CN103364784A - 一种环视合成孔径成像雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种环视合成孔径成像雷达，包括发射单元1，接收、放大、下变频及滤波单元2，信号处理和成像单元3，显示单元4，射频信号发生单元5，控制单元6，控制收发天线转动的动力装置7。本发明安装于船舶的顶部平台，发射天线向船舶周边360度方位发射电磁波，接收天线接收由目标和海浪反射回来的电磁波信号，对该信号进行放大、下变频、采样，进行圆弧合成孔径成像信号处理及成像等处理后，由图像显示电路显示出船舶周围的目标和海洋状态信息。本发明可取代目前广泛应用的S/X波段船舶导航雷达，用于引导船舶航行，避免船舶碰撞，同时具备反演船舶周边海洋动力学参数（海浪、海流）的功能，从而保证船舶航行的安全。

Description

一种环视合成孔径成像雷达

技术领域

本发明属于船舶导航技术领域，特别涉及一种用于监测船舶周围目标和海况以保证船舶安全航行的环视合成孔径成像雷达。

背景技术

传统船舶导航装置（如船载X/S波段导航雷达）采用脉冲体制雷达实现船舶周围目标的监测，这种方式的导航装置有如下缺点：1.由于时间带宽积的限制，距离分辨率高的话，作用距离变小，作用距离大的话，距离分辨率变差；2.属于真实孔径雷达，其方位分辨率受天线孔径的限制，很难进一步得到提高；3.较多采用磁控管发射技术，属非相干雷达，往往要求较高的发射功率，容易造成电磁干扰；4.容易受到其它同频段工作雷达的干扰；5.存在较大（数百米）的近距离盲区；6.不能直接探测目标速度；7.不具备导航工作的同时获取船舶周边海洋动力学参数的能力。

发明内容

本发明针对上述问题,提出一种环视合成孔径成像雷达，本发明安装于船舶的顶部平台，其发射天线边转动边向船舶360度方位发射脉冲波或线性调频连续/脉冲波，接收天线边转动边依次接收由目标反射回来的脉冲波或线性调频连续/脉冲波，收发天线的转动由控制收发天线转动的动力装置控制，对该信号进行放大、下变频、采样、信号处理和成像等处理后，由图像显示单元显示出船舶周围的目标信息，避免船舶碰撞，引导船舶航行，从而保证船舶的安全。

本发明采用的技术方案如下：

一种环视合成孔径成像雷达，其特征在于：包括发射单元1，接收、放大、下变频及滤波单元2，信号处理和成像单元3，显示单元4，射频信号发生单元5，控制单元6，控制收发天线转动的动力装置7；

控制单元6分别与发射单元1，接收、放大、下变频及滤波单元2，显示单元4，射频信号发生单元5，控制收发天线转动的动力装置7连接；

发射单元1分别与射频信号发生单元5，控制收发天线转动的动力装置7连接；接收、放大、下变频及滤波单元2分别与射频信号发生单元5，信号处理和成像单元3，控制收发天线转动的动力装置7连接；信号处理和成像单元3与显示单元4连接。

所述的发射单元1包括依次连接的调频波产生器、上变频电路、功率放大电路和发射天线；射频信号发生单元5的输出端与上变频电路的输入端连接。

所述的接收、放大、下变频及滤波单元2包括依次连接的接收天线、放大电路、下变频及滤波电路；射频信号发生单元5的输出端与下变频及滤波电路的输入端连接。

所述的信号处理和成像单元3包括依次连接的数字采样电路、成像信号处理及成像电路。

所述的控制收发天线转动的动力装置7包括天线转台及其控制电路；天线转台上固定有转轴，控制电路控制发射天线和接收天线围绕转轴的轴心转动。

上述射频信号发生单元5设有控制射频信号产生的控制电路。

上述发射单元1设有控制脉冲波或线性调频连续/脉冲波产生的控制电路。

上述数字采样电路设有控制数字采样的控制电路。

上述控制电路包括晶体振荡器，微处理芯片，FPGA处理电路。

与现有技术相比，本发明可以解决现有导航设备作用距离与距离分辨率间的矛盾，而且通过圆弧合成孔径探测方式，使其基本没有近距离盲区，具备较高的方位方向分辨率，提高远距离的探测性能；在导航工作的同时兼具海洋动力学参数（海浪、海流）的探测能力；同时基于相干雷达体制，利用环扫所引入的多普勒频移调制，使其具备较好的抗同频干扰的能力，给船舶提供快速精确目标信息，包括目标的速度信息，引导船舶航行，避免船舶碰撞，保障船舶安全。

附图说明

图1是本发明的电路框图。

图2是本发明中发射单元的电路原理图。

图3是本发明中接收、放大、下变频及滤波单元，信号处理和成像单元，显示单元的连接及原理图。

图4是本发明中雷达波束旋转扫描海面目标的示意图。

图5是本发明安装在船舶顶部平台的使用状态示意图。

图6是海面上静止目标在本发明中的多普勒历程示意图。

图7是本发明的浪流反演数据预处理流程图。

图8是本发明的浪流反演流程图。

其中，1—发射单元，2—接收、放大、下变频及滤波单元，3—信号处理和成像单元，4—显示单元，5—射频信号发生单元，6—控制单元，7—控制收发天线转动的动力装置。

具体实施方式

一、下面结合附图，对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明包括发射单元1，接收、放大、下变频及滤波单元2，信号处理和成像单元3，显示单元4，射频信号发生单元5，控制单元6，控制收发天线转动的动力装置7；

控制单元6分别与发射单元1，接收、放大、下变频及滤波单元2，显示单元4，射频信号发生单元5，控制收发天线转动的动力装置7连接；

发射单元1分别与射频信号发生单元5，控制收发天线转动的动力装置7连接；接收、放大、下变频及滤波单元2分别与射频信号发生单元5，信号处理和成像单元3，控制收发天线转动的动力装置7连接；信号处理和成像单元3与显示单元4连接。

发射单元1包括依次连接的调频波产生器、上变频电路、功率放大电路和发射天线；射频信号发生单元5的输出端与上变频电路的输入端连接。

接收、放大、下变频及滤波单元2包括依次连接的接收天线、放大电路、下变频及滤波电路；射频信号发生单元5的输出端与下变频及滤波电路的输入端连接。

信号处理和成像单元3包括依次连接的数字采样电路、成像信号处理及成像电路。

控制收发天线转动的动力装置7包括天线转台及其控制电路；天线转台上固定有转轴，控制电路控制发射天线和接收天线围绕转轴的轴心转动。

图2中，在控制单元6发出的控制信号的指令作用下，调频波产生器产生一定带宽的脉冲波或线性调频连续/脉冲基带信号，射频信号发生单元5中的射频信号产生器产生一定频率的射频信号源，经过上变频将线性调频脉冲基带信号调制到射频信号源所产生的射频信号上，滤波放大后送天线发射。

图3中，海上目标反射回来的线性调频脉冲由接收天线接收后放大，送入下变频器经滤波后得到线性调频脉冲基带信号，经采样与成像处理后送显示单元显示图像。

图4是环视合成孔径成像雷达海面波束扫描示意图。其中上图画出了两个围绕转轴的轴心旋转的接收天线的波束扫描情况，在实际工作中，可以用一个天线扫描即可，也可以用两个、三个甚至更多天线围绕轴心旋转，只要保证其旋转重心平衡即可。当采用多天线接收时，雷达接收机可采用多通道的形式，也可以采用在不同天线间分时轮流接收的方式。图4下图画出了在旋转状态下接收天线波束与海面上目标的关系示意图。

图5是环视合成孔径成像雷达安装在船舶上部平台的使用状态示意图，发射天线边转动边发射线性调频脉冲信号，同时接收由海上目标反射回来的线性调频脉冲信号，送入后面电路进行成像处理与显示。其中，虚线是示意实体天线在相应位置的转动。

图6是海面上静止目标在环视合成孔径成像雷达中的多普勒历程示意图。由于接收天线的旋转，海面静止目标在进入雷达波束时会产生正的多普勒频移，当接收天线旋转到波束正对目标时，多普勒频移为零，当接收天线波束远离目标时，多普勒频移为负。如果目标本身有运动，则多普勒历程是上述历程与目标运动速度所带来的多普勒历程的和。

表1是工作在X波段的环视合成孔径成像雷达的一组系统主要工作参数，这组参数仅作为例子。实际设计时需要根据用户在目标探测、船舶空间限制等方面的要求具体计算制订系统参数。

表1

二、本发明信号处理的基本方法

下面介绍一种基于本发明的信号处理方法。

由于距离多普勒算法对合成孔径雷达的极化成像来说是一种方便而有效的数据分析方式，因此，利用距离多普勒算法来处理环视合成孔径雷达获得的源源不断的极坐标下的目标位置信息是很好的选择手段。经过距离压缩处理，环视合成孔径雷达收集的信号能表示为如下形式：

$s\left(\mathrm{\&theta;}\right|R_c,{\mathrm{\&theta;}}_c)=e^{-j4\mathrm{\&pi;}/\mathrm{\&lambda;R}\left(\mathrm{\&theta;}\right|R_c,{\mathrm{\&theta;}}_c)},|\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_c|<{\mathrm{\&theta;}}_s/2=\mathrm{\&lambda;}/2L---\left(1\right)$

式中，θ为雷达扫描方位角，R_c,θ_c为目标位置在极坐标下显示，R(θ|R_c,θ_c)为雷达天线与目标的距离，λ为雷达电磁波波长，θ_s为相干累积弧度,L为接收天线在水平方向上的大小，雷达环视的相干累积弧度是受接收天线波束宽度的限制的。同理，雷达天线与目标的距离能表示如下：

$R\left(\mathrm{\&theta;}\right|R_c,{\mathrm{\&theta;}}_c)=\sqrt{{R_c}^2+r^2-{2R}_{c}r\cos (\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_c)}---\left(2\right)$

式中，r为旋转杠杆的长度。对上式在θ＝θ_c处展开得到：

R(θ)＝R(θ_c)+R'(θ_c)θ+R''(θ_c)θ²/2!+R'''(θ_c)θ³/3!+...             （3）

式中，R(θ_c)=R_c-r；R'(θ_c)=0；R''(θ_c)=R_cr/R(θ_c)=R_cr/(R_c-r)。忽略式中次数高于二次的项式，利用波数多普勒参量，可以得到：

R(θ)＝R(θ_c)-λu_Dc(θ-θ_c)/2-λu_R(θ-θ_c)²/4+...           （4）

并且，多普勒中心频率u_Dc=0，多普勒频移

此时，接收的信号可以表示为：

$s\left(\mathrm{\&theta;}\right|R_c,{\mathrm{\&theta;}}_c){=e^{-j4\mathrm{\&pi;}/\mathrm{\&lambda;R}\left(\mathrm{\&theta;}\right)}e}^{j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;u_{\mathrm{Dc}}(\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_c)+u_R{(\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_c)}^2/2\&rsqb;}---\left(5\right)$

此信号中含有与方位角成线性关系的噪声。

这里，距离多普勒匹配滤波器定义如下：

$h^{-1}\left(\mathrm{\&theta;}\right)=e^{-j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;u_{\mathrm{Dc}}\mathrm{\&theta;}+u_R{\mathrm{\&theta;}}^2/2\&rsqb;---\left(6\right)}$

对接收的数据按照如下的滤波方式进行方位向的压缩处理：

$\left(\mathrm{\&theta;}\right)={\&Integral;h}^{-1}({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}-\mathrm{\&theta;})s\left({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\right){\mathrm{d\&theta;}}^{\&prime;}---\left(7\right)$

其中，由θ'的积分区间为[θ_c-θ_s/2,θ_c+θ_s/2]可以进一步得到：

$g\left(\mathrm{\&theta;}\right)=e^{-j4\mathrm{\&pi;}/\mathrm{\&lambda;}(R_c-r)}{e}^{j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;{(\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_c)}^2/\left(\mathrm{\&lambda;}(R_c-r)\right)\&rsqb;\&times;{\mathrm{\&theta;}}_s\sin c\&lsqb;\frac{2\mathrm{\&pi;}{R}_c{\mathrm{r\&theta;}}_s}{\mathrm{\&lambda;}(R_c-r)}(\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_c)\&rsqb;---\left(8\right)}$

式中，sinc为辛格函数上式g(θ)在θ＝θ_c处对于θ_s将会有最大值。

同样，雷达方位角分辨率定义如下：

$\mathrm{\&delta;\&theta;}=\frac{\mathrm{\&lambda;}(R_c-r)}{{2R}_c{\mathrm{r\&theta;}}_s}---\left(9\right)$

由于雷达相位为

因此，成像的图像范围是从雷达接收天线一直延伸到探测的目标，而不是从圆弧的中心作为起点。由于雷达所获得的图像是在极坐标下的，为了将其用于机器显示，还需要将其转换为直角坐标下的图像，转换公式如下：

x_c＝R_ccosθ_c,y_c＝R_csinθ_c             （10）

x_c,y_c为直角坐标下目标的位置信息。这样，雷达方位分辨率也可转换为如下式子：

${\mathrm{\&delta;\&theta;R}}_c=\frac{L}{2r}(R_c-r)---\left(11\right)$

由上式可以得出，这也是一个与R_c有关的函数，但是，与（9）式不同的是，它是与波长λ无关的。为了应用于实际分析，这里以X波段系统为例来进行了简单的计算。当r=4m，L=0.15m时，δθR_c=1.88×10^-2(R_c-r)。通常，相比于实孔径雷达，环视合成孔径雷达分辨率将是其11倍之多。

三、本发明浪流反演基本算法

通过环视SAR雷达获得船舶周边海面的图像后，可通过对连续时间上的图像序列处理得到船舶周边数公里范围内的波浪和海流信息。下面介绍一种处理方法，包括两个模块：预处理模块和反演模块。

预处理模块的功能是对环视合成孔径成像雷收集的海面回波原始数据进行预处理，主要包括数据分割、距离选取、衰减补偿、去噪处理、坐标转换、区域选择等七个步骤，预处理流程图如图6。

反演模块的流程图如图7。利用环视合成孔径成像雷收集探测区域海面回波图，并且将收集的回波图像序列保存为三维图像序列g(x,y,t)，x,y,t为目标在直角坐标下的位置信息。本发明先把环视合成孔径成像雷探测区划分为每个小区域供后续算法的处理，如：设定的选取的区域大小为L_x*L_y米，即X轴方向最少划分为N_x等份，分辨率为Δx米；Y轴方向最少划分N_y等份即分辨率也为Δy米。分析雷达图像序列数量选取为N幅，考虑到每帧图像成像图的时间（也即雷达天线转一圈的时间Δt），即可得出这一图像序列所需要的时间周期T＝N*Δt。其中，Δx,Δy为雷达分辨率，其取值与雷达系统的波形带宽有关；L_x*L_y为反演区域的大小，通常为数百米；

收集的海面回波原始数据进行了如上的预滤波处理后，对转换为直角坐标的随时空分布的海浪回波图像灰度值g(x,y,t)作3维FFT，得到在波数空间和频率空间的能量分布

$\begin{array}{c}I(k_x,k_y,\mathrm{\&omega;})={\&Integral;}_0^{\mathrm{Lx}}{\&Integral;}_0^{\mathrm{Ly}}{\&Integral;}_0^{T}g(x,y,t)\exp \&lsqb;i(k_{x}x+k_{y}y-\mathrm{\&omega;t})\&rsqb;\mathrm{dxdydt}\\ =\underset{n_1=1}{\overset{\mathrm{Nx}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{n_2=1}{\overset{\mathrm{Ny}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{n_3=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}g(n1,n2,n3)\exp \&lsqb;i(k_x{n}_1\mathrm{\&Delta;x}+k_y{n}_2\mathrm{\&Delta;y}-{\mathrm{\&omega;n}}_3\mathrm{\&Delta;t})\&rsqb;\end{array}---\left(12\right)$

其中，L_x,L_y,T分别为矩形区域的长、宽和时间序列的总长度。

L_x＝N_xΔx

L_y＝N_yΔy

T＝NΔt

变换后的谱分辨率为 ${\mathrm{\&Delta;k}}_x=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{L_x},{\mathrm{\&Delta;k}}_y=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{L_y},\mathrm{\&Delta;\&omega;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{T}.$

对变换后的三维谱图取平方即可以得到海浪回波功率谱。通过海浪回波功率谱，可以通过带有流速的线性波理论色散方程结合最小二乘法可以得到海洋表面海流的大小和方向，以及水深信息。

$\mathrm{\&omega;}=\sqrt{\mathrm{gk}\tanh \left(\mathrm{kd}\right)}+k_x{u}_x+k_y{u}_y---\left(13\right)$

式中，ω为理论海浪频率，k为波数幅度，k_x,k_y分别代表着规定的x坐标轴以及y坐标轴的波数。此线性波理论色散方程受到u_x,u_y的线性影响，但是与水深d是非线性的关系。得出海流信息后，可以在海流的基础上对数据进行滤波，然后对滤波后的数据进行海浪信息的提取，即可以得到浪高、浪向、浪周期、波长等信息。

Claims (5)

1.一种环视合成孔径成像雷达，其特征在于：包括发射单元(1)，接收、放大、下变频及滤波单元(2)，信号处理和成像单元(3)，显示单元(4)，射频信号发生单元(5)，控制单元(6)，控制收发天线转动的动力装置(7)；

控制单元(6)分别与发射单元(1)，接收、放大、下变频及滤波单元(2)，显示单元(4)，射频信号发生单元(5)，控制收发天线转动的动力装置(7)连接； 

发射单元(1)分别与射频信号发生单元(5)，控制收发天线转动的动力装置(7)连接；接收、放大、下变频及滤波单元(2)分别与射频信号发生单元(5)，信号处理和成像单元(3)，控制收发天线转动的动力装置(7)连接；信号处理和成像单元(3)与显示单元(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种环视合成孔径成像雷达，其特征在于：所述的发射单元(1)包括依次连接的调频波产生器、上变频电路、功率放大电路和发射天线；射频信号发生单元(5)的输出端与上变频电路的输入端连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种环视合成孔径成像雷达，其特征在于：所述的接收、放大、下变频及滤波单元(2)包括依次连接的接收天线、放大电路、下变频及滤波电路；射频信号发生单元(5)的输出端与下变频及滤波电路的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种环视合成孔径成像雷达，其特征在于：所述的信号处理和成像单元(3)包括依次连接的数字采样电路、成像信号处理及成像电路。

5.根据权利要求4所述的一种环视合成孔径成像雷达，其特征在于：所述的控制收发天线转动的动力装置(7)包括天线转台及其控制电路；天线转台上固定有转轴，控制电路控制发射天线和接收天线围绕转轴的轴心转动。

Images