基于fmcw环扫sar的成像系统设计及测试方法

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1、基于FMCW环扫SAR的成像系统设计及测试方法合成孔径雷达(SAR)的成像受天气影响较小，且不受白天黑夜的制约，所以在航海、军事等领域有着广阔的应用前景。环扫SAR的概念于1990年由KLAUSINGH等人提出［1】，与传统直线SAR相比，具有360°的成像视野，高方位向的分辨率和扫描速度以及实现短时间内获得大范围成像效果的优势,有着广泛的应用前景。调频连续波(FrequencyModulatedContinuousWave,FMCW)SAR与传统脉冲SAR相比，优势在于其轻便、发射功率小&61、隐蔽性高且

2、分辨率高。FMCW体制下的环扫SAR结合二者优点，对于其成像系统研究具有实用意义。本文基于FMCW环扫SAR雷达体制，提出一种目标距离向成像系统的设计及其测试方法。该设计根据实际所需分辨率和探测距离设计了多种模式，每种模式均对应特定的波形参数。根据FMCW体制，目标的距离向成像采用去调频的方式获得目标回波的差拍频信号，对该信号频率分析后得到最终结果由于模拟前端实际采集的回波信号要求的分辨率高，因此频率分析的数据量巨大，为满足数据实时性处理的需求，成像系统由模拟前端完成去调频处理后，所得模拟信号经采样量化得到

3、数字信号［8】，送至FPGA数字下变频处理，得到目标的距离向成像数据本文首先通过MATLAB模拟某一工作模式目标回波的去调频信号，经由FPGA数字下变频得到距离向胃，加载至MATLAB观测信号频谱确认与设计的工作模式代表的距离参数是否一致。得到一致性的结果后，通过模拟前端的闭环方式得到目标距离为0时的去调频信号并加载至FPGA,观测频谱验证该成像系统的可行性和正确性。I设计原理1.1雷达波形参数设计FMCW环扫SAR雷达系统主要由发射机、频综器、接收机、信号处理板、转台和收发天线组成。频综器接收到来自上位机

4、的波形配置参数产生相对应频率范围在9.4〜9.6GHz的射频信号和本振信号，前者送入发射机放大后通过发射天线送往自由空间，后者送入接收机，与来自接收天线的回波信号进行降载频及去调频处理得到57.5〜62.5MHz的中频信号，然后将中频模拟信号送入信号处理板进行距离向成像处理。雷达参数见表1。根据不同分辨率和探测距离要求，在FMCW体制中设计了10种工作模式下的发射和接收波形参数。雷达发射波形可表示为：st(r)=e*⑴其中，fo是信号的载波频率，K=-B/T为信号的调频斜率，B为信号的带宽，T为信号的扫频周

5、期，也是信号的工作周期。选取能够分别代表近、中、远3种探测距离的波形参数，见表2。1.2雷达波形参数分析为实现距离向的高分辨率，FMCW距离向处理采用差拍频傅里叶变换技术，降低采样率。差拍频的范围由最近、最远斜距决定。距离分辨率只与发射信号带宽有关，带宽越大，距离分辨率越高。本雷达发射波形最大扫频带宽B=30.5MHz,理想距离分辨率为：(2)在整个工作周期内，FMCW信号一直在发射，接收时间相对发射有时间延时td(不同工作模式时不同)，其时序如图1所示，T为工作周期，B为扫频带宽。考虑了回波延时的影响后，

6、目标距离分辨率为：(3)在FMCW体制中，在不同的探测距离上有不同的距离分辨率。距离越远，分辨率越差。表2给出的参数验证了此结论。g距离向成像系统设计2.1FMCW距离向成像原理差拍频傅里叶变换技术是脉冲压缩方法中的一种。其原理是将回波线性调频信号和具有相同调频斜率的线注调频参考信号的共轭相乘去调频处理)，获得目标的差拍信号，用频谱分析的方法分析此差拍信号的频率，达到脉冲压缩的目的。根据式(1)，可以得到时延回波：j

7、2ir⑽-小+火＜/-利幼-T):e‘(4)其中，T=2d/c为目标引起回波相对于发射波产

8、生的时延。该环扫SAR接收体系采用两级混频得到中频信号，一级混频用于降低信号频率，二级混频用于去调频处理。不考虑幅度影响，一本振信号相位设为：^1(z)=2tt(/0+A/i)z(5)二木振信号设为：屮2(,>=(/加(/—G)一4-人口—)2)(6)其中，为一本振与主振的载频频差，f20为二本振的载波频率，tx=2Rmax/c为二本振更新脉冲时延，由探测距离决定，相关参数见表2的接收延迟参数。接收信号通过两级混频得到中频信号相位：(pw(t)=2tt[(/jj-A/i-A.(r-4))r+^-A(r2-

9、fx2)—](7)对中频相位求导并代入r=yi/c后可得：A/i-^-Q(8)由上式知回波信号的频率与时延t有关，即与探测距离有关，对中频信号进行FFT即可得到中频信号的频率叫。2.2数字化系统设计去调频处理在接收机内完成，得到模拟中频信号。为使得能在FPGA中完成距离向成像处理，在接收机?口FPGA间加入AD采集模块。图2所示为FMCW体制距离向成像方法的4大组成模块：去调频、AD采集、数字下变频(DDC)和傅