CN102236089A - 一种超高分辨力合成孔径雷达收发系统 - Google Patents

Abstract

一种超高分辨力合成孔径雷达收发系统：宽带雷达信号发生器的输出端与高功率发射机的输入端连接；接收前端的输入端接收超宽带雷达回波信号，接收前端的输出端与宽带功率分配器的输入端连接；宽带功率分配器的输出端与多通道接收单元的输入端连接；宽带雷达信号发生器的时钟信号以及多通道接收单元的本振信号均由多波段频率综合器提供。本发明特别适用于超高分辨力合成孔径雷达的收发系统，能实现分辨力为0.1m的雷达图像。

Description

一种超高分辨力合成孔径雷达收发系统

技术领域

本发明属于合成孔径雷达技术领域，特别是涉及一种应用于超高分辨力合成孔径雷达(SAR)的收发系统。

背景技术

雷达作为一种先进的探测工具，具有全天时、全天候、远距离获取目标信息的能力。尤其随着科学技术的发展，宽频带微波技术和现代信号处理方法的日趋成熟，现代雷达不仅能够对目标进行定位、监测、跟踪，还能实现对飞机、舰船、空间目标以及地表等物体的成像。雷达图像是根据雷达所照射的场景(目标)的电磁散射特性重构得到的，它包含了目标结构等方面的信息，从而可实现对目标的识别、分类，在军用(战场侦察、目标识别、对地攻击等)和民用(天体观测、地形测绘、海洋观测、农作物评估等)的众多领域具有广泛的应用前景。作为有源成像雷达系统，合成孔径雷达(SAR)是20世纪最先进的工程发明之一，SAR微波成像不受云雾、黑夜等自然因素的影响，具有全天候、全实时成像能力。合成孔径雷达目前是军事及遥感应用的重要传感器，为了获取被观测或侦察区域、或者是被观察目标的更多的信息，通常要求合成孔径雷达的分辨力很高。目前，国外星载SAR的分辨力达到1m左右，国外机载SAR的分辨力已达0.1m。国内近几年在SAR领域的发展也较快，一些科研院所分别研制成功了各自的SAR系统，并进行了机载飞行试验，获得了分辨力为3-0.5m的图像，更高分辨力的SAR系统正在进一步研究中。

通常情况下，从雷达角度定义带宽与中心频率之比超过25％的信号称为超宽带信号，比值10％～25％的信号称为宽带信号，比值小于10％的信号称为窄带信号。这是一种相对意义下的带宽，常称为分数带宽(FBW)。采用此种定义的超宽带雷达与普通雷达相比并无突出战略意义。另外一种是根据绝对带宽的大小来定义超宽带信号。尽管雷达界通常采用相对带宽意义下的超宽带定义，但站在电子对抗的角度，采用绝对带宽来定义超宽带比较合适。主要原因有两个：一个是对抗对象的主要用途与绝对带宽有关，二是对抗技术和装备也与绝对带宽有关。现代及未来战争要求雷达具有高分辨率、强抗干扰、反隐身、抗摧毁能力，因此雷达信号必须具有很大的绝对带宽。

随着对于合成孔径雷达分辨力要求的不断提高，也就是对于SAR雷达系统信号绝对带宽要求越来越大。如图5所示，为目前传统应用于SAR雷达收发系统的结构框图，通过分析可知，由于系统的超宽带要求，对收发射端的正交解调和调制器的幅相一致性都提出了很高要求。另外，收发端所用D/A和A/D的采样时钟也会随处理信号带宽的增加而增大。传统SAR雷达收发系统已经不能够完成超高分辨力成像要求。为了在提高SAR雷达成像分辨力的同时降低系统带宽，目前对于高分辨力SAR系统还采取去调频方法，又称STRETCH处理方法，其原理框图如图6所示，回波信号与一个作为基准的、有相同调频斜率，一定脉冲宽度的线性调频信号的混频过程就是对回波信号的去调频过程，去调频是求两个信号相位差的过程，通过相位差来反映频率差，利用线性调频信号频率与时间成线性关系这一特性，把一个频率随时间作线性变化的线性调频信号变换为一个固定频率信号，频率的高低则由两个信号的相对位置决定。该方法能有效降低采样率和时频处理难度，有利于系统实时成像，但缺点是与直接解调方式相比测绘带窄，宽带失真补偿及距离加权较困难。

发明内容

本发明目的是克服已有技术的不足，提供了一种超高分辨力合成孔径雷达收发系统，该系统采用单通道宽带发射，多通道超外差接收来实现超宽带雷达信号的收发过程，通过对超宽带信号进行有交叠信道化接收，降低了对收发通道上模拟器件宽带特性的要求。另外，这也降低了收发端A/D和D/A采样速率的要求，从而有效保证了接收机的高动态范围和高灵敏度，实现了SAR雷达超高分辨力成像。

为实现上述目的，本发明提供的超高分辨力合成孔径雷达收发系统，主要由高功率发射机、宽带雷达信号发生器、接收前端、宽带功率分配器、多通道接收单元以及多波段频率综合器组成；其中：

宽带雷达信号发生器的输出端与高功率发射机的输入端连接；

接收前端的输入端接收超宽带雷达回波信号，接收前端的输出端与宽带功率分配器的输入端连接；

宽带功率分配器的输出端与多通道接收单元的输入端连接；

宽带雷达信号发生器的时钟信号以及多通道接收单元的本振信号均由多波段频率综合器提供。

所述的超高分辨力合成孔径雷达收发系统，其中，宽带雷达信号发生器包括：数字信号源，用于产生数字基带信号；宽带倍频链，用于对数字信号源产生的数字基带信号进行带宽扩展及上变频；推动放大级，用于将宽带倍频链产生的超宽带雷达信号功率推放到高功率发射机要求的功率水平。

所述的超高分辨力合成孔径雷达收发系统，其中，接收前端包括：接收机保护器，用于保护接收机前端低噪声放大器；隔离器，用于改善接收前端的匹配特性；低噪声放大器，用于对超宽带雷达回波信号进行放大处理。

所述的超高分辨力合成孔径雷达收发系统，其中，多通道接收单元包括多个变频及中放单元。

所述的超高分辨力合成孔径雷达收发系统，其中，变频及中放单元包括：选频滤波器，用于对超宽带雷达信号进行频率分割；下变频器，用于对频率分割中所选的信号进行混频下变频处理；中频放大，用于对下变频处理后的信号进一步放大。

所述的超高分辨力合成孔径雷达收发系统，其中，多波段频率综合器所有输出频点均相参。

本发明的积极效果是：

1)由于采用分段接收，对于多通道接收机单元中的每一路变频及中放单元，带宽有效减小，降低了后端A/D采样要求和定时时钟要求。

2)由于采用单路宽带雷达信号发射，频率分段接收的结构，能够保证多通道接收单元中，各通道接收到的信号频带边沿处相位具有延续性，有利于后端数字宽带信号合成。

3)多通道接收单元中各个通道由于带宽的降低使得整体接收机的高动态范围和高灵敏度得到了有效保证。

4)接收机多通道并行处理，降低了后端数字器件性能要求，提高了系统稳定性。

5)本发明能实现分辨力为0.1m的雷达图像。

附图说明

图1是本发明超高分辨力合成孔径雷达收发系统结构原理框图；

图2是本发明中涉及的宽带雷达信号发生器内部结构原理框图；

图3是本发明中涉及的多通道接收单元内部变频及中放单元的原理框图；

图4是本发明中涉及的接收前端内部结构原理框图；

图5是传统合成孔径雷达收发系统原理框图；

图6是去调频及频谱分析原理框图；

图7是本发明实施例频带分割示意图；

图8是本发明实施例宽带信号合成后的幅频特性框图；

具体实施方式

本发明通过采用单通道宽带发射，多通道超外差接收来实现超宽带信号的收发过程，通过对超宽带信号进行有交叠信道化接收，然后经过后端数字宽带信号合成，从而实现了SAR雷达超高分辨力成像要求。

本发明的超高分辨力合成孔径雷达收发系统，包括：高功率发射机1、宽带雷达信号发生器2、接收前端3、宽带功率分配器4、多通道接收单元5、多波段频率综合器6。其中：

宽带雷达信号发生器2的输出端与高功率发射机1的输入端连接，接收前端3的输出端与宽带功率分配器4的输入端连接，宽带功率分配器4的输出端与多通道接收单元5的输入端连接，宽带雷达信号发生器2的时钟信号以及多通道接收单元5的本振信号均由多波段频率综合器6提供。

本发明的宽带雷达信号发生器包括：数字信号源，用于产生数字基带信号；宽带倍频链，用于对数字信号源产生的数字基带信号进行带宽扩展及上变频；推动放大级，用于将宽带倍频链产生的超宽带雷达信号功率推放到高功率发射机要求的功率水平。

本发明的接收前端包括：接收机保护器，用于保护接收机前端低噪声放大器；隔离器，用于改善接收前端匹配特性；低噪声放大器，用于对超宽带雷达回波信号进行放大处理。

本发明的多通道接收单元包括：选频滤波器，用于对超宽带雷达信号进行频率分割；下变频器，用于对所选信号进行混频下变频处理；中频放大，用于对下变频后的信号进一步放大。

本发明的多波段频率综合器，其特征在于，所有输出频点均相参。

下面结合图1对本发明工作原理进行详细说明。

下面通过具体实施例进行说明。

本发明由高功率发射机1、宽带雷达信号发生器2、接收前端3、宽带功率分配器4、多通道接收单元5、多波段频率综合器6组成。本发明的实施例，其超高分辨力SAR雷达系统带宽为3.2GHz，雷达信号中心频率为14.8GHz，该系统能实现分辨力为0.1m的雷达图像。

首先，宽带雷达信号发生器2产生SAR雷达系统所要求的低功率超宽带脉冲线性调频(LFM)信号，该信号通过高功率发射机1放大后经环形器由天线向外发射。超宽带雷达回波信号通过天线、环形器后进入接收前端3进行低噪声放大，之后进入宽带功率分配器4被分配到多通道接收单元5内部的多个接收通道，多通道接收单元5中的各变频及中放单元对输入的超宽带信号进行频谱分割，将超宽带信号分成多个子带信号，同时将各个子带信号经过下变频至相同的中频频率，下变频后的中频子带信号进入后端A/D采样及数字接收机单元进行数字宽带信号合成，这样就完成了对SAR雷达宽带信号的收发功能。多波段频率综合器6主要产生多个波段的高稳定度的点频信号，主要为收发通道以及后端A/D采样系统提供时钟和本振信号。

上述的宽带雷达信号发生器2内部原理框图如图2所示，主要由数字信号源、宽带倍频链和推动放大级组成。对于超高分辨力合成孔径雷达，其主要功能是完成超宽带线性调频信号的产生及变频，同时将信号功率推放到后端高功率发射机要求的激励水平。宽带雷达信号发生器中的数字信号源可以采用直接数字合成法(DDS)产生，目前商用DDS芯片已经非常成熟，而且采样频率也越来越高，能够满足宽带信号发生器的设计要求。宽带倍频链完成信号频谱的扩展功能，可以采用模拟倍频器实现。推动放大级采用功率放大器实现，完成信号的功率放大。

上述的多通道接收单元5内部由多个变频及中放单元组成，每个变频及中放单元采取相同的电路结构，原理框图如图3所示，主要由选频滤波器、下变频器和中频放大单元组成。其主要功能是完成对超宽带雷达信号的频率分割以及将分割后的子带信号下变频至同一中频。为了保证各通道幅相一致性，以及后端各A/D采样通道的一致性，这里要求分割后的在带信号带宽相同。多通道接收单元中的选频滤波器可以采用同轴、波导或微带等多种形式滤波器实现，要求滤波器带内相位线性特性好，且有较好的幅相一致性。下变频器主要包括混频器和中频滤波器，完成信号下变频功能，同时抑制各种杂散信号分量。中频放大单元可以利用中频放大器实现，目前商用放大器芯片种类非常丰富，比如Mini公司的单片放大器，都将匹配电路作在芯片内部，方便应用。

上述的接收前端3内部原理框图如图4所示，主要包括接收机保护器、隔离器和低噪声放大器。其主要功能是完成对超宽带雷达回波信号的接收，该功能模块要求具有良好的宽带低噪声特性。接收前端中的接收机保护器可以利用限幅器来实现，主要用于防止接收前端中的低噪声放大器由于接收到发射端较强的漏信号而被烧毁。隔离器主要采用铁氧体材料实现，用于改善匹配特性。低噪声放大器完成对回波信号的放大接收，可采用低噪声管实现，主要厂家有Mini公司、Hittite公司及MA-COM公司等。

上述的多波段频率综合器6产生的多路频点要求是相参的，即由同一晶振源产生。根据系统要求，多频段频率综合器要产生一系列相参的点频信号，该模块中各频点可以采用锁相环(PLL)实现，Peregrine公司以及Hittite公司等均有支撑设计的相关芯片。或者利用梳状谱发生器实现，梳状谱发生器可以采用阶跃二极管完成。多波段频率综合器要求输出频点具有良好的带外杂散抑制特性，以及优良的相位噪声特性。

本发明中，宽带雷达信号发生器通过将窄带基带LFM信号经过扩频变频后产生系统要求的14.8±1.6GHz的宽带LFM信号，该信号经过高功率发射机放大，通过天线向外发射出去。宽带雷达回波信号经过接收前端被分配送入多通道接收单元。这里采用8个变频及中放单元完成对宽带回波信号的频谱分割，分割示意图如图7所示，分割后的子带信号带宽为400MHz，各子带信号中心频率相差400MH。可以看到，在进行频谱分割时各个子带会有一定的交叠区域，即所谓的交叠信道化接收，这能保证各子带边沿处信号信息能够得到完全保留，从而在后端数字处理中完全合成宽带LFM信号。各子带信号均下变频到固定的中频，得到中频LFM信号，之后完成中频数字化采样进行后续数字化处理。合成后的宽带LFM信号如图8所示。这样就完成了超高分辨力SAR系统宽带信号的收发工作。

Claims (6)

1.一种超高分辨力合成孔径雷达收发系统，主要由高功率发射机、宽带雷达信号发生器、接收前端、宽带功率分配器、多通道接收单元以及多波段频率综合器组成；其中：

宽带雷达信号发生器的输出端与高功率发射机的输入端连接；

接收前端的输入端接收超宽带雷达回波信号，接收前端的输出端与宽带功率分配器的输入端连接；

宽带功率分配器的输出端与多通道接收单元的输入端连接；

宽带雷达信号发生器的时钟信号以及多通道接收单元的本振信号均由多波段频率综合器提供。

2.如权利要求1所述的超高分辨力合成孔径雷达收发系统，其中，所述的宽带雷达信号发生器包括：

数字信号源，用于产生数字基带信号；

宽带倍频链，用于对数字信号源产生的数字基带信号进行带宽扩展及上变频；

推动放大级，用于将宽带倍频链产生的超宽带雷达信号功率推放到高功率发射机要求的功率水平。

3.如权利要求1所述的超高分辨力合成孔径雷达收发系统，其中，所述的接收前端包括：

接收机保护器，用于保护接收机前端低噪声放大器；

隔离器，用于改善接收前端的匹配特性；

低噪声放大器，用于对超宽带雷达回波信号进行放大处理。

4.如权利要求1所述的超高分辨力合成孔径雷达收发系统，其中，所述的多通道接收单元包括多个变频及中放单元。

5.如权利要求4所述的超高分辨力合成孔径雷达收发系统，其中，所述的变频及中放单元包括：

选频滤波器，用于对超宽带雷达信号进行频率分割；

下变频器，用于对频率分割中所选的信号进行混频下变频处理；

中频放大，用于对下变频处理后的信号进一步放大。

6.如权利要求1所述的超高分辨力合成孔径雷达收发系统，其中，所述的多波段频率综合器所有输出频点均相参。

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