星载合成孔径雷达不同工作模式下的PRF优化选取研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇星载合成孔径雷达不同工作模式下的PRF优化选取研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要：星载合成孔径雷达中，脉冲重复频率(PRF)是非常重要的参数。它的选择受到很多因素的影响，尤其是受到发射干扰、星下点回波、距离模糊以及方位模糊的影响，也正是受到这些因素的影响，导致在不同的工作模式下，prf的选取有很大的差异。这里在研究常用的条带工作模式下PRF选取的基础上，讨论了聚束和滑动聚束模式下PRF选取的特殊性，给出了这两种工作模式下PRF选取的方法，并进行了仿真验证其有效性。

关键词：脉冲重复频率； 工作模式； 方位模糊; 孔径雷达

中图分类号：

TN95834

文献标识码：A

文章编号：1004373X(2012)05

0025

04

Optimal selection of PRF for spaceborne synthetic aperture radar in different working mode

CHEN Yingying, GAO Yang, HE Yonghua

(Department of Optical and Electrical Equipment, Academy of Equipment, Beijing 101416, China)

Abstract：

PRF is an important parameter in spaceborne synthetic aperture radar, which is affected by many factors, especially by emission interference, substellar point echo wave, range ambiguity and azimuth ambiguity. For these factors, the choice of the PRF is variant. On the basis of selecting PRF in common working mode, the selection of PRF in spotlight mode and sliding spotlight mode is discussed. The selection method of the PRF is proposed. At last, the simulation presents the method′s effectiveness.

Keywords： pulse repetition frequency; working mode; azimuth ambiguity; aperture radar

收稿日期：20111021

0 引 言

脉冲重复频率(PRF)是合成孔径雷达最重要的几个参数之一。它的大小将影响到其他雷达参数的选择，并直接影响雷达的性能，它与许多参数都有着密切的关系。其中影响PRF选择的参数有雷达速度、天线长度、测绘带宽、入射角度、脉冲宽度、飞行高度等；PRF的值也会影响到发射信号峰值功率、数据率等参数值，并左右雷达距离模糊和方位模糊地大小。所以选择合适的PRF是雷达设计中极为关键的部分。

在合成孔径雷达的一些硬性参数固定后，例如雷达速度、天线长度、飞行高度等已经确定的情况下，不同工作模式下，脉冲重复频率的选择也是不同的。

1 基本原理

当卫星轨道高度较高时，在任一时刻不仅有多个被观测区域的回波信号在空间传播，而且，还有多个星下点回波信号在空间传播。因此，回波窗(对应测绘带)的位置一定要避开发射信号和星下点信号的干扰。在实际应用中，往往要先画出一个PRF与入射角或地距的平面图，以使测绘带和PRF的选择避开发射信号和星下点的干扰［1］。

1.1 避开星下点回波的影响

如图1所示，假设星下点回波是在第k个发射脉冲之后Δ1时间到达接收端的，其宽度取为发射脉冲宽度的2倍，即2τr。观测带的有用回波信号是在第i个发射脉冲之后Δ2时间开始到达接收端的，其时间散布为Tw=2Rfc－2Rnc。其中Rf和Rn分别为SAR到观测带远距端和近距端的距离。也就是说，下列关系式成立：

1.2 避开发射脉冲的遮掩

星载SAR一般采用收发共用天线。当天线发射信号时，无法接收观测带内的有用回波信号，因此需要合理选择脉冲重复频率，使观测带内回波信号的接收时间与脉冲发射时间错开，并使观测带回波信号录取窗口限于一个脉冲重复周期内。为了避免发射脉冲干扰，要求观测带内所有的回波能够在同一脉冲重复周期Tr内到达接收机。发射脉冲不落入回波接收窗的条件是:

距离向模糊和方位向模糊取决于脉冲重复频率(PRF)的选择和测绘带(或称数据窗)的位置。较低的PRF会使方位向模糊增加；较高的PRF会增加距离向模糊，或者使测绘带宽度受限。因此，PRF的选取还受到距离向和方位向模糊的影响。

1.3 避开距离模糊和方位模糊

(1) 避免距离模糊

对于星载聚束模式SAR而言，由于轨道高度较大，收发脉冲不在同一脉冲重复周期内。若脉冲重复频率过大，使得观测带内有用回波超出一个脉冲重复周期，就会产生有用回波信号的混叠，使图像质量下降或无法成像。由于聚束模式SAR、滑动聚束SAR和条带模式SAR的工作原理可以知道，聚束模式和滑动聚束模式的距离向照射方式与条带模式一样，所以脉冲重复频率的上限制约条件为：

fr≤1/Tw

(10)

式中：Tw=2Wsin θfc,θf为观测带远距端的波束入射角，W为合成孔径雷达的观测带宽度，c为光速。

(2) 避免方位向模糊

由天线方位向和俯仰向的约束关系，根据Naquist采样定理，方位向采样频率(PRF)应该大于方位向多普勒带宽，即可以得出下列约束关系:

1.4 不同工作模式下PRF选取的差异

随着星载合成孔径雷达的蓬勃兴起，星载合成孔径雷达也呈现出多模式的发展趋势。在此以条带模式、聚束模式和滑动聚束模式为例，讨论这几种工作模式下PRF选取的差异。

由上面的分析可以得出，影响PRF选取的三个方面，星下点回波和发射脉冲干扰的影响对于三种工作模式来说是一致的，而对于方位模糊和距离模糊的影响则是有差异的，具体表现在，距离模糊上，由于不同工作模式下，合成孔径雷达的观测带宽度是不一样的，因此也就影响到了PRF的上限制约条件。对于方位模糊，影响的主要因素在三种工作模式的方位向多普勒频率历程上，由于三种工作模式的方位向多普勒频率历程差异很大，因而PRF的下限约束条件也就有了明显的差异。这里不做公式推导，为分析方便，这里只给出三种工作模式下的方位多普勒频率表达式［2］。

2 仿真分析

2.1 避开发射脉冲干扰和星下点回波干扰的仿真分析

假设星载SAR运行在太阳同步轨道上，其轨道平均高度h=792 km，并假设地球为均匀圆球体，地球半径Re=6.378 14×106 m，脉冲宽度Tp=42 μs，保护时间设为0.5Tp，另外所选择的最小和最大可能的脉冲重复频率fpmin=1 000 Hz，fpmax=3 000 Hz，可视观测带对应的最小和最大入射角分别为θmin=15°，θmax=50°。根据这些参数，得到的仿真\[34\]斑马图如图2，图3所示。

菱形区域为脉冲重复频率可选择的区域。由仿真结果可看出，保护时间越短，“斑马图”看起来越稀疏，也就是说可选择的脉冲重复频率相对较多。这个结果不难理解，保护时间长了，相应的回波可选择余地就小了，因而可选择的脉冲重复频率就相对较小，“斑马图”看起来也就较密集。

2.2 方位模糊对PRF选取的影响

由第1节的理论分析可以看出，不同工作模式下，方位向多普勒带宽差异很大，因此这就对PRF的优化选取产生很大的影响。这里采用表1所示的仿真参数进行实验。

根据给定的仿真参数和方位向多普勒带宽的公式，可以计算出表2所示的参数值。

针对不同的工作模式，采用表1和表2的仿真参数，根据模糊度的公式［56］，可以得到图4~图6所示的不同工作模式的方位模糊度优化曲线，根据曲线和成像对模糊度的要求，可选择出需要的PRF取值。

从图中可以看出，不同的方位位置下，条带模式的方位模糊度是不变的，而对于滑动聚束模式和聚束模式下，它的方位模糊度是随方位向位置的不同而发生变化。同时，可以发现，如果脉冲重复频率直接采用方位向多普勒带宽，方位模糊度不满足系统设计的要求，尤其是滑动聚束模式，直接采用方位向多普勒带宽，方位模糊度会发生很大的变异。致使无法满足系统设计要求。这也就体现了方位去斜的重要性了。另外，单从方位模糊度优化PRF的选取的角度，可以从仿真图形中明显地分析出，同样地参数条件下，滑动聚束模式下，PRF可选择的范围要比聚束模式下的可选择范围小。

图4 条带模式的方位模糊度

通过进一步分析可以看出，在测绘带范围内，测绘带中心位置附近，方位模糊度的变化较平稳，而边缘就相对较大。滑动聚束模式下，测绘带中心位置附近方位模糊度的变化范围要比聚束模式的变化范围平稳一些，出现这种情况的原因在于，滑动聚束模式的测绘带范围较聚束模式的大，某种情况下，趋向于条带模式，因此方位向多普勒带宽的变化也就相对平滑很多。通过进一步分析，从绘制的斑马图以及方位模糊度函数图中，可以初步确定出三种不同工作模式下的PRF，如表3所示。

根据确定的PRF取值可以看出，滑动聚束模式的

取值更趋向于选择与条带模式相当的值，而与聚束模式的取值差距较大。当然这种取值并不是惟一确定的，只是在可允许的取值范围内，根据系统设计的要求以及硬件的要求进行选择。只要符合理论要求的取值，都是正确的。

3 结 语

通过上面的理论推导和仿真实验可以看出，星载合成孔径雷达不同工作模式下的脉冲重复频率是不一样的，也就是说，星载合成孔径雷达在不同工作模式的转换过程中，不仅天线和发射脉冲宽度等参数发生变化以适应合成孔径雷达的工作模式的要求，它的脉冲重复频率也要随工作模式的变化而变化。这也为以后对星载合成孔径雷达工作模式的侦察提供了一个有力的判定标准，对星载合成孔径雷达的侦察具有一定的参考意义。

参 考 文 献

［1］袁孝康.星载合成孔径雷达导论［M］.北京:国防工业出版社,2003.

［2］刘寒艳,宋红军,程增菊.条带模式、聚束模式和滑动聚束模式的比较［J］.中国科学院研究生院学报,2011,28(3):410417.

［3］刘永坦.雷达成像技术［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1999.

［4］魏钟诠.合成孔径雷达卫星［M］.北京:科学出版社,2001.

［5］张澄波.综合孔径雷达原理、系统分析与应用［M］.北京:科学出版社,1989.

［6］程增菊,宋红军,徐海胜.去斜滑动聚束模式SAR方位模糊度分析［J］.科学技术与工程,2011,11(10):22152219.

作者简介：

陈颖颖 女，1982年出生，山东威海人，在读博士研究生。主要研究方向为空间信息对抗、雷达信号处理。

高 阳 男，1988年出生，河南杞县人，在读硕士研究生。主要研究方向为电子对抗。