维普资讯 http://www.cqvip.com 第２４卷第８期 ２００２年８月 电子与信息学报 Ｖｏ１．２４ Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２００２ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＡＮＤ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＤＢＦ相控阵天线在超高分辨率机载ＳＡＲ中的应用 王贞松 马小玲 （中国科学院计算技术研究所北京１０００８０） （中央民族大学北京１０００８１） 摘 要 该文从叠加原理和相控阵天线的扫描原理出发，提出了一种灵活方便的波束生成方法．用此方法 由微带贴片天线单元组成了１４５ｃｍ×４８ｃｍ的天线阵，生成了波长为２４ｃｍ，方位向半功率波束宽度为 ２３。的宽波束．由合成孔径原理可知，条带ＳＡＲ的方位分辨率随波束宽度的变宽而提高．该文将宽波束 天线用于超高方位分辨率机载ＳＡＲ。计算．了天线的性能指标和ＳＡＲ的系统参数．比较了条带ＳＡＲ和 Ｓｐｏｔｌｉｇｈｔ ＳＡＲ这两种常见的ＳＡＲ模式的分辨率和测绘范围． 关键词 波束成形，宽波束，超高方位分辨率，机载ＳＡＲ 中图号 ＴＮ８２０，ＴＮ９５１ １引 言 综合孔径雷达（ＳＡＲ）是一种高分辨率成像雷达。其重要指标是空间分辨率（包括方位向分 辨率和距离向分辨率）和测绘带宽度ｌ¨。条带ＳＡＲ和Ｓｐｏｔｌｉｇｈｔ ＳＡＲ是两种常见的ＳＡＲ模 式。在条带ＳＡＲ的数据采集中，天线的指向相对于飞行路线是固定的，因此雷达的直线运动就 使得雷达的照射范围为一平行于飞行路线的条状区域，这就是测绘带 。在Ｓｐｏｔｌｉｇｈｔ ＳＡＲ的 数据采集中，传感器控制天线波束始终对准某一区域进行跟踪照射，从而获得较长的合成孔径 照射时间。因此，Ｓｐｏｔｌｉｇｈｔ ＳＡＲ较一般的条带ＳＡＲ有更高的方位分辨率；但照射（或测绘）区 域不连续。在实际应用中，常常是使用条带ＳＡＲ侦察大区域，获得一般分辨率的图像，然后对 其中某些特殊的敏感区域进行Ｓｐｏｔｌｉｇｈｔ ＳＡＲ的高分辨率成像，获得较为准确的信息 ． 参考文献［１，２】指出条带ｓＡＲ距离向分辨率由雷达信号带宽决定，而方位向分辨率为 Ｐ。：Ａ／（２Ｚ） 也就是说，在波长一定时，要提高方位向的分辨率，应该增大天线波束宽度 。但一定尺寸的 天线，当均匀馈电时，其波束宽度是一定的；并且，波束宽度要求越宽，其尺寸就越小，天线的 增益也就较小。另外，天线波束的旁瓣对ＳＡＲ的性能影响也很大，例如，方位模糊度等。综上 所述，对一定尺寸天线的要求包括下面３个方面：一定的波束宽度、尽量大的增益和尽量低的 旁瓣．综合考虑以上的要求，对天线均匀馈电，是难于满足的．因此，需要对天线非均匀馈电， 寻求天线合适的口面，以生成低旁瓣的宽波束，一般用相控阵天线来实现。 ２宽波束、低旁瓣的波束生成方法与数字波束形成（ＤＢＦ） 在相控阵天线中的应用 由上面的讨论可知，要提高ＳＡＲ方位向分辨率，生成低旁瓣的宽波束是问题的关键。文献 ［４—６Ｊ指出，可用傅氏变换（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）和Ｗｏｏｄｗａｒｄ—Ｌａｗｓｏｎ法等来生成所需形状的波 束。原则上说，它们可生成任意形状的波束，但也存在一些局限。当用傅氏级数方法综合离散 阵时，需设定合适的阵因子，并且会出现吉布斯现象。而Ｗｏｏｄｗａｒｄ—Ｌａｗｓｏｎ法是在所需方向图 。２００１．０５．２１收到，２００２．０１．０８定稿 国家自然科学基金（ＮＦＮＳ ６９８９６２５０－２）项目的资助 ≯ 维普资讯 http://www.cqvip.com １１１４ 电 子 与 信 息 学 报 ２４卷 不同的离散点上采样，因此，所合成的方向图在采样点上完全确定，但在两点之间的值没有有 效的控制。 受相控阵波束扫描原理［７－９】的启发，下面提出生成宽波束、低旁瓣的一种简单有效的方 法。 如图１所示（２Ｎ＋１）元均匀线阵，当各元相位按线性规律分布时，第几个阵元的激励电 流为厶ｅ—Ｊ ，阵中各元的激励相位 单元间距。 ＝ｎ ０， ０＝ｋｄ ｓｉｎ０Ｂ，波束指向为 Ｂ。其中ｄ为 对于线性传播媒质，电磁场方程是线性 。｝ 的。在不考虑天线系统的非线性因素时，设 置多个馈源可得到多个波束；而天线系统 的实际馈源就是各个激励源的线性叠加， 天线的方向图也就是相应的多个波束在空 间线性叠加的结果。通过调整波束的个数和 波束的指向，可以得到合适的波束宽度和旁 瓣特性。 方 图１ （２Ｎ＋１）单元线阵图 从原理上看，这种方法与Ｗｏｏｄｗａｒｄ—Ｌａｗｓｏｎ法类似，同样是由多个波束来合成所需的形 状；不同的是每个波束不用限制为均匀馈电，每个波束的指向也可以进行调整。因此，生成的 波束可以得到更有效的控制。代价是为了得到最优的波束形状，需要进行多次调整运算。但由 于计算机技术的不断发展，可以方便、快捷地得到生成所需波束的天线单元的馈电电流的幅度 和相位。（作为一个例子，本文３．２．２节中由两个波束合成了一个宽波束，如图４所示。） 在上述方法中，对应于发射波束可由发射机提供第ｎ个阵元的激励电流厶ｅ—Ｊ 删 “ ， 激励电流的幅值和相位由计算机进行控制；对应于接收波束则是由计算机或专用的数字波束形 成处理机提供的为使波束按预定的波束指向ＯＢ而进行的阵内相位补偿和降低天线副瓣而进行 的幅度加权。计算机或数字形成处理机可灵活地控制波束指向和幅度加权，而且比较容易补偿 各单元的幅相误差，这也是数字波束形成的优势。 ３将宽波束天线用于超高分辨率机载ＳＡＲ（０．３ｍｘ０．３ｍ） ３．１系统的信号设计和方位向波束宽度要求 雷达的线性调频信号，其脉宽７－＝２＃ｓ，带宽Ｂ＝６００ＭＨｚ，雷达距离向分辨率［ ，。】为 ＰＲ＝ｃ／（２Ｂ）＝３．０×１０ ／（２×６．０×１０ ）＝０．２５ｍ 要求Ｐ。＝０．３ｍ，当取载波频率Ｉｏ＝１２５０ＭＨｚ时，其波长 ：０．２４ｍ。因此波束宽度由（１） 式得 ＝０．２４／（２×０．３）＝０．４ｒａｄ＝２３。 （２） ３．２天线设计 ３．２．１天线单元天线单元用微带贴片天线，各参数如表１所示。 表１ 天线贴片单元参数 长度 宽度 高度 ０．８ 介电 １ ０５ 谐振频 １｜２５ 波束效率 天线 波束宽度 方向性系 ８９．８。 ７．８５ 平均方向性 ６．１３ （ｃｍ） （ｃｍ） （ｃｍ） 常数 率（ＧＨｚ） １０．６５ １１．８４ １ ６０％ 效率 ８０％ ＝９０。 数（ｄＢ） 系数 。（ｄＢ） ３６０。范围内辐射的功 注｝ ；波束效率是指贴片单元在方位角０满足０ 口 ８９．８。／２；俯仰角 满足０ 率与所辐射的总功率的比值； 平均方向性系数指天线在波束宽度内的平均功率流密度与输入的有功功率被直接均匀分配到空间各个方向时的 。平均功率流密度的比值． 维普资讯 http://www.cqvip.com ８期 王贞松等：ＤＢＦ相控阵天线在超高分辨率机载ＳＡＲ中的应用 １１１５ ３．２．２天线阵的设计贴片单元按图２组成矩形平面阵，Ｙ向为贴片单元宽度方向。 向 为贴片单元长度方向，沿 向馈电，ｙｏｚ平面（ ＝９０。）为天线的Ｈ面。位于原点的第Ｏ０号 单元为阵的中心点。 沿 向，机载ＳＡＲ安装的物理尺寸为 １．５ｍ；沿 向取３行线阵（即Ｍ＝１）。 要满足方位分辨率的要求，由（２）式，天线 阵波束宽度应为２３。。下面按天线阵生成波 束的要求，以及机载ＳＡＲ安装的物理尺寸 的限制，提出以下４种方案，进行比较和选 择。 图２矩形平面阵 方案１幅相均匀馈电（小天线），沿 向单元个数取为３（即Ｎ＝１） 方案２幅相均匀馈电，沿Ｙ向单元个数取为９（即Ｎ＝４） 方案３幅相非均匀馈电，沿Ｙ向单元个数取为９（即Ｎ＝４） 方案４幅度均匀，相位加权馈电，沿Ｙ向单元个数取为６ 综上，列出天线阵参数如表２所示。 表２ 天线阵参数 参数 ４种方案 １．幅相均匀馈电 ２．幅相均匀馈电 ３．幅相 ４．幅度均匀 （小天线） 单元间距＋ ｄ ＝ｄ ｄ ＝ｄｕｎｉ 加权馈电 ｄｚ＝ｄ ＝ｄ ｄｚ＝ｄ ＝ｄ 相位加权馈电 ｄ ＝ｄ ｄ ＝ｄｕｎｉ 单元个数＋ 天线阵尺寸＋ 方位向波束宽度 波束效率＋ ３×３ ５４ｃｍ ｘ４８ｃｍ ２３。 ４４．３％ ９×３ １４５ｃｍ×４８ｃｍ ８．４。 １８，４％ ９×３ ６×３ １４５ｃｍ×４８ｃｍ １５０ｃｍ￣４８ｃｍ ２３。 ２３。 ４８．４％ ４４．３％ 方向性系数（ｄＢ） 平均方向性系数（ｄＢ） 副瓣电平（ｄＢ） 辐射电阻（Ｑ） 平均增益（ｄＢ）十。 沿Ｙ向单元 馈电电流 幅度（相位）＋。 １７．７ １６．４ 一１２．０ ５．８ ｌ５．４ １．ｏｏ（ｏ。 １．ｏｏ（ｏ。 １．ｏｏ（ｏ。 ２２．０ ２１．３ ’ —１３．２ ６．４ ２０．３ １．ｏｏ（ｏ。） １．ｏｏ（ｏ。１ １．ｏｏ（ｏ。） １．ｏｏ（ｏ。） １．ｏｏ（ｏ。） １．ｏｏ（ｏ。） １．ｏｏ（ｏ。） １．ｏｏ（ｏ。） １．ｏｏ（ｏ。） １８．０ １６，８ －３６．５ ６．３ １５．８ ０，ｏｏ（ｏ。１ ０．０３（１８０。１ ０，１８（０。） ０．７０（０。１ １．ｏｏ（ｏ。） ０．７０（０。） ０．１Ｓ（Ｏ。） ０．０３（１８０。１ ０．ｏｏ（ｏ。１ １７．７ １６．４ —１２．０ １１．７ １５．４ １．００（１．２１。１ １，ｏｏ（ｏ．Ｏ０。１ １，００（－１，２１。１ １，００（－１．２１。１ １，ｏｏ（ｏ．Ｏ０。１ １．００（１．２１。） 注｝ ；单元问距ｄ＝０．６７Ａｏ＝１６．１ｃｍ，ｄｕｎｉ：０．７５Ａｏ：１８ｃｍ，波长入０：２４ｃｍ；｝ ：单元个数为平面阵Ｙ 向个数×ｚ向个数； 。：天线阵尺寸指平面阵Ｙ向长度×ｚ向长度； ；波束效率对应于天线阵在０等于方位向半功率 波束宽度的立体角内辐射的功率与天线阵辐射的总功率的比值； ，平均增益等于平均方向性系数乘以天线效率； 。： 这里指的是天线阵沿Ｙ向每个单元的馈电电流的情况，天线阵沿ｚ向每个单元馈电电流的幅度和相位相同． 维普资讯 http://www.cqvip.com １１１６ 电 子 与 信 息 学 报 ２４卷 按上述４种方案组成的平面阵，当馈电电流幅值的平方和相等（∑ １３．２ｄＢ，方案１、４第一旁瓣电平为一１２ｄＢ。 ＝８．２）时，其在 ＯＺ平面的方向图如图３所示。其中方案３第一旁瓣电平为－３６．５ｄＢ，方案２第一旁瓣电平为 一方案３是按第２节所述的波束生成方法，用２个由升余弦窗（Ｈａｎｎｉｎｇ窗）幅度加权馈电的波 束合成的波束宽度为２３。的宽波束，如图４所示．升余弦窗函数为 （凡）＝０．５＋０．５ ｃｏｓ（ｎＴｒ／Ｎ）， 一Ⅳ＜凡＜Ｎ。为生成所需波束单元馈电情况如表３所示。 ＾ ＾ 巨 ＞ 一 ∞ ｑ 一 尝 掣 ｉ 掣 图３ ４种方案组成平面阵其ｙｏｚ平面的方向图 （馈电电流幅值平方和相等） 图４ ２个升余弦窗加权馈电的波束（ｄａｔａ１、ｄａｔａ２） 合成波束宽度为２３。的宽波束（ｄａｔａ３） 表３ 生成所需波束的天线单元（一Ⅳ ｎ Ｎ）馈电的幅度 、相位 波束 单元编号 ４ —３ —２ —１ ０ １ ２ ３ ４ 左波束 ０ ０。 ０。０７ —１０３。 ０。２５ －６９。 ０。４３ －３４。 ０．５０ ０。 ０。４３ ３４。 ０．２５ ６９。 ０。０７ １０３。 ０ ０。 右波束 合成波束 ０ ０。 ０．０７ １０３。 ０。２５ ６９。 ０。４３ ３４。 ０。５０ ０。 ０。４３ －３４。 ０。２５ －６９。 ０。０７ —１０３。 ０ ０。 ０ ０。 ０．０３ １８０。 ０．１８ ０。 ０。７０ ０。 １。００ ０。 ０．７０ ０。 ０．１８ ０。 ０。０３ １８０。 ０ ０。 注｝：幅度已相对于合成波束的馈电幅度的最大值归一化 由于所取的左右两波束是对称的情形，合成波束所需的馈电电流是左右两波束的馈电电流 的叠加，因此，合成波束的馈电情况相对来说就比较简单，从上面所示的情况可以看出，只有 编号为一３和３的两天线单元的馈电电流相位是１８０。，其余的单元馈电电流相位是０。。 方案４是在方案１的基础上形成的，具体做法如下：方案１在 向有３个单元，生成的 波束指向０＝０。；在方案４中，用两个同方案１的天线阵沿 向并列，生成的波束如图５所 示，调整波束指向，让两波束能量在所照射的目标处叠加．与方案１相比，可提高系统的信噪 比［１０］ 维普资讯 http://www.cqvip.com ８期 王贞松等：ＤＢＦ相控阵天线在超高分辨率机载ＳＡＲ中的应用 １１１７ 图５ 两波束天线阵 ３．３天线阵性能分析 ４种方案中，天线阵在距离向的半功率波束宽度都为２５。。 由表２可以看出，对于幅相均匀馈电的第一种方案，为满足波束宽度的要求，限制了天线 阵的尺寸。方案４由于两波束指向相对于方案１只有很小的偏离（ｔｇＯＢ＝１．５ｄ ｉ／ｈ）。其中， ｄ ｉ为贴片单元间距，ｈ为飞机高度。因此两种方案的参数基本相同，只是辐射电阻不同。但 方案４由于两波束信号直接叠加，而噪声是功率相加，因此，与方案１相比，提高了系统的信 噪比。 方案２可得到最大的增益，但其波束宽度太小，不能满足系统要求，而且其波束效率也较 低，从能量有效利用的角度来说，也不是好的方案。 由上面的结果显示，方案３组成的非均匀馈电的天线阵是较好的。在满足波束宽度的情况 下，有最低的旁瓣电平，平均增益和波束效率都较高；但天线单元数较均匀馈电的情况要多。 ３．４系统性能分析 ３．４．１方位模糊度 图６示出方位模糊【ｕｊ随ＰＲＦ（４Ｏ０Ｈｚ一１２Ｏ０Ｈｚ）变化的曲线，其中图 ６（ａ）为均匀馈电的情况，图６（ｂ）为非均匀馈电的情况。 Ｏ Ｏ ＼ 。＼ 、 一 ． ： ： ｌＯ ．ｌＯ ———＋— ： ： ∞ ２Ｏ ２０ ：、 。＼ 曩 耋－３。 ３Ｏ 、 Ｉ 、 ＼、 ＼ 以Ｏ ４Ｏ ５０ ５００ ７００ ９００ ｌｌＯＯ ５０ ５００ ７００ ９００ ｌｌＯＯ ＰＲＦ（Ｈｚ） ＰＲＦ（Ｈｚ） （ａ）均匀馈电（一８．０ｄＢ，，￣８００Ｈｚ） （ｂ）非均匀馈电（一３２．１ｄＢ，，￣８００Ｈｚ） 图６ 方位模糊随ＰＲＦ变化曲线 由上图显示，非均匀馈电的天线阵由于其波束旁瓣低，方位模糊的情况较均匀馈电的情况 要好。当ＰＲＦ都为８００Ｈｚ时，均匀馈电天线阵的方位模糊为一８．０ｄＢ，非均匀馈电天线阵的方 位模糊为一３２．１ｄＢ。 ３．４．２系统信噪比对于分布目标，雷达方程可写为 ｓ～ ＝ 式中Ａ为天线波束所照射的目标面积。 维普资讯 http://www.cqvip.com １１１８ 电 子 与 信 息 学 报 ２４卷 考虑到合成孔径雷达距离向和方位向压缩后，信噪比提高，由文献［１２］给出，合成孔径雷 达方程为 ＳＮＲ＝ Ｇ 。ａＳｒ／［２（４７ｒｒ）。＂ ｐ七 ］ 用方案３设计的天线阵，当目标距离ｒ设计为１９．４ｋｍ时，发射机峰值功率为１．５ｋＷ。具 体参数如表４所示。 表４ ＳＡＲ的指标参数 参数 飞机高度ｈ 数值 ６０００ｍ 参数 多普勒带宽Ｂ” 数值 ４９９Ｈｚ 仃速度 载波频率，０ 波长 １５０ｍ／ｓ １．２５ＧＨｚ ０．２４ｍ 方位模糊度 测绘带宽度 ＰＲＦ －３２．１ｄＢ ６２．６ｋｍ一１１．８ ｋｍ－－５０．８ｋｍ ８００Ｈｚ 脉宽７＿ 方位向波束中心离地面距离ｒ ２＃ｓ １９．４ｋｍ 天线的平均增益 最大脉冲重复频率ｐｒｆｍａｘ １５．８ｄＢ ２．３９ｋＨｚ 运行噪声系数Ｆ０ 系统噪声温度 图像信噪比ＳＮＲ 后向散射系数 １．６５ ４５０Ｋ １０ｄＢ 一１５ｄＢ 距离向分辨率 方位向分辨率Ｐ。 峰值功率Ｐ 平均功率Ｐ ０．３０ｍ ０．３０ｍ １．５ｋＷ ２．３Ｗ ４讨４．１功率与噪声比 论 由所给参数计算出发射机的发射峰值功率为１．５ｋＷ，ＰＲＦ取为８００Ｈｚ时，方位模糊度可 达到－３２ｄＢ。由于所取的ＰＲＦ值较低，因此，距离模糊可忽略。要提高图像信噪比，可提高 发射机的发射功率，从计算的结果看，有较大的富裕度． ４．２天线效率 天线效率由天线的热损耗（如铜损、介质损耗等）和阻抗不匹配引起反射损耗等因素决定。 增加天线厚度，减少介质损耗可提高辐射效率。但天线厚度的增加，会使天线表面波损耗增加。 另外，天线系统的匹配也是提高天线效率的关键。在本文中，波束的形成依赖不均匀馈电。可利 用不等分功率分配器来馈电，但这种方案会使馈线系统的损耗增加。如用分布式发射机方案， 特别是有源相控阵方案，可使馈电系统的损耗降到最小。 ４．３与Ｓｐｏｔｌｉｇｈｔ ＳＡＲ比较优缺点 宽波束条带ＳＡＲ可以达到很高的方位分辨率，如本文中为０．３ｍ，测绘范围也比较大。但 正是由于波束较宽，能量分配在较大的范围内，因此天线阵的增益比较低。Ｓｐｏｔｌｉｇｈｔ ＳＡＲ通 过增加对目标的观测时间来提高分辨率，换句话说，是将分配至整个条带的能量集中在小的范 围内，以此提高小测绘范围的分辨率，但牺牲了测绘范围，测绘区域不再连续。在发射功率容 许的情况下，宽波束条带ＳＡＲ有更大的价值． 参 考 文 献 【１］ 魏钟铨，王贞松，陈元藻，李春升。高选正等，合成孔径雷达卫星。北京，科学出版社，２００１年２月，第一章 【２］ １９９８ 【３］ 张益。高分辨率聚束ＳＡＲ数据处理技术的研究，硕士论文，第二章。中国科学院电子学研究所，ｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ，ｓｅｃｏｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ， 【４］ Ｃ．Ａ．ＢＡＬＡＮＩＳ，Ａｎｔｅｎｎａ Ｔｈｅｏｒｙ：ＡｎａｌＩＮＣ １９９７．Ｃｈａｐｔｅｒ ７ 第三章． 张澄波。综合孔径雷达一原理、系统分析与应用，北京，科学出版社， １９８９ １１，第三章 １９９３年８月，第三章． 【５］ 王朴中。石长生。天线原理，北京，清华大学出版社。ｏｔ，Ａ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｓｈａｐｅｄ ｂｅａｍ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｅｑｕｉｓｐａｃｅｄ ａｒｒａｙｓ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ 【６］ Ｒ．Ｓ．ＥｌｌｉＡＰ，１９８４，ＡＰ一３２（１０）． 维普资讯 http://www.cqvip.com