CN106134457B - 一种合成孔径雷达系统验证方法 - Google Patents

Abstract

合成孔径雷达系统验证方法，(1)成像路线的选择，选择成像路面，并且满足合成孔径雷达成像条件；(2)雷达改装，将雷达电子设备装载在汽车上，要求雷达天线波束指向正侧视，即雷达波束中心与雷达前进方向保持垂直，雷达入射角应根据照射目标进行调整，保证雷达波束照射到目标；(3)修正雷达参数，根据雷达作用距离、汽车的运动速度分别对雷达发射功率、雷达重复频率及雷达接收机中A/D采样控制门进行修正：(4)进行车载试验，得到雷达数据，完成数据的成像处理；(5)进行雷达图像的分析与试验效果的评价。本发明成本低、成像距离长、成像效果与机载试验验证效果相当。

Description

一种合成孔径雷达系统验证方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达系统试验验证方法。

背景技术

合成孔径雷达系统是一个十分复杂的电子设备，它几乎涉及到电子设备研制的所有技术领域，如天线技术、微波技术、系统控制技术、数字处理技术等多个技术领域。对合成孔径雷达系统而言，其系统级的技术指标和系统设计的合理性如何验证是技术上的难题，通常通过分机测试及实验室测试不能实现，只有通过分析或仿真来实现，但是分析和仿真与实际应用有较大的区别，不能直接证明系统技术指标是否满足设计要求和说明系统设计是合理的。

合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率的成像雷达，在距离向分辨率的提高依靠发射线性调频脉冲信号，接收时通过脉冲压缩技术得到高的分辨率，方位向分辨率的提高依据合成孔径原理来实现。

合成孔径雷达根据应用的平台不同，可分为机载和星载两种。在系统硬件完成研制和实验室测试完成后，系统未安装到平台之前，如何验证雷达系统工作是否正常，进行系统级的测试。目前，通常采用以下几种方法：

(1)采用逆合成孔径雷达地面成像

实现方法：将合成孔径雷达安置在机场附近，天线朝向飞机运行方向，根据逆合成孔径原理来实现对飞机的成像观测，通常根据飞机飞行参数要修正雷达技术参数。其方案的主要优点是成本较低，但是采用这种方法的缺点很多：一方面观测区域小，目标简单，如果雷达的分辨率较低，其成像就很难实现；另外由于飞机飞行参数的不确定性也造成系统难以成像；另一方面逆合成孔径成像算法不够成熟，成像效果较差，难以起到对雷达系统的综合评价效果；此外，采用这一方案由于数字成像处理算法不同，难以实现对数字处理算法的验证。

(2)采用固定高平台地面成像

实现方法：通过将雷达设备安装在一定高度的平台上，在平台上安装一定长度的轨道，雷达安装在轨道上，通过移动雷达实现对观测目标成像，其综合孔径长度与轨道长度在理论上相同。主要缺点是由于轨道长度不可能做到很长，其综合孔径较小，方位向分辨率很难满足成像要求。如果雷达发射频率较低，如工作在L波段以下，其合成孔径长度接近公里量级，其实现几乎不可能，另外由于平台高度有限，其观测距离较近，雷达参数与机载或星载应用差异较大，难以达到实际验证的目的。其地点的选择也较困难，需要进行地面设施来配合，成本较高。

(3)采用飞机来进行机载试验验证

实现方法：采用机载试验来验证合成孔径雷达系统，这也是验证雷达系统相对最理想的方法，可以满足系统验证要求，但主要缺点是需要改装飞机，成本大，周期长。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种成本低、成像距离长、成像效果与机载试验验证效果相当的合成孔径雷达系统验证方法。

本发明的技术解决方案：合成孔径雷达系统验证方法，其特点在于通过以下步骤实现：

(1)成像路线的选择，选择成像路面，并且满足合成孔径雷达成像条件；

(2)雷达改装，将雷达电子设备装载在汽车上，要求雷达天线波束指向正侧视，即雷达波束中心与雷达前进方向保持垂直，雷达入射角应根据照射目标进行调整，保证雷达波束照射到目标，具体实现过程为：

d.汽车的改装：将雷达电子设备固定在汽车上，固定条件应满足车载振动条件要求；

e.雷达天线的安装：除一般天线的安装要求外，要求天线波束中心与汽车前进方向保持垂直，即雷达工作在正侧视模式；

c.天线入射角的调整和测量：测量出雷达实际入射角，保证雷达波束照射到目标；

(3)修正雷达参数，根据雷达作用距离、汽车的运动速度分别对雷达发射功率、雷达重复频率及雷达接收机中A/D采样控制门进行修正，具体实现为：

a.雷达发射功率的修正：由雷达方程可知，调整雷达发射功率与作用距离的4次方成正比，可以计算出雷达发射功率，并注意雷达方程中雷达后向散射系数随雷达入射角的变化；

b.雷达重复频率的修正：雷达真实运动速度是汽车运动速度的N倍，则雷达重复频率为原来的1/N；

f.雷达接收机中A/D采样控制门的修改：由雷达工作时序关系可知，回波信号延迟时间为：t＝2R/c，R为雷达作用距离，c为光速；

(4)进行车载试验，得到雷达数据，完成数据的成像处理；

(5)进行雷达图像的分析与试验效果的评价。

所述的合成孔径雷达成像条件为：

(1)成像路面应有足够的长度，其距离长度满足L≥3×β×R，β为雷达方位向波束宽度，R为雷达作用距离；

(2)公路一侧有成像目标，雷达成像区域与雷达的几何关系保证雷达波束入射到成像区域要有适当的入射角；

(3)高速公路应足够平坦，降低由于雷达运动的不平稳导致回波信号相干性降低。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)减低成本，本发明的车载试验不需要增加其它地面设施，只需要进行汽车的改造，相对于采用固定平台成像和机载试验成像而言，其成本较低；

(2)周期短，相对于采用固定平台成像和机载试验成像，需要进行地面设施的配套和飞机的改造，其周期相对较长，而本发明则周期短，不需要配套的地面设施。

(3)成像效果好，通过X波段合成孔径雷达车载试验表明，本发明试验成像效果好，并对试验图像进行分析，系统满足设计要求。

附图说明

图1为机载合成孔径原理及雷达观测示意图；

图2为本发明的车载SAR工作的几何关系图。

具体实施方式

如图1所示，合成孔径雷达是一种高分辨率的成像雷达，它可获得和光学照相相比拟的空间分辨率，即高的方位与距离两维分辨率。合成孔径雷达在距离向分辨率的提高依靠发射线性调频脉冲信号，接收时通过脉冲压缩技术得到高的分辨率，方位向分辨率的提高依据合成孔径原理。

一般的合成孔径雷达均采用正侧视工作方式，如图1所示，由合成孔径原理可知，车载合成孔径雷达成像与机载合成孔径雷达成像基本一致，一方面通过汽车(装载雷达)的运动，实现对目标(雷达工作于正侧视模式)的相对运动，雷达与目标应满足合成孔径的条件，主要是找到合适的成像条件(公路)，公路应满足以下条件：

(1)为了保证成像质量，汽车应运行在平坦的路面上，要求距离路面一定距离处有可以成像的区域，一般要求成像区域满足合成孔径成像条件；

(2)降低由于雷达运动的不平稳导致回波信号相干性降低，通常要求在高速公路路面上实现。

(3)汽车(雷达)的运动速度为匀速直线运动；

(4)汽车(雷达)的运行长度应足够长，应大于合成孔径长度的3倍以上，由于雷达的合成孔径长度与雷达的工作频率、波束宽度、雷达作用距离等参数密切相关，通常为几十米到几百米以上。

具体实施过程：

(1)成像路线的选择，需要找到合适的成像路面，并且满足合成孔径雷达成像条件；

成像条件要求：

a.高速公路应满足合成孔径原理，即应有足够的长度，其距离长度满足L≥3×β×R，β为雷达方位向波束宽度，R为雷达作用距离；

b.公路一侧有成像目标，雷达成像区域与雷达的几何关系保证雷达波束入射到成像区域要有适当的入射角，由于通常难以保证雷达照射目标的入射角与实际一致，因此建议可以适当的增大雷达入射角；

c.高速公路应足够平坦，降低由于雷达运动的不平稳导致回波信号相干性降低；

(2)雷达改装，将雷达电子设备装载在汽车上，要求雷达天线波束指向正侧视，即雷达波束中心与雷达前进方向保持垂直，雷达入射角应根据照射目标进行调整，保证雷达波束照射到目标，如图2所示；

具体过程：

g.汽车的改装，将雷达电子设备固定在汽车上，固定条件应满足车载振动条件要求；

h.雷达天线的安装，除一般天线的安装要求外，如波束无遮挡、锁紧固定等，要求天线波束中心与汽车前进方向保持垂直，即雷达工作在正侧视模式；

c.天线入射角的调整和测量，测量出雷达实际入射角(与雷达地面分辨率有关)，保证雷达波束照射到目标；

(3)修正雷达参数

a.雷达发射功率的修正：由于雷达作用距离的改变，雷达发射功率也需要调整，由于雷达作用距离相对较近，与实际应用的差别较大，需要对雷达发射功率进行重新计算，由雷达方程可知，雷达发射功率与作用距离的4次方成正比，可以计算出雷达发射功率，调整雷达发射功率保证雷达接收功率满足设计要求，注意由于雷达入射角的增大，雷达方程中其雷达后向散射系数也随之改变，因此调整功率时要考虑后向散射系数的变化；

b.雷达重复频率的修正：由于汽车的运动速度较慢，因此如果不修正雷达重复频率，则数据在方位向存在过采样，增加存储单元的压力，简单的重频修改可以认为与雷达运动速度成反比，即如果雷达真实运动速度是汽车运动速度的N倍，则雷达重复频率为原来的1/N；

c.雷达接收机中A/D采样控制门的修改：由于雷达作用距离的改变，回波信号的延时已随之改变，由雷达工作时序关系可知，回波信号延迟时间为：t＝2R/c，R为雷达作用距离，c为光速；

(4)雷达供电的考虑，可采用小型发电机或其它电源(如UPS电源等)，需要根据雷达系统功率进行计算，即根据雷达参数的变化，测量雷达的实际功率，考虑采用何种方式供电；电源输出功率不仅要满足雷达平均发射功率，也要能够提供峰值功率要求，同时要保证雷达工作时间；

(5)进行车载试验，得到雷达数据，完成数据的成像处理；

应注意：

a.保证汽车运动速度的平稳性，使汽车以恒定速度运动；

b.在试验过程中保证天线波束无遮挡，注意高速公路两边的建筑物和树木等影响；

c.试验中监视雷达回波信号，必要时需要调整采样脉冲时间，也可事先将汽车开到实际路线，测出回波信号的时延；

i.使汽车按照预定的路线运动，雷达工作于正常模式，进行雷达成像试验，获取雷达遥感数据；

j.完成雷达遥感数据的处理，得到雷达图像；

(6)雷达图像的分析与试验效果的评价

根据雷达图像，分析雷达图像质量，并通过比较或与理论值比对，对图像进行分析；对车载试验效果的评价，根据雷达成像效果及试验过程，对车载试验进行评价，是否满足系统试验验证的目的。

Claims (3)

1.合成孔径雷达系统验证方法，其特征在于通过以下步骤实现：

(1)成像路线的选择，选择成像路面，并且满足合成孔径雷达成像条件；

(2)雷达改装，将雷达电子设备装载在汽车上，要求雷达天线波束指向正侧视，即雷达波束中心与雷达前进方向保持垂直，雷达入射角应根据照射目标进行调整，保证雷达波束照射到目标，具体实现过程为：

a.汽车的改装：将雷达电子设备固定在汽车上，固定条件应满足车载振动条件要求；

b.雷达天线的安装：除一般天线的安装要求外，要求天线波束中心与汽车前进方向保持垂直，即雷达工作在正侧视模式；

c.天线入射角的调整和测量：测量出雷达实际入射角，保证雷达波束照射到目标；

(3)修正雷达参数，根据雷达作用距离、汽车的运动速度分别对雷达发射功率、雷达重复频率及雷达接收机中A/D采样控制门进行修正，具体实现为：

a.雷达发射功率的修正：由雷达方程可知，调整雷达发射功率与作用距离的4次方成正比，可以计算出雷达发射功率，并注意雷达方程中雷达后向散射系数随雷达入射角的变化；

b.雷达重复频率的修正：雷达真实运动速度是汽车运动速度的N倍，则雷达重复频率为原来的1/N；

c.雷达接收机中A/D采样控制门的修改：由雷达工作时序关系可知，回波信号延迟时间为：t＝2R/c，R为雷达作用距离，c为光速；

(4)进行车载试验，得到雷达数据，完成数据的成像处理；

(5)进行雷达图像的分析与试验效果的评价。

2.根据权利要求1所述的合成孔径雷达系统验证方法，其特征在于：所述的成像路面应有足够的长度，其距离长度满足L≥3×β×R，β为雷达方位向波束宽度，R为雷达作用距离。

3.根据权利要求1所述的合成孔径雷达系统验证方法，其特征在于：所述的雷达入射角以40°-60°为最佳。