CN109597073A - 一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，所述系统包括：信号发射模块、2个天线、信号接收模块、信号采集模块和信号处理模块；所述信号发射模块，用于产生线性调频脉冲信号，进行处理后传给天线，还用于向信号采集模块发送高电平；所述天线，采用单发双收工作模式，用于通过脉间交替发射水平极化和垂直极化的脉冲信号；并将接收到的回波数据传输给信号接收模块；所述信号接收模块，用于对回波数据进行解调处理得到同相、正交两路基带中频信号；所述信号采集模块，用于对基带中频信号进行采样得到全极化数据，发送到信号处理模块；所述信号处理模块，用于对全极化数据进行处理得到压缩后的复图像。

Description

一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统

技术领域

本发明属于合成孔径雷达技术领域，具体涉及一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。上世纪80年代以来，伴随着航空、电子、信息以及材料等技术的发展，无人机技术得到了长足进步。无人机的蓬勃发展和广泛应用取决于其自身所具备的显著优势：一是无需考虑飞行员因素，从而可以节省大量人员成本且无人员伤亡风险。无人机可以完成许多困难、复杂的任务，并且生产、使用和日常维护成本较低，性价比优势突出；二是机动性能好、生存能力强，相对于有人载具而言，无人机重量轻、体积小，机动飞行能力强、使用方便，对使用环境、起降场地要求较低；三是应用领域广泛，无人机在战场侦察、对抗、攻击等军事应用中确立了其特有的地位，在突发灾害和应急事件的监测中发挥了重要作用，在航空摄影、地图测绘、环境监测、矿产资源勘查、动物保护以及农业、林业等诸多民用领域的应用日趋广泛。

合成孔径雷达作为一种工作于主动探测方式的微波成像遥感技术，自上世纪50年代出现以来，一直是雷达遥感领域的发展热点，是实现对地观测不可或缺的重要手段。合成孔径雷达与无人机相结合有利于无人机遥感系统整体性能的发挥。无人机载合成孔径雷达升空时间短、操作简单、可以迅速到达观测区进行飞行，特别适合对近距和带状地区(深林、河道、山丘等)成像，大大增强了无人机的探测能力。

地面目标对不同极化方式的电磁波后向散射特性不同，主要和目标的几何形状、尺寸和物理特性有关。传统的合成孔径雷达只能在某一种极化的发射和接收天线下利用目标回波功率进行成像，在相当大程度上损失了回波中所包含的目标极化信息。极化合成孔径雷达信息处理的一个主要研究目的就是根据目标散射回波提取目标特征，在此基础上分析目标特性，从而对不同类型目标进行区分。因此，极化合成孔径雷达系统可以显著改善成像的可靠性，全面地定量分析地面目标的雷达散射特性。

此外，传统合成孔径雷达只能对地球表面的目标产生二维的雷达图像，无法获得目标的高度信息。而干涉合成孔径雷达能实现对观测目标的三维成像，即能够获取目标的三维坐标。其原理是通过两副天线同时观测(或一副天线重复飞行观测)，获得同一区域的重复观测数据(复数影像对)，提取同一目标对应的两个回波信号之间的相位差，结合雷达平台的轨道参数等提取高程信息，获得数字地表模型。

极化干涉合成孔径雷达是将雷达干涉测量与极化测量进行结合，极化干涉技术能够充分发挥极化测量的优势，有效解决散射机制存在的局限性问题，从而提高干涉测量的精确度，得到准确的测量结果。

随着新型复合材料技术、微电子技术、通信技术的高速发展，小型化无人机逐渐应用于在民用和军用诸多领域，美国、欧洲等先进国家也都竞相发展低于5kg的微型无人机载合成孔径雷达系统。具有代表性的微型无人机载合成孔径雷达系统主要有德国的MiSAR、荷兰的AMBER、波兰的SARENKA以及美国的NanoSAR、microSAR和NuSAR等。这些雷达系统的距地工作高度在500米至10公里之间，且无多极化及干涉功能。随着行业应用不断深化，森林监测、林业及资源勘探等领域对距地工作高度在200米以下的近距离微型极化干涉合成孔径雷达的需求愈发强烈，而这方面的研究才刚刚起步，尚缺乏能够满足实际需求的成熟系统。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统。

本发明采用的技术方案为：

一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，所述系统包括：信号发射模块、2个天线、信号接收模块、信号采集模块和信号处理模块；

所述信号发射模块，用于产生线性调频脉冲信号，进行处理后传给天线，还用于向信号采集模块发送高电平；

所述天线，采用单发双收工作模式，用于通过脉间交替发射水平极化和垂直极化的脉冲信号；并将接收到的回波数据传输给信号接收模块；

所述信号接收模块，用于对回波数据进行解调处理得到同相、正交两路基带中频信号；

所述信号采集模块，用于对基带中频信号进行采样得到全极化数据，发送到信号处理模块；

所述信号处理模块，用于对全极化数据进行处理得到压缩后的复图像。

作为上述系统的一种改进，所述信号发射模块包括依次连接的：微控制器、数字频率合成器、中频放大器、上变频器、滤波器、推动级放大器和末级放大器；

所述微控制器，用于控制数字频率合成器；

所述数字频率合成器，用于产生线性调频脉冲信号作为发射脉冲，所述线性调频脉冲信号s_pul(τ)为：

s_pul(τ)＝ω_r(τ)cos{2πf₀τ+πK_rτ²}

其中，K_r为距离向的脉冲调频率，f₀为中心频率，ω_r(τ)为脉冲包络，τ为延时；所述发射脉冲的长度Tr＝3us。

作为上述系统的一种改进，所述系统的信号带宽为160MHz；所述系统的多普勒带宽为44Hz，脉冲重复频率为500Hz；所述系统的噪声等效后向散射系数为-30dB，对应的平均发射功率为1.75mw，占空比为0.15％，峰值功率为1.16W。

作为上述系统的一种改进，所述天线为双极化微带阵列天线；所述双极化微带阵列天线有水平极化和垂直极化两个端口，当信号从水平极化端口馈入时，辐射水平极化电磁波；当信号从垂直极化端口馈入时，辐射垂直极化电磁波。

作为上述系统的一种改进，所述天线的俯仰波束宽度为5.5°，所述天线的方位向波束宽度为6.68°。

作为上述系统的一种改进，所述信号接收模块包括依次连接的限幅器、低噪声放大器、下变频器、中频放大器和低通滤波器。

作为上述系统的一种改进，所述信号采集模块包括：FPGA以及与其连接的4个AD采样芯片、2个DDR3存储芯片6片Flash芯片和千兆网口。

作为上述系统的一种改进，所述信号处理模块包括：距离压缩单元、方位FFT单元、距离徙动校正单元、方位压缩单元和方位IFFT单元；

所述距离压缩单元，用于对方位时域的全极化数据进行快速卷积，然后进行距离FFT、距离向匹配滤波，再进行距离IFFT实现距离压缩；

所述方位FFT单元，用于通过方位FFT将距离压缩后的数据变换至距离多普勒域；

所述距离徙动校正单元，用于在距离多普勒域进行随距离时间及方位频率变化的距离徙动校正；

所述方位压缩单元，用于通过每一距离门上的频域匹配滤波实现方位压缩；

所述方位IFFT单元，用于通过方位IFFT将方位压缩后的数据变换为时域，输出压缩后的复图像。

本发明的优势在于：

1、本发明的雷达系统采用一发双收模式实现干涉，一个天线交替水平极化和垂直极化电磁波，两个天线同时接收，得到2组全极化数据。解决了单发单收重复飞行轨道有偏差、存在时间间隔、地面信息改变等问题，提高了系统的可靠性和精度；

2、通过本发明的雷达系统获取的极化干涉合成孔径雷达数据可以根据目标散射回波提取目标特征，利用不同的极化可以对目标进行分类，并且可以通过干涉处理可以得到地表的数字高程信息；

3、本发明的雷达系统最终硬件重量在2.5kg以内，能够应用于距地工作高度在200米以下的小型无人机平台，本发明获得的全极化干涉合成孔径雷达数据可应用于深林检测，农业估产，资源规划，也可应用于地形测绘和地表形变检测等领域。

附图说明

图1为本发明的无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统的组成图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

本发明给出一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，系统主要由五部分组成，分别是：信号发射部分、天线部分、信号接收部分、信号采集部分以及信号处理部分。系统框图如图1所示。

S1)信号发射部分，微控制器控制数字频率合成器产生线性调频脉冲信号，经中频放大、上变频、滤波、推动级放大和末级放大后传给天线部分。此外，信号发射部分的微控制器还用于控制信号采集部分，当需要进行信号采集时，微控制器会向信号采集部分发送高电平作为采集信号。

本发明的极化干涉合成孔径雷达系统工作频率在C波段，中心频率5.7GHz，合系统使用的线性调频脉冲表达式为：

s_pul(τ)＝ω_r(τ)cos{2πf₀τ+πK_rτ²}

其中，s_pul为发射脉冲，K_r为距离向的脉冲调频率，f₀为中心频率，ω_r(τ)为脉冲包络。

发射脉冲长度Tr需小于近距点回波延时，否则天线无法接收到近距点回波，Tr需满足：

发射脉冲长度Tr需小于近距点回波延时，否则天线无法接收到近距点回波，Tr需满足：

其中，h为雷达高度，R为雷达到地面近距点的距离，θ为雷达波束的近距入射角，本发明雷达距地工作高度为180米，近距入射角为70°，因此可以计算得到：R＝526m，Tr<3.5us，本发明取Tr＝3us

雷达系统地距分辨率与信号带宽有关，满足关系式：

式中：1.2为加权展宽因子，B为信号带宽，c为光速。本系统设定地距分辨率为1.2米，视角变化范围为70°-75.5°。此时，信号带宽取155MHz-160MHz即可满足上式要求，本发明取信号带宽为160MHz。

目标的多普勒带宽满足下式：

式中，V_s为雷达速度，θ_r,c为雷达斜视角La为天线长度。

这一带宽决定了采样要求，即确定了脉冲重复频率的下限，脉冲重复频率(PRF)设为过采样率与多普勒带宽的乘积。本发明取方位向分辨率为0.2m，天线长度为0.4m，换算成方位向半功率波瓣宽度约为6.68°。因此，本发明所涉及雷达的多普勒带宽为44Hz，本发明设定脉冲重复频率为500Hz(周期2ms)。

由于复采样脉冲重复频率应大于方位信号带宽的主要部分。方位向过采样率α_os,a通常为1.1～1.4，如果脉冲重复频率太低，由混叠引起的方位模糊会很严重。本发明方位向过采样率大于距离向过采样率，因为方位频谱比距离频谱衰落的慢。

合成孔径雷达系统常用噪声等效后向散射系数(NESZ)来表示系统灵敏度，并作为一个主要技术指标，其定义为SNR＝0dB时的平均后向散射系数：

其中，

R：目标与雷达之间的斜距，取远距

K：波尔兹曼常数。

T：系统绝对温度。

Fn：系统噪声系数。

Va：载机飞行速度。

L：雷达系统损耗。

Pav：平均发射功率。

G：天线单程增益。

λ：雷达工作波长，取中心频率5.7GHz对应波长。

δ_rg：地距分辨率，取1.2m。

ka、kr：方位、距离脉压加窗损失。(在海明窗加权时，选-1.34dB。)

通常机载合成孔径雷达系统NESZ为-25dB可满足要求，对于极化干涉合成孔径雷达系统，降低NESZ的值有助于得到更高的信噪比，可以减小相位误差，提高测高精度。因此，本发明按照NESZ为-30dB设计，对应平均发射功率1.75mw。

占空比是指在一个脉冲循环内，信号相对于总时间所占的比例。本发明距地工作高度为180m，入射角为70°，发射信号脉宽为3us，周期为2ms，可计算得到占空比为0.15％，峰值功率1.16W。

S2)天线部分，本发明采用双极化微带阵列天线。双极化天线有水平极化和垂直极化两个端口，当信号从水平极化端口馈入时，天线辐射水平极化电磁波；当信号从垂直极化端口馈入时，天线辐射垂直极化电磁波，双极化天线用于把信号源生成的高频脉冲分时以水平极化和垂直极化的方式辐射到自由空间中，并且提供合成孔径雷达成像需要的波束宽度。所述天线有2部，安装在无人机平台的不同位置，用于实现干涉处理。

系统采用单发双收工作模式，一个天线交替发射水平极化和垂直极化的电磁波，两个天线同时接收回波。第一个脉冲发射水平极化电磁波，两个天线共4条接收通道同时接收水平极化回波，第二个脉冲发射垂直极化电磁波，两个天线共4条接收通道同时接收垂直极化回波，第三个脉冲继续发射水平极化电磁波，合成孔径雷达系统不断工作获得两组全极化合成孔径雷达数据。

脉冲以光速沿同心球面向外传播，脉冲从天线发射后经时间t1到达地面。在不到1ms后的时刻t2，脉冲结束边缘经过远距点。这样，在近距和远距之间的每个点都被波束持续照射了Tr时长。俯仰波束宽度需满足下式：

a＝h·tan(70°)

其中，a为星下点到近距点的距离，b为条带宽度，θ为俯仰波束宽度。本发明取条带为200米，载机高度为180米，近距入射角为70°，计算得到俯仰波束宽度5.5°。

天线方位向半功率波瓣宽度满足下式：

合成孔径雷达方位向分辨率满足下式：

本发明取方位向分辨率为0.2m，天线长度为0.4m，可计算得到方位向波束宽度为6.68°。

S3)信号接收部分，回波信号经限幅器、低噪声放大器、下变频、中频放大和滤波操作后，得到中频信号。

雷达信号在传播过程中强度会减弱，回到接收端后需要对其进行放大处理。由于会接收到信号频率外的杂波，所以需要滤除信号频率外的杂波，所述信号接收通路有4条，获得不同极化的回波数据，实现全极化和干涉，对回波数据进行解调处理得到I、Q两路基带信号。

线性调频源生成信号后，经双极化微带阵列天线辐射出去，电磁波遇到反射体后反射回天线端，回波信号表达式为：

x(τ)＝cos{2πf₀τ+φ(τ)}

其中，φ(τ)为调制带宽。

本发明所涉及雷达系统的回波频率范围为5.62GHz-5.78GHz，将该数据与cos(2πf₀τ)相乘，结果为：

从上式可以看出，将回波信号与频率5.62GHz的单频信号相乘，所得信号频率为0-160MHz和11.24-11.4GHZ，本发明采用低通滤波器对第二部分信号进行滤除，滤波后的频率为0-160MHz。

S4)信号采集部分，主要由FPGA、AD采样芯片、Flash芯片、DDR3存储芯片和千兆网口组成，用于对基带信号进行采样存储，并且可以通过网口将数据转发给其他设备进行处理。

当雷达不处于发射状态时，它接收地物反射回波。在机载情况下，每个回波可以在脉冲发射间隔内直接接收到。

本发明所述雷达系统工作高度为180m，近距入射角为70°，条带宽度为200m，近距点斜距为526m，远距点斜距为717m，脉冲长度为3us。接收机需要在3us后、3.5us前开启。

采样窗长度由下式计算：

其中，R₁、R₂分别为雷达到探测带近距、远距的斜距。实际采样窗长度略大。采样完毕后关闭接收机。

S5)信号处理部分，采用距离多普勒算法(RDA)对原始数据进行成像处理。它通过距离和方位上的频域操作，达到了高效的模块化处理要求吗，同时又具有一维操作的简便性。该算法根据距离和方位上的大尺度时间差异，在两个一维操作之间使用距离徙动校正(RCMC)，对距离和方位进行了近似的分离处理。由于RCMC是为距离时域-方位频域中实现的，所以也可以进行高效的模块化处理。因为方位频率等同于多普勒频率，所以该处理域又称为“距离多普勒”域。RCMC的“距离多普勒”域实现是RDA与其他算法的主要区别点，因而称其为距离多普勒算法。主要包括距离傅里叶变换、距离压缩、方位傅里叶变换、距离徙动校正、方位压缩等步骤。

获得合成孔径雷达原始数据后，按照图1中信号处理部分的算法流程进行处理，包括以下步骤：

1)当数据处在方位时域时，通过快速卷积进行距离压缩。进行距离FFT后随即进行距离向匹配滤波，再利用距离IFFT完成距离压缩。

2)通过方位FFT将数据变换至距离多普勒域，多普勒中心频率估计以及大部分后续操作都将在该域进行。

3)在距离多普勒域进行随距离时间及方位频率变化的RCMC，该域中同一距离上的一组目标轨迹相互重合。RCMC将距离徙动曲线拉直到与方位频率轴平行的方向。

4)通过每一距离门上的频域匹配滤波实现方位压缩。

5)最后通过方位IFFT将数据变为时域，得到压缩后的复图像。

本发明采用脉间交替发射水平极化和垂直极化电磁波，一个天线的两个通道同时接收实现全极化(HH/HV/VH/VV)。天线先发射水平极化脉冲，天线的水平、垂直端口同时接收，获得HH/VH数据；下一个脉冲发射垂直极化脉冲，获得VH/VV数据，从而实现全极化。

本发明采用一发双收模式实现干涉，一个天线交替水平极化和垂直极化电磁波，两个天线同时接收，得到2组全极化数据。解决了单发单收重复飞行轨道有偏差、存在时间间隔、地面信息改变等问题，提高了系统的可靠性和精度。

本发明所述雷达系统最终硬件重量在2.5kg以内，能够应用于距地工作高度在200米以下的小型无人机平台。获取的极化干涉合成孔径雷达数据可以根据目标散射回波提取目标特征，利用不同的极化可以对目标进行分类，并且可以通过干涉处理可以得到地表的数字高程信息。本发明获得的全极化干涉合成孔径雷达数据可应用于深林检测，农业估产，资源规划，也可应用于地形测绘和地表形变检测等领域。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，其特征在于，所述系统包括：信号发射模块、2个天线、信号接收模块、信号采集模块和信号处理模块；

所述信号发射模块，用于产生线性调频脉冲信号，进行处理后传给天线，还用于向信号采集模块发送高电平；

所述天线，采用单发双收工作模式，用于通过脉间交替发射水平极化和垂直极化的脉冲信号；并将接收到的回波数据传输给信号接收模块；

所述信号接收模块，用于对回波数据进行解调处理得到同相、正交两路基带中频信号；

所述信号采集模块，用于对基带中频信号进行采样得到全极化数据，发送到信号处理模块；

所述信号处理模块，用于对全极化数据进行处理得到压缩后的复图像。

2.根据权利要求1所述的无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，其特征在于，所述信号发射模块包括依次连接的：微控制器、数字频率合成器、中频放大器、上变频器、滤波器、推动级放大器和末级放大器；

所述微控制器，用于控制数字频率合成器；

所述数字频率合成器，用于产生线性调频脉冲信号作为发射脉冲，所述线性调频脉冲信号s_pul(τ)为：

s_pul(τ)＝ω_r(τ)cos{2πf₀τ+πK_rτ²}

其中，K_r为距离向的脉冲调频率，f₀为中心频率，ω_r(τ)为脉冲包络，τ为延时；所述发射脉冲的长度Tr＝3us。

3.根据权利要求2所述的无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，其特征在于，所述系统的信号带宽为160MHz；所述系统的多普勒带宽为44Hz，脉冲重复频率为500Hz；所述系统的噪声等效后向散射系数为-30dB，对应的平均发射功率为1.75mw，占空比为0.15％，峰值功率为1.16W。

4.根据权利要求1所述的无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，其特征在于，所述天线为双极化微带阵列天线；所述双极化微带阵列天线有水平极化和垂直极化两个端口，当信号从水平极化端口馈入时，辐射水平极化电磁波；当信号从垂直极化端口馈入时，辐射垂直极化电磁波。

5.根据权利要求4所述的无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，其特征在于，所述天线的俯仰波束宽度为5.5°，所述天线的方位向波束宽度为6.68°。

6.根据权利要求1所述的无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，其特征在于，所述信号接收模块包括依次连接的限幅器、低噪声放大器、下变频器、中频放大器和低通滤波器。

7.根据权利要求1所述的无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，其特征在于，所述信号采集模块包括：FPGA以及与其连接的4个AD采样芯片、2个DDR3存储芯片6片Flash芯片和千兆网口。

8.根据权利要求1所述的无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：距离压缩单元、方位FFT单元、距离徙动校正单元、方位压缩单元和方位IFFT单元；

所述距离压缩单元，用于对方位时域的全极化数据进行快速卷积，然后进行距离FFT、距离向匹配滤波，再进行距离IFFT实现距离压缩；

所述方位FFT单元，用于通过方位FFT将距离压缩后的数据变换至距离多普勒域；

所述距离徙动校正单元，用于在距离多普勒域进行随距离时间及方位频率变化的距离徙动校正；

所述方位压缩单元，用于通过每一距离门上的频域匹配滤波实现方位压缩；

所述方位IFFT单元，用于通过方位IFFT将方位压缩后的数据变换为时域，输出压缩后的复图像。