CN101256235B - 表面下成像雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种表面下成像雷达装置及其方法。该雷达装置包括发射单元和接收单元,发射单元以相对地面区域的选择仰角θ向选择地面区域以波瓣发射垂直极化的第一无线电波信号,使得该信号中的大部分能量被折射进入地面区域连续分接,其中该信号作为相对地面的极化信号,使得其大部分能量折射入地面区域,其中该信号的波长比在地面区域的表面之上的选择目标的尺寸长,而又足够短以检测表面下的选择的目标,其中该信号的带宽大于其中心频率的10%以获得高距离分辨率,雷达装置是具有与该信号波长接近或相等的方位向分辨率的波长分辨率受限的合成孔径雷达以获得高方位向分辨率,接收单元接收作为从选择地面区域反射的第一无线电波信号的第二信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括发射单元和接收单元的表面下成像雷达装置,其中该发射单元被布置成与选择的地面区域呈选择的仰角θ向选择的地面区域以波瓣发射第一无线电波信号。本发明还涉及一种用于表面下成像雷达装置的方法。
背景技术
在许多目前战争的干旱及开阔区域,掩盖目标是司空见惯的军事策略。根本原因是这经常是隐藏它们的唯一方法并且在例如沙质地带简单易行。这些目标可以是地雷、隐藏的武器或地道及掩体。因此,对于检测这些类型的被掩盖目标的有效方法有强烈需求。
被掩盖目标检测的环境以及目的是变化的。与高检测概率相联系的监控能力也是普遍所关心的。例如当军用交通工具沿着马路在途中以某合理的速度行进时,其必须具有检测可能伤害它的地雷的可能性。相反,在签订和平条约之后,对需要找到所有地雷并使其无效的有效除雷有非常强烈的需求。这些地雷可以分布在较大区域,并且不总是以容易控制的方式分布。在这种情况下虽然监控任务经常很大使得监控能力必须大,但是并没有实时要求。经常将寻找隐藏的武器限定在某些区域并且可能没有立即的实时需求。然而,可能有在一定的期限内获得结果的强烈压力,因此在这种情况下监控能力也是所关心的。
新出现的应用领域是将以前的军事库房及训练场恢复为民用土地用途。这些区域可能被未爆炸武器及有害废物严重污染。经过如在东欧的剧烈的组织变化,可能已经忘记了废物堆积物的位置。
当监控需求大时,使用手持地雷检测装置效率低下。另外基于静磁或静电效应(从而测量地面的磁导率或介电常数)的自移动检测装置具有低监控能力。其原因是静止场在短距离衰减,在检测过程中要求小心缓慢的移动。相反,雷达基于电磁辐射。由于电磁辐射的距离衰减小于静电场的距离衰减,对于大范围覆盖的表面下目标检测,看起来雷达是优选的原理。
表面下目标可能很小,并且其信号可能很弱。因此,检测装置必须感测地面的仅一小部分,在该部分地面的干扰由于存在目标相对明显。因此,在较大的监控距离的雷达操作的问题是如何获得足够的分辨率,分离出地面的小体积(small volume)。合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)的原理是获得地表面的高二维分辨率的已知方法。
从地面以及从空中可使用合成孔径雷达(SAR)。机载SAR产生与飞行的飞行器路径垂直的二维图像。将该图像中的一维称作距离(或跨轨迹(cross track))且是从雷达到目标的视距(light of sight)的测量。与大多数其它雷达一样在合成孔径雷达中以同样的方式获得距离测量及分辨率:通过精确测量从脉冲发射到收到目标的回波的时间来确定距离,在最简单的SAR中,通过发射的脉冲宽度来确定距离分辨率,即窄脉冲产生高距离分辨率。
将另一维称作方位向(或沿轨迹(along track)),方位向与地表面上的距离垂直。SAR具有产生相对高的方位向分辨率的能力,这使它区别于其它雷达。为获得高方位向分辨率,需要物理上大的天线来将发射和接收的能量聚焦到锐波束(sharp beam)中。该波束的锐度(sharpness)定义了方位向分辨率。相似地,如望远镜的光学系统需要大孔径(与雷达天线类似的镜或透镜)来获得高图像分辨率。由于SAR在频率上比光学系统低的多,所以即使中等的SAR分辨率所需的天线物理上也比实际中机载平台所能携带的天线大:经常需要几百米长的天线长度。然而,当机载雷达飞过这个距离时可收集数据并且然后能就象该数据来自物理上长的天线一样处理数据。在合成该天线时该飞行器飞过的距离称为合成孔径。由相对长的合成孔径产生窄的合成波束宽度,这提供比由较小的物理天线可能产生的分辨率高的分辨率。
虽然这部分试图提供对SAR的直观理解,但是SAR并不如上所述那么简单。即使是对于中等的方位向分辨率,到合成孔径上的各位置的目标距离沿着合成孔径变化。在SAR中在成像前由该目标所反射的能量必须“在数学上聚焦”以补偿在该孔径上的距离依赖性(range dependence)。当孔径大时,该SAR能提供与雷达波长接近的分辨率,这提供了灵敏聚焦,如果不能适当聚焦,目标就会在SAR图像中消失。
然而,由于电磁能量不能充分透入地面,而是在表面被反射,所以已知SAR不能用于地下检测。
因此,仍然需要可用于地下成像的改进雷达。
发明内容
本发明涉及一种包括发射单元和接收单元的表面下成像雷达装置。该发射单元被布置成以接近于选择的地面区域的水平面的选择的仰角(elevation angle)θ向选择的地面区域以波瓣发射第一无线电波信号,使得以表面波模式捕获相对于地面的垂直极化信号的相当大部分的能量,该信号能量通过折射进入地面区域而被连续分接(tap)。在这里,所述地面区域非常小使得地球曲率可以忽略,这样所述地面区域可近似为水平面。
根据本发明的一个实施例,提供了一种表面下成像雷达装置,包括发射单元和接收单元,发射单元被布置成以相对于地面区域的选择的仰角θ向选择的地面区域以波瓣发射垂直极化的第一无线电波信号,使得相对于地面的第一无线电波信号中的相当大部分的能量被折射进入地面区域连续分接,其中发射单元被布置成发射第一无线电波信号作为相对于地面的被极化的信号,使得第一无线电波信号的相当大部分的能量折射入地面区域,其中发射单元被布置成发射第一无线电波信号,第一无线电波信号的波长比在地面区域的表面之上的选择目标的尺寸长,而又足够短以检测表面下的选择的目标,其中发射单元被布置成发射第一无线电波信号,第一无线电波信号具有大于第一无线电波信号中心频率的10%的带宽以获得高距离分辨率,其中雷达装置是具有与第一无线电波信号的波长接近或相等的方位向分辨率的波长分辨率受限的合成孔径雷达,以获得高方位向分辨率,接收单元被布置成接收作为来自选择的地面区域的反射的第一无线电波信号的第二信号。
根据本发明的另一实施例,提供了一种用于表面下成像雷达装置的方法,该表面下成像雷达装置包括发射单元和接收单元,发射单元以相对于地面区域的选择的仰角θ向选择的地面区域以波瓣发射垂直极化的第一无线电波信号,使得相对于地面的第一无线电波信号的相当大部分的能量被折射进入地面区域连续分接,其中发射单元发射第一无线电波信号作为相对于地面的被极化的信号,使得第一无线电波信号的相当大部分的能量折射入地面,其中发射单元发射第一无线电波信号,第一无线电波信号的波长比在地面区域的表面之上的选择的目标的尺寸长,而又足够短以检测表面下的选择的目标,其中发射单元发射第一无线电波信号,第一无线电波信号具有大于第一无线电波信号的中心频率的10%的带宽,以获得高距离分辨率,其中雷达装置是具有与第一无线电波信号的波长接近或相等的方位向分辨率的波长分辨率受限的合成孔径雷达,以获得高方位向分辨率,接收单元接收作为来自选择的地面区域的反射的第一无线电波信号的第二信号。
因为已经证明当第一无线电波信号能量的至少10%折射入地面区域时,根据本发明的雷达装置运行良好,所以如果第一无线电波信号能量的至少10%折射入地面区域是有利的。作为例子,实验已经示出具有相对于地面区域的倾斜角θ=1的根据本发明的雷达装置具有第一无线电波信号的25%的进入地面的能量折射。
最优角θ是所谓的布鲁斯特角,后面将进一步对其进行解释。根据以上所述,所述雷达装置不限于布鲁斯特角,而是在包括布鲁斯特角的范围内可用。然而,在布鲁斯特角,第一无线电波信号中的100%的能量折射入地面。
所述发射单元被布置成发射第一无线电波信号作为相对于地面的极化信号,使得该第一无线电波信号的大部分能量折射入地面。所述发射单元被布置成发射第一无线电波信号,该信号波长大于表面之上的选择的目标的尺寸,但是对于检测表面下选择的目标来说又足够短。发射单元被布置成发射第一无线电波信号,该信号具有大于第一无线电波信号的中心频率的10%的高部分带宽(fractional bandwidth)以获得高距离分辨率。所述雷达装置是波长分辨率受限的合成孔径雷达,该合成孔径雷达具有与第一无线电波信号的波长接近或相等的方位向分辨率,以获得高方位向分辨率。
在本发明的一个实施例中,当第一无线电波信号的中心频率大于200Mhz时,所述带宽大于该中心频率的10%,以获得高距离分辨率。
在本发明的另一实施例中,当第一无线电波信号的中心频率在50Mhz与200Mhz之间时,所述带宽大于该中心频率的25%,以获得高距离分辨率。
所述接收单元被布置成接收作为来自选择的地面区域的被反射的第一无线电波信号的第二信号。
优选地,该雷达装置为合成孔径雷达,即SAR,但是与现有技术的区别在于:根据本发明的SAR是波长分辨率受限的合成孔径雷达,以获得在地表面以下的不同的电介质深度(dielectric depth)的不同的图像,给出地面区域的三维成像。根据本发明的SAR在波长限制,即衍射限制下工作。在SE 456117、SE 468184以及SE 511952所描述的所谓的CARABAS装置及方法中已经公开了对于最佳方位向分辨率,即接近第一无线电波信号的波长的衍射受限SAR的技术。这些文献教导了如果雷达装置以接近波长的方位向分辨率工作,能实现可用于三维成像的短景深(depth offield)。与所主张的特征一起使用的该方法提供了期望的表面下成像。
根据本发明的SAR不使用水平极化信号,而是所述发射单元被布置成发射第一无线电波信号作为基本上垂直于地面区域而极化的信号,即垂直极化信号。
通过使用安装在地面交通工具或飞行器上的发射天线可实现垂直极化的信号。在后者情况,飞行器可以与地面成角度来飞行,即当飞行器向上或向下飞时,使得该发射天线将发射不是与地面完全垂直、而是从90°偏离正负几度极化的极化信号。雷达装置的功能将削弱,但是雷达装置仍然工作。
如前所述,相对于地面区域的仰角θ应在包括布鲁斯特角的角间隔中,并且优选地接近或正是布鲁斯特角。由于在布鲁斯特角周围的相当大的角间隔中存在关于折射的垂直和水平极化之差,角θ可稍微偏离布鲁斯特角。垂直和水平极化之间的最大差是对于在0°到40°之间间隔内的仰角θ,并且对于在0°到20°之间间隔内的角θ是最明显的。
通过给出小俯角,即给出小仰角的低倾斜的低水平飞行来使用SAR,使用垂直极化是实现既照射在实际的地表面上(而不是在表面之上波长的一部分处)又折射入地面的必要条件。相对于高于地面的目标,布鲁斯特角入射最大化表面/表面下目标的响应。
如上所述雷达装置可安装在飞行器上。那么雷达装置可包括收发机,该收发机包括发射机和接收机。由于本发明的雷达装置考虑了足够短的距离,发射机可包括具有小于所发射的第一无线电波信号的一半波长的垂直延伸的发射天线。
关于表面波传播,上面已得出结论,对于有限的土壤传导率,发射具有以布鲁斯特角倾斜的电场的垂直极化信号导致折射过程,该折射过程创建表面波信号,该表面波信号被连续折射而进入地面分接(tap),而没有任何反射分量。这个结论对于在机载SAR平台上容纳低频垂直极化天线的实际困难有意义。不需要发射天线具有大于一半波长,在本发明的情况下约为1米的垂直延伸。然而,对于安装在例如UAV上的小型机载系统,即使该长度也是问题。雷达信号在折射后可以是表面波的事实可用来通过双站(bi-static arrangement)装置实现表面下成像雷达。在该装置中,该发射天线可接近地面并发射表面波。
在另一实施例中,该发射天线被安装在沿x方向以适中的速度移动的地面交通工具上。被安装在交通工具上的发射天线可以在布鲁斯特角倾斜并垂直延伸数米以使辐射波束垂直方向上窄并使辐射能量到表面波的转换高效。该接收天线可小于发射天线且可具有小于一半波长的垂直延伸,从而可容易地安装在如无人驾驶飞行器(UAV)或直升机的飞行器上。在一般的应用中,该飞行器从而该接收机将在发射的地面交通工具上以锯齿形方式行进,通过锯齿形运动的幅度形成该合成孔径。所述飞行器比允许锯齿形运动的地面具有较高的速度。该飞行器以具有尽可能急的转弯的直线飞行。
可通过使用给出使来自地下目标的能量在不同的深度独立聚焦以能够进行3D成像的大积累角(integration angle)和短景深的衍射受限SAR来概括本发明。根据本发明的雷达装置应通过考虑以下参数来实现:
1.选择适当的照射几何(illumination geometry),即仰角θ。
2.适当使用低频衍射受限SAR处理以获得3D成像。
3.选择适当的低雷达频率。实验已示出在100-200Mhz范围内的频率运行良好。
所述低频率使得地表面与波长相比变得平坦。然后一部分信号沿表面传播且一部分信号以陡峭的角(steep angle)和更短的波长透入地面,这使得雷达可检测到比波长小数倍的地下、表面下目标。
如果使用高频,与波长相比,地表面看起来混乱。信号会从在各个方向从地表面反射。这些信号趋向于使雷达接收不到地下响应,因此不应使用。
下面是不同的地面材料的表。该表并不是穷尽性的而仅仅是给出了不同的例子。
布鲁斯特角 | 透入深度 | 表面距离 | |
湿土 | 10° | 3.4m | 112m |
干土 | 17° | 6m | 998m |
沙 | 10° | 26m | 850m |
由于λspace被折射率除从而计算λground,所以地面的折射率是重要的。地面的折射率的典型值为5。
光学平整度:草地,小圆石等使得均方根(Root Mean Square,RMS)高度必须小于例如λspace/8。λspace是空气中波长。
小目标灵敏度:λground/2>0.2m给出2m的波长λspace,其允许0.25m的RMS地面粗糙度且表面下目标>0.2m。λground是地面中的波长。
大约0.2m的表面下目标是强反射体,因为它们与入射辐射共振。而且表面下目标经常是金属目标,其与密度较低的环绕物相比是较好的反射体。
附图说明
下面结合多个附图说明本发明。
图1示意性示出包括根据本发明的雷达装置的飞行物的飞行路径;
图2a和2b示意性示出水平极化波束与垂直极化波束之间的比较;
图3示意性示出水平(实线)和垂直(虚线)极化的作为俯角的函数的透射系数的图;
图4示意性示出根据本发明的双站装置所覆盖的表面(白色区域);
图5示意性示出事件的几何映射;
图6示意性示出用于地面交通工具及空中交通工具的组合中的根据本发明的雷达。
具体实施方式
图1示意性示出包括根据本发明的雷达装置的飞行器2的飞行路径1。飞行器2可以是直升机或飞机或任何其它能承载根据本发明的雷达装备的适合的飞行物。图1示出雷达发射机在以锯齿模式飞行的同时向选择的地面区域4发射垂直极化波束3。
图1示出该系统的原理,其中地下目标5在半圆7的形状的地面区域4的表面6上提供目标响应。在SAR配准(registration)的各瞬间来自目标的响应与在同一电范围的其它反射混合。图1示出由于大积累角及小俯角该目标能量可被重新聚焦以能够进行3D成像。
图2a和2b示意性示出水平极化波束H-pol和垂直极化波束V-pol之间的比较。
图2a示出水平极化波束H-pol基本上全部被反射。该水平极化波束H-pol必须以比40°还陡的仰角θ倾斜或如图3所示所有发射能量将进入表面反射。
图2b示出对于以布鲁斯特角作为仰角θ的垂直极化波束V-pol,可将照射几何配置成整个信号都通过折射射入地面,如图3所示。如果该表面是传导的,则该处理被地波分量支持。
图3示意性示出水平极化(实线)以及垂直极化(虚线)的作为俯角的函数的透射系数的图。如图3所示,当成像角,即仰角θ变小时,对于垂直极化辐射的强需求是明显的。图3示出由于在布鲁斯特角周围的相当大的角间隔中存在关于折射的垂直和水平极化之差,仰角θ可稍微偏离布鲁斯特角。对于在0°到40°之间间隔内的角θ,垂直和水平极化之差最大,并且对于在0°到20°之间间隔内的角θ最明显。因此合适的角在布鲁斯特角正负5-10°的范围内。该小俯角指示应将所述雷达装置置于接近地面以进行短距离操作。
图4示意性示出由图6所描述的双站(bistatic)装置所覆盖的表面(白色区域)。散列区域(hashed area)通过锯齿形接收机移动中的单个航线(leg)B来成像。在接收机沿B运动期间,发射机沿A移动。得到的相位中心沿C移动。R是对于发射机和接收机的平均最大距离。由该最大距离来设置对于雷达照射可对哪个表面预期表面波传播。
例:B:20m/s;A:4m/s;C:240m;W:107m
图5示意性示出事件的几何映射。通过由两条相邻的接收机航线形成的三角形覆盖区域创建的“腰”来确定矩形监控率(rectangularsurveillance rate)。实际上一半宽度W/2是从发射交通工具到腰点(waist point)的路径距离。
图6示意性示出用于地面交通工具8与飞行器2的组合中的根据本发明的雷达装置。在图6中,示出所述发射机包括安装在地面交通工具8上的发射天线9。发射天线9向着在地面交通工具8前面的选择的地面区域4以波瓣10的形式发射垂直极化第一无线电波信号(图1中的波束3)。优选地,发射天线9以取决于地面的折射率的布鲁斯特角向地面倾斜。飞行器2以锯齿模式1飞行以增强前述SAR的合成孔径。该飞行器2包括接收机,该接收机包括用于接收第二波瓣11的信息的接收天线(未示出)。当生成表面下图像时,所接收的波瓣11变换为用于进一步信号处理的第二信号。
以下将结合所有图1-6来进行说明。
衍射受限(diffraction limited)合成孔径雷达的原理是获得地表面的高2维分辨率的已知方法。然而,必须根据本发明改变该方法以进行表面下成像。为了使该方法有用,需要如下雷达配置:其辐射方向与地平面相当接近,使得辨析(resolve)该地表面。就像显微镜法中一样,通过衍射受限SAR的短焦深(short depth of focus)显示表面下目标的深度。
斯涅尔折射定律是辐射折射入地面的基础:
cosθ0=ncosθ(1.1)
(其中角是相对于地面的,该地面被假设为是水平的)。通过针对反射系数ρ的菲涅耳等式来补充斯涅尔定律。对于(电场的)垂直/水平极化,分别具有
透射及反射系数之和为1。
地面的典型折射率可为n=5,由此透射系数如图3所示。将对于垂直极化信号透射系数为1的角称作布鲁斯特角。对于布鲁斯特角,根据(1.1)和(1.2)有
如图3所示显然对于近垂直俯角,透射和反射系数大小相同。因此对于垂直照射到地面上的辐射有大约50%的功率损耗。对于再次经过地面空气界面(ground air interface)被表面下目标反射的信号,将会有同样强的损耗,即会有75%的总损耗。对于具有在地面正上方的天线的地面探测雷达,由于可通过脉冲压缩来辨别地面响应,这些数字可以是可接受的。对于从高处俯视地面的远距离雷达,由于波前的弯曲特性,该地面响应不能被辨别,该波前在中心处于期望的深度的同时在边缘处碰撞地表面。因此,这样的雷达配置将不是很有用。
如上所述,SAR依赖于小俯角,因而如果水平极化,对于表面下探测非常低效。从图中可看出,对于垂直极化信号情况不同。事实上如果将布鲁斯特角用作俯角,所有的功率将被折射入地面。互易性(reciprocity)-至少适用到地面无损耗的程度,将保证当信号从表面下目标反向散射时不会被地表面折射。
必须通过两个条件来选择雷达波长λ
1.该波长必须足够短,使得要检测的地下目标相对于地面内的波长在瑞利区之上(要检测的目标应具有至少λ/2n的线性尺寸)。
2.该波长必须足够大,从而不会由地面粗糙度(地面粗糙度应具有不大于λ/8的线性特征尺寸)导致的遮蔽效应(shadowing effects)使得照射到地面之上的场(field)严重减小。
例如,对于平远场(flat open field)λ≈2m可能是合适的波长选择。这假设草地、小圆石等一般具有小于0.3m的延伸。
传播进入表面的波长通过折射率n变短,即对于n=5大约减小5倍。因此2m的波长将会与0.2m延伸的地下目标共振。
Zenneck表面波:
以布鲁斯特角沿着地表面的波传播是特有的并应得到具体对待,以便对雷达设计可提出更加明确的建议。因为传播效果与在Zenneck意义上的电磁表面波密切相关。电介质一旦具有某种程度的传导性时,以布鲁斯特角的波传播会支持表面波,该表面波具有不产生任何回波的精确属性。在真正无损耗的地面介质的情况下,不存在表面分量并出现无反射的折射过程。
考虑具有传导率κ以及介电常数ε的半空间z≤0,并假设z>0是具有零传导率和介电常数ε0的真空。假设整个空间是具有磁导率μ0的无磁体。此处要解释的问题是是否存在限制到x-y平面的辐射,也就是说在z或-z方向没有自由辐射分量。
我们将假设在x-z平面的传播,即具有一个非零分量Hy(x,z)的磁场。可存在两个电分量Ex(x,z)和Ez(x,z)。对于z≤0该时间分离的麦克斯韦方程(time separated Maxwell equation)的非零部分为
从其可得出
这支持对于z≤0的解
其中
k2=-iωμ0(κ+iωε)(2.4)
因为该解应是限制到平面z=0并沿其传播的波,对于z→-∞其必定衰减,所以 对于z>0以相应的方式得到
k0 2=ω2μ0ε0(2.5)
注意k0是实数并实际上是该时间分离的麦克斯韦方程的波数。然而,我们不能随意规定该波数代表平面波。对于z→-∞该波必定衰减,所以注意k为同一个波的表面下部分的波数。k0可呈现任何值并在知道材料常数κ、ε、ε0以及μ0的情况下,可根据该值计算κ。根据边界条件确定w和w0。
通过(2.1)确定电场。对于z≤0
因而
对于z>0
因而
(2.9)
边界条件是在过渡z→0中该切向场分量应当连续。因此
Hy-分量
b0exp(-iw0x)=bexp(-iwx)
Ex-分量
由此得出b=b0;w=w0,且
由于根据(2.11)必须选择根的相反符号。
又得出
将(2.11),(2.12)代入(2.3)和(2.5)中,得出
当κ和k0是实数且为正(事实上其将被看作是近似这种情况)时,(2.13)表示对于z≤0沿着波矢量(k0,-k),对于z>0沿着波矢量(k,-k0)导向的波传播。两个方向都进入x-z平面的第四象限。
根据(2.7)z≤0的电场幅度(amplitude)变为
看出(Ex,Ez)·(k0,-k)∝(1,k0/k)·(k0,-k)=0,也就是说该电场(以及磁场)与传播方向垂直。
对于z>0,从(2.9)得出
又看出(Ex,Ez)·(k,-k0)∝(1,k/k0)·(k,-k0)=0。
用波数来替换频率和材料常数。
具有以下等式:
因而
因此该磁场幅度可被重新表示为
根据该等式可容易得出电场幅度。
考虑κ=0的情况,即λc→∞
明显地,在这种情况下
发现在地面之上或之下该解构成具有波数的平面波
在仰角θ=tan-1kz/kx,即对于z>0在角θ=tan-1l/n并对于z≤0在角θ=tan-1n发生传播。根据在地面上以及地面下的kx波数分量的一致可明显看到满足斯涅耳衍射定律。
一些地面类型的材料常数为
由于在所有情况下n>>1,可近似表示为
发现直到该近似值,Zenneck波在x方向不衰减。该结果不依赖于传导率而是依赖于折射率大小。
对于不大于数米的波长,λ/λc较小,在这种情况下通过泰勒展开可表示为
该Zenneck波又被看作遵守斯涅尔折射定律的平面波特性,虽然其将在z方向衰减。由于n>>1该传播以小俯角在地面之上发生。所谓的布鲁斯特角是理想电介质(dielectric)的角,在该角对于垂直极化辐射不出现逆着水平表面的反射。通过以下等式给出该角:
因此看出当λ/λc→0,Zenneck波变为完全折射入地面的平面波或(通过互易定理)在边界无反射地出现在地面外的平面波。
假设λ/λc≠0且n<∞,将看到该Zenneck波也在x方向衰减。得出(2.17)的指数分母的最低次虚部分量:
因此替代(2.21)
(2.25)
因此获得Zenneck地波的四个感兴趣参数,即波倾斜tan-1 l/n、特性透入深度(characteristic penetration depth)λc/n、特性真空扩展nλc以及特性传播范围n2λc。对于上述材料,除了海水,适用近似λ<<λc并获得
该分析使得Zenneck波的物理解释简单清楚。可总结如下:如果存在完全的阻抗匹配,以布鲁斯特角沿着一定的传播路线入射到地面的波将没有反射分量,所以该波完全折射入地面,其传播路线根据斯涅耳折射定律弯曲。然而,根据边界条件,电场分量在折射过程中减少,参见等式(2.14)和(2.15)。因此当其碰到地表面时,电磁功率通量(坡印廷向量)沿着电磁传播路线将突然减小。除非其余功率是用于将入射波扩展到地表面上的较大的x值的源,否则不能保存能量平衡。随着x值增加,该入射波的功率将以指数下降。
表面下成像雷达设计:
基于上述理论结果,可给出对于表面下成像雷达的一般雷达设计方面。
设想候选表面下目标是金属并具有至少λ/n≈0.2m的大小。将提供入射雷达信号的总的虽然可能散布的散射。诸如石头和树根的自然的表面下杂波(clutter)单元具有与土壤本身相似的折射属性。另外,同质的自然地面将大部分出现在比真正目标的长度等级(length scale)小的长度等级。因此表面下杂波应提供比真正目标弱的反向散射。为使该效果对于虚假警报拒绝有用,雷达分辨率必须高到使得通常分离的散射单元,不管是目标还是干扰,在分辨单元内被正常分离,从而避免斑点效应(speckleeffect)。因此必须获得与雷达波长接近的雷达分辨率。
假设表面下目标固定,该SAR原理适于获得该高分辨率。通过相同的推理,对于普通SAR,整个表面下体(volume)可视为反射连续介质,对于该介质各点P以SAR成像过程所估计的强度f(P)独立地并在所有方向上散射:
对于表面下散射体,仅沿地面法线的角sin-1(l/n)内的反向散射方向将通过地面/空气界面折射并产生雷达回波。另外,来自地面下的该散射信号穿过地表面,被反射减小。如图3中所示,表面下反射损耗受极化影响很大。这在目前的大监控率应用中特别重要,其中俯角必须是小的。在SAR的典型俯角,使用垂直极化看起来是实现既照射在实际地表面上(而不是在该表面之上波长的一部分处)又折射入地面的必要条件。布鲁斯特角入射最大化表面/表面下目标相对于高于地面的目标的响应。对于水平极化,双向反射损耗合计为以布鲁斯特角入射的反向散射的表面/表面下信号的20dB的衰减。
如上所述,在雷达检测过程中必须除掉干扰虚假警报。这可通过SAR目标检测的三个已知策略的任一个或其组合来实现:
1)对图像强度设置阈值,从而仅呈现一定强度的警报;
2)组检测,例如在图像中搜索警报的常规或指示图案。雷区可以是组检测的典型情况;
3)变化检测,比较在同一区域在分离的时间得到的图像。测量道路是典型应用。
表面下SAR成像的挑战是要被成像的区域是3维的,而距离选通(range gating)和SAR聚焦仅提供2维杂波抑制。如现在所分析的,在衍射或波长分辨率的SAR成像具有短景深的属性,这可辨析(resolve)3维模糊。
可通过假设无穷大的折射率来充分良好地模拟SAR图像的散焦。因而,小俯角SAR在(基本)水平面上将雷达信号传播到地下目标上方的点,在该点传播变为朝向该目标的垂直向下。使地下目标沿着x轴置于P=(x,y,-z),并使SAR路径沿着y轴,即Qt=(0,vt,0).。从SAR路径上的任意点y到表面下目标的“雷达”距离将是
对于接近y=0的短SAR孔径,可以以其一阶近似来代替(3.2)
这样SAR成像原理将相等的图像幅度归于任意一对图像点P=(x,y,-z)和P=(x-nδz,y,-z+δz)。因此将没有任何手段来辨别表面下和表面响应。然而,对于较大的SAR孔径将出现对参数z的灵敏度。实际上对于从实际目标位置P′=(x,y,-z)移位的点P=(x-nδz,y,-z+δz)执行积分(3.1),如果雷达距离差变的大于波长的四分之一,该积分将开始解相关(decorrelate)。对于半波长差,解相关将是完全的,也就是说目标响应不会扩展到移位相应量的图像点。基于这些观察,得到
由于波长分辨率成像需要x≈vT,得出景深δz≈λ/n。对于上述λ≈2m及n≈5,得出δz≈0.4m。对于有限折射率的相应结果将给出更复杂的公式,但是关于景深没有较大区别。
可替选地可通过比传统SAR更加丰富的雷达原始数据集获得3D分辨能力。例如,由垂直延伸的SAR天线实现的方向性原则上提供3D辨析以及表面和表面下响应之间的分辨。任何表面下目标的不可辨析3D环绕物包含地面上的植被层以及任何其它直到该信号的透入深度的表面下响应。然而,该植被层和透入深度几乎不大于几米。因此考虑到所需要的米大小(meter-size)波长以及大监控所需的远程距离,一定可得出结论对垂直天线分辨率的要求太严格,使得仅仅通过工作中的实际天线分辨率不能实现。
总而言之,对于成功的表面下成像雷达来说最重要的方面看起来是1)垂直极化;2)获得短景深的波长分辨率;以及3)合适的波长选择。由于在布鲁斯特角附近相当大的角间隔中存在垂直和水平极化之差,所以使用准确的布鲁斯特角并不是非常重要。
上面已得出结论:对于有限土壤传导率,发射具有以布鲁斯特角倾斜的电场的垂直极化信号导致折射过程,该折射过程创建表面波信号,该表面波信号被连续折射而进入地面分接,而没有任何反射分量。这个结论对于在机载SAR平台上容纳低频垂直极化天线的实际困难有意义。对于所考虑的短距离,发射功率相当小,所以对于机载雷达不需要发射天线具有大于波长一半,即在本发明的情况下大约1m的垂直延伸。然而,对于安装在例如UAV上的小型机载系统,即使该长度也是问题。雷达信号可以是表面波的事实可用来通过双站装置(bistatic arrangement)实现表面下成像雷达。在该装置中,发射天线可接近地面并发射表面波。
该发射天线一般安装在沿x方向以适中的速度移动的地面交通工具上。安装在交通工具上的发射天线可以布鲁斯特角倾斜并垂直延伸数米,以使得辐射波束在垂直方向窄且辐射能量到表面波的转换高效。该接收天线可具有小于波长一半的垂直延伸,并因而可容易地安装在UAV或直升机上。该接收平台在发射的地面交通工具上以锯齿形方式行进,通过锯齿形运动的幅度形成合成孔径。
SAR表面分辨率公式为
其中Δθ为积累角且B是带宽。假定中心波长λc≈2m,看起来可获得提供1.5m距离分辨率c/2B的100Mhz的带宽。该分辨率应由相似的方位向分辨率Δθλc/2匹配。因此Δθ≈60°。
该SAR孔径长度指的是相位中心的移动,对于双站装置该长度是由接收平台行进的实际距离的幅度的一半。假定特征表面传播距离可从100到1000米变化,在多数应用中将认为200m的雷达距离是实际的,也就是说即使表面波传播的特征距离是100m。
由锯齿形接收机移动所覆盖的区域如图2所示。用B表示单航线的相位中心移动的长度,而A是该航线的幅度。因此
其中vx是接收机在x方向的速度分量以及发射机的地面速度。可假设vx<<vy。对于由单航线成像的三角形(散列)区域,对于锯齿形幅度获得以下要求
可包括在覆盖(不规则)区域的矩形带实际上是成像区域的有用部分。因此,其宽度W是所关心的。从图3得到
再次考虑α的一阶近似
因此
例如,如果vx=20m/s(直升机UAV的巡航速度)并且vy=2m/s,具有α=0.1。那么分别根据(3.7)和(3.10)A=297且W=154。区域覆盖率是2m/s×154m=307sqm/s。
假设景深为0.4m,地下像素体(pixel volume)的高度应不大于0.2m。对于5m的透入深度,该地面应被切成25个表面下层,使用对相应的电深度(electric depth)nz调整的参数来处理各层。对于1.5m表面分辨率,水平像素尺寸可以是0.5m×0.5m。一个航线孔径以297m/20m/s=15s飞过。在此期间处理的像素总数为25×297/2×154/4=1.3×106。像素输出率大约为150k像素/s。假设64位复数幅值(complex amplitude)格式,该数据输出率为9.8Mbit/s-可容忍的低数。
对于这种类型的雷达,有许多重要的实际中所关心的方面。最重要的是波形选择,由于所需要的大带宽以及短操作距离,其是关键主题。一个可能的操作模式是通过脉冲装置(例如雪崩二极管)生成波形,其发射持续时间等于该带宽的倒数。这些装置一般以地面探测雷达GPR所需的体制(regime)来产生平均功率。对于SAR,延伸的积分时间平衡在更大区域上辐射能量的扩散,所以功率需求将与GPR相似。因此冲击(impulse)波形可以是可能的波形候选。冲击波形仍然需要至少在200Mhz数字化,这个速率实质上对于后续信号处理的数据传输来说太高。
作为补救,步进频率波形是有用的。它们要求步进式带宽大到使得允许用于短操作距离的足够短的脉冲。然而从操作点的角度来考虑15m长的脉冲可能是容易接收的,允许10Mhz的步进式带宽,即雷达带宽的10个频率步进。冲击装置也可用于步进频率操作,但是对于10个步进将使90%的功率溢出到该接收的带宽之外。为了功率有效操作,必须实现线性发射机的快速发射/接收切换,即以大约50ns的切换时间切换200MHz载波。
第二个实际的关心是在SAR配置中减少移动的不确定性。必须已知发射地面平台相对于地面的移动和机载接收与发射地面平台之间的相对移动。对于SAR图像形成对该移动的了解的准确度必然在波长的一部分的范围内,比方说0.3m的RMS值。
地面平台和地面有联系的事实使得可通过几种方法精确确定其在地面上的移动,例如激光移动检测技术。地面和机载平台之间的相对移动比绝对移动更容易估计。当平台之间的距离不是非常大时尤其如此。一个选项是载波差分GPS,通过其所需求的高相对准确度可能是可获得的。也存在其它的选项,例如波束制导(beam riding)装置,其中机载平台可感测从来自地面平台的激光束展示的与线性飞行路径的偏离。
Claims (42)
1.一种表面下成像雷达装置,包括发射单元(9)和接收单元,所述发射单元被布置成以相对于地面区域(4)的选择的仰角θ(θ)向选择的地面区域(4)以波瓣(3,10)发射垂直极化的第一无线电波信号,使得相对于地面的所述第一无线电波信号中的相当大部分的能量被折射进入地面区域(4)连续分接,其中所述发射单元被布置成发射所述第一无线电波信号作为相对于地面的被极化的信号,使得所述第一无线电波信号的相当大部分的能量折射入地面区域,其中所述发射单元被布置成发射所述第一无线电波信号,所述第一无线电波信号的波长比在地面区域(4)的表面(6)之上的选择目标的尺寸长,而又足够短以检测表面下的选择的目标(5),其中所述发射单元被布置成发射所述第一无线电波信号,所述第一无线电波信号具有大于所述第一无线电波信号中心频率的10%的带宽以获得高距离分辨率,其中所述雷达装置是具有与所述第一无线电波信号的波长接近或相等的方位向分辨率的波长分辨率受限的合成孔径雷达,以获得高方位向分辨率,所述接收单元被布置成接收作为来自选择的地面区域的反射的第一无线电波信号的第二信号(11)。
2.根据权利要求1所述的表面下成像雷达装置,其中所述雷达装置是波长分辨率受限的合成孔径雷达,以在所述地表面之下在不同电介质深度获得不同的图像,给出所述地面区域的三维成像。
3.根据上述任一项权利要求所述的表面下成像雷达装置,其中所述雷达装置包括收发机,该收发机包括所述发射单元和所述接收单元。
4.根据权利要求3所述的表面下成像雷达装置,其中所述收发机安装在飞行器上。
5.根据权利要求4所述的表面下成像雷达装置,其中所述发射单元包括发射天线(9),该发射天线的垂直延伸小于所发射的第一无线电波信号的一半波长。
6.根据权利要求4所述的表面下成像雷达装置,其中所述飞行器以锯齿形方式行进,从而所述接收单元以锯齿形方式行进,以通过锯齿形运动的幅度形成合成孔径。
7.根据权利要求1或2所述的表面下成像雷达装置,其中所述雷达装置是双站装置,该双站装置包括在第一位置的所述发射单元和在远离所述第一位置的第二位置的所述接收单元。
8.根据权利要求7所述的表面下成像雷达装置,其中所述发射单元安装在沿特定的方向以适中的速度移动的地面交通工具(8)上,且其中所述接收单元安装在飞行器(2)上,该飞行器(2)被布置成在发射地面交通工具之上以锯齿形方式(1)行进,从而通过锯齿形运动的幅度形成合成孔径。
9.根据权利要求8所述的表面下成像雷达装置,其中所述发射单元包括发射天线(9),该发射天线(9)以布鲁斯特角倾斜并垂直延伸到足以使辐射波束垂直方向上窄并使辐射能量到表面波的转换高效。
10.根据权利要求8所述的表面下成像雷达装置,其中所述接收单元包括接收天线,该接收天线的垂直延伸小于所发射的第一无线电波信号的一半波长。
11.根据权利要求1或2所述的表面下成像雷达装置,其中所述角θ在包括布鲁斯特角的角间隔内。
12.根据权利要求3所述的表面下成像雷达装置,其中所述角θ在包括布鲁斯特角的角间隔内。
13.根据权利要求7所述的表面下成像雷达装置,其中所述角θ在包括布鲁斯特角的角间隔内。
14.根据权利要求1或2所述的表面下成像雷达装置,其中所述发射单元被布置成发射所述第一无线电波信号作为基本垂直于地面区域而被极化的信号,即垂直极化信号。
15.根据权利要求3所述的表面下成像雷达装置,其中所述发射单元被布置成发射所述第一无线电波信号作为基本垂直于地面区域而被极化的信号,即垂直极化信号。
16.根据权利要求7所述的表面下成像雷达装置,其中所述发射单元被布置成发射所述第一无线电波信号作为基本垂直于地面区域而被极化的信号,即垂直极化信号。
17.根据权利要求1或2所述的表面下成像雷达装置,其中所述第一无线电波信号的能量的至少10%折射入地面区域。
18.根据权利要求3所述的表面下成像雷达装置,其中所述第一无线电波信号的能量的至少10%折射入地面区域。
19.根据权利要求7所述的表面下成像雷达装置,其中所述第一无线电波信号的能量的至少10%折射入地面区域。
20.根据权利要求1或2所述的表面下成像雷达装置,其中当所述第一无线电波信号的中心频率高于200Mhz时,所述带宽大于所述第一无线电波信号的中心频率的10%,以获得高距离分辨率。
21.根据权利要求1或2所述的表面下成像雷达装置,其中当所述第一无线电波信号的中心频率在50Mhz到200Mhz之间时,所述带宽大于所述第一无线电波信号的中心频率的25%,以获得高距离分辨率。
22.一种用于表面下成像雷达装置的方法,该表面下成像雷达装置包括发射单元(9)和接收单元,所述发射单元以相对于地面区域(4)的选择的仰角θ(θ)向选择的地面区域(4)以波瓣(3,10)发射垂直极化的第一无线电波信号,使得相对于地面的所述第一无线电波信号的相当大部分的能量被折射进入地面区域(4)连续分接,其中所述发射单元发射所述第一无线电波信号作为相对于地面的被极化的信号,使得所述第一无线电波信号的相当大部分的能量折射入地面区域,其中所述发射单元发射所述第一无线电波信号,所述第一无线电波信号的波长比在地面区域(4)的表面(6)之上的选择的目标的尺寸长,而又足够短以检测表面下的选择的目标(5),其中所述发射单元发射所述第一无线电波信号,所述第一无线电波信号具有大于所述第一无线电波信号的中心频率的10%的带宽,以获得高距离分辨率,其中所述雷达装置是具有与所述第一无线电波信号的波长接近或相等的方位向分辨率的波长分辨率受限的合成孔径雷达,以获得高方位向分辨率,所述接收单元接收作为来自选择的地面区域的反射的第一无线电波信号的第二信号(11)。
23.根据权利要求22所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述雷达装置是波长分辨率受限的合成孔径雷达,以在地表面之下不同电介质深度获得不同的图像,给出所述地面区域的三维成像。
24.根据权利要求22或23所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述雷达装置包括收发机,该收发机包括所述发射单元和所述接收单元。
25.根据权利要求24所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述收发机安装在飞行器上。
26.根据权利要求25所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述发射单元包括发射天线(9),该发射天线的垂直延伸小于所发射的第一无线电波信号一半波长。
27.根据权利要求25所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述飞行器以锯齿形方式行进,从而所述接收单元以锯齿形方式行进,以通过锯齿形运动的幅度形成合成孔径。
28.根据权利要求22或23所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述雷达装置是双站装置,该双站装置包括在第一位置的所述发射单元和在远离所述第一位置的第二位置的所述接收单元。
29.根据权利要求28所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述发射单元安装在沿特定的方向以适中的速度移动的地面交通工具(8)上,且其中所述接收单元安装在飞行器(2)上,该飞行器(2)被布置成在发射地面交通工具之上以锯齿形方式(1)行进,从而通过锯齿形运动的幅度形成合成孔径。
30.根据权利要求29所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述发射单元包括发射天线(9),该发射天线(9)以布鲁斯特角倾斜并垂直延伸到足以使辐射波束垂直方向上窄并使辐射能量到表面波的转换高效。
31.根据权利要求29所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述接收单元包括接收天线,该接收天线的垂直延伸具有小于所发射的第一无线电波信号的一半波长。
32.根据权利要求22或23所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述角θ在包括布鲁斯特角的角间隔内。
33.根据权利要求24所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述角θ在包括布鲁斯特角的角间隔内。
34.根据权利要求28所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述角θ在包括布鲁斯特角的角间隔内。
35.根据权利要求22或23所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述发射单元被布置成发射所述第一无线电波信号作为基本垂直于地面区域而极化的信号,即垂直极化信号。
36.根据权利要求24所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述发射单元被布置成发射所述第一无线电波信号作为基本垂直于地面区域而极化的信号,即垂直极化信号。
37.根据权利要求28所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述发射单元被布置成发射所述第一无线电波信号作为基本垂直于地面区域而极化的信号,即垂直极化信号。
38.根据权利要求22或23所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述第一无线电波信号的能量的至少10%折射入地面区域。
39.根据权利要求24所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述第一无线电波信号的能量的至少10%折射入地面区域。
40.根据权利要求28所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中所述第一无线电波信号的能量的至少10%折射入地面区域。
41.根据权利要求22或23所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中当所述第一无线电波信号的中心频率高于200Mhz时,所述带宽大于所述第一无线电波信号的中心频率的10%,以获得高距离分辨率。
42.根据权利要求22或23所述的用于表面下成像雷达装置的方法,其中当所述第一无线电波信号的中心频率在50Mhz到200Mhz之间时,所述带宽大于所述第一无线电波信号的中心频率的25%,以获得高距离分辨率。
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2008
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