方位高分辨和合成孔径Word文档格式.docx
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现代天线阵列常用许多
D
阵元排列组成,图3.1示用许
...
多阵元构成的线性阵列,阵列
L
的孔径L可以比阵元孔径D
图3.1线性阵列
长得多。
图3.1的阵列可以是实际的,也可以是“合成”的。
所谓合成是指不是同时
具有所有的阵元,而一般只有一个阵元,先在第一个阵元位置发射和接收,然后移到第二个阵元位置同样工作,如此逐步右移,直到最后一个阵元位置,如果原阵列发射天线的方向图与单个阵元相同,则用一个阵元逐步移动得到的一系列远场固定目标(场景)信号与原阵列各个阵元的在形式上基本相同(其不同点将在下面讨论),条件是发射载波频率必须十分稳定。
下面通过分析证实上述结论。
设发射载波信号为ej2(fct0)(0是起始相位,
是我们故意加上去,说明初相的影响),利用2.2节中三种时间(即全时间t,慢
时间tm和快时间t)的概念,设在tm时刻在第m个阵元发射包络为p(t)的信号,
则发射信号为
s(t,t
m
)p(t)ej2(fct0)
(3.1)
t
式中快时间tttm。
若在场景中有众多的散射点,设它们到第m个阵元相位中心的距离分别为
Rmi,子回波幅度为Ai(i1,2,
),则第m个阵元的接收信号为
2Rmi
2[fc(t
2Rmi)0]
(3.2)
sr(t,tm)
Aip(t
)e
c
i
若用发射的载波s0(t)ej2
(fct0)与接收信号作相干检波,得基频信号为
sb(t,tm)
sr(t,tm)s0*(t)
j2fc
(2Rmi)
(3.3)
Aip(t
上式中没有全时间t,又由于目标是固定的,不随慢时间
tm变化,所以只要
阵元位置准确,什么时间测量都是一样的。
再强调一下,条件是发射载波在全过
实阵列合成阵列
sinx
2
sin2x
x
2x
a
单程双程双程
图3.2实际阵列和合成阵列的方向图的比较
程必须十分稳定,在作(3.3)式的相干检波时消去t和m隐含着这一条件。
从以上讨论可知,合成阵列的工作方式与实际阵列还是有区别的,它不像实际阵列那样作为整体工作,而是各个阵元自发自收。
为比较两者的特性,最好用天线的主要指标,如方向图、波束宽度等作比较。
假设各阵元等强度辐射,则实
际天线的收或发的单程方向图为
(sinx/x),其收发双程方向图为
(sinx/x)2,它
们的分别为0.88/L和0.64/L,其中L为阵列长度。
为了对场景成像,须作广域观测,即窄波束的阵列接收天线要用数字波束形成覆盖全域,并采用宽波束
发射、多个窄波束接收的方式,即实际阵列天线的波束由接收单程波束决定,合
成孔径阵列则不一样,阵元是宽波束的,阵元为收发双程,从(3.2)式可见,阵元间的相位差为单程时的两倍,其方向图为sin2x/2x,其3dB波束宽度为0.44,即合成阵列的有效阵列长度比实际阵列大一倍,而波束宽度只有实际阵列的一
半。
合成阵列可以在地面上移动实现,而在飞机、卫星一类运动载体上更易于实
现,飞机上安装一个一般的天线,相当于阵元,沿直线平稳飞行,在飞行过程中
以重复周期Tp发射和接收信号,于是在空间形成了长的合成阵列。
3.1.2合成阵列的孔径长度和横向分辨率
对于实际天线,若孔径长度为D,工作波长为,则其3dB的波束宽度近
似为
BW
K
(3.4)
式中K为加权展宽系数,前面已经提到,当天线为均匀辐(照)射时
K0.88,
实际天线为降低波束副瓣电平,总要对沿阵列的辐射作锥削加权,从而使
BW有
所展宽,在后面的讨论里我们近似取
K1。
有时我们还要用到波束第一对零点之间的宽度nn
nn2BW
(3.5)
前面曾提到,合成阵列由于阵元自发自收,其波束宽度为实际阵列的一半,
近似为
SBW
2L
(3.6)
由此可算出其横向分辨单元长度
SBWRR
(3.7)
式中R为场景中点目标到阵列相位中心
的距离。
为提高横向分辨率,即减小
a,应
加大合成孔径长度
L,但L的加长是有
R
限制的,如图3.3所示,若实际阵列横向
孔径为D,则在距离R处的照射宽度LR
C
A
B
为
LR
图3.3
LRBWR
①
(3.8)
最大合成孔径长度的说明
从图3.3可见,对于场景中心线上的任一点
A,只有在实际天线波束照射期
间才有回波被接收。
因此,虽然飞机一直沿直线飞行下去,而有效的最大合成孔
径只有LR,将它代入(3.8)式,得最小横向分辨单元长度aM
aMD/2
(3.9)
上式表明,能得到的横向分辨率与目标距离无关,这是容易理解的,由于距离越远,则有效合成孔径越长,从而形成的波束也越窄,它正好与因距离加长而使横向分辨单元变宽的效应相抵消,可保持横向分辨单元的大小不变。
(3.9)式的结果还可从另一个方面来解释,图3.3中的飞机从上向下飞行,雷达对A点的视角是变化,以B和C表示波束在场景中心线上的两端,波束从上向下扫描,首先是其下端点B接触A点,扫过LR长度后,上端点离开C点,上
述视角的变化为BW。
利用第一章转台目标横向分辨的结果
[见(1.6)式]
a/2BW,以BW
/D代入,得aD/2,其结果与(3.9)式相同。
这
可以解释为在视角转动过程中,横向位置不同散射点子回波的相位历程变化的过
这里的BW为单程波束宽度,似用双程的更为合理。
但过去的文献均采用单程的,两者有一定的差别但
不大,且此式为近似式。
也可解释为BW为-dB的双程波束宽度。
程不同,也就是照射多普勒频率不同,从而能加以分辨。
如上所述,为了提高横向分辨率,应减小天线横向孔径。
但天线孔径取多大还要考虑雷达其它因素,例如孔径减小会使天线增益随之降低,通常是有限制的。
但(3.9)式横向分辨率的限制是在天线射线方向不变方式下得到的,这样的方
式是用来观测与航线平行的条带,称为条带模式(Stripmapmode),这时雷达射线对目标射线的转角受波束宽度限制。
如果天线波束指向可以改变,为了更细致地观测某一较小的特定地区,可以在飞行过程中不断调控天线波束在较长时间指向该地区,这显然可对目标有更大的观测角,而不受波束宽度限制,这种方式为集中观测一特定区域,称为聚束模式(Spotlightmode)。
后者在后面还要详细介绍。
条带模式和聚束模式的示意图如图3.4所示。
(a)条带式(b)集束式
图3.4条带模式和聚束模式
3.1.3聚焦模式和非聚焦模式
在天线技术里,天线方向图及波束宽度等都是远场条件下分析的,所谓远场即设电磁波为平面波。
实际上点辐射源的辐射为球面波,只是在距离很远处,球面波可用平面波近似。
以阵列接收天线为例,在平面波假设条件下,根据来波方向和各阵元的空间几何位置,计算出各阵元上同一时间的信号;
发射天线也一样,根据要求的波束指向,在平面波假设条件下,从各阵元的激励信号计算空间场强与方向的关系,所得到的方向图只和方向有关,而和距离无关。
用距离“很远”作为平面波近似的
g
条件是不科学的,“很远”究竟是多远?
以图3.5的线性阵列接收点辐射源为
A2
例,若设入射波为平面波,从阵列法线
X
p
o
方向射入,则各阵元接收到的信号是同
相的;
严格地说,这只在R
时成
立。
如果R为有限值,波前应为图中所
示的球面波,在同一时刻各阵元上接收
球面波
图3.5
平面波近似条件的说明
信号的相位是不相同,离阵列中心越
远,相位的导前量也越大,当将各阵元信号作相干处理而直接相加时,
为使信号
相位的不一致不产生大的影响,对两端相位的导前量应加以限制,例如要求其不
大于/2,雷达一般作双程工作,这里要求图中的单程波程差不大于/8(即双
程波程差不大于/4),按图3.5的几何关系,得
R2(L/2)2R/8
即RL2/(3.10)
或LR②
对一般雷达,上述条件总是满足的,以X波段为例,3厘米,设孔径L3
米,则远场条件为R300米,这是不成问题的。
但对同波段的合成孔径雷达就
不同了,若合成孔径长度为200米,则(3.10)式的远场条件为R1333公里,
而一般机载SAR只有几十公里,相差甚远;
星载SAR一般为千余公里,但星载
SAR的合成孔径通常为几千米或更长,远场条件同样远远不能满足。
因此,合
成孔径雷达通常在近场条件下工作。
为此,下面讨论近场条件如何实现相干接收,以及这时的天线方向图。
设图3.5里的p是一个点目标,阵列为合成阵列,各阵元自发自收。
从图中
可见,阵列位置不同,到p点的距离也不同。
设阵列上的某点A,距离阵列中心