机载SAR系统设计

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本例介绍了如何设计一个工作在x波段的合成孔径雷达(SAR)传感器，并计算了传感器参数。SAR利用雷达天线在目标区域上的运动来提供目标区域的图像。当SAR平台经过目标区域时，雷达天线发射和接收脉冲，合成孔径就产生了。

本例着重于设计一个满足一组性能参数的SAR传感器。它概述了将性能指标(如方位分辨率和探测概率)转换为SAR系统参数(如天线尺寸和发射功率)的步骤。它为条形图和聚光灯操作模式的设计参数建模。与条带图操作相比，聚光灯模式可以提供更好的分辨率，并以减小场景大小或区域成像速率为代价获得更强的场景信号。本例还对方位角啁啾信号的参数进行了建模。

下图对各种系统和性能参数进行了分类。本示例介绍如何根据性能参数选择系统参数。

设计规范

这种机载SAR系统的目标是提供距离机载平台10公里的目标区域图像，距离和方位角分辨率为1米。该平台在5公里的高度运行，并以100米/秒的速度移动。期望的性能指标是检测概率(Pd)和虚警概率(Pfa)。Pd值必须大于等于0.9。Pfa值必须小于1e-6。

Slantrngres = 1;所需倾斜距离分辨率% (m)Azres = 1;所需方位分辨率% (m)Maxrng = 10e3;最大无歧义倾斜范围(m)Pd = 0.9;%检测概率Pfa = 1e-6;误报概率%V = 100;%速度(m/s)H = 5000;%雷达高度(m)

机载SAR系统设计

合成孔径长度、集成时间、覆盖率、条带图波束宽度、聚焦模式、信号带宽等系统参数是决定SAR系统作战能力的关键参数。这些参数确保SAR系统覆盖感兴趣的区域计算积分时间与宽波束。计算得到的信号带宽满足所需的距离分辨率。

信号配置

要计算SAR系统参数，首先必须知道传播信号的波长，它与系统的工作频率成反比。在本例中，将工作频率设置为10ghz，这是典型的机载SAR系统。

使用freq2wavelen函数计算传播信号的波长。

Freq = 10e9;x波段内雷达频率% (Hz)λ = freq2waveen (freq)%波长(m)

Lambda = 0.0300

信号带宽映射到SAR的倾斜距离分辨率，倾斜距离分辨率是区分相隔一定距离的两个目标所需的因素。倾斜距离分辨率提供了区分两个目标所需的最小距离差。使用rangeres2bw函数来计算信号带宽，这是由倾斜距离分辨率决定的。

Pulse_bw = rangeres2bw(slantrngres)%脉冲带宽(Hz)

Pulse_bw = 149896229

条带SAR模式

条带SAR模式假定雷达天线相对于平台运动方向有一个固定的指向方向。本例中的天线指向舷侧方向。

天线方向

俯仰角常用于确定天线的俯仰指向。本例假设地球是平的，因此凹陷角与掠掠角相同。

使用grazingang函数计算视线范围内的掠掠角度。

Grazang = grazingang(h,maxrng，“平”）%掠角(单位:度)

Grazang = 30.0000

天线方位尺寸

接下来，使用sarlen而且sarazres分析计算合成孔径长度及其方位分辨率，用于选择天线方位尺寸。绘制合成长度作为横向距离分辨率的函数。绘制天线方位角尺寸作为合成长度的函数。

Dazv = [1 1.5 2 2.5 3];%天线方位尺寸(m)Striplenv =零(1，数字(dazv));Stripazresv =零(1，数字(dazv));为I =1:numel(dazv) striplenv(I) = sarlen(maxrng,lambda,dazv(I));Stripazresv (i) = sarazres(maxrng,lambda,striplenv(i));结束helperPlotStripmapMode (stripazresv striplenv、dazv azres)

图中包含2个轴对象。坐标轴对象1包含2个line、constantline类型的对象。坐标轴对象2包含2个line、constantline类型的对象。

由图可知，条带模式的合成孔径长度为149.9 m，可以满足1 m的方位分辨率要求。在这种情况下，可以用于stripmap模式的最小天线方位角尺寸是2米。减小天线方位角尺寸，以获得比1 m更好的方位角分辨率。

设置条带模式合成孔径长度为149.9 m，天线方位角尺寸为2m。

达兹= 2

达兹= 2

Striplen = 149.9

Striplen = 149.9000

天线仰角尺寸

接下来，根据所需的带状长度确定天线仰角尺寸。在本例中，假设所需的带状长度为2.4 km。

使用aperture2swath函数分析用于选择天线仰角尺寸的带状长度。

Rngswath = 2400;Delv = [0.15 0.2 0.25 0.3 0.35];%立面尺寸(m)Rangeswathv = 0(1，数字(delv));为I =1:numel(delv) [rangeswathv(I)，crngswath] = aperture2swath(maxrng,lambda，[delv(I) daz]，grazang);结束CLF plot(rangeswathv,delv)网格在参照线(rngswath“-”。, {[num2str(圆(rngswath, 2)),“米”]});%选定的范围包含(“带状长度(m)”) ylabel (天线仰角尺寸(m)）

图中包含一个轴对象。axis对象包含2个line、constantline类型的对象。

由图可知，当线段长度为2400 m时，天线仰角尺寸为0.25 m是合适的。

设置天线仰角为0.25 m。

Del = 0.25

Del = 0.2500

实际天线波束宽度和增益

使用ap2beamwidth函数计算实际天线波束宽度。

realAntBeamwidth = ap2beamwidth([daz del]，lambda)% [azel](度)

realAntBeamwidth =2×10.8588 - 6.8707

使用aperture2gain函数计算天线增益。

antGain = aperture2gain(daz*del, lambda)% dBi

antGain = 38.4454

合成波束宽度，处理时间和约束

接下来，使用sarbeamwidth，sarinttime，sarmaxcovrate,sarmaxswath函数来计算合成波束宽度、积分时间、区域覆盖率和最大条带长度。注意，SAR系统的方位角波束宽度远小于真实孔径雷达的方位角波束宽度。

Stripsynbw = sarbeamwidth(lambda,striplen);合成波束宽度%(度)Stripinttime = sarinttime(v,striplen);%集成时间(秒)Stripcovrate = sarmaxcovrate(azres,grazang);覆盖率上限(m^2/s)Stripswlen = sarmaxswath(v,azres,grazang);带状长度上限(m)RealAntenna = [realAntBeamwidth(1);南;南;南);参数= [“合成波束宽度”；“集成”；“条带长度上界”；.．.“面积覆盖率上限”];StripmapSAR = [stripsynbw;stripinttime;round(stripcovrate/1e6,1);round(stripswlen/1e3)];单位= [“度”；“s”；“公里^ 2 / s”；“公里”];sarparams = table(参数，RealAntenna,StripmapSAR,Units)

sarparams =4×4表参数RealAntenna StripmapSAR单位  ___________________________________ ___________ ___________ _________ " 合成波束宽度0.85884 - 0.0057294“度”“积分时间“南1.499”s”“上限片长度南173.1公里^ 2 / s”“上限区域覆盖率”南1731公里

在这种情况下，使用SAR的最大可能的方位分辨率是1米。然而，要实现这一性能，脉冲需要集成超过1.5秒。区域覆盖率的上限为173 $k 米^{2}$ / s。最大带状长度的上限为1731 km。

聚光SAR模式

聚束SAR能够显著地将SAR成像能力扩展到高分辨率成像。这是可能的，因为聚光灯模式确保雷达天线在被成像的区域周围瞬间斜视，从而照亮目标区域的持续时间比条带模式更长。

相干积分角

本例中stripmap模式下的方位分辨率为1m。聚光灯模式的分辨率通常用雷达瞄准矢量沿合成孔径长度方向的相干积分角来表示。

使用sarintang而且sarlen函数计算相干积分角和合成孔径长度。

Ciang = sartang (lambda,azres)%(度)

Ciang = 0.8589

Len = sarlen(maxrng，“CoherentIntegrationAngle”ciang)% (m)

Len = 149.8976

对于2米的天线方位角尺寸，在条带模式下可能的最佳方位角分辨率为1米。在聚光灯模式下，使用相同的2 m天线方位角尺寸可以获得更好的0.5 m方位角分辨率。在聚光灯模式下，引导雷达波束使目标停留更长的时间，从而形成更长的合成孔径。

接下来，使用sarlen而且sarazres函数分析不同相干积分角下的合成孔径长度及其方位角分辨率。

Spotazres = 0.5;聚束SAR方位分辨率% (m)无形资产= 1:0.01:2.5;相干积分角(度)Spotlenv =零(1，数字(无形));Spotazresv = 0(1，数字(无形));为我=1:nummel(无形)spotlenv(I) = sarlen(maxrng, maxrng)“CoherentIntegrationAngle”intangv(我));Spotazresv (i) = sarazres(maxrng,lambda,spotlenv(i));结束helperPlotSpotlightMode (spotazresv spotlenv、intangv spotazres)

图中包含2个轴对象。坐标轴对象1包含2个line、constantline类型的对象。坐标轴对象2包含2个line、constantline类型的对象。

由图可知，在聚束SAR模式下，聚束模式合成孔径长度为300 m，对应的方位分辨率为0.5 m。当相干积分角为1.71°时，聚焦模式下的方位分辨率为0.5 m。需要注意的是，在条带模式下，减小天线的方位角尺寸以获得类似的方位角分辨率。

聚光模式设置合成孔径长度为300 m，相干积分角为1.71度。

Spotlen = 300

Spotlen = 300

棠= 1.71

棠= 1.7100

合成波束宽度，处理时间和约束

与条带模式相比，聚光灯模式可以提供更好的分辨率，并以减小场景大小或区域成像速率为代价获得更强的场景信号。

使用sarbeamwidth，sarinttime，sarmaxcovrate,sarmaxswath函数来计算合成波束宽度、积分时间、区域覆盖率和最大条带长度。注意，聚光灯SAR系统的区域覆盖率和最大条带长度比条带模式小得多。

Spotsynbw = sarbeamwidth(lambda,spotlen);合成波束宽度%(度)Spotinttime = sarinttime(v,spotlen);%集成时间(秒)Spotcovrate = sarmaxcovrate(spotazres,grazang);覆盖率上限(m^2/s)Spotswlen = sarmaxswath(v,spotazres,grazang);带状长度上限(m)SpotlightSAR = [spotsynbw; spottinttime;round(spotcovrate/1e6,1);round(spotswlen/1e3)];sar = table(参数，StripmapSAR,SpotlightSAR，单位)

sar =4×4表参数StripmapSAR SpotlightSAR单位  ___________________________________ ___________ ____________ _________ " 合成波束宽度0.0057294 - 0.0028628“度”“积分时间1.499 - 3“年代”“上限^ 2片长度“173.1 - 86.5公里/秒”“上限区域覆盖率1731 865公里”

方位啁啾信号参数

确定解调后的方位啁啾信号参数，即方位啁啾率、多普勒带宽、波束压缩比和方位带宽。你可以推导出方位角-时间-带宽乘积。这对于设计精确的合成孔径加工机构的方位角具有重要意义。

使用sarchirprate函数来计算方位角啁啾率，这是当传感器照亮散射体时方位角信号改变频率的速率。

Azchirp = sarirprate (maxrng,lambda,v);% (Hz / s)

分析了方位啁啾率对距离和多普勒锥角变化的敏感性。图中显示，增加雷达的无歧义距离可以降低方位啁啾率。

dang = 60: 1:20 0;%多普勒锥角(单位:度)RNGV = 1e3:100:maxrng;Azchirpv = 0(长度(dang)，长度(rngv));为I = 1:length(dang) azchirpv(I，:) = sarirprate (rngv,lambda,v, dang (I));结束CLF mesh(rngv/1e3,dcang,azchirpv) xlabel(的距离(公里)) ylabel (多普勒锥角(度)) zlabel (方位啁啾率(Hz/s))视图([45 45]);

图中包含一个轴对象。axis对象包含一个surface类型的对象。

使用sarscenedopbw方位角解调后计算场景带宽的函数。假设场景大小为916米。

Wa = 916;bwdechirp = sarscenedopbw(maxrng,lambda,v,Wa);%(赫兹)

分析场景带宽对多普勒锥角变化的敏感性。

Bwdechirpv = 0(长度(dang)，1);为i = 1:length(dang) bwdechirpv(i，:) = sarscenedopbw(maxrng,lambda,v,Wa, dang (i));结束CLF图(dcang,bwdechirpv)网格在包含(多普勒锥角(度)) ylabel (解hirp后方位角带宽(Hz)）

图中包含一个轴对象。axis对象包含一个line类型的对象。

接下来，使用sarpointdopbw而且sarbeamcompratio函数来计算从点散射器接收信号的多普勒带宽和波束压缩比。注意，聚光灯SAR模式的多普勒带宽和波束压缩比比条带SAR模式大得多。

Stripmap SAR模式Stripbwchirp = sarpointdopbw(v,azres);%(赫兹)Striptbwaz = bwdechirp*stripinttime;%无单位stripbcr = sarbeamcompatio (maxrng,lambda,striplen,Wa);%无单位%聚光灯SAR模式Spotbwchirp = sarpointdopbw(v,spotazres);%(赫兹)Spottbwaz = bwdechirp* spottttime;%无单位spotbcr = sarbeamcompatio (maxrng,lambda,spotlen,Wa);%无单位参数= [点散射器的多普勒带宽；方位-时间-带宽乘积；.．.“光束压缩比”；“方位啁啾率”；解hirp后的方位角带宽];StripmapSAR = [stripbwchirp;striptbwaz;stripbcr;round(azchirp);bwdechirp];SpotlightSAR = [spotbwchirp;round(spottbwaz);round(spotbcr);round(azchirp);bwdechirp];单位= [“赫兹”；“无单位”；“无单位”；“赫兹/ s”；“赫兹”];r = table(参数，StripmapSAR,SpotlightSAR，单位)

r =5×4表StripmapSAR SpotlightSAR单元________________________________________ _________________________________“来自点散射器的多普勒带宽”100 200“Hz”“方位时间带宽乘积”916.02 1833“无单位”“波束压缩比”916.02 1833“无单位”“方位啁啾率”67 67“Hz/s”“解调后的方位带宽”611.09 611.09“Hz”

SAR功率计算

利用条带SAR模式下雷达方程的功率形式估计必须发射的峰值功率。所需的峰值功率取决于许多因素，包括最大无歧义范围、接收机所需的信噪比和波形的脉冲宽度。在这些因素中，接收机所需的信噪比由Pd和Pfa的设计目标决定。对目标RCS、PRF和雷达系统及其环境的不同增益和损失源进行建模和估计。

接收信噪比

首先，计算接收机所需的信噪比。Pd、Pfa和信噪比之间的关系可以用受试者工作特征(ROC)曲线最好地表示。

Snr_db = [-inf, 0,3,10,13];rocsnr (snr_db);

图中包含一个轴对象。标题为非波动相干接收机工作特征曲线的轴对象包含10个类型为行、文本的对象。

ROC曲线表明，要满足Pfa = 1e-6和Pd = 0.9的设计目标，接收信号的信噪比必须大于13 dB。你可以通过看图来推测信噪比的值，但只计算所需的值更直接。使用albersheim函数，得到所需的信噪比。

Snr_min = albersheim(pd, pfa)

Snr_min = 13.1145

目标RCS

使用landreflectivity函数来计算反射率，它是给定掠掠角和工作频率下的归一化雷达截面(NRCS)。然后在地像平面上利用该方法计算目标RCSsarSurfaceRCS功能和考虑雷达分辨率。

landType =“顺利”；nrcs =土地反射率(landType,grazang,freq);计算无植被平整土地的归一化RCStgtrcs = sarSurfaceRCS(nrcs，[slantrngres azres]，grazang);

PRF上下界

使用sarprfbounds函数，以确定最小和最大PRF值的距离带状和方位分辨率给定的雷达速度和掠掠角。

[prfminv, prfmax] = sarprfbounds(v,azres,rngswath,grazang)

Prfminv = 100

Prfmax = 6.7268e+04

脉冲重复频率的选择

PRF通常是可编程的，可以针对每个应用程序进行优化。使用sarprf函数，根据雷达速度和实际天线沿方位角的尺寸计算雷达的PRF。指定一个恒定的滚转系数作为安全裕度，以防止主瓣返回在PRF区间出现混叠。如果PRF设置得太低，雷达就会出现光栅波瓣和多普勒模糊。如果PRF设置得太高，距离测量就会模糊。

PRF = sarprf(v,daz，的滚边, 1.5)

PRF = 150

所选PRF在PRF范围内。

处理收益

使用matchinggain函数计算匹配滤波器后由于噪声带宽降低而产生的范围处理增益。

D = 0.05;% 5%占空比Pw = (1/prf)*d;有效脉冲宽度% (s)Rnggain =匹配增益(pw,pulse_bw)范围处理增益% (dB)

Rnggain = 46.9867

使用sarazgain函数来计算由于脉冲相干积分而产生的方位处理增益。

Azgain = sarazgain(maxrng,lambda,v,azres,prf);Az处理增益% (dB)

损耗和噪声系数

使用noisefigure函数用于估计级联接收级的噪声系数。假设有以下七个阶段:

阶段1 LNA:噪声图= 1.0 dB，增益= 15.0
第二阶段射频滤波器:噪声图= 0.5 dB，增益= -0.5
第三阶段混频器:噪声图= 5.0 dB，增益= -7.0
第四阶段中频滤波器:噪声图= 1.0 dB，增益= -1.0
第五阶段中频前置放大器:噪声图= 0.6 dB，增益= 15.0
阶段6中频阶段:噪声图= 1.0 dB，增益= 20.0
阶段7鉴相器:噪声图= 6.0 dB，增益= -5.0

Nf = [1.0, 0.5, 5.0, 1.0, 0.6, 1.0, 6.0];% dBG = [15.0， -0.5， -7.0， -1.0, 15.0, 20.0， -5.0];% dBCNF =噪声图(nf, g)

CNF = 1.5252

使用radarpropfactor函数计算平坦地面上的单向雷达传播因子。

[hgtsd, beta0, vegType] =陆地粗糙度(“顺利”）;Tgtheight = hgtsd;Re = effearthradius(maxrng,h,tgtheight);Propf =雷达propfactor(maxrng,freq,h,tgtheight，“EffectiveEarthradius”再保险,“TiltAngle”grazang,.．.“ElevationBeamwidth”realAntBeamwidth (2)“SurfaceHeightStandardDeviation”hgtsd,“SurfaceSlope”beta0,.．.“VegetationType”vegType)

Propf = -0.0042

使用tropopl计算大气气体吸收损失的函数。

atmoLoss = tropopl(maxrng,freq,tgtheight,grazang)

atmoLoss = 0.0731

传输能量

使用radareqsarpow函数，用SAR雷达方程计算峰值功率。您还可以指定其他损耗和因素，包括方位角波束形状损耗、窗口损耗、传输损耗和接收线路损耗。计算梁的形状损失beamloss函数，并使用5 dB的所有其他固定损耗组合。对于此分析，请指定landType为“光滑的“利用最弱的陆地目标。有限的数据收集时间限制了收集的总能量，雷达中的信号处理通过两个主要增益因素增加了SAR图像中的信噪比。第一种是由于脉冲压缩，第二种是由于脉冲的相干积分。

Imgsnr = snr_min + rngain + azgain;% (dB)Lb =波束损耗;customLoss = 5;% dBSntemp = systemp(cnf);%噪音温度Pt = radareqsarpow(maxrng,lambda,imgsnr,pw, rngain,azgain，“获得”antGain,RCS的tgtrcs,.．.“AtmosphericLoss”atmoLoss,“损失”cnf,“PropagationFactor”propf,.．.“t”sntemp,“CustomFactor”-Lb-customLoss)

Pt = 535.0561

总结

这个例子展示了设计一个可以在条形图和聚光灯模式下工作的x波段SAR系统必须计算的方面。算例表明，同一SAR系统可以在条形图和聚光灯模式下工作，并以牺牲其他参数为代价，根据需求实现不同级别的分辨率。首先，分析和选择天线尺寸以满足所需的分辨率。然后估计天线增益、处理时间、约束条件和方位角啁啾信号参数。然后估计所需的信噪比、目标RCS、PRF、雷达及其环境下的处理增益和损耗。最后，使用SAR方程计算峰值发射功率。

参数= [“天线方位尺寸”；“天线仰角尺寸”；“合成孔径长度”；.．.“方位分辨率”；“合成波束宽度”；“集成”；“条带长度上界”；.．.“面积覆盖率上限”；“相干整合角度”；点散射器的多普勒带宽；.．.方位-时间-带宽乘积；“光束压缩比”；“方位啁啾率”；解hirp后的方位角带宽];Stripmap = [daz;del;striplen;azres;stripsynbw;stripinttime;round(stripcovrate/1e6,1);.．.南;stripbwchirp striptbwaz; stripbcr;轮(azchirp); bwdechirp];Spotlight = [daz;del;spotlen;spotazres;spotsynbw;spotinttime;round(spotcovrate/1e6,1);round(spotswlen/1e3);.．.intang; spotbwchirp;轮(spottbwaz);轮(spotbcr);轮(azchirp); bwdechirp];单位= [“m”；“m”；“m”；“m”；“度”；“s”；“公里^ 2 / s”；“公里”；“度”；“赫兹”；“无单位”；.．.“无单位”；“赫兹/ s”；“赫兹”];T = table(参数，条带图，聚光灯，单位)

T =14×4表参数Stripmap聚光灯单元________________________________________ ____________________________“天线方位尺寸”2 2“m”“天线仰角尺寸”0.25 0.25“m”“合成孔径长度”149.9 300“m”“方位分辨率”1 0.5“m”“合成波束宽度”0.0057294 0.0028628“度”“集成时间”1.499 3“s”“带状长度上限”173.1 86.5“km^2/s”“面积覆盖率上限”1731 865“km”“相干积分角”NaN 1.71“度”"点散射器多普勒带宽" 100 200 "Hz" "方位时间带宽积" 916.02 1833 "单位" "波束压缩比" 916.02 1833 "单位" "方位啁啾率" 67 67 "Hz/s" "解调后方位带宽" 611.09 611.09 "Hz"

参考文献

卡拉拉、沃尔特·G.、罗纳德·m·马杰夫斯基和罗恩·s·古德曼。聚光灯合成孔径雷达:信号处理算法。波士顿:Artech House, 1995年。

支持功能

helperPlotStripmapMode

函数helperPlotStripmapMode (stripazresv striplenv、dazv azres)绘制方位角分辨率与合成孔径长度Subplot (1,2,1) plot(stripazresv,striplenv)网格在参照线(azres“-”。, {[num2str(圆(azres)),“米”]});所选方位分辨率包含(方位或跨距离分辨率(m)) ylabel (“合成长度(m)”) stripidx = find(abs(striplenv-150)<1);%所需方位分辨率对应的索引绘制合成孔径长度与天线方位尺寸的关系Subplot (1,2,2) plot(striplenv,dazv)网格在参照线(striplenv (stripidx),“-”。, {[num2str(圆(striplenv (stripidx), 2)),“米”]});选定合成长度%包含(“合成长度(m)”) ylabel (天线方位尺寸(m)）结束

helperPlotSpotlightMode

函数helperPlotSpotlightMode (spotazresv spotlenv、intangv spotazres)绘制方位角分辨率与合成孔径长度Subplot (1,2,1) plot(spotazresv,spotlenv)网格在参照线(0.5,“-”。, {[num2str(圆(spotazres, 2)),“米”]});所选方位分辨率包含(方位或跨距离分辨率(m)) ylabel (“合成长度(m)”) spotidx = find(abs(spotlenv-300)<1);% 0.5 m方位分辨率对应的指数绘制合成孔径长度与相干积分角Subplot (1,2,2) plot(spotlenv, intangible v)网格在参照线(spotlenv (spotidx),“-”。, {[num2str(圆(spotlenv (spotidx))),“米”]});选定合成长度%包含(“合成长度(m)”) ylabel (相干积分角(度)）结束