一、前言

此示例说明如何设计在 X 波段工作的合成孔径雷达 （SAR） 传感器并计算传感器参数。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平台在目标区域上空行进时，当脉冲从雷达天线发送和接收时，会产生合成孔径。

本示例重点介绍如何设计 SAR 传感器以满足一组性能参数。它概述了将方位角分辨率和检测概率等性能规格转换为天线尺寸和发射功率等SAR系统参数的步骤。它为带状图和聚光灯操作模式的设计参数建模。与带状图操作相比，聚光灯模式可以提供更好的分辨率和更强的场景信号，但代价是场景大小或区域成像速率减小。该示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。此示例介绍用于选择系统参数以满足性能参数的函数。

二、设计规格

该机载SAR系统的目标是提供距离机载平台最远10 km的目标区域图像，范围和方位角分辨率为1 m。该平台在 5 公里的高度运行，并以 100 m/s 的速度移动。所需的性能指标是检测概率 （Pd） 和误报概率 （Pfa）。Pd 值必须为 0.9 或更大。Pfa 值必须小于 1e-6。

三、机载SAR系统设计

合成孔径长度、积分时间、覆盖率、带状图的波束宽度以及聚光灯模式以及信号带宽等系统参数是定义SAR系统运行能力的关键参数。这些参数确保SAR系统在计算的积分时间内以宽波束覆盖感兴趣的区域。计算出的信号带宽满足所需的范围分辨率。

3.1 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，这与系统的工作频率成反比。对于此示例，将工作频率设置为 10 GHz，这是典型的机载 SAR 系统。使用该函数计算传播信号的波长。

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距离的两个目标所需的因素。倾斜距离分辨率为您提供区分两个目标所需的最小范围差异。使用该函数计算信号带宽，该带宽由倾斜范围分辨率决定。

3.2 带状图搜救模式

带状图SAR模式假设雷达天线相对于平台运动方向的指向方向是固定的。此示例中的天线指向宽侧方向。

3.3 天线方向

俯角通常用于定义仰角中的天线指向方向。此示例假定地球是平坦的，因此凹陷角与掠角相同。使用该函数根据视线范围计算掠射角度。

3.4 天线方位角尺寸

接下来，使用 and 函数分析和计算合成孔径长度及其方位角分辨率，以选择天线方位角尺寸。将合成长度绘制为跨范围分辨率的函数。将天线方位角尺寸绘制为合成长度的函数。

这些数字表明，带状图模式的合成孔径长度为149.9 m，可以很好地满足1 m的方位角分辨率。在这种情况下，可用于带状图模式的最小天线方位角尺寸为 2 m。减小天线方位角尺寸以获得比带状图模式的 1 m 更好的方位角分辨率。

对于带状图模式，将合成孔径长度设置为 149.9 m，天线方位角尺寸为 2 m。

3.5 天线仰角尺寸

接下来，根据所需的条带长度确定天线高程尺寸。对于此示例，假设所需的条带长度为 2.4 km。使用该函数分析条带长度以选择天线高程尺寸。

该图表明，给定 0 m 的条带长度，天线高程尺寸为 25.2400 m 是合适的。将天线仰角尺寸设置为 0.25 m。

3.6 实际天线波束宽度和增益

使用该函数计算实际天线波束宽度。使用该函数计算天线增益。

3.7 合成波束宽度、处理时间和约束

接下来，使用 、、 和 函数计算合成波束宽度、积分时间、面积覆盖率和最大条带长度。请注意，SAR系统的方位波束宽度远小于真实孔径雷达的方位波束宽度。

在这种情况下，使用 SAR 的最大可能方位角分辨率为 1 m。然而，为了达到这种性能，脉冲需要积分超过1.5秒。

3.8 聚光灯 SAR 模式

聚光灯SAR能够显著扩展SAR成像能力到高分辨率成像。这是可能的，因为聚光灯模式确保雷达天线在成像区域周围瞬时眯眼，从而与带状图模式相比，照亮目标区域的持续时间更长。

3.9 相干积分角

在本例中，带状图模式下的方位角分辨率为 1 m。聚光灯模式的分辨率通常用平台穿过合成孔径长度时雷达视轴矢量的相干积分角来表示。

使用 and 函数计算相干积分角和合成孔径长度。

对于 1 m 的天线方位角尺寸，带状图模式下的最佳方位角分辨率为 2 m。在聚光灯模式下，使用相同的天线方位角尺寸 2 m 以获得 0.5 m 的更好方位角分辨率。在聚光灯模式下，操纵雷达波束以将目标保持在更长的时间内，从而形成更长的合成孔径。

接下来，使用 and 函数分析合成孔径长度及其在不同相干积分角下的方位角分辨率。

该图表明，在聚光灯SAR模式下，聚光灯模式下的合成孔径长度为300 m，对应于0.5 m的方位角分辨率。对于 1.71 度的相干积分角，聚光灯模式下的方位角分辨率为 0.5 m。需要注意的是，减小天线方位角尺寸以在带状图模式下获得类似的方位角分辨率。

将聚光灯模式的合成光圈长度设置为 300 m，将相干积分角设置为 1.71 度。

3.10 合成波束宽度、处理时间和约束

与带状图模式相比，聚光灯模式可以提供更好的分辨率和更强的场景信号，但代价是减小场景大小或区域成像速率。

使用 、、 和 函数计算合成波束宽度、积分时间、面积覆盖率和最大条带长度。请注意，聚光灯 SAR 系统的区域覆盖率和最大条带长度远小于带状图模式。

四、方位角啁啾信号参数

确定方位啁啾信号参数，即方位角啁啾速率、多普勒带宽、波束压缩比和去啁啾后的方位带宽。您可以导出方位角时间带宽积。这些对于设计精确的方位角合成孔径处理机制非常重要。

使用该函数计算方位角啁啾速率，即传感器照亮散射体时方位角信号改变频率的速率。

分析方位角啁啾率对距离和多普勒锥角变化的敏感性。该图显示，增加雷达的明确范围会降低方位角啁啾速率。

使用该函数计算方位角降印后的场景带宽。假设场景大小为 916 m。

分析场景带宽对多普勒锥角变化的灵敏度。

接下来，使用 and 函数计算从点散射体接收信号的多普勒带宽和波束压缩比。请注意，聚光灯 SAR 模式的多普勒带宽和光束压缩比远大于带状图 SAR 模式。

五、SAR 功率计算

使用带状图 SAR 模式的雷达方程的功率形式估计必须传输的峰值功率。所需的峰值功率取决于许多因素，包括最大明确范围、接收器所需的SNR以及波形的脉冲宽度。在这些因素中，接收器所需的SNR由Pd和Pfa的设计目标决定。对雷达系统及其环境的目标RCS、PRF以及不同的增益和损耗源进行建模和估计。

5.1 接收器信噪比

首先，计算接收器所需的信噪比。Pd、Pfa和SNR之间的关系可以用接收器工作特性（ROC）曲线来最好地表示。

ROC曲线表明，为了满足Pfa = 1e-6和Pd = 0.9的设计目标，接收信号的SNR必须超过13 dB。您可以通过查看图来推测SNR值，但仅计算所需值更为简单。使用该函数，派生所需的 SNR。

5.2 目标RCS

使用该函数计算反射率，即给定掠射角和工作频率的归一化雷达截面 （NRCS）。然后使用该函数计算地面图像平面中的目标RCS，并考虑雷达分辨率。

5.3 PRF 上限和下限

使用该函数在给定雷达速度和掠射角的情况下确定范围条带和方位角分辨率的最小和最大 PRF 值。

5.4 PRF选择

PRF通常是可编程的，可以针对每种应用进行优化。使用该函数根据雷达速度和沿方位角的实际天线尺寸计算雷达的PRF。指定恒定滚降系数作为安全裕度，以防止主瓣返回在PRF间隔中混叠。如果PRF设置得太低，雷达就会受到光栅瓣和多普勒模糊的影响。如果PRF设置得太高，则范围测量将不明确。

所选 PRF 在 PRF 范围内。

5.5 处理增益

使用该函数计算匹配滤波器后噪声带宽降低引起的距离处理增益。使用该函数计算由于脉冲相干积分而产生的方位角处理增益。

5.6 损耗和噪声因数

使用该函数估计级联接收机级的噪声系数。假设具有以下值的七个阶段：noisefigure

第1级LNA：噪声系数 = 1.0 dB，增益 = 15.0第2级RF滤波器：噪声系数 = 0.5 dB，增益 = -0.5第3级混频器：噪声系数 = 5.0 dB，增益 = -7.0第4级中频滤波器：噪声系数 = 1.0 dB，增益 = -1.0第5级中频前置放大器：噪声系数 = 0.6 dB，增益 = 15.0第6级中频级：噪声系数 = 1.0 dB，增益 = 20.0第7级鉴相器：噪声系数 = 6.0 dB，增益 = -5.0

使用该函数计算平坦陆地上的单向雷达传播系数。使用该函数计算大气气体吸收造成的损失。

5.7 发射功率

使用该函数通过SAR雷达方程计算峰值功率。您还可以指定其他损耗和系数，包括方位角波束形状损耗、窗口损耗、传输损耗和接收线损耗。使用该函数估计光束形状损耗，并将所有其他固定损耗组合使用5 dB。对于此分析，请指定为 “” 以使用最弱的陆地目标。有限的数据收集时间限制了收集的总能量，雷达中的信号处理使SAR图像中的SNR增加了两个主要增益因子。第一个是由于脉冲压缩，第二个是由于脉冲的相干积分。

六、总结

此示例显示了设计可在带状图和聚光灯模式下运行的 X 波段 SAR 系统必须计算的方面。该示例表明，同一SAR系统可以在带状图和聚光灯模式下运行，并根据要求实现不同级别的分辨率，但代价是其他参数。首先，分析并选择天线尺寸以满足所需的分辨率。然后估算天线增益、处理时间、约束条件和方位啁啾信号参数。然后估计雷达及其环境中所需的SNR，目标RCS，PRF，处理增益和损耗。最后，使用SAR方程计算峰值发射功率。

七、参考文献

[1] Carrara, Walter G., Ronald M. Majewski, and Ron S. Goodman. Spotlight Synthetic Aperture Radar: Signal Processing Algorithms. Boston: Artech House, 1995.

八、程序

程序获取：【程序】基于matlab设计x波段机载SAR系统

程序大全：Matlab和Simulink仿真程序汇总（2023年1月汇总）