弹载双基前视SAR构型参数优化设计方法.pdf

第 卷第 期 年 月系统工程与电子技术 文章编号：（）网址：收稿日期：；修回日期：；网络优先出版日期：。网络优先出版地址：通讯作者引用格式：郭媛，索志勇，王婷婷，等弹载双基前视构型参数优化设计方法系统工程与电子技术，（）：犚犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲犳 狅 狉犿犪 狋：，（）：弹载双基前视犛犃犚构型参数优化设计方法郭媛，索志勇，王婷婷，丁智泉（西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室，陕西 西安 ；四川航天电子设备研究所，四川 成都 ）摘要：弹载双基前视合成孔径雷达（，）构型，可实现接收平台俯冲段全程二维高效高分辨成像。相比于机载、星载双基构型，弹载双基构型具有不易受攻击、轨迹设计灵活、合成孔径时间短等优势。但是由于导弹机动性较强，对成像时间要求较高，这使得传统的机载星载双基构型设计方法不适用于弹载前视双基构型。本文首先在 几何模型基础上，基于梯度方法分析该构型的分辨率计算方法；然后，结合二维分辨率的特点，分析构型参数对二维分辨率的影响规律，提出一种参数降维的构型设计方法，在提高构型参数设计效率的同时，能够有效缩短成像时间；最后，通过基于典型工作参数的仿真实验验证了该方法的有效性。关键词：弹载双基前视合成孔径雷达；构型设计；参数降维中图分类号：文献标志码：犇犗犐：犆狅 狀 犳 犻 犵 狌 狉 犪 狋 犻 狅 狀狆 犪 狉 犪犿犲 狋 犲 狉狅 狆 狋 犻 犿 犻 狕 犪 狋 犻 狅 狀犱 犲 狊 犻 犵 狀犿犲 狋 犺 狅 犱狅 犳犕犅犉犔 犛犃犚 ，（犖犪 狋 犻 狅 狀 犪 犾犔犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔狅 犳犚犪犱犪 狉犛 犻 犵狀 犪 犾犘狉 狅 犮 犲 狊 狊 犻 狀犵，犡犻 犱 犻 犪 狀犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犡犻犪 狀 ，犆犺 犻 狀 犪；犛 犻 犮 犺 狌 犪 狀犃犲 狉 狅 狊 狆犪 犮 犲犈 犾 犲 犮 狋 狉 狅 狀 犻 犮犈狇 狌 犻 狆犿犲 狀 狋犚犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲，犆犺 犲 狀犵犱狌 ，犆犺 犻 狀 犪）犃犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：（），犓犲 狔狑狅 狉 犱 狊：（）；引言合成孔径雷达（，）能够实现全天时全天候的二维高分辨成像，在军事领域和民用领域都具有广泛的应用。根据搭载传感器的平台不同，可分为机载、弹载和星载等多种类型。系统工程与电子技术第 卷与机载和星载相比，弹载的优势为不易受攻击、轨迹设计灵活、合成孔径时间短等。根据收发平台的位置关系，可分为单基和双基。与单基相比，双基不仅具有前视二维高分辨成像的能力，还具备隐身和低截获特点。弹载双基构型集合了弹载和双基构型的优势，为导弹末制导阶段的全程二维高分辨实时成像提供了解决方案。二维分辨率是双基构型设计中重要的技术指标。双基地平台空间构型灵活，可以通过合理设计收发平台的位置和运动方向来优化目标区域的二维分辨力。在末制导阶段，由于接收平台距离目标越来越近，不易进行大方向机动，所以对发射平台的参数设计尤为重要，其设计是否合理，不仅影响最终图像的质量，还制约着目标识别和制导的精度。针对单基平台，文献 分别提出了序列二次优化、遗传算法等方法对弹道轨迹和时序设计进行优化。针对双基平台，目前研究比较多的是机载双基系统、星载双基系统以及星机双基系统，文献 根据不同构型的平台特性提出了相应的轨迹优化设计方法和数据处理方法。机载星载双基平台的飞行轨迹都较为平稳，构型设计时只需考虑满足图像要求的指标即可。对于弹载双基平台，由于其机动性强，存在较大的三维加速度，成像时间越短，由加速度引起的轨迹弯曲越小，越有利于成像算法的处理。由于需要考虑成像时间对成像质量和制导精度的影响，所以传统的机载星载双基系统构型设计方法不适用于弹载双基前视（，）。关于 构型的研究目前还比较少。文献 研究了基于线性衰减模型的 构型轨迹设计方法，但忽略了构型设计对方位分辨率的影响。所以需要针对 研究新的构型设计方法。本文从 的实际应用角度出发，考虑如何通过构型设计达到在最短的成像时间内满足系统分辨率指标的目的。基于此，提出一种参数降维的构型设计方法。首先，从 成像几何模型入手，基于梯度理论分析二维分辨率以及分辨率夹角的计算方法；然后，经过梳理发现双基角的地面投影角和收发平台速度矢量地面投影角对分辨率指标和成像时间影响较大，通过推导二者间的关系，提出一种参数降维的构型优化设计方法，在满足系统指标的前提下，提高构型设计效率，降低成像时间，保证成像质量和制导精度；最后，通过点目标仿真验证所提方法的有效性，为后续弹道优化设计的工程应用奠定基础。犕犅犉犔 犛犃犚几何模型 双基犛犃犚工作几何在末制导过程中，我们希望通过 构型的设计，使得达到一定目标分辨率的成像时间最短，这对目标的成像质量和提高目标的打击精度至关重要。图给出了 的几何模型。为简化分析，认为在成像时间内，收发平台不存在水平方向的偏移量。接收平台只在狔 狅 狕平面内运动，即使不在该平面内，也可以通过简单的坐标旋转和平移满足假设条件。发射平台水平飞行，在与狔 狅 狕平面夹角为 的平面内运动。目标犘位于坐标系狓狔 狕的原点狅。在狋时刻，发射机和接收机的位置矢量分别为犘犜和犘犚，速度矢量分别为犞犜和犞犚，到点目标犘的斜距矢量分别为犚犜和犚犚，入射角分别为犜和犚，下标犜和犚分别代表发射机和接收机。收发平台视线方向的夹角为双基角，犵为双基角的地面投影角，接收平台的俯冲角为。犞犜和犞犚在地面的投影矢量分别为犞犜犵和犞犚犵。收发平台的速度投影矢量之间的夹角为。图 成像几何模型 地面距离向分辨率利用文献 的梯度理论，可以得到点目标犘的地面距离向分辨率为犵 狉 犅犚犵（）式中：为光速；犚犵为收发双站到点目标的距离之和犚在地面方向的梯度；犅为距离向带宽。地面距离向分辨率犵 狉的方向与犚犵的方向相同。犚犵犚狓犻狓犚狔犻狔 犜 犚 犜 犚 槡犵（）式中：犻狓和犻狔分别为狓和狔方向的单位矢量。由式（）可以看出，在犅、犜和犚一定的条件下，犵越小，地面距离向分辨率犵 狉越高。地面方位向分辨率同理，利用文献 的梯度理论，可以得到点目标犘的地面方位向分辨率为第 期郭媛等：弹载双基前视构型参数优化设计方法 犵 犪 犜犪犳犵（）式中：犜犪为成像时间（即雷达波束驻留时间）；犳犵为收发双站在点目标处的多普勒频率犳在地面方向的梯度。地面方位向分辨率犵 犪的方向与犳犵的方向相同。犳犵犳狓犻狓犳狔犻狔犞犜（犞犜犻犘犜）犻犘犜犚犜犞犚（犞犚犻犘犚）犻犘犚犚犚犌（）式中：犻犘犜和犻犘犚分别为发射和接收平台视线方向的单位矢量；犌 为地面投影矢量。地面二维分辨率夹角地面二维分辨率夹角可以表示为 犚犵犚犵犳犵犳犵（）（）双基构型系统的地面二维分辨率方向的夹角一般很难一直保持正交，当其夹角过小或过大时，均无法形成二维高分辨图像。为了更好地约束双基构型二维分辨率指标，文献 提出分辨单元面积的概念，可表示为犛犵 狉犵 犪 （）由式（）可以看出，当二维分辨率夹角为 时，二维分辨单元面积最小，对应的图像的效果最优。构型参数简化利用弹载双基构型进行末制导前视成像时，采用远端发射近端接收的模式，发射弹处于滑翔飞行段，接收弹处于俯冲攻击段（为了简化分析，这里不考虑载荷和同步问题）。由于接收弹距离目标较近且要保持对目标的前视稳定跟踪，无法进行大方向机动，只能通过合理设计发射弹的位置和速度方向来实现最优的图像质量。在实际应用中，发射平台的高度、速度大小以及与场景中心目标的距离通常根据实际作战情况决定，可以认为是已知量。因此，构型参数设计最终可以简化为对双基角的地面投影角犵和收发平台速度矢量地面投影角 的优化设计。构型设计方法实际作战应用过程中，总是希望在最短的成像时间内达到系统指标要求的分辨率。在该约束下，通过建立犵和的几何关系，实现 构型设计参数的降维处理。接下来，在成像时间最小的条件下，我们对犵和 的关系进行推导。发射平台的地面多普勒分量可表示为犳狋 犵犞犜（犞犜犻犘犜）犻犘犜犚犜犌犳狋 犵狓犳狋 犵狔（）式（）中，犳狋 犵狓犞犜 （犜）（犵）犚犜 （）犞犜 （犜）（犵）（犵）犚犜 （）犳狋 犵狔犞犜 （犜）（犵）（犵）犚犜 （）犞犜 （犜）（犵）犚犜 （烅烄烆）（）接收平台的地面多普勒分量可表示为犳狉 犵犞犚（犞犚犻犘犚）犻犘犚犚犚犌犞犚 （）（犚）（）（犚）（犚）犚犚（）令犃（犵）犞犜 （犜）（犵）犚犜犅（犵）犞犜 （犜）（犵）（犵）犚犜犆（犵）犞犜 （犜）（犵）犚犜犇犞犚 （）（犚）（）（犚）（犚）犚犚烅烄烆（）可将犳犵表示为犳犵犳狋 犵犳狉 犵犃（犵）（）犅（犵）（）犇犅（犵）（）犆（犵）（）熿燀燄燅（）式中：上标表示转置操作。当犵一定时，犚犵的大小和方向一定，即犵 狉的大小一定。为了使二维分辨单元面积最小，由式（）和式（）可知，应使犳犵在犚犵地面垂直方向的投影最大。犚犵地面垂直方向的单位矢量可以表示为犚犵犈（犵）犉（犵）（）式中，犈（犵）（犜）（犵）（犚）犚犵犉（犵）（犜）狊 犻 狀（犵）犚犵烅烄烆（）犳犵在犚犵方向的投影犙可表示为犙犳犵犚犵犪 （）犫 （）犇犉（犵）（）式中，系统工程与电子技术第 卷犪犃（犵）犈（犵）犅（犵）犉（犵）犫犅（犵）犈（犵）犆（犵）犉（犵烅烄烆）（）令 犪犫槡 犫犫槡烅烄烆，可计算得到使犙最大的 值为 狀，犇犉（犵）狀，犇犉（犵）烅烄烆（）式中：狀为整数。由上述分析可知，当犵一定时，根据式（）可计算得到使犙最大的 值。通过比较所有满足系统分辨率指标的（犵，）所对应的成像时间，可确定最终的发射平台的位置和速度方向。构型设计流程图如图所示，图中犵表示遍历犵时设定的角度间隔。图构型设计流程图 仿真实例分析接下来验证所提方法的有效性。在表所给的参数下，可得到：系统距离分辨率随犵的变化曲线（见图），当犵在 附近时，距离分辨率最差，设计过程中应避免这种构型；分辨率夹角随犵和 的变化关系，如图所示；在二维分辨单元面积的约束下，根据式（）可得到方位分辨率的上限值，其随犵和 的变化结果如图所示。表仿真实验参数犜 犪 犫 犾 犲犜犺 犲犲 狓 狆 犲 狉 犻 犿犲 狀 狋 犪 犾狊 犻 犿狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狆 犪 狉 犪犿犲 狋 犲 狉 狊参数数值参数数值犅 犞犚（）犳犮 犘犚犛 犚犚 犚（）犚犜 犜（）犞犜（）图距离分辨率随犵的变化曲线 犵图二维分辨率矢量夹角随犵和 的变化关系 犵 图方位分辨率的上限值随犵和 的变化关系 犵 为了保证系统的二维分辨能力，对系统的二维分辨率及分辨率夹角进行如下约束：二维分辨率大小应满足：犵 犪犵 狉犵 犪；二维分辨率夹角应满足：，。满足上述条件的（犵，）值如图所示。第 期郭媛等：弹载双基前视构型参数优化设计方法 图满足约束条件的（犵，）值 （犵，）与传统设计方法相比，本文所提的构型参数降维设计方法具有以下两个优点：可根据实际作战情况实时调整发射平台飞行速度方向，使得达到系统指标要求的成像时间最短，降低后续成像处理的难度；大幅提升了参数设计的效率。在同一处理平台下，利用传统方法将犵和 间隔 进行遍历寻优得到目标结果需用时 ，利用本文所提方法用时 。在表的系统参数约束下得到（犵，）的最优结果为（，）和（，）（在图中对应的标号依次为和），这两组结果关于接收平台轨迹平面镜像对称，相应的成像时间犜犪均为。序号为传统方法设计的结果。在犜犪 的条件下，利用后向投影算法对不同构型进行点目标仿真，得到的成像结果如图所示，相应的指标满足情况如表所示。通过对比发现，在相同的成像时间条件下，只有本文方法所设计的构型参数满足系统要求。仿真结果与理论分析结果一致，验证了本文所提方法的有效性。图目标成像结果 表性能指标的满足情况犜 犪 犫 犾 犲犘 犲 狉 犳 狅 狉犿犪 狀 犮 犲犻 狀 犱 犲 狓狊 犪 狋 犻 狊 犳 犪 犮 狋 犻 狅 狀序号指标要求值本文方法传统方法犵 狉 犵 犪 （）犛 结论利用 成像体制，有效解决了弹载平台全程二维高分辨成像的问题，有效提升了末制导阶段的目标识别能力和精确打击能力。基于 平台，本文提出参数降维的发射平台构型设计方法，在成像时间的约束下，可快速计算得到满足系统指标的发射平台构型参数，为较长成像时间造成的成像质量下降的问题提供了解决方案。仿真结果验证了所提方法的合理性，为弹载平台的目标识别和精确制导奠定了基础。参考文献保铮，邢孟道，王彤雷达成像技术北京：电子工业出版 系统工程与电子技术第 卷社，：，合成孔径雷达成像算法与实现洪文，胡东辉等译北京：电子工业出版社，：，：，（）：，：，：郭媛，索志勇，王婷婷，等弹载系统参数优化设计方法系统工程与电子技术，（）：，（）：邓欢，李亚超弹载下降段大前斜聚束成像时序设计系统工程与电子技术，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，：，：，（）：孟自强，李亚超，汪宗福，等弹载双基前视俯冲段弹道设计方法系统工程与电子技术，（）：，（）：，：作者简介郭媛（），女，工程师，博士研究生，主要研究方向为系统设计与数据处理。索志勇（），男，副教授，博士，主要研究方向为干涉信号处理与应用。王婷婷（），女，高级工程师，博士研究生，主要研究方向为雷达系统设计。丁智泉（），男，高级工程师，硕士，主要研究方向为雷达系统设计。