CN104698458A - 无人机载Ka频段调频连续波SAR成像和动目标检测系统 - Google Patents

Abstract

本系统利用毫米波Ka频段调频连续波信号进行SAR成像和动目标检测处理。Ka频段波长更短，相同的波束宽度下，天线尺寸小于低频段天线；毫米波器件体积、重量、功耗也小于低频段器件；能够实现小型化系统；利用毫米波Ka频段信号进行SAR成像处理能够得到比其它低频段更精细的图像，目标棱角特征明显，更利于目标识别；Ka频段信号能够获得更高的相对带宽，因而比低频段信号能够得到更高的图像分辨率；调频连续波SAR系统设备简单，复杂度低；采用去调频处理方式，数据量小，能够进行实时成像处理。

Description

无人机载Ka频段调频连续波SAR成像和动目标检测系统

技术领域

本发明属于成像雷达技术领域，尤其涉及一种无人机载Ka频段调频连续波SAR成像和动目标检测系统。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)是一种主动微波遥感设备，能够全天候全天时的对目标进行观测，获取高分辨率图像。合成孔径雷达动目标检测(SAR-GMTI)技术能够同时获取场景中的静态和动态信息，其作为现代化侦察手段受到广泛关注。

无人机(UAV)能够替代飞行员执行危险任务，可以减少人员伤亡，降低装备和使用成本。情报侦察和战场监视是目前UAV系统一个主要作战任务。UAV对作战环境要求低，能够潜入敌目标上空侵入式侦察，战场生存能力强，连续作战性能强。小型化是当前UAV的一个重要发展方向，各国都在竞相开发遥控式、半自主式或自主式的微小UAV。

小型UAV的有效载荷小，对SAR的体积、重量、功耗等提出了严格的要求。传统的低频段脉冲体制SAR体积大、设备复杂、成本高，且容易被敌方电子侦察系统截获，无法满足小型UAV的侦察和监视需求。

另外，现有的UAV FMCW(调频连续波)体制SAR系统主要工作在X频段，大多只有成像模式，不具备动目标检测能力，无法满足UAV作战时高分辨率精细成像和动目标检测的需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种无人机载Ka频段调频连续波SAR成像和动目标检测系统，能够实现小型化的要求。

本发明的无人机载Ka频段调频连续波SAR成像和动目标检测系统，其包括机上设备和地面的成像处理单元；所述Ka频段的频率为35.75GHz；

机上设备包括：收发喇叭天线、稳定平台、射频模块和数字模块；其中，

收发喇叭天线包括：发射天线和接收天线，天线形式为角锥喇叭透镜天线，工作频段范围为：35.55GHz-35.75GHz，该收发喇叭天线安装在稳定平台上；

稳定平台包括：姿态传感器和控制单元，以及支撑所述姿态传感器和控制单元的平台本体，该稳定平台采用GNSS/INS作为姿态传感器，输出目标航向和姿态信息给控制单元和数字模块的采集与控制单元，控制单元根据目标航向和姿态信息调整平台本体以改变收发喇叭天线的波束指向；

射频模块包括：频率综合器、前置功率放大器和接收机；频率综合器产生要发射的Ka频段调频三角波信号，输出至前置功率放大器；前置功率放大器对Ka频段调频三角波信号进行功率放大后通过发射天线辐射出去；

进一步的，频率综合器中：晶振产生满足锁相介质振荡器PDRO和锁相源输入要求的时钟信号，并输出至PDRO和锁相源；PDRO接收时钟信号，根据该时钟信号产生频率源，输出至混频器；锁相源接收时钟信号，根据该时钟信号产生带有DA的FPGA所需要的输入频率和采集与控制单元所需要的基准时钟CLK；带有DA的FPGA根据所述输入频率产生系统的信号波形，并输入至混频器；混频器将频率源与信号波形进行混频，获得混频信号；倍频器对所述混频信号进行倍频获得Ka频段调频三角波信号输出至前置功率放大器；

前置功率放大器包括采用Ka频段的功率放大器和耦合器，功率放大器对Ka频段调频三角波信号进行功率放大后经发射天线辐射出去；同时将经功率放大后的Ka频段调频三角波信号通过耦合器耦合后输出至接收机的混频器；

接收机中：接收天线接收反射的回波信号，输出至接收机的低噪声放大器，低噪声放大器对回波信号进行功率放大输出至混频器；混频器对低噪声放大器后的回波信号与通过耦合器耦合后的Ka频段调频三角波信号进行混频，得到零中频信号，输出至放大器进行零中频放大，经滤波器滤波之后输出至数字模块的采集与控制单元；

数字模块包括：存储单元和采集与控制单元，采集与控制单元接收接收机的零中频信号，以及目标航向和姿态信息；其中，

采集与控制单元包括：A/D转换器和数字正交解调单元，A/D转换器以收到的基准时钟作为系统工作时钟对零中频信号进行模数转换，获得数字信号输出至数字正交解调单元进行正交解调，得到IQ信号，数字正交解调单元对目标航向和姿态信息以及IQ信号进行组帧，获得待处理信号，分两路，一路输出至存储单元存储，另一路经数据链实时输出至地面的成像处理单元进行成像和动目标检测处理；

地面的成像处理单元包括：调频连续波SAR实时成像单元、动目标检测单元和显示单元；

调频连续波SAR实时成像单元收到待处理信号，利用IQ信号采用改进的R-D成像算法进行实时成像，在实时成像中并利用目标航向和姿态信息对IQ信号进行运动补偿，获得SAR图像，所述SAR图像包括：上调频和下调频两幅SAR图像；

动目标检测单元，对获得的上调频和下调频两幅高分辨率SAR图像，进行对消处理获得SAR图像，若SAR图像中某一点幅度大于检测门限，则认为该点存在动目标，否则不存在动目标。

进一步的，所述频率综合器包括：100MHz晶振、一分三功分器、锁相时钟、PDRO、锁相源、带有DA的FPGA、两个放大器、两个滤波器、混频器和倍频器；

100MHz晶振产生满足PDRO和锁相源输入要求的时钟信号，并输出至一分三功分器将该时钟信号分三路输出，第一路输出至PDRO，第二路输出至锁相源，第三路输出至锁相时钟产生基准时钟给采集与控制单元；PDRO接收时钟信号，根据该时钟信号产生17.1GHz频率源，输出至混频器；锁相源接收时钟信号，根据该时钟信号产生带有DA的FPGA所需要的3GHz输入频率；带有DA的FPGA根据所述3GHz输入频率产生系统的775MHz信号波形并输出至放大器，经放大器放大后输入至混频器；混频器将17.1GHz频率源与775MHz信号波形进行混频，获得17.185GHz混频信号；经滤波器滤波和放大器放大后输出至倍频器，倍频器对所述17.185GHz混频信号进行2倍频并经滤波器滤波后获得35.75GHz调频三角波信号，并输出至前置功率放大器。

进一步的，所述接收机包括：限幅器、低噪声放大器、腔体滤波器、混频器、LC滤波器、放大器、电调衰减器、四个放大器和两个数控衰减器，所述低噪声放大器简称低噪声放大器；

接收天线接收反射的回波信号，依次进行限幅器限幅、低噪声放大器放大、腔体滤波器滤波后输出至混频器；混频器对滤波后的回波信号与通过耦合器耦合后的35.75GHz调频三角波信号进行混频，得到3-30MHz零中频信号，输出至放大器进行零中频放大，然后经LC滤波器滤波之后输出至电调衰减器，电调衰减器根据外部控制指令对零中频信号进行衰减控制后输出至放大器放大，再进行两级数控衰减后输出零中频信号至数字模块的采集与控制单元，每一级数控衰减通过放大器和数控衰减器实现。

有益效果：

本系统利用毫米波Ka频段信号进行SAR成像处理，能够得到比其它低频段更精细的图像，目标棱角特征明显，更利于目标识别；Ka频段信号能够获得更高的相对带宽，因而比低频段信号能够得到更高的图像分辨率。

Ka频段波长更短，相同的波束宽度下，天线尺寸小于低频段天线；毫米波器件(放大器、滤波器、低噪放等)体积、重量、功耗也小于低频段器件；能够实现小型化系统。

本系统采用发射FMCW信号，信号持续时间长，占空比为1，不需要较高的发射峰值功率，利用固态放大器件就可以满足要求，减小了体积和重量；FMCW信号具有很大的时宽带宽积，发射功率电平比同样平均功率的脉冲雷达的峰值功率低，具有优良的低截获概率特性。

本系统频率综合器采用振荡器PDRO产生频率源，与调频连续波信号混频再倍频到Ka频段的发射频率相比，可靠性高、相位噪声理想、复杂度低。

本系统利用三角FMCW信号的特性，只用单个接收通道实现动目标检测功能。减少设备量的同时避免了多个接收通道带来的一致性等问题。

本系统接收机采用差拍处理方式，回波信号与发射信号混频得到零中频信号，实现高分辨率的同时数据量减小了十分之一以上，对存储单元要求降低。

附图说明

图1为本发明的无人机载Ka频段调频连续波SAR成像和动目标检测系统示意图；

图2为本发明的无人机载Ka频段调频连续波SAR成像和动目标检测系统的射频模块原理图；

图3为本发明的无人机载Ka频段调频连续波SAR成像和动目标检测系统原理图。

具体实施方式

本系统的角锥喇叭透镜天线设计思路：

在Ka频段天线设计中，综合考虑天线的功率容量水平、损耗、天线增益、结构尺寸等因素，经过对波导缝隙天线、微带天线和角锥喇叭透镜天线的分析与比较，角锥喇叭透镜天线更适合Ka频段SAR系统。由于系统发射FMCW信号，因此发射天线和接收天线分开设计。

本系统的频率综合器设计思路：

对于FMCW SAR来说，距离向分辨率在满足线性调频波的线性度的条件下才由带宽决定，因此采用带有DA的FPGA的方式代替传统的DDS作为波形发生器。

考虑到无人机对载荷重量、功耗和体积的限制，若采用传统的将高稳晶振直接倍频产生频率源的方式，会使得频率综合器体积、功耗、重量增大，经权衡比较，使用锁相介质振荡器PDRO产生频率源为最合理的方案，性能指标与功耗尺寸均可满足。

本系统的前置功率放大器设计思路：

Ka频段FMCW SAR系统要求的平均发射功率为27dBm，采用固态功率放大器。国内外Ka波段的固态放大器发射功率在4W(36dBm)左右。考虑到插损、路径损耗、转换损耗等，按3dB计算，固态放大器在满足实际功率需求的条件下仍留有余量。此外，固态放大器相对电真空器件，具有噪声小、体积小、质量轻、供电电压要求低和使用寿命长等优点。

本系统的接收机设计思路：

接收机的功能是将Ka波段射频信号下变频到零中频的信号，以便后续电路检测目标。接收机由于可能收到近距离的强反射回波，进入接收机通道。因此一般需要有限幅器，避免烧毁前段低噪声放大器。为了满足Ka频段接收机噪声系数的指标要求，需要选用噪声系数小，且增益高的低噪声放大器。为了滤除进入接收机的杂波信号，需要在进入混频器前进行窄带滤波。根据工作频率和带宽的不同，滤波器分为不同的实现方式。对于Ka频段通带带宽±200MHz的窄带滤波器，适合选用腔体滤波器来实现。

本系统的数字模块设计思路：

考虑Ka频段FMCW SAR回波数据容量和无人机平台的工作环境，数字模块的存储单元选择固态硬盘，实现对数据的可靠、稳定存储。采集与控制单元在设计时考虑体积、功耗的要求，进行小型化、低功耗设计。

如图1和图3所示，本发明的无人机载Ka频段调频连续波SAR成像和动目标检测系统，其关键特征在于：

包括机上设备和地面的成像处理单元；所述Ka频段的频率为35.75GHz；

机上设备包括：收发喇叭天线、稳定平台、射频模块和数字模块；其中，

收发喇叭天线包括：发射天线和接收天线，天线形式为角锥喇叭透镜天线，工作频段范围为：35.55GHz-35.75GHz，该收发喇叭天线安装在稳定平台上；

收发天线通过支架连接并固定在稳定平台上，按照需要的下视角安装在UAV平台的载荷舱内。天线的布局考虑系统隔离度的要求，采用沿航向水平并排放置并根据载荷舱长度调整收发天线间距，进一步保证收发天线的隔离度。

稳定平台包括：姿态传感器和控制单元，以及支撑所述姿态传感器和控制单元的平台本体，该稳定平台采用GNSS/INS作为姿态传感器，输出目标航向和姿态信息给控制单元和数字模块的采集与控制单元，控制单元根据目标航向和姿态信息调整平台本体以改变收发喇叭天线的波束指向；

稳定平台，作为天线的结构载体，用于保证UAV飞行过程中天线波束中心指向的稳定。由稳定机构和驱动控制电路组成，采用方位俯仰两轴稳定平台。采用高精度惯性导航组件作为闭环控制系统的姿态误差传感器，输出目标航向、姿态等信息，由控制单元给出转动指令，修正稳定平台指向。

射频模块包括：频率综合器、前置功率放大器和接收机；频率综合器产生要发射的Ka频段调频三角波信号，输出至前置功率放大器；前置功率放大器对Ka频段调频三角波信号进行功率放大后通过发射天线辐射出去；

频率综合器产生FMCW信号，与PDRO(锁相介质振荡器)产生的频率源混频和倍频后送给前置功率放大器放大后经发射天线辐射出去；接收天线接收辐射的回波信号送接收机，经低噪放、混频器、放大器和滤波器后，产生零中频回波信号；频率综合器提供系统工作基准时钟。射频模块的原理框图如图2所示。

进一步的，频率综合器包括：100MHz晶振、一分三功分器、锁相时钟、PDRO、锁相源、带有DA的FPGA、两个放大器、两个滤波器、混频器和倍频器；100MHz晶振产生满足PDRO和锁相源输入要求的时钟信号，并输出至一分三功分器将该时钟信号分三路输出，第一路输出至PDRO，第二路输出至锁相源，第三路输出至锁相时钟产生基准时钟给采集与控制单元；PDRO接收时钟信号，根据该时钟信号产生17.1GHz频率源，输出至混频器；锁相源接收时钟信号，根据该时钟信号产生带有DA的FPGA所需要的3GHz输入频率；带有DA的FPGA根据所述3GHz输入频率产生系统的775MHz信号波形并输出至放大器，经放大器放大后输入至混频器；混频器将17.1GHz频率源与775MHz信号波形进行混频，获得17.185GHz混频信号；经滤波器滤波和放大器放大后输出至倍频器，倍频器对所述17.185GHz混频信号进行2倍频并经滤波器滤波后获得35.75GHz调频三角波信号，并输出至前置功率放大器；

前置功率放大器包括采用Ka频段的功率放大器和耦合器，功率放大器对Ka频段调频三角波信号进行功率放大后经发射天线辐射出去；同时将经功率放大后的Ka频段调频三角波信号通过耦合器耦合后输出至接收机的混频器；

接收机包括：限幅器、低噪声放大器、腔体滤波器、混频器、LC滤波器、放大器、电调衰减器、四个放大器和两个数控衰减器，所述低噪声放大器简称低噪放；接收天线接收反射的回波信号，依次进行限幅器限幅、低噪放放大、腔体滤波器滤波后输出至混频器；混频器对滤波后的回波信号与通过耦合器耦合后的35.75GHz调频三角波信号进行混频，得到3-30MHz零中频信号，输出至放大器进行零中频放大，然后经LC滤波器滤波之后输出至电调衰减器，电调衰减器根据外部控制指令对零中频信号进行衰减控制后输出至放大器放大，再进行两级数控衰减后输出零中频信号至数字模块的采集与控制单元，每一级数控衰减通过放大器和数控衰减器实现；

数字模块包括：存储单元和采集与控制单元，采集与控制单元收到接收机的零中频信号，以及目标航向和姿态信息；其中，

采集与控制单元包括：A/D转换器和数字正交解调单元，A/D转换器以收到的基准时钟作为系统工作时钟对零中频信号进行模数转换，获得数字信号输出至数字正交解调单元进行正交解调，得到IQ信号，数字正交解调单元对目标航向和姿态信息以及IQ信号进行组帧，获得待处理信号，分两路，一路输出至存储单元存储，另一路经数据链实时输出至地面的成像处理单元进行成像和动目标检测处理；采集与控制单元工作时钟为频率综合器提供的基准时钟，保证系统全相参。存储单元，用于接收采集与控制单元的回波数据并进行存储；与采集与控制单元采用高速接口，保证数据吞吐率；存储容量能够满足飞行时间内的容量需求。

机上设备还包括：电源模块，用于提供机上模块和单元的输入电源，对UAV上输入电源按照各模块的工作电压进行二次电源变换，分多路隔离输出。

地面的成像处理单元包括：调频连续波SAR实时成像单元、动目标检测单元和显示单元；

调频连续波SAR实时成像单元收到待处理信号，利用IQ信号采用改进的R-D成像算法进行实时成像，在实时成像中并利用目标航向和姿态信息对IQ信号进行运动补偿，获得SAR图像，所述SAR图像包括：上调频和下调频两幅SAR图像；

动目标检测单元，对获得的上调频和下调频两幅高分辨率SAR图像，进行对消处理，若图像中某一点幅度大于检测门限，则认为该点存在动目标，否则不存在动目标。

本系统的使用过程包括：UAV平台飞行到指定的高度，飞行速度稳定后，UAV Ka频段FMCW SAR-GMTI系统开始工作。

步骤一，系统加电，监测遥测信息，遥测信息正常时发送遥控指令，系统开始工作；

步骤二，稳定平台根据GNSS/INS参数，调整收发天线指向位置，保证收发天线波束指向稳定；

步骤三，频率综合器产生Ka频段FMCW信号，与PDRO产生的频率源混频后再倍频到需要的发射频率；

步骤四，发射天线按照一定的下视角将发射信号辐射出去，信号照射到场景后的回波信号由接收天线接收；

步骤五，接收机将接收天线馈入的回波信号经过低噪放后，与发射信号的耦合信号进行混频，再放大、滤波后得到零中频信号，将零中频信号输入到采集与控制单元；

步骤六，采集与控制单元接收到零中频信号后，进行A/D采集、数字正交解调，得到正交的I/Q回波信号，回波信号与GNSS/INS数据组帧后分两路输出，一路经高速接口输出到存储单元，一路输出到机上数传模块进行下传；

步骤七，地面成像处理单元接收到数传接收模块的输出的回波数据后，进行SAR实时成像处理和动目标检测，并将成像结果和处理结果进行显示；

步骤八，在一次飞行结束后，将存储单元存储的回波数据导出到成像处理单元，进行高分辨率成像和动目标检测。

步骤九，当完成既定的侦察与监视任务后，工作结束。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种无人机载Ka频段调频连续波SAR成像和动目标检测系统，其特征在于，包括机上设备和地面的成像处理单元；所述Ka频段的频率为35.75GHz；

机上设备包括：收发喇叭天线、稳定平台、射频模块和数字模块；其中，

收发喇叭天线包括：发射天线和接收天线，天线形式为角锥喇叭透镜天线，工作频段范围为：35.55GHz-35.75GHz，该收发喇叭天线安装在稳定平台上；

稳定平台包括：姿态传感器和控制单元，以及支撑所述姿态传感器和控制单元的平台本体，该稳定平台采用GNSS/INS作为姿态传感器，输出目标航向和姿态信息给控制单元和数字模块的采集与控制单元，控制单元根据目标航向和姿态信息调整平台本体以改变收发喇叭天线的波束指向；

射频模块包括：频率综合器、前置功率放大器和接收机；频率综合器产生要发射的Ka频段调频三角波信号，输出至前置功率放大器；前置功率放大器对Ka频段调频三角波信号进行功率放大后通过发射天线辐射出去；

进一步的，频率综合器中：晶振产生满足锁相介质振荡器PDRO和锁相源输入要求的时钟信号，并输出至PDRO和锁相源；PDRO接收时钟信号，根据该时钟信号产生频率源，输出至混频器；锁相源接收时钟信号，根据该时钟信号产生带有DA的FPGA所需要的输入频率和采集与控制单元所需要的基准时钟CLK；带有DA的FPGA根据所述输入频率产生系统的信号波形，并输入至混频器；混频器将频率源与信号波形进行混频，获得混频信号；倍频器对所述混频信号进行倍频获得Ka频段调频三角波信号输出至前置功率放大器；

前置功率放大器包括采用Ka频段的功率放大器和耦合器，功率放大器对Ka频段调频三角波信号进行功率放大后经发射天线辐射出去；同时将经功率放大后的Ka频段调频三角波信号通过耦合器耦合后输出至接收机的混频器；

接收机中：接收天线接收反射的回波信号，输出至接收机的低噪声放大器，低噪声放大器对回波信号进行功率放大输出至混频器；混频器对低噪声放大器后的回波信号与通过耦合器耦合后的Ka频段调频三角波信号进行混频，得到零中频信号，输出至放大器进行零中频放大，经滤波器滤波之后输出至数字模块的采集与控制单元；

数字模块包括：存储单元和采集与控制单元，采集与控制单元接收接收机的零中频信号，以及目标航向和姿态信息；其中，

采集与控制单元包括：A/D转换器和数字正交解调单元，A/D转换器以收到的基准时钟作为系统工作时钟对零中频信号进行模数转换，获得数字信号输出至数字正交解调单元进行正交解调，得到IQ信号，数字正交解调单元对目标航向和姿态信息以及IQ信号进行组帧，获得待处理信号，分两路，一路输出至存储单元存储，另一路经数据链实时输出至地面的成像处理单元进行成像和动目标检测处理；

地面的成像处理单元包括：调频连续波SAR实时成像单元、动目标检测单元和显示单元；

调频连续波SAR实时成像单元收到待处理信号，利用IQ信号采用改进的R-D成像算法进行实时成像，在实时成像中并利用目标航向和姿态信息对IQ信号进行运动补偿，获得SAR图像，所述SAR图像包括：上调频和下调频两幅SAR图像；

动目标检测单元，对获得的上调频和下调频两幅高分辨率SAR图像，进行对消处理获得SAR图像，若SAR图像中某一点幅度大于检测门限，则认为该点存在动目标，否则不存在动目标。

2.如权利要求1所述的无人机载Ka频段调频连续波SAR成像和动目标检测系统，其特征在于，所述频率综合器包括：100MHz晶振、一分三功分器、锁相时钟、PDRO、锁相源、带有DA的FPGA、两个放大器、两个滤波器、混频器和倍频器；

100MHz晶振产生满足PDRO和锁相源输入要求的时钟信号，并输出至一分三功分器将该时钟信号分三路输出，第一路输出至PDRO，第二路输出至锁相源，第三路输出至锁相时钟产生基准时钟给采集与控制单元；PDRO接收时钟信号，根据该时钟信号产生17.1GHz频率源，输出至混频器；锁相源接收时钟信号，根据该时钟信号产生带有DA的FPGA所需要的3GHz输入频率；带有DA的FPGA根据所述3GHz输入频率产生系统的775MHz信号波形并输出至放大器，经放大器放大后输入至混频器；混频器将17.1GHz频率源与775MHz信号波形进行混频，获得17.185GHz混频信号；经滤波器滤波和放大器放大后输出至倍频器，倍频器对所述17.185GHz混频信号进行2倍频并经滤波器滤波后获得35.75GHz调频三角波信号，并输出至前置功率放大器。

3.如权利要求1所述的无人机载Ka频段调频连续波SAR成像和动目标检测系统，其特征在于，所述接收机包括：限幅器、低噪声放大器、腔体滤波器、混频器、LC滤波器、放大器、电调衰减器、四个放大器和两个数控衰减器，所述低噪声放大器简称低噪声放大器；

接收天线接收反射的回波信号，依次进行限幅器限幅、低噪声放大器放大、腔体滤波器滤波后输出至混频器；混频器对滤波后的回波信号与通过耦合器耦合后的35.75GHz调频三角波信号进行混频，得到3-30MHz零中频信号，输出至放大器进行零中频放大，然后经LC滤波器滤波之后输出至电调衰减器，电调衰减器根据外部控制指令对零中频信号进行衰减控制后输出至放大器放大，再进行两级数控衰减后输出零中频信号至数字模块的采集与控制单元，每一级数控衰减通过放大器和数控衰减器实现。