l dt h ep h a s e n o i s e b yt h eq u a m i t a t i v ea n a l y s i so nr e l a t i o nb e 铆e e nl i n e 撕t ) ，a n dp s l rt h e l i n e a r i t ) r - p s l rc u r v e i s g o t t e nb yd a 诅印p r o x i m a t i o n ，a n d t h e nm el i n e a r i t y r e q u i r e m e n to ft h es i g n a ls o u r c ei sg o t t e ne a s i l yb yt h e 觚t i c i p a n tp s l r f u n h e m l o r e ， t h et h e s i sd i s c u s s e dt h ee f f e c to ft i l ep h a s en o i s eo fo s c i l l a t o ra 1 1 dt h el e a k a g es i g n a l ， a n dg o tm ef o n n u l a t i o no ff m c ws a ri m a g ec n r 聃血i c hi su s e dt og u i d et h e e n g i n e e r i n gp r 2 i c t i c e k e yw o r d s ：s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a r ) ；f r e q u e n c y m o d u l a t e d c o n t i n u o u sw a v e ( f m c w ) ；d e c h i r p ： i m a g i n ga i g o r i t h m ：r a n g ed o p p i e r ( r d ) a i g o r i t h m ：r a n g es t a c k i n g ( r s ) a l g o r i t h m ：f r e q u e n c ys c a n g ( f s ) a i g o r t h m ： f a s t - t i m ed o p p l e re f f e c t ； a m p i i f i e d - r v p ( a r v p ) ； d i s p i a c e dp h a s ec e n t e r a n t e n n a ( d p c a ) ；s i n g i ea n t e n n a ；m o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n ( m t l ) ； 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 典型m u a v 载f m c ws a r 系统参数2 表2 1 时域叠加与基于肿的快速算法运算量估计2 9 表2 2 仿真参数设置3 0 表2 3 仿真参数设置3 3 表3 1 正侧视l f m c ws a r 距离多普勒算法仿真参数设置4 4 表3 2 不同处理方式下的距离向运算量比较5 2 表3 3l f m c ws a r 仿真参数设置5 3 表3 4 算法改进前后成像结果比较5 4 表3 5 脉内载机运动对成像结果的影响5 5 表4 1l f m c ws a r 仿真参数设置6 3 表5 1f m c ws a r 仿真参数设置。7 3 表5 2f s 算法成像结果分析7 5 表6 1f m c ws a r 及运动目标参数7 7 表6 2 单天线f m c ws a r 动目标检测仿真参数设置9 2 表7 1 系统参数设置10 3 表7 2 峰值旁瓣比一线性度多项式拟合因子( l o 一：) 1 0 5 表7 3 s ( 无) 下五种相位噪声类型及名称1 0 8 表7 4 系统参数设置1 1 2 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图2 1 传统脉冲s a rd e c k r p 处理收发关系l3 图2 2 发射信号占空比及相应“阵元”位置1 3 图2 3l f m c ws a rd e c h i r p 处理收发关系1 4 图2 4 瑞利准则下的分辨率1 5 图2 5 发射信号作混频信号：不同目标回波延时对距离分辨率的影响1 6 图2 6 发射信号的延迟信号作混频信号：不同目标回波延时对距离分辨率的影响 17 图2 7 脉冲持续时间内目标与雷达平台之间距离变化的几何图1 9 图2 8 场景地面后向散射系数的获取过程2 5 图2 9s a r 几何。2 5 图2 1 0 基于快速傅立叶变换的f m c ws a r 回波模拟算法流程图2 9 图2 1 1 单点目标回波仿真及成像结果3 1 图2 1 2 多点目标回波仿真及成像结果。3 2 图2 1 3 场景1 及其成像结果3 3 图2 1 4 生成回波数据幅度与相位分布曲线3 3 图2 15 场景2 及其成像结果3 4 图2 1 6 生成回波数据幅度与相位分布曲线3 4 图3 1 条带s a r 几何3 7 图3 2 正侧视条带s a r 数据采集平面照射几何3 7 图3 3d e c m r pf m c ws a r 去r v p 处理处理流程4 0 图3 4 忽略r v p 和斜置的d e c 1 1 i r pf m c ws a r 距离维信号处理流程4 l 图3 5d e c 蛐pf m c ws a r 方位维信号处理流程4 2 图3 6 斜距二阶泰勒展开误差分析4 4 图3 7 距离迁移校正结果比较4 5 图3 8 点目标二维脉冲压缩结果对比4 5 图3 9 斜视条带s a r 数据采集平面照射几何4 6 图3 1 0 改进前斜距展开对应的斜距、相位误差曲线。4 7 图3 1 l 改进后斜距展开对应斜距、相位误差曲线。4 7 图3 1 2 改进斜视l f m c ws a r 距离多普勒算法流程。5 l 图3 1 3 经过二维脉冲压缩后的点目标成像结果5 3 图3 1 4 改进前后的多普勒算法获得的点目标方位向、距离向剖面图比较。5 4 图3 1 5 经过二维脉冲压缩后的点目标成像结果5 5 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 图3 1 6 点目标方位向、距离向剖面图比较5 5 图4 1 条带、聚束模式s a r 回波的方位频率历程比较5 8 图4 2 距离堆栈成像算法流程6 2 图4 3f m c w 聚束s a r 点目标成像仿真结果比较6 4 图4 4 改进前后获得的峰值点处沿距离向、方位向剖面图比较6 4 图4 5 多点目标成像结果比较6 4 图4 6 图4 5 左上角两个目标的放大6 5 图5 1 改进的f m c ws a rf s 算法流程7 2 图5 2 经过块平移和相位保持后的点目标回波信号在二维频域的仿真结果7 4 图5 3 经过二维脉冲压缩后的点目标成像结果7 4 图5 4 改进前后f s 算法获得的点目标距离向、方位向剖面图比较7 4 图5 5 改进f s 算法快时间多普勒效应校正与否获得点目标成像结果比较。7 5 图6 1 动目标平面几何关系示意图7 7 图6 2 动目标速度引起的最大距离偏移7 9 图6 3 目标方位向运动对脉压主瓣峰值的影响8 0 图6 4f m c ws a rm t i 收发关系8 1 图6 5 单天线d p c a 动目标检测示意图8 7 图6 6r v p 对应的相位伊引起的相位失配与s c r 的关系9 0 图6 7 机载单天线f m c ws a rd p c a 方法进行动目标检测的基本流程9 1 图6 8 单天线s a r 数据近似为两通道数据9 2 图6 9 忽略r v p 的动目标检测9 2 图6 1 0 校正了l m 的动目标检测。9 3 图6 1 1 单天线s a r 数据近似为两通道数据。9 3 图6 1 2 动目标检测( 忽略r v p 对通道不匹配的影响) 9 4 图6 1 3i w p 对应的相位妒引起的相位失配与s c r 的关系9 4 图6 1 4 动目标检测( 校正了i w p 对通道不匹配的影响) 9 5 图6 1 5 动目标方位向剖面图9 6 图6 1 6 动目标距离向剖面图9 6 图7 1 典型的f m c ws a r 成像系统结构9 9 图7 2 不同调频线性度下频率偏移函数1 0 0 图7 3 不同条件下距离向脉冲压缩结果比较1 0 2 图7 4 不同调频线性度下距离维脉冲压缩结果1 0 2 图7 5 距离分辨率、峰值旁瓣比随调频线性度变化曲线1 0 3 图7 6 不同扫频带宽下距离分辨率、峰值旁瓣比随调频线性度变化曲线( l = l m s ) 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 ( ) 4 图7 7p s l r l 拟合曲线10 5 图7 8 理想调频与非线性调频的距离成像结果比较( 三= 1 6 6 4 9 1 0 4 ) 1 0 5 图7 9 发射机工作原理1 0 6 图7 1 0 中频采样数字接收机模型1 0 7 图7 1 1发射信号相位噪声与差分相位噪声功率谱密度一频率偏移曲线1 0 8 图7 1 2 相位噪声对调频信号的调制11 0 图7 13 发射接收信号频谱1 11 图7 1 4 耦合信号、点目标中频信号及热噪声功率谱密度比较1 1 2 第v i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第1 ) ( 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第x 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 旦二型墨垒垦焦曼赴堡羞鲑垫盔婴壅 学位论文作者签名：盈! 至! 螽塾日期： 2 。胡年年月7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 丛= 尘! ! 垒基焦曼丛里羞鳇撞苤盟塞 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 巫! 整垒竺 亳；丰睦 4 u 之一 日期：阳苫年年月7 日 日期：a 。扩年￥月) 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论弟一早三百i 匕 1 1 研究背景及意义 合成孔径雷达( s y n t h e t i ca p e m 鹏i 之a d a r ，s a r ) 是一种高分辨率成像雷达。 它利用发射的大带宽信号获得高的距离分辨率；利用雷达与目标的相对运动，把 在不同位置接收到的目标回波信号进行相干处理，从而获得高的目标方位分辨率。 合成孔径雷达能全天候、全天时地提供高分辨率雷达图像，在民用领域可以用于 地质探测、地形测绘，水源、污染以及洪水灾害监测，还可以用于农作物鉴别、 产量估计等等；在军事上可以作为战场和战略侦察的有力工具，也可以作为引导 设备的显示装置。 合成孔径雷达可装配于轨道、飞机、卫星等载体之中，其中机载合成孔径雷 达是合成孔径雷达的一种很重要的应用方式。机载合成孔径雷达主要分为三类： 有人侦察机大型合成孔径雷达、有人侦察机小型合成孔径雷达以及无人侦察机小 型合成孔径雷达。 无人驾驶飞机( u m a i l i l e da e r i a lv e l l i c l e ，u a v ) 能够替代人类飞行员执行“枯 燥、恶劣、危险”( t h ed u l l ，t h ed i r c y ，t l l ed a n g e r o u s ) 的任务【1 捌，可以减少参与 人员的伤亡，降低装备和使用成本，正逐步受到各国的重视。已有西方军事家预 测，未来空战将是无人机与无人机之间的对抗。 在无人机能够承担的多种角色中，情报侦察和战场监视是目前无人机系统一 个主要作战任务p 吲。无人机用于战略、战役和战术侦察，能潜入敌目标上空进行 昼夜侦察，并向作战指挥中心准确地传输实时目标图像和信息，使战场指挥官及 时掌握战场情况，制定作战计划，为取得战斗的胜利起了决定性作用。目前，无 人侦察机是装备部队及实战应用最多的机种，已成为当今u a v 发展的一个重点。 在二十世纪九十年代发生的四场局部战争中，采用了大量的装载红外、光电 侦察设备的无人侦察机，为高技术条件下实现“无伤亡”现代战争提供了有力工 具。但光电侦察设备由于不能在恶劣气候条件下工作，缺乏实时大面积连续成像 能力，应用受到天气和环境条件的限制【l0 1 。美军的研究报告表明，天气对光电红 外( e o i r ) 传感器的影响比对飞行器的影响要大得多。比如在对朝鲜半岛的侦察 监视行动中，无人侦察机在1 年中有2 5 5 天可以执行侦察任务，但它携带的光电 红外传感器只有5 8 天可以正常工作；在巴尔干半岛1 年中可以正常工作的天数， 无人侦察机为2 4 2 天、光电红外传感器为8 3 天。而如果使用机载合成孔径雷达， 只要无人机可以飞行，雷达就可以执行侦察任务。因而无人机载合成孔径雷达 ( u a vs a r ) 必将成为未来战争中实现“无伤亡侦察的重要手段。 第l 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 随着人工智能、传感技术、运动控制技术的快速发展，世界各国都开始竞相 开发遥控式、半自主式或自主式的微小无人机( m i i u a v ，简称m u a v ) ，并 逐步装备部队【1 1 ，1 2 1 。作为一种技术成熟的平台，m u a v 可以快速配置并用于大范 围空对地的监视任务。如果在空间配置若干个m u a vs a r 系统，在u a v 通信协 议和全球定位系统的支持下，可形成一个强大的移动传感器网络，这样的一个网 络可覆盖一定的距离范围，提供详尽的军事信息【1 3 1 。 然而到目前为止，这些平台有一个主要的缺点，那就是承载能力有限【1 4 1 。已 有的基于脉冲体制的合成孔径雷达，通常是一个非常复杂的系统，其费用昂贵， 结构复杂。市场上可获得的s a r 传感器通常为任务航天器设计，搭载平台为 h a l e 、m a l e 型u a v ，它们比m u a v 具有更高有效载荷承载能力，随机携带的 重量在3 0 公斤到7 0 公斤以上的数量级，功率消耗大于5 0 0 瓦。例如用于“全球 鹰 的休斯综合监视与侦查系统一h i s a r ，重2 9 0 公斤，功耗6 千瓦；用于“捕食 者的战术增强合成孔径雷达一t e s a r ，重7 6 公斤，在此基础上研制的战术无人 机雷达一t u a v r ，重量约等于3 0 公斤；美国通用原子公司研制生产的砧w a p y 8 “山猫l y n x 合成孔径雷达，可安装在“捕食者、“蚋蚊”等系列无人机和部 分有人侦察机上，重量为5 2 公斤。 表1 1 给出了一组典型的m u a v 载f m c ws a r 系统参数。对于飞行高度在 万米以下的小型无人机m u a v ，如德国的l u n a 无人机【1 5 1 6 j ，飞行高度3 0 0 2 0 0 0 米左右，飞行速度2 0 6 0 州s ，其有效载荷通常在数公斤左右。由于m u a v 有效载 荷小，因此对合成孔径雷达的体积、重量、功耗提出了严格的要求。m u a v 平台 有效载荷和体积的限制制约了其配置传统脉冲s a r 系统的可行性。 表1 1 典型m u a v 载f m c ws a r 系统参数 飞行高度【m 1 3 0 0 2 0 0 0 工作频段x 、k a 波段 飞行速度【m s 1 2 0 6 0 方位向波束宽度【度】 = 10 测绘带宽度【m 】 3 0 0 8 0 0 发射信号带宽【g h z 】 1 0 0 5 0 0 入射角【度】 6 0 7 5 扫频周期【h z 】 = 1 0 0 0 作用距离【m 】 = 4 0 0 0 系统采样频率【m h z 】 = 5 为了克服承载能力的限制，充分考虑典型m u a v 应用平台体积、承载受限的 特点，设计适合m u a v 的高度小型化s a r 传感器的需求越来越明确。调频连续 波( f m c w ) 技术与合成孔径技术相结合为发展体积小、重量轻、成本低、高分 辨率的成像传感器提供了条件l l 卜1 9 j 。 高度小型化的f m c ws a r 充分考虑典型的m u a v 体积小、有效载荷受限的 缺点，具备结构简单、价格低廉、功耗低、需要的发射功率适中、截获概率低等 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 一系列优点，非常适合m u a v 平台的需要，符合s a r 低成本的发展趋势，因此， 受到各个国家越来越多科研机构的关注。 f m c ws a r 是一种新的s a r 体制。f m c ws a r 系统研究涉及到雷达系统 分析、成像信号处理以及系统设计等内容，研究内容非常丰富：f m c ws a r 系统 的研究与实现在国内尚属起步阶段，因此其系统研究具有重要的理论与现实意义。 1 2f m c ws a r 研究及发展现状 1 2 1 国外研究发展状况 f m c ws a r 具有体积小、重量轻、费用低、分辨率高等一系列优点，世界上 许多国家基于不同的应用背景投入人力物力进行研制。 1 9 8 8 年，英国伦敦大学最先提出调频f m c ws a r 的概念，并将其首先应用 于飞机高度计中1 1 7 j 。之后，鉴于f m c ws a r 的诸多优点，各个国家的科研机构 竞相开展了一系列基于不同应用背景的f m c ws a r 的科研工作。 l9 9 1 年开始，日本利用f m c ws a r 进行积雪场掩埋物的探测【2 5 1 ，克服脉 冲雷达对时间分辨率要求高的缺点，雷达工作在l 波段，发射功率为1 3 d b m ，采 用矩形喇叭天线，分辨率为5 5 c m 。雪表探测最显著的特点是短距离测量，如果目 标非常接近于雷达天线，如1 2 米的距离，为了区分不同斜距的目标，要求脉冲 雷达的时钟在时域必须非常精确，如纳秒到皮秒的精度，时域如此高的精度给脉 冲雷达设计带来很大限制，也不适合商业应用。连续波雷达在频域测量距离，距 离分辨率取决于信号频谱的频域分辨率，且无距离盲区。与脉冲雷达相比，连续 波雷达更容易实现短距离、高精度测量。 1 9 9 7 年英国伦敦大学又开始将f m c ws a r 应用于海洋内波成像【2 0 1 。 m o r s e ( m e s o s c a l eo c e a i ll 己a d a u rs i 朗a n 鹏e x p e r i m e n t s 一中尺度海洋雷达特征 信号试验) 计划，目的在于从理论和实验方面提供海洋内波成像过程的物理模型， 通过处理软件，将雷达图像转化为海洋表面下水利现象的精确信息。f m c ws a r 可以以极高的分辨率提取海洋表面信息，在时间和空间预测内波区域，转化雷达 信号为地球物理学的参数。海洋成像利用基于实验室的超高分辨率f m c ws a r 系统，在有鳞文波实验中获得，载频9 4 g h z ，采用调频连续波技术，距离分辨率 0 0 5 米，方位分辨率0 0 l 米，成像区为一个5 4 平方米的区域。该雷达已经实现 并在伦敦大学通过论证。 m u a v 已经越来越广泛地应用于环境监测、边境巡逻和情报侦察等领域。体 积、重量都满足m u a v 载荷要求的光学遥感侦察设备由于不能全天时、全天候地 工作，这一缺点成为推动s a r 小型化的直接动力。基于m u a v 的调频连续波s a r 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 的研究成为小型化发展的一个主要方