CN100575984C - 一种使用混沌信号的合成孔径雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种使用混沌信号的合成孔径雷达系统，包括基带混沌信号发生器、正交调制器、第一、第二中频带通滤波器和放大器、第一、第二混频器、功率放大器、低噪声放大器、相干检波器、模数转换器、数据记录器、成像处理器、定时器、频率源、双工器和天线；本发明使用混沌信号作为合成孔径雷达的发射信号，利用混沌信号重复实现特性，重新产生匹配函数，不需要在产生发射信号的同时记录发射波形，有效解决了噪声信号处理困难的问题。本发明混沌信号合成孔径雷达在多雷达系统中，处于同一个网络中的雷达发射相互正交的混沌信号，不同的通道发射相互正交的混沌信号，可有效区分不同的通道，从而提高合成孔径雷达的测绘带宽或提高分辨率。

Description

一种使用混沌信号的合成孔径雷达系统

技术领域

本发明属于合成孔径雷达系统，特别是使用非线性调频信号、噪声信号以及混沌信号的合成孔径雷达系统。

背景技术

传统的合成孔径雷达(SAR)在距离向的高分辨率是通过线性调频信号(LFM)进行脉压获取的，但LFM信号不容易实现波形捷变，由于在使用合成孔径雷达时必须发出多个雷达信号p(t)，敌军可根据这些信号训练其自适应信号处理器较好地获得p(t)的估计，为了对抗这种信号估计，可以在发射每个脉冲时改变雷达信号p(t)以迷惑敌军接收雷达，这就是脉冲分集技术。随机噪声信号各个时刻都不相关，本身就具备了脉冲分集的特性，已被用到合成孔径雷达中来提高雷达的抗干扰性能。噪声信号具有不可重复性，虽然具有较高的抗干扰性能，同时也带来了处理上的困难。

随着合成孔径雷达应用领域的研究不断拓展和深入，越来越多的观测任务对合成孔径雷达(SAR)卫星的性能指标提出了更为苛刻的要求，例如，战场侦查、灾害监控、环境监控等等。这些应用不仅仅要求合成孔径雷达卫星具有一定的分辨率，还要求其能够实现对大面积定点区域进行不间断的观测，这就在重复观测周期、测绘带宽、雷达观测可达能力等方面向旧的设计思路提出了挑战。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术中噪声信号不具有可重复性，需要实时记录发射波形或对发射波形做延时，增加了系统复杂度，噪声信号处理困难的问题，为了实现所述的目的，本发明提供一种测绘带宽或分辨率高、容易处理噪声信号、使用混沌信号的合成孔径雷达系统。

为了实现上述的目的，本发明的一种使用混沌信号的合成孔径雷达系统，包括基带混沌信号发生器、正交调制器、第一中频带通滤波器和放大器、第一混频器、功率放大器、低噪声放大器、第二混频器、第二中频带通滤波器和放大器、相干检波器、模数转换器、数据记录器、成像处理器、定时器、频率源、双工器和天线；

基带混沌信号发生器输出两路基带混沌信号，基带混沌信号发生器输出的第一路基带混沌信号两路正交分量与正交调制器的两个输入端连接，正交调制器，将所述第一路基带混沌信号正交调制到频率源输出的中频f_o上，正交调制器输出中频混沌信号；正交调制器、第一中频带通滤波器和放大器、第一混频器、功率放大器依次串联连接，双工器的输入端与功率放大器输出端连接，第一中频带通滤波器和放大器，将所述中频混沌信号进行滤波和功率放大，第一混频器，将中频混沌信号与频率源输出的载频f_c进行混频并转化成射频信号，功率放大器，将混频后的射频信号进行功率放大给入双工器，双工器和天线，将射频信号发射；

低噪声放大器、第二混频器、第二中频带通滤波器和放大器、相干检波器、模数转换器、数据记录器、成像处理器依次串联连接，双工器实现接收信号和发射信号的隔离，双工器的三个端口分别与功率放大器、低噪声放大器和天线连接，低噪声放大器，将双工器的回波信号进行放大处理；第二混频器，将放大处理的回波信号和频率源输出的载频f_c进行下变频转换成中频混沌信号；第二中频带通滤波器和放大器，对中频混沌信号进行滤波并放大；相干检波器，对滤波放大的中频混沌信号检波输出基带混沌信号的两路正交分量；模数转换器，将模拟基带混沌信号的两个正交分量转换成数字基带回波信号；数据记录器，记录模数转换器输出的数字基带回波信号的两个数字正交分量、记录基带混沌信号发生器输出的第二路混沌信号作为距离向脉冲压缩时的参考信号；成像处理器，对数据记录器记录的数据给入成像处理器进行实时处理得到雷达图像或者进行后成像处理得到雷达图像；

频率源的输出端分别与正交调制器、第一混频器、第二混频器、相干检波器以及定时器的输入端相连接，定时器的输出端分别与基带混沌信号发生器和数据记录器的输入端连接，定时器产生触发脉冲信号使基带混沌信号发生器与数据记录器同步工作；基带混沌信号发生器输出的第二路基带混沌信号与数据记录器的输入端连接。

所述基带混沌信号发生器，选取合适的混沌映射关系并选取初值送入数据处理芯片生成混沌序列，根据需要产生的不同的混沌信号用作合成孔径雷达的发射波形。

所述基带混沌信号发生器产生的混沌信号是混沌调频信号，或是混沌调相信号，或是混沌调幅信号。

所述基带混沌信号发生器中采用两层法生成混沌序列包括：

第一层迭代产生不同脉冲中混沌序列的初值，使用混沌映射f₁(u，x)：I→I，序列中的点服从概率密度为ρ₁(x)的分布，如果任务中需要N_a个不同的脉冲，则第一层迭代产生的序列长度为N_a；

第二层迭代使用第一层迭代产生的初值生成各个脉冲中的混沌序列，使用混沌映射f₂(u，x)：I→I，序列中的点服从概率密度为ρ₂(x)的分布，每个脉冲中的混沌序列长度为N_r。

所述成像处理器包括：距离向脉冲压缩单元、方位向脉冲压缩单元，当基带回波信号送入距离向脉冲压缩单元，距离向脉冲压缩单元使用第二路混沌信号作为参考函数对基带回波信号进行距离向压缩，经过距离向脉冲压缩的回波信号再给入方位向脉冲压缩单元进行方位向压缩得到雷达图像。

所述基带混沌信号发生器，基带混沌信号发生器输出的第二路基带混沌信号作为距离向信号的匹配函数；或使用与基带混沌信号发生器相同的算法和计算精度，在计算机中重新产生匹配函数。

所述基带混沌信号发生器产生混沌调频信号，是对所述混沌序列进行累加，通过查表法求得累加结果的正余弦值，从而得到基带混沌调频信号两路正交分量的采样值序列；

所述基带混沌信号发生器产生混沌调相信号是将混沌序列进行二元量化或多元量化，从而得到基带混沌二相或多相码信号采样值。

所述基带混沌信号发生器生成混沌序列，其中各个脉冲中的混沌序列采用互不相关方式，其f₁与f₂采用不同的混沌映射，否则f₁与f₂采用不同的控制参量。

本发明的有益效果：本发明在合成孔径雷达中采用混沌信号作为发射波形，由于混沌信号具有初值敏感性与类随机性，类似白噪声，具有噪声信号的抗干扰性，用于合成孔径雷达后不但可以获得高分辨率图像，还可以进行波形捷变，使用脉冲分集技术，提高了合成孔径雷达的抗干扰性能。本发明使用混沌信号作为合成孔径雷达的发射信号，利用混沌信号可以重复实现的特性，可在计算机中重新产生匹配函数，不需要在产生发射信号的同时记录发射波形，而现有技术的噪声信号不具有可重复性，需要实时记录发射波形或对发射波形做延时，增加了系统复杂度，这是混沌信号区别于噪声信号的不同点，从而有效解决了现有技术中噪声信号处理困难的问题。由于使用了混沌信号技术，混沌信号合成孔径雷达可多雷达系统中，处于同一个网络中的雷达发射相互正交的混沌信号，各个雷达可以协同工作，从而充分发挥多雷达系统的优势；在多通道合成孔径雷达中，不同的通道发射相互正交的混沌信号，可有效区分不同的通道，从而提高合成孔径雷达的测绘带宽或提高分辨率。

附图说明

图1是本发明使用混沌信号的合成孔径雷达系统结构框图

图2是本发明使用基带混沌信号发生器1的产生混沌信号的示意图

图3是本发明使用混沌信号的合成孔径雷达系统中成像处理器结构图

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

根据本发明的图1，具体地，使用混沌信号的合成孔径雷达系统结构框图所示，本发明中：

1)根据选定的混沌映射和参数，用高速DSP芯片或FPGA芯片产生基带混沌信号采样值序列，通过数模转换得到模拟基带混沌信号。

2)将混沌基带信号进行正交调制得到中频混沌信号，经过？混频器后得到射频混沌信号，送入发射机发射。

3)用相干检波器对回波信号进行正交解调。

4)用高速计算机对回波信号进行脉冲压缩，最后得到雷达图像。

具体地，如图1中包括：基带混沌信号发生器1、正交调制器2、第一中频带通滤波器和放大器3、第一混频器4、功率放大器5、低噪声放大器6、第二混频器7、第二中频带通滤波器和放大器8、相干检波器9、模数转换器10、数据记录器11、成像处理器12、定时器13、频率源14、双工器15和天线16；

基带混沌信号发生器1输出两路基带混沌信号，基带混沌信号发生器1输出的第一路基带混沌信号两路正交分量与正交调制器2的两个输入端连接，正交调制器2，将所述第一路基带混沌信号正交调制到频率源14输出的中频f_o上，正交调制器2输出中频混沌信号；正交调制器2、第一中频带通滤波器和放大器3、第一混频器4、功率放大器5依次串联连接，双工器15的输入端与功率放大器5输出端连接，第一中频带通滤波器和放大器3，将所述中频混沌信号进行滤波和功率放大，第一混频器4，将中频混沌信号与频率源14输出的载频f_c进行混频并转化成射频信号，功率放大器5，将混频后的射频信号进行功率放大给入双工器15，双工器15和天线16，将射频信号发射；

低噪声放大器6、第二混频器7、第二中频带通滤波器和放大器8、相干检波器9、模数转换器10、数据记录器11、成像处理器12依次串联连接，双工器15实现接收信号和发射信号的隔离，双工器15的三个端口分别与功率放大器5、低噪声放大器6和天线16连接，低噪声放大器6，将双工器15的回波信号进行放大处理；第二混频器7，将放大处理的回波信号和频率源14输出的载频f_c进行下变频转换成中频混沌信号；第二中频带通滤波器和放大器8，对中频混沌信号进行滤波并放大；相干检波器9，对滤波放大的中频混沌信号检波输出基带混沌信号的两路正交分量；模数转换器10，将模拟基带混沌信号的两个正交分量转换成数字基带回波信号；数据记录器11，记录模数转换器10输出的数字基带回波信号的两个数字正交分量、记录基带混沌信号发生器1输出的第二路混沌信号作为距离向脉冲压缩时的参考信号；成像处理器12，对数据记录器11记录的数据给入成像处理器12进行实时处理得到雷达图像或者进行后成像处理得到雷达图像；

频率源14的输出端分别与正交调制器2、第一混频器4、第二混频器7、相干检波器9以及定时器13的输入端相连接，定时器13的输出端分别与基带混沌信号发生器1和数据记录器11的输入端连接，定时器13产生触发脉冲信号使基带混沌信号发生器1与数据记录器11同步工作；基带混沌信号发生器1输出的第二路基带混沌信号与数据记录器11的输入端连接。

所述基带混沌信号发生器1，选取合适的混沌映射关系并选取初值送入数据处理芯片生成混沌序列，根据需要产生的不同的混沌信号用作合成孔径雷达的发射波形。

所述基带混沌信号发生器1产生的混沌信号是混沌调频信号，或是混沌调相信号，或是混沌调幅信号。

所述基带混沌信号发生器1，基带混沌信号发生器1输出的第二路基带混沌信号作为距离向信号的匹配函数；或使用与基带混沌信号发生器1相同的算法和计算精度，在计算机中重新产生匹配函数。

本发明具体的实施如下：

基带混沌信号发生器1采用DSP芯片或FPGA芯片，例如TMS320C6414；

正交调制器2可采用集成电路芯片，例如AD公司的正交调制器系列芯片；

第一中频带通滤波器和放大器3可采用集成电路芯片，例如AD公司的带通滤波器和放大器系列芯片；

第一混频器4可采用集成电路芯片，例如AD公司的混频器系列芯片；

功率放大器5主要由行波管、行波管电源和射频输出选择开关组成

低噪声放大器6可选用集成电路模块，如Miteq的低噪声放大器；

第二混频器7可采用集成电路芯片，例如AD公司的混频器系列芯片；

第二中频带通滤波器和放大器8可采用集成电路芯片，例如AD公司的带通滤波器和放大器系列芯片；

相干检波器9可采用集成电路芯片，例如AD公司的解调器系列芯片；

模数转换器10可采用集成电路芯片，例如AD公司的模数转换系列芯片；

数据记录器11采用磁盘记录器；

成像处理器12可使用PC机，操作系统Window XP；

定时器13可用FPGA设计；

频率源14可选用高频率稳定度的100MHz晶体振荡器为基准参考频率，经过锁相、倍频或分频产生所需的各路信号；

双工器15根据任务定制

天线16根据任务定制；

本发明的装置工作时，基带混沌信号发生器1分为两路基带混沌信号输出，第一路基带混沌信号为模拟信号，经过正交调制器2、第一中频带通滤波器和放大器3调制得到中频混沌信号，中频混沌信号由第一混频器4混频后得到射频信号，射频信号经过功率放大器5放大并送入双工器15和天线16进行发射；

第二路基带混沌信号输出为数字信号，送入数据记录器11记录作为距离向脉冲压缩时的参考信号，来自双工器15的回波信号经低噪声放大器6、第二混频器7变频成中频信号，中频信号经过第二中频带通滤波器和放大器8后送入相干检波器9，相干检波器9输出的检波得到I₁/Q₁两路信号并送入数据记录器11，对数据记录器11记录的数据给入成像处理器12进行实时或后成像处理就得到雷达图像。本发明中混沌信号发生器和成像处理是关键。

具体地，本发明的基带混沌信号发生器1，可运用DSP芯片或FPGA芯片，选取合适的混沌映射关系并选取初值送入DSP芯片生成混沌序列，根据需要产生的不同的混沌信号。对混沌序列有两种处理方法：

所述基带混沌信号发生器1产生混沌调频信号，是对所述混沌序列进行累加，通过查表法求得累加结果的正余弦值，从而得到基带混沌调频信号两路正交分量的采样值序列；

所述基带混沌信号发生器1产生不同的混沌信号包括，产生混沌调相信号；所述产生混沌调相信号，是将混沌序列进行二元量化或多元量化，从而得到基带混沌二相或多相码信号采样值。

在本发明中，SAR工作于脉冲模式，为了在脉冲间实现波形捷变，各个脉冲中的混沌序列应选取不同的初值。最简单的方法是产生出一段较长的混沌序列，并将其分割成很多小段，不同的脉冲使用不同的小段混沌序列，从而各个脉冲之间的混沌序列不相关。这种方法有个很大的缺陷，由于计算精度的限制，在数字法中产生混沌序列时，混沌序列最终会变成周期序列，因此一段较长的混沌序列必然会周期化，影响各个脉冲之间的互不相关性。

为了解决这个问题，本发明中使用两层法产生混沌序列，图2是本发明使用基带混沌信号发生器1的产生混沌信号的示意图所示生成混沌序列，采用两层法生成包括：

第一层映射迭代产生不同脉冲中混沌序列的初值，其中第一层映射为x₀₀x₁₀......x_(Na-1)0，使用混沌映射f₁(u，x)：I→I，序列中的点服从概率密度为ρ₁(x)的分布，如果任务需要N_a个互不相关的脉冲，则第一层迭代产生的序列长度为N_a；

第二层迭代使用第一层迭代产生的初值生成各个脉冲中的混沌序列，其中第二层映射为：第一个脉冲混沌序列为：x₀₀、x₀₁......x_0Nr-1，第二个脉冲混沌序列为：x₁₀、x₁₁......x_1Nr-1，......，第Na个脉冲混沌序列为：x_(Na-1)0x_(Na-1)1......x_(Na-1)(Nr-1)；使用混沌映射f₂(u，x)：I→I，序列中的点服从概率密度为ρ₂(x)的分布，每个脉冲中的混沌序列长度为N_r。

所述基带混沌信号发生器1生成混沌序列，其中各个脉冲中的混沌序列采用互不相关方式，其f₁与f₂采用不同的混沌映射，如果形式一样，则应取不同的控制参量，否则f₁与f₂采用不同的控制参量。

如图3是本发明使用混沌信号的合成孔径雷达系统中成像处理器结构图所示，所述在成像处理器12中先进行距离向信号脉冲压缩，再进行方位向脉冲压缩。所述距离向信号，产生距离向信号的匹配函数，有两种方法，其一，距离向信号的匹配函数使用基带混沌信号发生器1输出的第二路基带混沌信号做参考信号；其二，使用与基带混沌信号发生器1相同的算法即相同的混沌映射和相同的初值和计算精度，具体的计算精度根据任务需求选定，在成像处理器12中重新产生匹配函数。这是混沌信号区别于噪声信号的不同点。

根据图1和图3所示，是成像处理器12包括：距离向脉冲压缩单元17、方位向脉冲压缩单元18，当基带回波信号送入距离向脉冲压缩单元17，距离向脉冲压缩单元17使用第二路基带混沌信号作为参考函数对基带回波信号进行距离向压缩，经过距离向脉冲压缩的回波信号再给入方位向脉冲压缩单元18进行方位向压缩，从而得到雷达图像。

最后强调，上面的描述是用于实现本发明及其实施例，本领域普通技术人员可以根据实际情况确定多种实现方法，因此，本发明的范围不应由该描述来限定。本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求来限定的范围。

Claims (9)

1、一种使用混沌信号的合成孔径雷达系统，其特征在于：包括基带混沌信号发生器、正交调制器、第一中频带通滤波器和放大器、第一混频器、功率放大器、低噪声放大器、第二混频器、第二中频带通滤波器和放大器、相干检波器、模数转换器、数据记录器、成像处理器、定时器、频率源、双工器和天线；

基带混沌信号发生器输出两路基带混沌信号，基带混沌信号发生器输出的第一路基带混沌信号两路正交分量与正交调制器的两个输入端连接，正交调制器，将所述第一路基带混沌信号正交调制到频率源输出的中频f_v上，正交调制器输出中频混沌信号；正交调制器、第一中频带通滤波器和放大器、第一混频器、功率放大器依次串联连接，双工器的输入端与功率放大器输出端连接，第一中频带通滤波器和放大器，将所述中频混沌信号进行滤波和功率放大，第一混频器，将中频混沌信号与频率源输出的载频f_c进行混频并转化成射频信号，功率放大器，将混频后的射频信号进行功率放大给入双工器，双工器和天线，将射频信号发射；

低噪声放大器、第二混频器、第二中频带通滤波器和放大器、相干检波器、模数转换器、数据记录器、成像处理器依次串联连接，双工器实现接收信号和发射信号的隔离，双工器的三个端口分别与功率放大器、低噪声放大器和天线连接，低噪声放大器，将双工器的回波信号进行放大处理；第二混频器，将放大处理的回波信号和频率源输出的载频f_c进行下变频转换成中频混沌信号；第二中频带通滤波器和放大器，对中频混沌信号进行滤波并放大；相干检波器，对滤波放大的中频混沌信号检波输出基带混沌信号的两路正交分量；模数转换器，将模拟基带混沌信号的两个正交分量转换成数字基带回波信号；数据记录器，记录模数转换器输出的数字基带回波信号的两个数字正交分量、记录基带混沌信号发生器输出的第二路基带混沌信号作为距离向脉冲压缩时的参考信号；成像处理器，对数据记录器记录的数据给入成像处理器进行实时处理得到雷达图像或者进行后成像处理得到雷达图像；

频率源的输出端分别与正交调制器、第一混频器、第二混频器、相干检波器以及定时器的输入端相连接，定时器的输出端分别与基带混沌信号发生器和数据记录器的输入端连接，定时器产生触发脉冲信号使基带混沌信号发生器与数据记录器同步工作；基带混沌信号发生器输出的第二路基带混沌信号与数据记录器的输入端连接。

2、根据权利要求1所述使用混沌信号的合成孔径雷达系统，其特征在于：所述基带混沌信号发生器，选取合适的混沌映射关系并选取初值送入数据处理芯片生成混沌序列，根据需要产生的不同的混沌信号用作合成孔径雷达的发射波形。

3、根据权利要求1或2所述使用混沌信号的合成孔径雷达系统，其特征在于：所述基带混沌信号发生器产生的混沌信号是混沌调频信号，或是混沌调相信号，或是混沌调幅信号。

4、根据权利要求1或2所述使用混沌信号的合成孔径雷达系统，其特征在于：所述基带混沌信号发生器中采用两层法生成混沌序列包括：

第一层迭代产生不同脉冲中混沌序列的初值，使用混沌映射f₁(u，x)：I→I，序列中的点服从概率密度为ρ₁(x)的分布，如果任务中需要N_a个互不相关的脉冲，则第一层迭代产生的序列长度为N_a；

第二层迭代使用第一层迭代产生的初值生成各个脉冲中的混沌序列，使用混沌映射f₂(u，x)：I→I，序列中的点服从概率密度为ρ₂(x)的分布，每个脉冲中的混沌序列长度为N_r。

5、根据权利要求1所述使用混沌信号的合成孔径雷达系统，其特征在于：所述成像处理器包括：距离向脉冲压缩单元、方位向脉冲压缩单元，当基带回波信号送入距离向脉冲压缩单元，距离向脉冲压缩单元使用第二路基带混沌信号作为参考函数对基带回波信号进行距离向压缩，经过距离向脉冲压缩的回波信号再给入方位向脉冲压缩单元进行方位向压缩得到雷达图像。

6、根据权利要求1所述使用混沌信号的合成孔径雷达系统，其特征在于：所述基带混沌信号发生器输出的第二路基带混沌信号作为距离向信号的匹配函数；或使用与基带混沌信号发生器相同的算法和计算精度，在计算机中重新产生匹配函数。

7、根据权利要求3所述使用混沌信号的合成孔径雷达系统，其特征在于：所述基带混沌信号发生器产生混沌调频信号，是对所述混沌序列进行累加，通过查表法求得累加结果的正余弦值，从而得到基带混沌调频信号两路正交分量的采样值序列。

8、根据权利要求3所述使用混沌信号的合成孔径雷达系统，其特征在于：所述基带混沌信号发生器产生混沌调相信号是将混沌序列进行二元量化或多元量化，从而得到基带混沌二相或多相码信号采样值。

9、根据权利要求4所述使用混沌信号的合成孔径雷达系统，其特征在于：所述基带混沌信号发生器生成混沌序列，其中各个脉冲中的混沌序列采用互不相关方式，其f₁与f₂采用不同的混沌映射。

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