CN107422325A - 一种全极化地基合成孔径雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全极化地基合成孔径雷达系统，包括地基合成孔径雷达自动测量装置、计算机、雷达主机，所述地基合成孔径雷达自动测量装置包括传动螺母、滚轮导轨、支架、圆极化天线、双刀双掷开关、步进马达，所述支架下端固定设置传动螺母，所述滚轮导轨左端设置步进马达，所述支架内部上端设置双刀双掷开关，所述支架内部设置全极化天线阵列，所述全极化天线阵列上设置有圆极化天线。与传统检测方法相比，本发明具有以下突出优点：全极化天线阵列分辨精度比单极化天线高，数据采集速度快且采用了自动化进程，该系统属于非接触测量方式可以实现对危险边坡的监测。
Description
技术领域
本发明涉及微波遥感技术领域，具体是一种全极化地基合成孔径雷达系统。
背景技术
地基合成孔径雷达具有获取地面目标三维信息及监测目标微小形变的能力。地基合成孔径雷达作为一种新型的对地形变监测设备，通过合成孔径成像技术实现雷达影像方位向和距离向的高空间分辨率。通过干涉技术可实现亚毫米级微变形监测，它可以实现对大坝，边坡，桥梁等建筑物进行小范围，高精度的连续监测，甚至可用于监测大坝随蓄水水位变化及温度变化产生的形变，还可以对地质滑坡等自然灾害进行有效的静态形变监测。
常规的大坝监测方法通常是利用监测点的绝对位置计算目标的形变量，这类方法需接触被测目标且获取的信息量较少，需布设大量监测点才能获取大坝整体形变信息。地基合成孔径雷达技术可无接触、高精度地获取大坝表面形变信息，可采用合成孔径雷达技术(SAR)和干涉测量技术，系统可根据监测需求，灵活设计目标物与雷达的成像几何关系，获取大坝表面在雷达视线向(Line of Sight，LOS)的形变信息。
地基合成孔径雷达在露天采矿边坡稳定性、水坝/堤坝形变、单体建(构)筑物结构变形等领域的应用最为广泛和成熟。由于这些目标物适宜于雷达波反射，GBSAR获得的相干目标数量多，其信噪比、相干系数和相位稳定性都较高，能够探测到观测目标的局部微小变形，为工程施工提供早期预警。
电磁散射特性是一个线性过程，雷达照射波和目标散射波的各极化分量之间存在着线性变换关系，而矩阵理论是线性变换的有力工具，故通常把目标对电磁波的极化变换作用写成极化散射矩阵的形式。设入射场的极化矢量为散射场的极化矢量为目标的散射矩阵为则另外，当极化方式为圆极化时，其散射矩阵可通过以下算式计算得到：
极化散射矩阵表征了目标对极化波的散射特性，而且与目标的形状、大小、材料、结构及姿态等因素有关，也与雷达的频率有关，因此，极化散射矩阵包含了丰富的信息。
全极化雷达是雷达研究领域的热点，也可以说是雷达系统的未来发展方向。我们可以通过研究获取的目标极化散射信号，进而全面的了解目标的散射特性，同时也将大大提高目标识别结果的准确性，相对于传统雷达具有以下几个优点：
1、全极化雷达能够使我们获取目标的极化散射矩阵。极化散射矩阵包含了在给定观测条件下目标电磁散射特性的全部信息，从而能够大大扩展雷达目标识别研究的信息来源。
2、全极化雷达可以得到任意极化状态下的目标散射回波。对于单极化雷达来说，使用不同极化状态的电磁波照射目标所获得的散射信息是不同的，这会给目标识别问题的研究带来不确定性。由于目标方位角的影响，即使是同一个目标，雷达获取的有效散射截面也不一定相同，而全极化雷达可以消除这些不确定性。
3、全极化雷达对于存在有源干扰、环境杂波等因素的工作环境具有更好的适应性。通过调整极化方式或者进行极化编码等方式都可以有效地降低有源干扰和环境杂波等因素的影响，有助于获得稳定的目标散射信息。
4、一些微弱电磁目标，由于其目标散射功率很小，信号很容易淹没在噪声中，极化域检测由于对目标散射功率具有弱依赖性，所以采用全极化SAR进行检测和分类所得到的结果会更为稳健。
现有技术中并没有将以上的技术进行合成设置出一个雷达系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全极化地基合成孔径雷达系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种全极化地基合成孔径雷达系统，包括，地基合成孔径雷达自动测量装置、计算机、雷达主机，所述地基合成孔径雷达自动测量装置包括传动螺母、滚轮导轨、支架、左旋圆极化天线、右旋圆极化天线、双刀双掷开关、步进马达，所述支架下端固定设置传动螺母，所述滚轮导轨左端设置步进马达，所述支架内部上端设置双刀双掷开关，所述支架内部设置全极化天线阵列，所述全极化天线阵列上设置有左旋圆极化天线和右旋圆极化天线。所述左旋圆极化天线和右旋圆极化天线均为2个。所述步进马达和雷达主机用于分别同步控制全极化天线阵列的位置移动以及雷达数据采集，雷达主机控制发射全极化天线阵列平行辐射高频电磁波，并通过接收全极化天线阵列记录来自前方目标的反射回波。所述左旋圆极化天线和右旋圆极化天线四种平面等角螺旋天线可构成左螺旋-左螺旋、左螺旋-右螺旋、右螺旋-左螺旋、右螺旋-右螺旋四组收发天线组合，该四组收发天线组合构成了全极化天线阵列，双刀双掷开关控制天线收发组合的选择，步进马达对全极化天线阵列的控制和雷达主机对雷达数据的采集分别由计算机上的自动控制和数据采集软件来同步实现，从而有效地实现地基合成孔径雷达数据的快速采集。
进一步地，所述地基合成孔径雷达自动测量装置还包括角度调节装置，所述角度调节装置用于调节雷达测量的仰角，以实现对目标的测量角度的调整。
进一步地，所述支架包括出风口和开关安装架，所述开关安装架左侧设置天线安装块，所述开关安装架上端设置接线端子，所述支架底部设置电源，所述电源电性连接双刀双掷开关，所述双刀双掷开关电性连接接线端子，所述支架顶部设置控制器，所述控制器电性连接接线端子。
进一步地，所述出风口为3个，其中2个位于所述支架的正面，1个位于背面。
进一步地，所述天线安装块相对于支架左右对称设置。
进一步地，所述控制器的型号为ACU7045。
进一步地，所述滚轮导轨下方设置支撑架。
进一步地，所述双刀双掷开关采用美国TELEDYNE公司生产的CCS37S双刀双掷开关。
本发明的技术效果和优点：
1.圆极化天线发射的电磁波可以被任意极化天线接收，并且任意极化天线发射的信号也可被圆极化天线接收；圆极化波具有旋向正交性，它是指左旋圆极化天线只能接收左旋圆极化波，右旋圆极化天线只能接收右旋圆极化波，在同一空间同一频率下的左旋圆极化波和右旋圆极化波并不会互相干扰；圆极化天线能够很好的抑制环境干扰，圆极化波在入射到对称物体时，反射波会改变旋向，也就是左旋圆极化波变成右旋圆极化波，右旋变成左旋，即圆极化天线对于目标的聚焦能力会更好。
2.全极化天线阵列是由两个左旋圆极化天线和两个右旋圆极化天线构成，四种天线可构成左旋-左旋、左旋-右旋、右旋-左旋、右旋-右旋四组收发天线组合，四组收发天线组合的切换由双刀双掷同轴开关自动转换。
3.本发明采用全极化天线阵列，其主要原因在于全极化天线阵列能够使我们获取目标的极化散射矩阵，其中包含了在给定观测条件下目标电磁散射特性的全部信息，从而能够大大扩展雷达目标识别研究的信息来源，而对于单极化雷达来说，使用不同极化状态的电磁波照射目标所获得的散射信息是不同的，这会给目标识别问题的研究带来不确定性。本系统采用的二端口全极化天线阵列，该系统具有RR,RL,LR和LL4种极化的散射矩阵包含了地物的全部散射信息,有利于深入分析地物特性。本发明可用于获取地面目标三维信息及监测目标微小形变。与传统检测方法相比，本发明具有以下突出优点：全极化天线阵列分辨精度比单极化天线高，数据采集速度快且采用了自动化进程，该系统属于非接触测量方式可以实现对危险边坡的监测。
附图说明
图1为本发明实施例的地基合成孔径雷达自动测量装置结构示意图；
图2为本发明实施例的支架外部结构示意图；
图3为本发明实施例的支架外部内部结构示意图。
图中：1、角度调节装置；2、支撑架；4、传动螺母；6、支架；7、双刀双掷开关；8、左旋圆极化天线；9、右旋圆极化天线；10、步进马达；11、全极化天线阵列；601、出风口；602、开关安装架；603、天线安装块；604、接线端子；605、电源；606、控制器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1-3中所示，本实施例提供一种全极化地基合成孔径雷达系统，包括，地基合成孔径雷达自动测量装置、计算机、雷达主机，所述地基合成孔径雷达自动测量装置包括传动螺母4、滚轮导轨5、支架6、左旋圆极化天线8、右旋圆极化天线9、双刀双掷开关7、步进马达10，所述支架6下端固定设置传动螺母4，所述滚轮导轨5左端设置步进马达10，所述支架6内部上端设置双刀双掷开关7，所述支架6内部设置全极化天线阵列11，所述全极化天线阵列11上设置有左旋圆极化天线8和右旋圆极化天线9。所述左旋圆极化天线8和右旋圆极化天线9均为2个。计算机控制单片机向步进马达发送脉冲指令，使步进马达转动实现全极化天线阵列11在二维位置上的移动。所述雷达主机用于雷达数据采集，雷达主机控制发射全极化天线阵列11平行辐射高频电磁波，并通过接收全极化天线阵列11记录来自前方目标的反射回波。所述左旋圆极化天线8和右旋圆极化天线9可构成左螺旋-左螺旋、左螺旋-右螺旋、右螺旋-左螺旋、右螺旋-右螺旋四组收发天线组合，该四组收发天线组合构成了全极化天线阵列11，双刀双掷开关7控制天线收发组合的选择，步进马达10对全极化天线阵列11的控制和雷达主机对雷达数据的采集分别由计算机上的自动控制和数据采集软件来同步实现，从而有效地实现地基合成孔径雷达数据的快速采集。进一步的，所述地基合成孔径雷达自动测量装置还包括角度调节装置1，所述角度调节装置1用于调节雷达测量的仰角。所述双刀双掷开关7优选采用美国TELEDYNE公司生产的CCS37S双刀双掷开关。
所述支架6包括出风口601和开关安装架602，所述开关安装架602左侧设置天线安装块603，所述开关安装架602上端设置接线端子604，所述支架6底部设置电源605，电源605给整个系统提供电能，所述电源605电性连接双刀双掷开关7，所述双刀双掷开关7电性连接接线端子604，所述支架6顶部设置控制器606，所述控制器606电性连接接线端子604。所述出风口601为3个支架6正面2个，背面1个，用于系统的散热。所述天线安装块603相对于支架6左右对称设置。所述滚轮导轨5的下方设置支撑架2。天线控制器能控制天线指向,实现自动跟踪、自动存星、自动调星、限位报警及自动保护等功能，工作稳定、可靠。
四种圆极化天线可构成左旋-左旋、左旋-右旋、右旋-左旋、右旋-右旋四组收发天线组合，这四种收发天线组合构成了全极化天线阵列，四组收发天线组合的切换由双刀双掷开关7进行转换。圆极化天线发射的电磁波可以被任意极化天线接收，并且任意极化天线发射的信号也可被任意极化天线接收；圆极化波具有旋向正交性，在同一空间同一频率下的左旋圆极化波和右旋圆极化波并不会互相干扰；圆极化波能够很好地抑制环境干扰；圆极化天线对于目标的聚焦能力会更好。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种全极化地基合成孔径雷达系统，其特征在于，包括地基合成孔径雷达自动测量装置、计算机、雷达主机，所述地基合成孔径雷达自动测量装置包括传动螺母(4)、滚轮导轨(5)、支架(6)、左旋圆极化天线(8)、右旋圆极化天线(9)、双刀双掷开关(7)、步进马达(10)，所述支架(6)下端滑动设置有滚轮导轨(5)，所述滚轮导轨(5)左端设置步进马达(10)，所述支架(6)内部上端设置双刀双掷开关(7)，所述支架(6)内部设置全极化天线阵列(11)，所述全极化天线阵列(11)上设置有左旋圆极化天线(8)和右旋圆极化天线(9)；所述步进马达(10)和雷达主机用于分别同步控制全极化天线阵列(11)的位置移动以及雷达数据采集，雷达主机控制发射全极化天线阵列(11)平行辐射高频电磁波，并通过接收全极化天线阵列(11)记录来自前方目标的反射回波；所述左旋圆极化天线(8)和右旋圆极化天线(9)均为2个，构成左螺旋-左螺旋、左螺旋-右螺旋、右螺旋-左螺旋、右螺旋-右螺旋四组收发天线组合，所述四组收发天线组合构成了全极化天线阵列(11)。
2.根据权利要求1所述的全极化地基合成孔径雷达系统，其特征在于，所述地基合成孔径雷达自动测量装置还包括角度调节装置(1)，所述角度调节装置(1)用于调节雷达测量的仰角。
3.根据权利要求1所述的全极化地基合成孔径雷达系统，其特征在于，所述支架(6)包括出风口(601)和开关安装架(602)，所述开关安装架(602)左侧设置天线安装块(603)，所述开关安装架(602)上端设置接线端子(604)，所述支架(6)底部设置电源(605)，所述电源(605)电性连接双刀双掷开关(7)，所述双刀双掷开关(7)电性连接接线端子(604)，所述支架(6)顶部设置控制器(606)，所述控制器(606)电性连接接线端子(604)。
4.根据权利要求3所述的全极化地基合成孔径雷达系统，其特征在于，所述出风口(601)为3个，其中2个位于所述支架(6)的正面，1个位于背面。
5.根据权利要求3所述的全极化地基合成孔径雷达系统，其特征在于，所述天线安装块(603)相对于支架(6)左右对称设置。
6.根据权利要求3所述的全极化地基合成孔径雷达系统，其特征在于，所述控制器(606)的型号为ACU7045。
7.根据权利要求1所述的全极化地基合成孔径雷达系统，其特征在于，所述滚轮导轨(5)的下方设置支撑架(2)。
8.根据权利要求1所述的全极化地基合成孔径雷达系统，其特征在于，所述双刀双掷开关(7)采用美国TELEDYNE公司生产的CCS37S双刀双掷开关。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |