CN109917386A - 一种圆弧地基干涉合成孔径雷达及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆弧地基干涉合成孔径雷达及其测量方法，圆弧地基干涉合成孔径雷达包括：转动平台和天线单元，所述天线单元包括至少两个天线，所述天线与所述转动平台连接，通过所述转动平台实现所述天线作连续的圆弧运动，所述天线用于信号的同时收发；在距离横向上通过所述天线在圆弧运动中收发信号，利用信号处理的方式进行孔径综合，从而获取距离横向分辨率。本发明在增大监测方位场景范围的同时缩短了监测周期，在大范围连续监测方面具有监测分辨率高、监测周期短、监测范围大的优势，可以广泛应用于微小形变的地基监测系统中。

Description

一种圆弧地基干涉合成孔径雷达及其测量方法

技术领域

本发明涉及地基雷达研制以及安全监测领域，具体涉及一种圆弧地基干涉合成孔径雷达及其测量方法。

背景技术

地基形变监测雷达是一种具有高精度、大范围、远距离、非接触式测量等特点的微小形变监测系统，根据其工作模式和测量特点分为两类：一类是以单点测量为基础，然后将单点结果进行计算获取目标区域的形变量。另一类是是以连续平面测量为基础，通过处理获得目标区域的形变量及其变化趋势，该方法的测量精度和安全性优于单点测量。

干涉SAR具有大范围、高精度的特点，其精度可达厘米级，该技术为地质灾害监测、城市沉降监测以及自然灾害监测提供宝贵的数据基础，但该方法也有一定的局限性，如：监测周期较长，监测精度受到基线误差的影响等等。

地基SAR是一种新的形变监测手段，具有全天时、全天候、定向区域、非接触式测量的良好优点。现有的地基SAR主要分为两大类系统：其一是基于直线导轨的地基SAR，它利用有限的直线导轨进行合成孔径，其方位向分辨率较高但监测区域有限，由于和常规机载、车载SAR成像几何一致，其信号处理方法可以沿用传统的SAR成像算法，因此这类地基SAR得到了广泛的发展，并最早进行商业化应用。另外一类是基于天线旋转的实孔径地基雷达，这种地基雷达则是通过实孔径波束在方位向旋转来实现比直线导轨地基SAR更大的方位扫描范围，通过干涉技术实现对监测区域微小形变的监测。在距离向，这种地基雷达发射大带宽的信号实现高的距离分辨率，而在方位向比较典型的是利用实孔径雷达原理，通过大的天线实现较高的距离横向分辨。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种圆弧地基干涉合成孔径雷达及其测量方法。本发明结合传统的直线导轨运动方式和旋转运动方式的优点，直线导轨的运动方式是采用合成孔径技术，获取较高的方位分辨率，但观测区域有限，无法实现360°全方位扫描；结合旋转运动方式，采用方位向合成孔径处理，可以在保证高分辨率的同时获取360°的观测范围。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种圆弧地基干涉合成孔径雷达，包括：转动平台和天线单元，天线单元包括至少两个天线，天线与转动平台连接，通过转动平台实现天线作连续的圆弧运动，天线用于信号的同时收发；

在距离横向上通过天线在圆弧运动中收发信号，利用信号处理的方式进行孔径综合，从而获取距离横向分辨率。

在本发明的某些实施例中，转动平台包括转台和杆臂，杆臂的一端设置在转台上，另一端设置天线，转台能够做旋转运动，带动杆臂转动，从而使得天线以转台的旋转中心O为中心，以杆臂的至少部分长度为半径，实现最大360°的圆弧运动。

在本发明的某些实施例中，天线为喇叭天线。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种如上述的圆弧地基干涉合成孔径雷达的测量方法，包括以下步骤：

S1、设置工作起始位置，圆弧地基干涉合成孔径雷达进入工作状态，发射与接收信号，在距离横向上进行孔径综合，获取距离横向分辨率；

S2、圆弧地基干涉合成孔径雷达旋转至终止位置后，停止发射与接收信号，圆弧地基干涉合成孔径雷达旋转至工作起始位置；

S3、圆弧地基干涉合成孔径雷达旋转至起始位置后，进入待机状态，到达等待时间后，重复步骤S1-S2。

在本发明的某些实施例中，圆弧地基干涉合成孔径雷达的距离横向角分辨率ρ_ag和距离横向分辨率ρ_sp如下：

距离向分辨率如下：

其中，L为旋转半径，R为目标点距离旋转中心O的距离，θ为天线的波束宽度，λ为信号波长，c为光速，B为发射带宽。

从上述技术方案可以看出，本发明圆弧地基干涉合成孔径雷达及其测量方法至少具有以下有益效果：本发明结合传统的直线导轨运动方式和旋转运动方式的优点，有效地突破了距离横向分辨率与监测场景范围的矛盾，在获取高分辨率、高精度的形变监测结果的同时，极大地扩展了监测范围并提升了监测效率。

附图说明

图1为本发明实施例圆弧地基干涉合成孔径雷达的组成示意图。

图2为本发明实施例圆弧地基干涉合成孔径雷达的测量过程示意图。

图3为本发明实施例中监测区域的光学影像图。

图4为本发明实施例中监测区域的雷达成像结果。

【标记说明】

1-转台；

O-旋转中心；

2-杆臂；

3-喇叭天线；

4-观测目标区域；

A-扫描起始角；

B-扫描终止角；

L-旋转半径；

R-目标点与旋转中心的距离；

θ-波束宽度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的实施例中，提供了一种圆弧地基干涉合成孔径雷达。如图1所示，本发明圆弧地基干涉合成孔径雷达包括：转动平台和天线单元，转动平台用于实现天线的圆弧运动，其包括高精度的转台1和杆臂2，天线单元包括至少两个天线，用于信号的同时收发，在本实施例中采用两个喇叭天线3，杆臂2的一端设置在转台1上，另一端设置喇叭天线3，转台1能够做旋转运动，带动杆臂2转动，从而使得喇叭天线3以转台1的旋转中心O为中心，以杆臂2的至少部分长度为半径，实现最大360°的圆弧移动，称为圆弧运动。

再如图1所示，进行测量时，天线从扫描起始角A旋转到扫描终止角B为一个数据录取周期，在这一数据录取周期内，转台1以恒定的角速度进行连续运动，期间没有步进和驻留，可以极大地缩短扫描周期，而传统的直线导轨采用步进运动的方式，将整个运动行程分为N个位置点，以一定的时间间隔进行位置的移动，其扫描速度慢。

在本发明中涉及合成孔径，所谓“合成孔径”就是雷达载体相对于成像区域运动的同时，利用尺寸较小的真实天线以固定重复周期发射脉冲，接收并存储成像区域的回波信号，在合成孔径时间内进行相干处理，随着雷达的运动将形成比真实天线尺寸大得多的等效线性阵列天线，从而使雷达角分辨率大为改善，方位向分辨率显著提高。在本发明中，所述合成孔径是指在距离横向上通过喇叭天线3在圆弧运动中信号的收发，利用信号处理的方式进行孔径综合，从而获取高的距离横向分辨率。

需要说明的是，天线口径越小，波束宽度越宽，距离横向分辨率越高。天线的口径即为喇叭天线的喇叭口面积的大小，它的口径越小发射的波束宽度越宽，在实际设计中需要根据需要的指标进行天线口径大小的设计，一般在0.05-0.2m之间，根据雷达波段不同而不同。杆臂2越长，距离横向分辨率越高。

在本实施例中，还提供了一种圆弧地基干涉合成孔径雷达的测量方法，包括以下步骤：

S1、设置工作起始位置，圆弧地基干涉合成孔径雷达进入工作状态，发射与接收信号，在距离横向上进行孔径综合，获取距离横向分辨率；

S2、圆弧地基干涉合成孔径雷达旋转至终止位置后，停止发射与接收信号，圆弧地基干涉合成孔径雷达旋转至工作起始位置；

S3、圆弧地基干涉合成孔径雷达旋转至起始位置后，进入待机状态，到达等待时间后，重复步骤S1-S2。

下面以图2所示的圆弧地基干涉合成孔径雷达的测量过程示意图为例，对本发明进行示例性说明。如图2所示，其中，杆臂2的长度(即为旋转半径)为L，目标点距离旋转中心O的距离为R，喇叭天线3的波束宽度为θ，λ为信号波长。系统参数如表1所示：

表1.系统主要参数

中心频率	9.6GHz	方位扫描范围	160°
				发射带宽	1000MHz	杆臂长度	2.5m
PRF	100Hz	运动速度	5°/s
				距离横向波束宽度	60°	场景中心距离	1000m

经推导，其距离横向角分辨率ρ_ag和距离横向分辨率ρ_sp如下：

距离向分辨率如下：

其中c为光速，B为雷达系统的发射带宽。

因此，其获取的分辨率为距离横向为6mrad(在1000m距离处分辨率为6m)，距离向为0.15m，扫描范围为160°，扫描周期为80秒(含往返及加速阶段)，单次覆盖范围最大约为1.4平方公里。图3-4给出了实际矿区成像的结果。

上述公式的具体推导如下：

基于ArcSAR的斜距模型，得到Dechrip(将接收信号中的线性调频信号去掉，只保留点频信号)接收后的信号表达式为：

其中，t为距离向快时间，η为方位慢时间，τ＝t+η，为任意点目标到天线相位中心(天线口径中心点)的斜距，γ(r₀,η₀)表示目标的后向散射系统，这里忽略了二维天线方向图的调制。ω为雷达相位中心(转台)的旋转角速度，L为旋转半径，方位时间位置为η₀，f₀为雷达载频，τ₀代表Dechrip接收过程中参考信号的斜距延迟，K_r为距离向调频率，c为光速。

在去除上式中最后一项后，对第一个方位相位项进行快时间t的泰勒级数展开，得到回波信号表达式为：

其中，λ为波长。多普勒频率f_η和多普勒调频率f_dr的表达式如下。

可得，ArcSAR的多普勒带宽近似为：

其中，f_η1和f_η2分别是合成孔径期间目标最大和最小多普勒频率，θ_Beam为波束宽度。可得距离横向角分辨率ρ_ag和距离横向分辨率ρ_sp如下：

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种圆弧地基干涉合成孔径雷达及其测量方法有了清楚的认识。本发明提供了一种高分辨率、大范围、高频次的地形微变监测雷达体制，通过圆弧连续运动、合成孔径技术以及调频连续波技术，对大范围、远距离的形变区域实现高精度、高频率的持续监测。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。

应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种圆弧地基干涉合成孔径雷达，其特征在于，包括：转动平台和天线单元，所述天线单元包括至少两个天线，所述天线与所述转动平台连接，通过所述转动平台实现所述天线作连续的圆弧运动，所述天线用于信号的同时收发；

在距离横向上通过所述天线在圆弧运动中收发信号，利用信号处理的方式进行孔径综合，从而获取距离横向分辨率。

2.根据权利要求1所述的圆弧地基干涉合成孔径雷达，其特征在于，所述转动平台包括转台(1)和杆臂(2)，所述杆臂(2)的一端设置在所述转台(1)上，另一端设置所述天线，所述转台(1)能够做旋转运动，带动所述杆臂(2)转动，从而使得所述天线以所述转台(1)的旋转中心O为中心，以所述杆臂(2)的至少部分长度为半径，实现最大360°的圆弧运动。

3.根据权利要求1所述的圆弧地基干涉合成孔径雷达，其特征在于，所述天线为喇叭天线(3)。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的圆弧地基干涉合成孔径雷达的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设置工作起始位置，圆弧地基干涉合成孔径雷达进入工作状态，发射与接收信号，在距离横向上进行孔径综合，获取距离横向分辨率；

S2、圆弧地基干涉合成孔径雷达旋转至终止位置后，停止发射与接收信号，圆弧地基干涉合成孔径雷达旋转至工作起始位置；

S3、圆弧地基干涉合成孔径雷达旋转至起始位置后，进入待机状态，到达等待时间后，重复步骤S1-S2。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述圆弧地基干涉合成孔径雷达的距离横向角分辨率ρ_ag和距离横向分辨率ρ_sp如下：

距离向分辨率如下：

其中，L为旋转半径，R为目标点距离所述旋转中心O的距离，θ为所述天线的波束宽度，λ为信号波长，c为光速，B为发射带宽。