蔡爱民，郑陶冶，王燕宇

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种通过发射宽带信号，在距离向采用距离压缩，提高距离分辨率，方位向通过载体飞行过程中不同位置的回波进行相位相干综合处理提高方位分辨率的二维成像技术。SAR成像具有全天候、全天时的工作特征。收发脉冲的时间同步和频率同步是SAR正常成像的前提。常规SAR成像首发同体，很容易做到这一点，但常规SAR无法实现前视条件下的二维高分辨率成像，对动目标的监测能力也有限。采用收发平台空间分置的双基地SAR成像技术可以实现前视成像和提高对动目标的显示能力［1］。采用一发多收的模式还可以以较少的卫星实现全球观测，提高观测的时间分辨率，降低效费比［2］。同步和成像算法是双基地SAR的难点，成像算法已经有很多研究并付诸应用，而同步方案一直没有得到较好解决［3］，尤其是运动平台。

1 同步的方法与精度需求

1.1 同步方法

目前，常用的同步方法大体分为四种：

（1）独立同步法：在收、发基地各设置一个相同的高稳定时钟，通过采用高精度原子钟结合高稳定晶振的方法为系统提供时间和频率基准。SAR成像系统工作前，先将收发站的频率源校准，然后分置两地进行工作。独立同步法同步的时间不能太长，收／发站的时钟要定期校准。

（2）直接同步法：将发射站的触发脉冲经数传通道直接送给接收站，通过收发双站间的数据传输链路，实现收／发站触发脉冲同步和频率源相参［4，5］。直接同步法要求数据链具有很高的数据率和很低的误码率，双站的时钟基准稳定度要求也很高，同步精度主要取决于数传通信信道引入的误差，直接同步法不受脉冲发射周期限制。

（3）第三方同步：采用GPS、北斗等卫星提供的信号作同步基准。一般是用GPS接收机输出基准信号（IPPs）作为参考去锁定压控晶振，以此作为频率同步的基准，实现收／发站频率和相位的同步［6］。该方法结合了GPS长稳和高精度晶振短稳的优点，可以保证收／发站信号长时间的时频同步。

（4）非合作式同步：使用非配合式发射机时采用的同步方法。接收机可以从地物的散射杂波中提取同步所需的信息，或发射机、接收机之间可以直视时，接收机截获发射机的直达信号，从中提取同步信息。该方法受地物电磁特征、大气传输等不确定因素的影响较大。

1.2 精度需求

SAR成像要求信号高度相参，对频率源的稳定度要求很高，为保持收、发频率源间的频率一致性，必须在成像前对收、发本振源进行专门的校准之后才可使用。对于双基地SAR，合成孔径时间的典型量级为1～10s，累计相位误差要求不超过π／4，据此可计算出，对于X波段要求频率源稳定度要达到10－11～10－12。时间同步精度根据平台速度不同而存在差异，一般同步精度要求达到10～20ns。

2 同步方案设计

由于SAR成像系统是脉冲式信号体制，除非脉冲信号周期固定或周期的变化规律己知，否则必须实现收发脉冲间的收发同步。双站之间需要增加时间通道微波链路来实现时间同步。其基本原理框图见图1。

图1 高精度原子钟＋时间信道链路同步方案

对于双站运动的平台，当采用直接同步方法接收直达波时，运动平台会在两站之间引入多普勒频差，为实现相位同步，对收／发站的距离精度要求非常高。而采用公用参考，结合高精度独立原子钟的方法可以避免这一缺陷。

该方案的优点是可以回避双站同步对频率同步的高要求，在系统工作之前需要对原子钟进行精确同步，双站协同工作的时间不宜太长，以免原子钟发生漂移后导致频率同步精度降低。其中，时标的同步采用的是双向比对法。双向比对法对收发坐标的精确性依赖性小，受外界环境影响小，通过短时间比对和处理就可以获得较高的精度。

系统选用铷原子频标，其输出的时频信号同步到GPS系统时间上。原子频标相对于GPS的短期稳定性好，而长期稳定性较差，如频率准确度为5×10－11的原子钟每秒钟只有0.05ns的误差，但作为系统误差会产生累计。因此利用具有较好的长期稳定性的GPS秒脉冲来校正原子频标，然后把被校正后的原子频标作为同步系统的输出，实现双站的时间同步。双站之间的频率同步用原子钟的高精度和高稳定性实现雷达系统的相参信号处理，这里采用我所在工程中已实现的具有高相位噪声的恒温晶振加原子钟的方法构成超级铷钟，使其具有高精度、高稳定性和良好的相位噪声。

同步钟输出经过铷钟矫正过的100Mhz同步时钟送雷达接收机实现双站的频率同步，该同步时钟由同步原子钟锁相后产生PPS秒脉冲送雷达监控实现系统的时间同步。原理图见图2。

图2 同步方案设计原理框图

3 测试结果

3.1 同步测试方案

将雷达输出的采样触发同时送到计数器进行双站间时间同步的测试，将同步钟的100Mhz同步时钟（同步钟输出3路100Mhz同步时钟，一路用于雷达使用，另外两路为测试信号）分别送相位噪声测试仪测试系统的频率稳定度。原理图见图3。

图3 同步精度测试原理框图

3.2 同步试验静态测试

在实验室内将两套同步设备在物理上隔离，系统时间同步测试曲线如图4所示，相位噪声测试曲线如图5所示。

图4 时间同步测试曲线

图5 相位噪声测试曲线

经过测试系统时间同步精度优于20ns，系统相位噪声测试指标如下：－90dBc／10Hz，－120dBc／100Hz，－147dBc／1000Hz，－155dBc／10KHz。

3.3 微波暗室测试

在微波暗室进行测试时，发射站接收机激励信号经喇叭口天线发射出去，在3m距离外放置一角反射器，收站采用喇叭口天线接收该角反射器回波信号，经接收机接收通道下变频和正交解调为I／Q信号，再用采集设备采集I／Q信号，进行脉冲压缩，测试信号距离分辩率，峰值旁瓣比等指标，实验测试框图如下图所示。

图6 同步精度微波暗室测试框图

测量结果为经加权后峰值旁瓣比达到27dB，3dB分辨率达到2.51m（图7）。试验过程中双站采用同步原子钟作为时间频率同步设备，验证了时间同步的精度。

图7 暗室点目标回波距离压缩图

3.4 动态同步试验

地面放置3个角反射器，验证成像分辨率。同时放置独立的角反射器，作为孤立点测试雷达脉冲的响应。跑车试验获取了双基地SAR地物回波数据，并进行了系统成像后处理试验，验证了系统动态环境下时间、频率同步能力以及成像能力并进行了系统分辨率指标的分析测试。

图8 三个点目标的SAR成像图和SAR成像三维图

针对地面放置的角反射器进行分析，测试成像分辨率等指标，试验结果以及测试结果如上图所示，分辨率测试结果见表1。

表1 分辨率指标测试列表

4 结束语

时频同步精度是保证双基地SAR成像的前提，论文结合原子钟的短稳和GPS的长稳优点设计了时频同步方案。经过试验验证，同步精度能够满足成像对时频同步精度的需求，为进一步样机验证提供了条件。

［1］Walterscheid，I.，A.R.Brenner，and J.Klare，Bistatic radar imaging of an airfield in forward direction，in EUSAR2012.227－230.

［2］Keydel，W.，Perspectives and visions for future SAR systems，in Radar，Sonar and Navigation，IEE Proceedings 2003.97－103.

［3］Espeter，T.，I.Walterscheid，J.Klare，et al.，Synchronization Techniques for the Bistatic Spaceborne／Airborne SAR Experiment with TerraSAR－X and PAMIR.IEEE，2007：2160－2163.

［4］Rodriguez－Cassola，M.，S.V.Baumgartner，G.Krieger，et al.，Bistatic TerraSAR－XF－SAR Spaceborne－Airborne SAR Experiment＿Description，Data Processing，and Results.IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING，2010.48（2）：781－794.

［5］Wang，W.，Approach of Adaptive Synchronization for Bistatic SAR Real－Time Imaging.IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING，2007.45（9）：2695－2770.

［6］Yulin，H.，Y.Jianyu，and X.Jintao，Synchronization Technology of Bistatic Radar System，in International Conference on Communications，Circuits and Systems2006.2219－2221.