CN107807357A - 一种远距离机载fmcw‑sar系统及其控制方法 - Google Patents

一种远距离机载fmcw‑sar系统及其控制方法 Download PDF

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    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques

Abstract

本发明涉及一种远距离机载FMCW‑SAR系统及其控制方法，该系统以解决现有的FMCW‑SAR基于同一脉冲周期发射信号与接收信号混频方式，作用距离有限不能远距离成像的问题，该系统包括发射单元、接收单元、FPGA主控模块以及机载POS系统；所述发射单元、接收单元以及机载POS系统均连接所述FPGA主控模块。该发明针对远距离的应用场景，调整采样周期，使接收信号与下一周期的发射信号进行混频，并对系统架构进行相应调整，从而使FMCW‑SAR系统可以应用在作用距离较远的场合，以实现FMCW‑SAR的远距离成像。

Description

一种远距离机载FMCW-SAR系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及调频连续波合成孔径雷达FMCW-SAR，尤其涉及一种远距离机载FMCW-SAR系统及其控制方法。
背景技术
现有FMCW-SAR，主要基于同周期信号混频的,由于受体制限制，作用距离有限，不能远距离成像，作用距离大多在20km以内。
如图1所示，现有的混频通常是将接收信号与同一脉冲周期的发射信号进行混频，由于不同距离所需的传输延迟不同，因此不同距离的回波延迟与距离成正比，而发射信号与接收信号混频，结果是由不同延迟形成的一系列点频信号，延迟大，对应频率高，反之，延迟小，对应频率低，因此远距离目标对应混频后的高频信号，近距离目标对应混频后的低频信号，具体对应关系如下式所示：
其中，f为混频后特定距离目标对应的中频频率，B为发射信号带宽，PRI为脉冲周期，R为目标到雷达距离，c为光速。因此，当B＝1GHz，PRI＝1ms，距离5km的目标，对应混频后的16.7MHz信号，可以看出，通过这种模拟去斜的方式，大大降低了中频信号带宽。但同时，将发射信号与同一个周期的回波信号进行混频处理，这样决定了目标越远，混频的有效时间越短，当回波延迟接近或者大于脉冲重复周期时，不能有效完成混频，因此现有的FMCW-SAR通常作用距离较近，大多在20公里内。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种远距离机载FMCW-SAR系统及其控制方法，该系统以解决现有的FMCW-SAR基于同一脉冲周期发射信号与接收信号混频方式，作用距离有限不能远距离成像的问题，针对远距离的应用场景，调整采样周期，使接收信号与后续脉冲周期的发射信号进行混频，并对系统架构进行相应调整，从而使FMCW-SAR系统可以应用在作用距离较远的场合，以实现FMCW-SAR的远距离成像。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种远距离机载FMCW-SAR系统，包括发射单元、接收单元、FPGA主控模块以及机载POS系统；所述发射单元、接收单元以及机载POS系统均连接所述FPGA主控模块；
所述发射单元，用于接受FPGA主控模块的控制，并通过DDS产生线性调频信号，其中，一路信号作为发射信号通过发射天线发射出去，另一路信号作为本振信号耦合到所述接收单元；
所述接收单元，用于通过接收天线接收目标回波信号，并和所述发射单元耦合过来的历史脉冲周期的本振信号进行混频，得到中频信号并传输给所述FPGA主控模块；
所述机载POS系统包括DGPS和惯性测量单元，用于为FPGA主控模块提供位置、速度和姿态信息；
所述FPGA主控模块，用于控制所述发射单元产生线性调频信号并对所述中频信号进行滤波、采样、距离向FFT数据预处理，得到目标相对于雷达的距离。
本发明的有益效果是：本发明改变了现有的同一脉冲周期发射信号与接收信号混频方式，通过调整采样周期，使接收信号与下一周期的发射信号进行混频，从而避免了远距离成像时长回波延迟带来的混频信噪比下降问题，并针对不同周期混频所要求的不同周期相位一致性，采用FPGA+DDS作为信号发生源，同时引入机载POS数据，获取飞行平台位置、速度、方向信息，作为调整采样周期的依据，从而使系统满足远距离成像的功能要求。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述发射单元包括依次连接的DDS、第二混频器、倍频器、第三滤波器、功放模块和发射天线，所述DDS和第二混频器均连接PLL，所述DDS连接所述FPGA主控模块；
所述DDS，用于接受FPGA主控模块的控制产生线性调频信号；
所述PLL，用于产生第二混频器的本振信号和DDS的本振信号；
所述第二混频器，用于对所述的调频信号进行上变频；
所述倍频器，用于对所述上变频后的信号进行倍频放大；
所述第三滤波器，用于对倍频放大后的信号进行滤波；
所述功放模块还连接所述接收单元，用于对滤波后的信号进行功率放大，其中，一路信号作为本振信号耦合到所述接收单元，另一路信号作为发射信号通过发射天线发射出去。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用直接数字式频率合成(DDS)方式产生调频信号，可以保证不同周期信号具有良好的相位保持特性。
进一步，所述接收单元包括依次连接的接收天线、低噪声放大器、第二滤波器、第一混频器、第一滤波器、放大器和A/D采集模块；所述A/D采集模块连接所述FPGA主控模块；所述第一混频器连接所述功放模块；
所述接收天线，用于接收目标回波信号；
所述低噪声放大器，用于将接收到的目标回波信号进行低噪声放大；
所述第二滤波器，用于对经过低噪声放大后的信号进行滤波；
所述第一混频器，用于将放大、滤波后的信号和功放模块耦合过来的历史脉冲周期的本振信号进行混频，得到中频信号；
所述第一滤波器，用于对所述中频信号进行滤波；
所述放大器，用于将滤波后的中频信号放大；
所述A/D采集模块，用于对放大后的中频信号进行采样转变为数字中频信号，并送给所述FPGA主控模块进行处理。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用新的接收混频方式，可以有效避免传统同周期混频在远距离成像时由于传播延迟造成的信噪比严重下降问题,提高了信号处理增益，使系统从机制上适应于远距离成像。
进一步，所述FPGA主控模块还连接有无线通信模块，所述无线通信模块无线连接上位机，
所述上位机，用于获取所述FPGA主控模块处理后的数据，得到观测区域的成像结果；同时向所述FPGA主控模块发送启动信号采集指令及配置DDS。
采用上述进一步方案的有益效果是：FMCW-SAR通常搭载于无人机平台，通过无线通信模块，可以实现地面人员对FMCW-SAR工作情况的实时监视和控制，并通过获取飞行平台的高度、速度、姿态等信息，根据需求实时调整FMCW-SAR的发射信号周期、数字信号流的处理起始时刻等,提高成像效果。
进一步，所述FPGA主控模块还连接有Flash存储模块，用于实时存储所述FPGA主控模块预处理的回波信号。
进一步，所述Flash存储模块采用16片单片32GB容量的Flash闪存芯片。
另外，本发明还提供了一种基于远距离机载FMCW-SAR系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)FPGA主控模块通过机载POS系统获取平台的飞行高度、速度和方向信息；
(2)根据飞行高度、天线斜视角度确定斜视距离，并结合飞行速度信息计算确定脉冲重复周期；
(3)上位机通过无线通信模块与机载FMCW-SAR系统进行无线通信，根据所述脉冲重复周期配置DDS；
(4)上位机通过无线通信模块发送启动信号采集指令，FPGA主控模块控制DDS产生线性调频信号，经过上变频，倍频，滤波，放大后发送至发射天线，同时从功放引一路耦合信号回第一混频器作为本振信号；
(5)接收天线接收回波信号，经过低噪放大、滤波后，进入第一混频器，并与上一个脉冲周期的本振信号进行混频，得到中频信号，然后经过滤波放大，送给采样率为200MHz的A/D采样端；
(6)A/D采集模块将采样后的信号发送给FPGA主控模块，FPGA主控模块对数据进行滤波、采样、加窗、FFT和截取操作，得到完成了距离向聚焦的数据，并存入Flash闪存芯片；
(7)上位机获取所述数据，并进行运动补偿、距离徙动校正、方位向聚焦处理后，得到观测区域的成像结果。
采用上述进一步方案的有益效果是：动态配置DDS，从硬件上保证了脉冲重复周期变化和数字信号流处理起始时刻调整的灵活配置。
进一步，所述脉冲重复周期为PRI：
其中，fd为方位向最大多普勒频率，λ为发射信号波长，v为平台速度，θa为方位向波束宽度。
采用上述进一步方案的有益效果是：根据平台飞行速度，算法上动态调整脉冲重复周期，在低速飞行时，采用大的周期，提高成像信噪比，在高速飞行时，减小脉冲重复周期，适应平台需求，通过自适应调整获得最大的成像效果。
附图说明
图1为本发明系统结构图；
图2为本发明系统原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明针对现有的FMCW-SAR受体制限制，作用距离大多在20km以内，不能远距离成像的问题，改变了现有的同一脉冲周期发射信号与接收信号混频方式，针对远距离的应用场景，调整采样周期，使接收信号与下一周期的发射信号进行混频，并对系统架构进行相应调整，从而使系统可以应用在作用距离较远的场合。
如图2所示，一种远距离机载FMCW-SAR系统，包括发射单元、接收单元、FPGA主控模块以及机载POS系统；所述发射单元、接收单元以及机载POS系统均连接所述FPGA主控模块；
所述发射单元，用于接受FPGA主控模块的控制，并通过DDS产生线性调频信号，其中，一路信号作为发射信号通过发射天线发射出去，另一路信号作为本振信号耦合到所述接收单元；
所述接收单元，用于通过接收天线接收目标回波信号，并和所述发射单元耦合过来的历史脉冲周期的本振信号进行混频，得到中频信号并传输给所述FPGA主控模块；
所述机载POS系统包括DGPS和惯性测量单元，用于为FPGA主控模块提供位置、速度和姿态信息；
所述FPGA主控模块，用于控制所述发射单元产生线性调频信号并对所述中频信号进行滤波、采样、距离向FFT数据预处理，得到目标相对于雷达的距离。
所述发射单元包括依次连接的DDS、第二混频器、倍频器、第三滤波器、功放模块和发射天线，所述DDS和第二混频器均连接PLL，所述DDS连接所述FPGA主控模块；
所述DDS，用于接受FPGA主控模块的控制产生线性调频信号；
所述PLL，用于产生第二混频器的本振信号和DDS的本振信号；
所述第二混频器，用于对所述的调频信号进行上变频；
所述倍频器，用于对所述上变频后的信号进行倍频放大；
所述第三滤波器，用于对倍频放大后的信号进行滤波；
所述功放模块还连接所述接收单元，用于对滤波后的信号进行功率放大，其中，一路信号作为本振信号耦合到所述接收单元，另一路信号作为发射信号通过发射天线发射出去。
所述FPGA主控模块控制DDS产生线性调频信号,经过上变频、倍频、放大及滤波，为功放模块提供发射信号，通过发射天线发射出去；中心频率为17.2GHz，带宽1GHz，功率为0dBm。功放模块输入为0dBm，输出40dBm，同时耦合出一路25dBm的信号作为去斜通道的本振，在本发明的实施例中，采用的是Ku波段标准喇叭天线(增益20dB)，波束宽度16°。
所述接收单元包括依次连接的接收天线、低噪声放大器、第二滤波器、第一混频器、第一滤波器、放大器和A/D采集模块；所述功放模块还连接所述第一混频器，用于提供本振信号；所述A/D采集模块连接所述FPGA主控模块；所述低噪声放大器将接收天线接收到的目标回波信号进行低噪声放大滤波，其中前端接收采用两级放大，放大器输入输出级通过微带线进行匹配，低噪声放大器采用三菱的MGF4953B，增益10dB，噪声系数0.8dB。
所述第一混频器将放大滤波后的信号下变频到中频信号，所述中频信号经过滤波放大后输入到14bits的A/D采集模块采样,ADC的采样时钟为200MHz，FPGA接收ADC的采样数据，并对信号进行滤波、采样、距离向FFT等数据预处理操作，并将处理后的数据存储到片上Flash中。本发明的实施例中FPGA采用了ALTERA的arrira V系列，该FPGA具有2个DDR2、DDR3的硬核，有大约12Mbits的片内SRAM能力，以及800个可变精度的DSP块和总共12个片内PLL、4个DLL。存储模块选用16片单片32GB容量Flash闪存芯片实现，用来实时存储经FPGA预处理的回波信号。
所述FPGA主控模块还连接有无线通信模块，所述无线通信模块无线连接上位机，所述上位机，用于获取所述FPGA主控模块处理后的数据，得到观测区域的成像结果；同时向所述FPGA主控模块发送启动信号采集指令及配置DDS。
相比于现有的FMCW-SAR,本发明不仅仅是通过改变脉宽，进而改变了混频的方式。为了达到有效的混频，要求不同脉冲信号有很好的相位保持度，因此在系统设计上进行了针对性改进，目前大量使用的锁相环+VCO等信号产生方式，由于不同脉冲间不具备相位保持特性，并不适用于本发明提出的体制。这里采用直接数字式频率合成(DDS)方式产生调频信号，可以保证不同周期信号具有良好的相位保持特性。在本发明实施例中，采用的是ADI推出的AD9915芯片，该时钟采用2.5GSPS参考时钟，内置12bitDAC，16bit相位调校精度，可以产生复杂的调制信号。该设计相比于锁相环+VCO方案，复杂度有所提高，但是在相噪产生信号样式灵活性等方面有一定提高。同时，可以满足本发明提出的远距离成像系统的功能要求。
本发明根据上述远距离机载FMCW-SAR系统，还提供了一种远距离机载FMCW-SAR系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)FPGA主控模块通过机载POS系统获取平台的飞行高度、速度和方向信息；
(2)根据飞行高度、天线斜视角度确定斜视距离，并结合飞行速度信息计算确定脉冲重复周期；
例如本次观测的条带，近端和远端斜据为40km-45km,此时脉冲周期τ可以选取为近端的回波延迟，即：
则选取PRI为260us(为保证接收信号去斜的完整性PRI要略低于回波延迟)。
(3)上位机通过无线通信模块，与机载FMCW-SAR进行通信，配置DDS,使产生的调频信号PRI满足任务要求。
(4)上位机通过无线通信模块发送启动信号采集指令，FPGA主控模块控制DDS产生调频连续波信号，经过上变频、倍频、滤波、放大器放大后发送至天线，同时从功放引一路耦合信号回第一混频器。
(5)接收端接收回波信号，经过低噪放、滤波、放大后，进入第一混频器，并与上一个脉冲周期的信号进行混频，得到带宽为0～80MHz的混频信号(去斜信号)，然后经过滤波放大，送给采样率200MHz的A/D采样端。
(6)A/D采集模块将采样后的信号，发送给FPGA主控模块,FPGA主控模块对数据进行滤波、采样、加窗、FFT、截取等操作，得到完成了距离向聚焦的数据，并存入FLASH阵列中。
(7)上位机获取FLASH阵列中存储的数据，进行运动补偿、距离徙动校正、方位向聚焦等处理后，得到观测区域的成像结果。
对于FMCW-SAR来说，脉冲重复周期是一个很关键的指标，一方面，为了适应高速平台，需要一个较小的PRI，另一方面，对于传统的同周期混频的调频连续波雷达，小的PRI又限制了FMCW-SAR的作用距离。本发明的优势是突破了小PRI对FMCW-SAR的作用距离。
首先调频连续波的脉冲重复频率是对方位向的采用，对于SAR来说，脉冲重复频率一定要大于多普勒带宽，如下式：
PRF＞2fd即
上式中，PRF为脉冲重复频率，PRI为脉冲重复周期，fd为方位向最大多普勒频率，λ为发射信号波长，v为平台速度，θa为方位向波束宽度。因此，对于脉冲重复周期是有上限要求的，其与平台速度成反比，平台速度越快，要求PRI越小，也就是方位向采样频率越高。例如，对于一个中心频率17.2GHz的FMCW-SAR，当平台速度100km/h，方位向波束宽度16°，脉冲重复周期为0.949ms。现在随着无人机技术的发展，无人机飞的越来越快也越高，当平台速度大于500km/h时，脉冲宽度就要低于0.190ms。
另一方面，PRI为0.19ms的发射信号，按照传统的发射信号与同周期混频方式，当作用距离大于15km时，此时回波延迟就达到0.1ms，有效混频时间小于0.09ms。由于混频信号的质量与混频时间有关，此时系统基本是不可用状态。用本发明的发射信号与前一周期混频的方式，则系统可以更灵活的根据作用距离选择信号PRI，例如当作用距离(斜据)为25km～30km时，此时，对于传统方式混频，已经是不可作用精度距离，但按照本发明的控制方法，选取系统脉宽0.16ms，此时回波延迟在0.166～0.2ms之间，第一个脉冲的回波刚好落在第二个脉冲周期的起始段，可以获得较好的混频效果。
综上，本发明的SAR更能适用未来无人机飞行高度和速度的不断提高带来的系统需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种远距离机载FMCW-SAR系统，其特征在于，包括发射单元、接收单元、FPGA主控模块以及机载POS系统；所述发射单元、接收单元以及机载POS系统均连接所述FPGA主控模块；
所述发射单元，用于接受FPGA主控模块的控制，并通过DDS产生线性调频信号，其中，一路信号作为发射信号通过发射天线发射出去，另一路信号作为本振信号耦合到所述接收单元；
所述接收单元，用于通过接收天线接收目标回波信号，并和所述发射单元耦合过来的历史脉冲周期的本振信号进行混频，得到中频信号并传输给所述FPGA主控模块；
所述机载POS系统包括DGPS和惯性测量单元，用于为FPGA主控模块提供位置、速度和姿态信息；
所述FPGA主控模块，用于控制所述发射单元产生线性调频信号并对所述中频信号进行滤波、采样、距离向FFT数据预处理，得到目标相对于雷达的距离。
2.根据权利要求1所述的远距离机载FMCW-SAR系统，其特征在于，所述发射单元包括依次连接的DDS、第二混频器、倍频器、第三滤波器、功放模块和发射天线，所述DDS和第二混频器均连接PLL，所述DDS连接所述FPGA主控模块；
所述DDS，用于接受FPGA主控模块的控制产生线性调频信号；
所述PLL，用于产生第二混频器的本振信号和DDS的本振信号；
所述第二混频器，用于对所述的调频信号进行上变频；
所述倍频器，用于对所述上变频后的信号进行倍频放大；
所述第三滤波器，用于对倍频放大后的信号进行滤波；
所述功放模块还连接所述接收单元，用于对滤波后的信号进行功率放大，其中，一路信号作为本振信号耦合到所述接收单元，另一路信号作为发射信号通过发射天线发射出去。
3.根据权利要求2所述的远距离机载FMCW-SAR系统，其特征在于，所述接收单元包括依次连接的接收天线、低噪声放大器、第二滤波器、第一混频器、第一滤波器、放大器和A/D采集模块；所述A/D采集模块连接所述FPGA主控模块；所述第一混频器连接所述功放模块；
所述接收天线，用于接收目标回波信号；
所述低噪声放大器，用于将接收到的目标回波信号进行低噪声放大；
所述第二滤波器，用于对经过低噪声放大后的信号进行滤波；
所述第一混频器，用于将放大、滤波后的信号和功放模块耦合过来的历史脉冲周期的本振信号进行混频，得到中频信号；
所述第一滤波器，用于对所述中频信号进行滤波；
所述放大器，用于将滤波后的中频信号放大；
所述A/D采集模块，用于对放大后的中频信号进行采样转变为数字中频信号，并送给所述FPGA主控模块进行处理。
4.根据权利要求1所述的远距离机载FMCW-SAR系统，其特征在于，所述FPGA主控模块还连接有无线通信模块，所述无线通信模块无线连接上位机，
所述上位机，用于获取所述FPGA主控模块处理后的数据，得到观测区域的成像结果；同时向所述FPGA主控模块发送启动信号采集指令及配置DDS。
5.根据权利要求1所述的远距离机载FMCW-SAR系统，其特征在于，所述FPGA主控模块还连接有Flash存储模块，用于实时存储所述FPGA主控模块预处理的回波信号。
6.根据权利要求1所述的远距离机载FMCW-SAR系统，其特征在于，所述Flash存储模块采用16片单片32GB容量的Flash闪存芯片。
7.一种远距离机载FMCW-SAR系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)FPGA主控模块通过机载POS系统获取平台的飞行高度、速度和方向信息；
(2)根据飞行高度、天线斜视角度确定斜视距离，并结合飞行速度信息计算确定脉冲重复周期；
(3)上位机通过无线通信模块与机载FMCW-SAR系统进行无线通信，根据所述脉冲重复周期配置DDS；
(4)上位机通过无线通信模块发送启动信号采集指令，FPGA主控模块控制DDS产生线性调频信号，经过上变频，倍频，滤波，放大后发送至发射天线，同时从功放引一路耦合信号回第一混频器作为本振信号；
(5)接收天线接收回波信号，经过低噪放大、滤波后，进入第一混频器，并与上一个脉冲周期的本振信号进行混频，得到中频信号，然后经过滤波放大，送给采样率为200MHz的A/D采样端；
(6)A/D采集模块将采样后的信号发送给FPGA主控模块，FPGA主控模块对数据进行滤波、采样、加窗、FFT和截取操作，得到完成了距离向聚焦的数据，并存入Flash闪存芯片；
(7)上位机获取所述数据，并进行运动补偿、距离徙动校正、方位向聚焦处理后，得到观测区域的成像结果。
8.根据权利要求7所述的远距离机载FMCW-SAR系统的控制方法，其特征在于，所述脉冲重复周期为PRI：
<mrow> <mi>P</mi> <mi>R</mi> <mi>I</mi> <mo>&lt;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>f</mi> <mi>d</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;lambda;</mi> <mrow> <mn>4</mn> <mi>v</mi> <mi> </mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，fd为方位向最大多普勒频率，λ为发射信号波长，v为平台速度，θa为方位向波束宽度。
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