CN102331575B - 一种单航过全极化干涉合成孔径雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将极化技术和干涉技术结合在一起的单航过全极化干涉合成孔径雷达，包括：双极化有源相控阵天线，接收分机，定标与采集分机，监控分机，配电分机，记录仪。本发明可同时获得8个通道的极化干涉SAR数据，通过干涉处理可以得到目标场景的三维地形图。本发明获得的极化干涉SAR数据可以应用于林业和农业中的植被参数反演，也可应用于地震灾害中的地表形变检测，并可进行大面积的三维地形测绘。

Description

一种单航过全极化干涉合成孔径雷达

技术领域

本发明属于合成孔径雷达技术领域，具体涉及一种将极化技术和干涉技术结合在一起的单航过全极化干涉合成孔径雷达。

本发明可同时获得8个通道的极化干涉SAR（合成孔径雷达）数据，通过干涉处理可以得到目标场景的三维地形图。

本发明获得的极化干涉SAR数据可以应用于林业和农业中的植被参数反演，也可应用于地震灾害中的地表形变检测（如房屋桥梁倒塌、滑坡、泥石流等），并可进行大面积的三维地形测绘。

背景技术

合成孔径雷达是20世纪50年代提出并研制成功的一种主动式微波遥感系统，它具有全天候、全天时，穿透云层、浓雾、烟尘及大面积获取地表信息的特点，尤其适用于传统光学传感器成像困难的地区，在资源调查、灾害监测和国防建设中有重要意义，受到世界各国政府的高度重视。

美国JPL实验室于1985年研制成功第一部机载全极化合成孔径雷达CV-900，开创了极化SAR研究的新纪元。应用比较广泛的系统有美国NASA/JPL的AIRSAR/TOPSAR、德国DLR的E-SAR、加拿大CCRS的C/X-SAR、日本NASDA/JAXA的Pi-SAR、丹麦的EMISAR等。其中德国的E-SAR是一个装载在小型飞机上的多参数雷达系统，于1996年添加了SAR干涉测量和极化测量的新功能，该系统可工作在P，L，C和X波段。

极化测量的出现为许多地表参数反演问题提供了更加有效的解决途径，这方面的研究可追溯到1970年由Huynen提出的目标分解理论，此后van Zyl、Krogager、Cloude和Pottier等人做了大量基础性的研究，使得目标分解初步迈向了实用，先后出现了许多基于目标分解的极化SAR图像目标分类与识别算法。

干涉SAR技术是目前空间遥感技术中获取高精度地面高程信息的一项前沿技术，干涉测量无论是DEM提取，还是经过差分处理进行地表形变检测等应用，数据处理的基本算法己经发展得比较成熟了。

干涉SAR虽然可以提供垂直方向的高度信息，但在大多数情况下无法辨别反射体的指向及其形状；而极化SAR虽然能够区分物体的细致结构、目标特性等参数，但无法提供反射体高度信息。为了解决这一问题，1996年Papathanassiou等人首先利用SIR-C/X-SAR数据研究了频率、极化对相干性的影响，这是极化干涉思想的起源；1997年，Papathanassiou和Cloude对重复轨道干涉中极化的影响进行了较系统的研究；1998年，Papathanassiou和Cloude接着提出了极化干涉的相干最优算法和基于相干最优的目标分解算法，奠定极化干涉的理论基础；其后，不同的工作组又对极化干涉从不同角度进行了理论、方法和应用研究。国外己经进行了一些理论方法研究和实地验证，数据源包括TOPSAR、SIR-C/X-SAR及AIRSAR等数据，采用的系统装置有单频/单基线全极化、单频/多基线全极化、多频/多基线全极化等。除此之外，还有的学者致力于相干散射模型的研究和目标检测、分类及地面参数反演的研究，提取植被的垂直结构参数等。由于极化干涉的机理极为复杂，迄今这些研究还处于初步的探索阶段。

在极化干涉SAR的应用研究方面，用极化干涉提取地表植被参数是一个研究的热点问题。1996年到2001年期间，Cloude和Papathanassiou等人结合相干散射理论模型对多频、单（多）基线极化干涉提取地表植被参数和森林高度成图进行了研究；1999年，Lee等人用极化干涉进行了相干斑去噪研究；2000年，Shimama等人利用机载雷达对森林高度的概率分布进行研究；2000年，Chandra和Keydel等研究了大气延迟对极化干涉测量的影响；2000年，Nico等人利用相干最优算法对相位解缠进行了研究；2001年，Sagues等人对极化干涉测量雷达进行了实验室研究。

发明内容

本发明的目的是研制一种将极化技术和干涉技术结合在一起的单航过全极化干涉合成孔径雷达。

本发明采用有源相控阵雷达体制实现全极化条带SAR成像；天线机腹和机侧吊舱分置实现干涉；不同收发方式完成多基线工作模式；宽带、四通道、低失真收发系统保证雷达的正常工作。

为了实现多干涉基线，本发明中使用的两个天线都可以独立地控制进行收发，并通过设计工作时序实现三种工作模式：单发双收、乒乓和组合模式。系统具有四个接收通道，用于接收全极化干涉的不同通道的数据。

本发明中电磁波发射和接收极化的实现和变化均是通过天馈系统来实现的，多极化表现在天馈系统就是双极化的天线单元和多通道的T/R组件。双极化天线单元主要是要解决双极化辐射、馈电及极化隔离问题。全极化SAR系统一般采用四种线极化基组合（VV，VH，HH，HV）方式，本发明采用一个发射通道和两个接收通道同时工作，在脉间交替发射H和V极化信号，每个脉冲周期同时接收H和V极化信号。

根据信号获取模式的不同，将干涉SAR的工作模式分为双天线单航过和单天线双航过。单天线双航过方式是指用一个天线在相隔一段距离的轨道上，对同一被测地区分别观测两次，来得到两幅被测地区的图像数据。但是，这种工作方式是在相隔一段时间对同一地区进行两次观测，存在时间去相干问题，而且机载系统受气流影响，难以精确控制飞行航迹和姿态，形成有效基线比较困难，飞行有效性不能得到保证。

双天线单航过方式是指用相隔一段距离的两个天线，同时观测被测地区，来得到两幅被测地区的图像数据。该方式需要同时安装两副SAR天线，对应需要增加一套接收系统，对系统设备量的要求比较高，但解决了单天线双航过方式所存在的问题，有效地提高了系统工作的有效性。

本发明采用双天线单航过方式，利用极化干涉相干最优化处理提高相干性，从而提高测高精度。本发明通过设置工作时序，可以实现三种工作模式：

单发双收：天线A发，天线A、天线B同时收；

乒乓模式：第一个脉冲，天线A发，天线A收，下一个脉冲天线B发，天线B收，如此两个天线轮流收发；

组合模式：第一个脉冲，天线A发，天线A、天线B同时收，下一个脉冲天线B发，天线A、天线B同时收，如此两个天线轮流发射。

相比较而言，乒乓模式下两个天线所接收到的回波的波程差是单发双收模式的两倍，等效于基线长度增加一倍，更有利于测高精度的提高，但同时系统的PRF也要相应提高一倍。而第三种工作模式是前两种方式的综合使用，可以构成多基线干涉，PRF与乒乓模式一样，但数据率要高一倍。

综合所述，本发明采用脉间交替发射H、V极化信号的工作方式实现全极化，干涉模式设计有单发双收、乒乓模式、组合模式三种模式，通过双天线交替发射，四通道接收实现极化干涉。

综上所述，本发明所采取的技术解决方案归纳为：

一种单航过全极化干涉合成孔径雷达，包括：双极化有源相控阵天线、接收分机、定标与采集分机、监控分机、配电分机、记录仪：

(1)双极化有源相控阵无线：

所述天线前端为双极化波导裂缝天线阵，每个天线单元有水平极化和垂直极化开口用于辐射两种极化的电磁波；

所述天线后端为16个TR组件，每个TR组件与对应的天线单元相连；

所述天线中间为波控和电源，波控可以控制组件内移相器的相位用于波束展宽和波束扫描，电源用于为每个TR组件供电；

所述天线有两部，可以安装在载机平台的不同位置来实现单航过干涉。

（2）接收分机：

所述接收分机由激励源、频率合成、接收通道1、接收通道2、电源共5个模块组成，激励源为整个系统提供中心频率9.6GHz（X波段）的信号源，频率合成模块为整个系统提供基准时钟和采样时钟，两个接收通道分别接收两种极化的回波信号，电源模块为分机供电；

所述接收分机有两部，分别接收来自两部天线的回波信号。

（3）定标与采集分机：

所述定标与采集分机由定标、采集1、采集2、电源共4个模块组成，定标模块为一开关网络，实现系统的内定标功能，两块采集卡分别采集来自两部接收机的IQ信号，电源模块为分机供电。

（4）监控分机：

所述监控分机为整个系统提供时序控制，并可与计算机进行串口通讯，实现对整个系统的实时监控。

（5）配电分机：

所述配电分机为各个分机提供28V电源，并可通过电源控制模块监测各个分机供电是否异常。

（6）记录仪：

所述记录仪将采集到的回波数据记录下来，并可通过网口、USB等接口将原始数据进行转储。

一种单航过全极化干涉合成孔径雷达通过将一部天线安装在机腹吊舱内，将另一部天线安装在机侧吊舱内，可以获得垂直有效基线，从而实现单航过双天线干涉。

一种单航过全极化干涉合成孔径雷达通过时序控制可以实现三种工作模式：单发双收、乒乓和组合模式：

所述单发双收模式为两部天线（A和B）中天线A发，天线A和天线B同时收；

所述乒乓模式为两部天线（A和B）中首先天线A发天线A收，下一个脉冲天线B发天线B收，如此两个天线轮流收发；

所述组合模式为两部天线（A和B）中首先天线A发，天线A和天线B同时收，下一个脉冲天线B发，天线A和天线B同时收，如此两个天线轮流发射。

本发明有益的效果为：

本发明可同时获得8个通道的极化干涉SAR数据，通过干涉处理可以得到目标场景的三维地形图。本发明获得的极化干涉SAR数据可以应用于林业和农业中的植被参数反演，也可应用于地震灾害中的地表形变检测，并可进行大面积的三维地形测绘。

附图说明

图1为本发明的全极化实现原理和工作时序示意图。

图2为本发明的两副天线安装位置和干涉实现方式示意图。

图3为本发明的极化干涉工作时序示意图。

图4为本发明的极化干涉系统设计框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，全极化雷达需要两个接收通道同时接收H和V两个不同极化信号。星载SAR系统大多采用有源相控阵天线，并在T/R组件中设置两个接收通道实现两个极化信号同时接收；也有的采用单接收通道T/R组件，发射时采用全天线，在接收时将天线分成两块，其中一块接收H信号，另一块接收V信号，从而实现双极化同时接收。显然后一种方案可大大降低T/R组件复杂度，减小系统体积、重量和研制成本，缺点是接收时天线增益减小3dB，为保证SAR图像信噪比，需较大发射功率。由于系统发射功率余量不大，本发明采用双接收通道T/R组件实现两种极化同时接收。

在交替发射全极化工作模式下，对于某一种极化信号是两个脉冲周期接收采样一次，因此，全极化与单一极化工作方式相比，脉冲重复频率需增大一倍，同时某一种极化信号发射平均功率也降低3dB。由于需进行两种极化同时成像，必须有两个接收通道同时接收同极化（HH或VV）和交叉极化（HV或VH）数据，这样将大大增加雷达回波数据量及数据传输数据率。

本发明用相隔一段距离的两个天线，同时观测被测地区，来得到两幅被测地区的图像数据，如图2所示，该双天线单航过方式需要同时安装两副SAR天线，对应需要增加一套接收系统，对系统设备量的要求比较高，但解决了单天线双航过方式所存在的问题，有效地提高了系统工作的有效性。

本发明设计有单发双收、乒乓和组合三种工作模式，其中：单发双收模式可以概括为单天线发射、四通道同时接收；乒乓模式可以概括为双天线交替发射、四通道分时接收；组合模式可以概括为双天线交替发射、四通道同时接收。图3所示为乒乓模式的工作时序：首先是天线A发射H极化信号，对应天线A的接收机A的两个接收通道分别接收H极化和V极化回波信号，接着天线A发射V极化信号，对应天线A的接收机A的两个接收通道分别接收H极化和V极化回波信号，这样就获取了天线A发A收的全极化数据；然后是天线B发射H极化信号，对应天线B的接收机B的两个接收通道分别接收H极化和V极化回波信号，最后天线B发射V极化信号，对应天线B的接收机B的两个接收通道分别接收H极化和V极化回波信号，这样就获取了天线B发B收的全极化数据。由于两副天线分置在载机的不同位置（机腹和机侧）形成垂直有效基线，因此可以进行干涉处理，并可通过极化干涉相干最优化处理提高干涉相干性。

图4所示为极化干涉合成孔径雷达的系统设计框图，如前所述，本发明采用有源相控阵雷达体制实现全极化条带SAR成像，每副天线有16个T/R组件，两个接收机分别接收来自两个天线的雷达回波，每个接收机有两个接收通道分别接收H和V极化回波信号。本发明还采用内定标网络来定期地对系统中的误差进行监测。本发明的主要系统技术参数如下：

中心频率：9.6GHz

雷达视角：30°～65°

定时基准频率稳定度：<1×10^-11/ms

本振频率稳定度：<3×10^-11/ms

天线尺寸：400mm×360mm

信号带宽：240MHz、300MHz、360MHz

发射信号形式：线性调频信号

工作模式：单发双收模式、乒乓模式、组合模式

系统噪声系数：4.5dB

量化比特数：I、Q各8bit

雷达作用距离：5～10km

测绘带宽：1.5～2km

测高精度：1m。

Claims (3)

1.一种单航过全极化干涉合成孔径雷达，包括：双极化有源相控阵天线、接收分机、定标与采集分机、监控分机、配电分机、记录仪，其特征在于：

(1)双极化有源相控阵天线：

所述天线前端为双极化波导裂缝天线阵，每个天线单元有水平极化和垂直极化开口用于辐射两种极化的电磁波；

所述天线后端为16个TR组件，每个TR组件与对应的天线单元相连；

所述天线中间为波控和电源，波控可以控制组件内移相器的相位用于波束展宽和波束扫描，电源用于为每个TR组件供电；

所述天线有两部，可以安装在载机平台的不同位置来实现单航过干涉；

（2）接收分机：

所述接收分机由激励源、频率合成、接收通道1、接收通道2、电源共5个模块组成，激励源为整个系统提供中心频率9.6GHz（X波段）的信号源，频率合成模块为整个系统提供基准时钟和采样时钟，两个接收通道分别接收两种极化的回波信号，电源模块为分机供电；

所述接收分机有两部，分别接收来自两部天线的回波信号；

（3）定标与采集分机：

所述定标与采集分机由定标、采集1、采集2、电源共4个模块组成，定标模块为一开关网络，实现系统的内定标功能，两块采集模块分别采集来自两部接收分机的IQ信号，电源模块为分机供电；

（4）监控分机：

所述监控分机为整个系统提供时序控制，并可与计算机进行串口通讯，实现对整个系统的实时监控；

（5）配电分机：

所述配电分机为各个分机提供28V电源，并可通过电源控制模块监测各个分机供电是否异常；

（6）记录仪：

所述记录仪将采集到的回波数据记录下来，并可通过网口、USB接口将原始数据进行转储。

2.根据权利要求1所述的一种单航过全极化干涉合成孔径雷达，其特征在于：通过将一部天线安装在机腹吊舱内，将另一部天线安装在机侧吊舱内，可以获得垂直有效基线，从而实现单航过双天线干涉。

3.根据权利要求1所述的一种单航过全极化干涉合成孔径雷达，其特征在于：通过时序控制可以实现三种工作模式：单发双收、乒乓和组合模式：

所述单发双收模式为两部天线A和B中天线A发，天线A和天线B同时收；

所述乒乓模式为两部天线A和B，第一个脉冲，天线A发，天线A收，下一个脉冲天线B发，天线B收，如此两个天线轮流收发；

所述组合模式为两部天线A和B，第一个脉冲，天线A发，天线A、天线B同时收，下一个脉冲天线B发，天线A和天线B同时收，如此两个天线轮流发射。

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