CN111638517B - 一种Ka波段机载高分辨率SAR系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种Ka波段机载高分辨率SAR系统，包括：发射分系统、接收分系统、发射/接收监控定时单元、发射/接收端同步时钟单元、雷达配电器、发射/接收端稳定平台；发射分系统和接收分系统分置于两个稳定平台，间隔距离由系统隔离度要求决定，系统工作模式有定标工作模式和滑动聚束成像工作模式。滑动聚束成像工作模式下，发射分系统向地面所预定的成像观测区域以电磁波形式发射Ka波段高功率射频信号，接收分系统接收阵面接收观测区域Ka频段射频回波信号，并经接收分系统处理后得到中频回波信号并存储于数字接收机中。经后续图像处理得到高分辨SAR图像。

Description

一种Ka波段机载高分辨率SAR系统

技术领域

本发明涉及一种Ka波段机载高分辨率SAR系统，属于遥感观测技术领域。

背景技术

Ka SAR的特点是波长短，目标后向散射强，图像纹理细腻，相同分辨率情况下，KaSAR图像会更容易判读。但是根据雷达方程我们知道，如果边界条件相同，Ka SAR所需要的峰值发射功率比低频段会大很多；获取相同的地面幅宽，Ka SAR由于波长短，天线距离向尺寸会小很多；但要实现远距离成像，则需要高的峰值发射功率。天线功率密度将非常大，受限于目前国内外功率源发展水平，Ka频段T组件单通道发射功率较小，峰值发射功率的大将导致发射天线T组件数量大大增加，载荷重量和成本随之增加，工程实现上会非常受限制。因此，要想在Ka频段获取高分辨率，需要从体制创新上寻找新的突破。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种Ka波段机载高分辨率SAR系统，集合了Ka波段、FMCW体制、滑动聚束工作模式以及收发分置的优势，适合高分辨率和大面积成像。

本发明解决的技术方案为：一种Ka波段机载高分辨率SAR系统，包括：发射分系统、接收分系统、发射监控定时单元、接收监控定时单元、发射端同步时钟单元、接收端同步时钟单元、雷达配电器、发射端稳定平台、接收端稳定平台；Ka波段机载高分辨率SAR系统中，发射分系统安装在发射端稳定平台上；接收分系统安装在接收端稳定平台上；雷达配电器为Ka波段机载高分辨率SAR系统提供电源；

发射分系统：发射频综、发射预功率放大器、发射天线子系统、定标器1、发射端高频及中频接收组件、发射同步信号处理机、发射阵面配电器、辅助天线1；

其中的发射天线子系统，包括：发射天线波控机、发射天线功率分配网络、发射定标馈电网络、T组件以及发射天线阵面；

接收分系统组成部分为：接收频综、定标器2、接收预功率放大器、接收天线子系统、接收端高频及中频接收组件、接收同步信号处理机、数字接收机、接收阵面配电器、辅助天线2；

其中的接收天线子系统，包括：接收天线波控机、接收天线功率分配网络、接收定标馈电网络、R组件以及接收天线阵面；

发射端同步时钟单元与接收端同步时钟单元分别接收GPS式中信号，发射端同步时钟单元与接收端同步时钟单元互相实时通信，保证输出的参考基准时钟信号同步；

Ka波段机载高分辨率SAR系统，具有两种工作模式，分别为：定标工作模式和滑动聚束成像工作模式；

定标工作模式下：

发射监控定时单元，能够向发射分系统输入预存的定标工作模式时序控制命令1；

在定标工作模式时序控制命令1控制下，发射端同步时钟单元提供参考基准时钟给发射频综，发射频综将参考基准时钟变频至Ka波段，一路输出系统所需要的Ka频段FMCW信号，作为主振信号给发射预功率放大器；同时另一路作为本振信号输出给发射端高频及中频接收组件；主振信号经发射预功率放大器放大后一路输至发射天线功率分配网络，另一路作为发射端同步信号1经辅助天线1辐射，根据时序控制要求，待辅助天线1接收到接收端同步信号1时，开始辐射发射端同步信号1出去；发射天线功率分配网络为波导功率分配网络，经过发射天线功率分配网络功分后的多路信号输至T组件；同时，发射天线波控机能够输出波控码给T组件，波控码预置了相移量；T组件内包含有多个发射通道，T组件按相移量对多路信号的每路信号分别进行相位调整和功率放大；并合成输出相位调整及功率放大后的射频信号送至发射定标馈电网络；

发射定标馈电网络采用多个波导电桥并联形式；T组件输出的相位调整和功率放大后的高功率射频信号经发射定标馈电网络后得到初始发射定标信号，经定标器1定标后输出接收端定标信号1给发射端高频及中频接收组件，辅助天线1接收从辅助天线2发出的接收端同步信号1传输至发射端高频及中频接收组件；发射端高频及中频接收组件接收发射端定标信号1与接收端同步信号1，并基于本振信号1分别进行混频、滤波、放大后完成下变频处理后，得到发射端定标信号2和接收端同步信号2，送至发射同步信号处理机；发射同步信号处理机对接收端同步信号2进行同步相位信息(即接收端同步信号1的相位信息)提取，并对所提取的接收端同步相位信息和发射端定标信号2通过通信链路传输给接收同步信号处理机，由接收同步信号处理机传输给数字接收机存储；

发射阵面配电器，根据发射天线子系统中各单元所需的工作电源要求对接收雷达配电器输出的电源配电后，送至发射天线子系统中各单元，为发射天线子系统中各单元供电；

接收监控定时单元，能够向接收分系统输入预存的定标工作模式时序控制命令2；

在定标工作模式时序控制命令2控制下，接收频综接收接收端同步时钟单元输出的参考基准时钟信号，在参考基准时钟信号到来时，接收频综将参考基准时钟信号变频至Ka波段，输出系统所需要的Ka频段FMCW信号，共分三路输出。其中，第一路经过定标器2定标后作为接收端定标信号1；第二路经过接收预功率放大器进行功率放大后作为接收端同步信号1由辅助天线2辐射出去；第三路作为本振信号2传输给接收端高频及中频接收组件；接收定标馈电网络采用多个波导电桥并联形式；接收端定标信号1传输给接收定标馈电网络后，输出馈电后的接收端定标信号1，送至R组件；

接收天线波控机能够输出波控码送至R组件，波控码预置了相移量；R组件根据接收天线波控机预置的相移量对馈电后的接收端定标信号1进行相位调整，将相位调整后的接收定标信号1输送至接收天线功率分配网络，接收天线功率分配网络为波导功率分配网络，经接收天线功率分配网络中波导合成后得到功率合成后的接收定标信号1，输出至接收端高频及中频接收组件；辅助天线2接收发射端同步信号1送至接收端高频及中频接收组件。接收端高频及中频接收组件，对接收天线功率分配网络送来的功率合成后的接收定标信号1和辅助天线2接收的发射端同步信号1，，基于本振信号2进行下变频，得到中频的接收定标信号2和中频的发射端同步信号2；

将中频的接收定标信号2由接收端高频及中频接收组件传送至数字接收机存储；将中频的发射端同步信号2传给接收同步信号处理机进行发射端同步相位信息(即中频的发射端同步信号2的相位信息)提取，形成发射端同步相位信号，发送至数字接收机存储；

数字接收机，对其输入进行模数转换、采集、压缩处理后存储。

接收阵面配电器，根据接收天线子系统各单元所需的工作电源要求对接收雷达配电器输出的电源配电后，送至接收天线子系统各单元，为接收天线子系统各单元供电；

滑动聚束成像模式下：

发射监控定时单元，能够向发射分系统输入预存的滑动聚束工作模式时序控制命令1；

在滑动聚束工作模式时序控制命令1控制下，发射端同步时钟单元提供参考基准时钟给发射频综，发射频综将参考基准时钟变频至Ka波段，一路输出系统所需要的Ka频段FMCW信号，作为主振信号给发射预功率放大器；同时另一路作为本振信号输出给发射端高频及中频接收组件；主振信号经发射预功率放大器放大后一路输至发射天线功率分配网络，另一路作为发射端同步信号1经辅助天线1辐射，根据时序控制约定待辅助天线1接收到接收端同步信号1时开始辐射发射端同步信号1出去；发射天线功率分配网络为波导功率分配网络，经过发射天线功率分配网络功分后的多路信号输至T组件；同时，发射天线波控机能够输出波控码给T组件，波控码预置了相移量；T组件内包含有多个发射通道，T组件按相移量对多路信号的每路信号分别进行相位调整和功率放大；并合成输出相位调整及功率放大后的射频信号送至发射天线阵面；由发射天线阵面对相位调整及功率放大后的射频信号再次进行功率放大后形成高功率射频信号辐射出去，具体功率根据观测作用距离和系统分辨率决定；

发射天线阵面上设有波导缝隙辐射线阵，由T组件中发射通道输出的高功率射频信号馈入发射天线阵面，该高功率射频信号为Ka波段信号，并由发射天线阵面的波导缝隙辐射线阵向地面以电磁波的形式辐射，发射端稳定平台由发射监控定时单元控制改变姿态，以控制发射天线子系统的扫描角度，使其辐射所预定的成像观测区域；

辅助天线1接收从辅助天线2发出的接收端同步信号1传输至发射端高频及中频接收组件；将接收端同步信号1，并基于本振信号1进行混频、滤波、放大完成下变频处理后，得到接收端同步信号2，送至发射同步信号处理机；发射同步信号处理机对接收端同步信号2进行同步相位信息(即接收端同步信号1的相位信息)提取，并将所提取的接收端同步相位信息通过通信链路传输给接收同步信号处理机，由接收同步信号处理机传输给数字接收机存储；

发射阵面配电器，根据发射天线子系统中各单元所需的工作电源要求对接收雷达配电器输出的电源配电后，送至发射天线子系统中各单元，为发射天线子系统中各单元供电；

接收监控定时单元，能够向接收分系统输入预存的滑动聚束工作模式时序控制命令2；

在滑动聚束工作模式时序控制命令2控制下，接收频综接收接收端同步时钟单元输出的参考基准时钟信号，在参考基准时钟信号到来时，接收频综将参考基准时钟信号变频至Ka波段，输出系统所需要的Ka频段FMCW信号，共分两路输出。其中，第一路经过接收预功率放大器进行功率放大后作为接收端同步信号1由辅助天线2辐射出去；第二路作为本振信号2传输给接收端高频及中频接收组件；

成像观测区域的回波信息，形成Ka波段回波信号，经接收天线阵面接收后，传输至R组件；

接收天线波控机能够输出波控码送至R组件，波控码预置了相移量；R组件根据接收天线波控机预置的相移量对Ka波段回波信号进行相位调整，将相位调整后的Ka波段回波信号输送至接收天线功率分配网络，接收天线功率分配网络为波导功率分配网络，经接收天线功率分配网络中波导合成后得到功率合成后的Ka波段回波信号，输出至接收端高频及中频接收组件；辅助天线2接收发射端同步信号1送至接收端高频及中频接收组件。接收端高频及中频接收组件，对接收天线功率分配网络送来的功率合成后的Ka波段回波信号和辅助天线2接收的发射端同步信号1，基于本振信号2进行混频、滤波、放大完成下变频，得到中频的回波信号和中频的发射端同步信号2；

将中频的回波信号由接收端高频及中频接收组件传送至数字接收机存储；将中频的发射端同步信号2传给接收同步信号处理机进行发射端同步相位信息(即中频的发射端同步信号2的相位信息)提取，形成发射端同步相位信号，发送至数字接收机存储；

数字接收机，对其输入进行模数转换、采集、压缩处理后存储。

接收阵面配电器，根据接收天线子系统各单元所需的工作电源要求对接收雷达配电器输出的电源配电后，送至接收天线子系统各单元，为接收天线子系统各单元供电。

优选的，发射频综和接收频综所输出的系统信号为百分之百占空比的Ka波段线性调频连续波(FMCW)体制信号；

优选的，发射分系统和接收分系统分别置于两个稳定平台上，间隔距离根据系统要求隔离度来决定；

优选的，设定系统一次工作时间内工作模式次序为：定标工作模式-滑动聚束成像工作模式-定标工作模式。定标工作模式数据和滑动聚束成像工作模式数据按工作模式次序采集、压缩存储于数字接收机。数据处理时首先针对定标工作模式数据进行处理，若定标工作数据反映的系统增益、功率正常，则针对对应的滑动聚束成像工作模式数据进行处理，反之可判定对应的滑动聚束成像工作模式数据为无效数据；

优选的，辅助天线1和辅助天线2均采用Ka频段喇叭天线方式。辅助天线1发射发射端同步信号1，接收接收端同步信号；辅助天线2发射接收端同步信号1，接收发射端同步信号1；

优选的，定标工作模式下，发射同步信号处理机将发射定标信号通过空间通信链路传输给接收同步信号处理机，完成发射分系统和接收分系统的定标链路闭环；

优选的，Ka波段机载高分辨率SAR系统安装在飞行器上，发射端稳定平台由监控定时单元控制改变姿态，以控制发射天线子系统的扫描角度，实现设定的滑动聚束扫描成像工作模式。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明集合Ka波段、FMCW体制，以及滑动聚束成像工作模式优势，其中FMCW采用百分之百占空比，可实现大面积、高分辨率SAR成像，图像细节更细腻；

(2)本发明通过收发分置技术，将发射天线子系统和接收天线子系统分别安装于发射端和接收端稳定平台上，间隔距离根据收发隔离度要求确定，该方案能够解决Ka SAR系统高功率辐射导致的收发隔离度问题。

(3)本发明针对发射天线子系统和接收天线子系统采用高功率低功耗模块化天线设计。可解决Ka波段收发天线功耗大、效率低以及不易移植的问题。

(4)本发明在每次成像工作期间采用定标工作模式-成像工作模式-定标工作模式的工作流程，定标数据和成像数据顺序采集存储，在后续图像处理中通过分析定标数据是否正常来判断此段成像数据是否有效，提高数据处理的效率。

附图说明

图1本发明系统设计及原理架构示意图；

图2本发明优选的基于52mm(距离向)×312mm(方位向)发射天线阵面的发射天线子系统结构图

图3本发明优选的发射天线阵面单条波导缝隙阵模块模型

图4本发明优选的52mm(距离向)×312mm(方位向)发射天线阵面模型

图5本发明优选的基于52mm(距离向)×312mm(方位向)接收天线阵面的接收天线子系统结构图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种Ka波段机载高分辨率SAR系统，包括：发射分系统、接收分系统、发射/接收监控定时单元、发射/接收端同步时钟单元、雷达配电器、发射/接收端稳定平台；发射分系统和接收分系统分置于两个稳定平台，间隔距离由系统隔离度要求决定，系统工作模式有定标工作模式和滑动聚束成像工作模式。定标工作模式下，发射分系统可得到中频发射端定标信号，接收分系统得到中频接收端定标信号，并存于数字接收机；滑动聚束成像工作模式下，发射分系统向地面所预定的成像观测区域以电磁波形式发射Ka波段高功率射频信号，接收分系统接收阵面接收观测区域Ka频段射频回波信号，并经接收分系统处理后得到中频回波信号并存储于数字接收机中。经后续图像处理得到高分辨SAR图像。

本系统优选可用于机载对地高分辨率成像，用于大地测绘、农林业监测、特定区域监测等方面。本发明系统采用FMCW(调频连续波)体制，具有大的时宽带宽积，其峰值发射功率比相同平均功率的脉冲雷达的峰值发射功率大大降低；在其它系统参数一致的前提下，要获得相同的平均发射功率，100％占空比连续波体制的SAR所需要的T组件数量是10％占空比脉冲体制SAR系统需要T组件数量的1/10。同时系统采用去调频的处理方式，从而有效减小回波信号的数据量。因此，相比传统脉冲体制SAR系统，FMCW SAR系统的天线功率密度和对硬件的要求降低，有利于减小成本、缩短系统研制周期、实现系统小型化。

同时，本系统发射分系统与接收分系统分置于不同平台实现发射信号与回波信号的隔离，可以实现近100％的占空比，从而大大减少T组件数量更好的实现小型化。

另外，本系统采用Ka波段，使得图像更加细腻，可提取的细节特征信息更多。同时可实现滑动聚束工作模式。传统的条带模式能够进行连续的大面积成像，但受天线增益等方面的限制，系统的方位向分辨率不能够随着天线尺寸的减小而任意提高，其方位分辨率不会优于天线长度的一半。传统的聚束模式通过控制天线方位向波束指向来调整SAR是下视角，使其固定指向某一场景来提高方位向积累时间，从而通过等效的增加合成孔径长度的方法得到很高的方位分辨率。但该模式只能对一小块区域成像，成像的最大范围为天线的波束宽度，如果要求大面积的高分辨率成像，需要采用滑动聚束模式。滑动聚束通过控制天线辐射区在地面的移动速度来控制方位分辨率，其成像的面积比聚束SAR大，并且其分辨率可以高于相同天线尺寸条带SAR的分辨率，它可以在高分辨率和大面积成像中做出很好的权衡。

本发明提出了一种Ka波段机载高分辨率SAR系统，集合Ka波段、FMCW体制、滑动聚束工作模式以及收发分置优势。

本发明一种Ka波段机载高分辨率SAR系统，如图1所示，包括：发射分系统、接收分系统、发射监控定时单元、接收监控定时单元、发射端同步时钟单元、接收端同步时钟单元、雷达配电器、发射端稳定平台、接收端稳定平台；Ka波段机载高分辨率SAR系统中，发射分系统安装在发射端稳定平台上；接收分系统安装在接收端稳定平台上；雷达配电器为Ka波段机载高分辨率SAR系统提供电源；

发射分系统：发射频综、发射预功率放大器、发射天线子系统、定标器1、发射端高频及中频接收组件、发射同步信号处理机、发射阵面配电器、辅助天线1；

其中的发射天线子系统，包括：发射天线波控机、发射天线功率分配网络、发射定标馈电网络、T组件以及发射天线阵面；

接收分系统组成部分为：接收频综、定标器2、接收预功率放大器、接收天线子系统、接收端高频及中频接收组件、接收同步信号处理机、数字接收机、接收阵面配电器、辅助天线2；

其中的接收天线子系统，包括：接收天线波控机、接收天线功率分配网络、接收定标馈电网络、R组件以及接收天线阵面。

发射端同步时钟单元与接收端同步时钟单元分别接收GPS式中信号，发射端同步时钟单元与接收端同步时钟单元互相实时通信，保证输出的参考基准时钟信号同步。

本系统具有两种工作模式：分别为定标工作模式和滑动聚束成像工作模式。

具体地，如图1所示，在定标工作模式下：

发射监控定时单元，能够向发射分系统输入预存的定标工作模式时序控制命令1；

在定标工作模式时序控制命令1控制下，发射端同步时钟单元提供参考基准时钟给发射频综，发射频综将参考基准时钟变频至Ka波段，一路输出系统所需要的Ka频段FMCW信号，作为主振信号给发射预功率放大器；同时另一路作为本振信号输出给发射端高频及中频接收组件；主振信号经发射预功率放大器放大后一路输至发射天线功率分配网络，另一路作为发射端同步信号1经辅助天线1辐射，根据时序控制约定待辅助天线1接收到接收端同步信号1时开始辐射发射端同步信号1出去；发射天线功率分配网络为波导功率分配网络，经过发射天线功率分配网络功分后的多路信号输至T组件；同时，发射天线波控机能够输出波控码给T组件，波控码预置了相移量；T组件内包含有多个发射通道，T组件按相移量对多路信号的每路信号分别进行相位调整和功率放大；并合成输出相位调整及功率放大后的射频信号送至发射定标馈电网络；

发射定标馈电网络采用多个波导电桥并联形式；T组件输出的相位调整和功率放大后的射频信号经发射定标馈电网络后得到初始发射定标信号，经定标器1定标后输出接收端定标信号1给发射端高频及中频接收组件，辅助天线1接收从辅助天线2发出的接收端同步信号1传输至发射端高频及中频接收组件；发射端高频及中频接收组件接收发射端定标信号1与接收端同步信号1，并基于本振信号1分别进行混频、滤波、放大后完成下变频处理后，得到发射端定标信号2和接收端同步信号2，送至发射同步信号处理机；发射同步信号处理机对接收端同步信号2进行同步相位信息(即接收端同步信号1的相位信息)提取，并对所提取的接收端同步相位信息和发射端定标信号2通过通信链路传输给接收同步信号处理机，由接收同步信号处理机传输给数字接收机存储；

发射阵面配电器，根据发射天线子系统中各单元所需的工作电源要求对接收雷达配电器输出的电源配电后，送至发射天线子系统中各单元，为发射天线子系统中各单元供电；

接收监控定时单元，能够向接收分系统输入预存的定标工作模式时序控制命令2；

在定标工作模式时序控制命令2控制下，接收频综接收接收端同步时钟单元输出的参考基准时钟信号，在参考基准时钟信号到来时，接收频综将参考基准时钟信号变频至Ka波段，输出系统所需要的Ka频段FMCW信号，共分三路输出。其中，第一路经过定标器2定标后作为接收端定标信号1；第二路经过接收预功率放大器进行功率放大后作为接收端同步信号1由辅助天线2辐射出去；第三路作为本振信号2传输给接收端高频及中频接收组件；接收定标馈电网络采用多个波导电桥并联形式；接收端定标信号1传输给接收定标馈电网络后，输出馈电后的接收端定标信号1，送至R组件；

接收天线波控机能够输出波控码送至R组件，波控码预置了相移量；R组件根据接收天线波控机预置的相移量对馈电后的接收端定标信号1进行相位调整，将相位调整后的接收定标信号1输送至接收天线功率分配网络，接收天线功率分配网络为波导功率分配网络，经接收天线功率分配网络中波导合成后得到功率合成后的接收定标信号1，输出至接收端高频及中频接收组件；辅助天线2接收发射端同步信号1送至接收端高频及中频接收组件。接收端高频及中频接收组件，对接收天线功率分配网络送来的功率合成后的接收定标信号1和辅助天线2接收的发射端同步信号1，，基于本振信号2进行下变频，得到中频的接收定标信号2和中频的发射端同步信号2；

将中频的接收定标信号2由接收端高频及中频接收组件传送至数字接收机存储；将中频的发射端同步信号2传给接收同步信号处理机进行发射端同步相位信息(即中频的发射端同步信号2的相位信息)提取，形成发射端同步相位信号，发送至数字接收机存储；

数字接收机，对其输入进行模数转换、采集、压缩处理后存储。

接收阵面配电器，根据接收天线子系统各单元所需的工作电源要求对接收雷达配电器输出的电源配电后，送至接收天线子系统各单元，为接收天线子系统各单元供电。

滑动聚束成像模式下：

发射监控定时单元，能够向发射分系统输入预存的滑动聚束工作模式时序控制命令1；

在滑动聚束工作模式时序控制命令1控制下，发射端同步时钟单元提供参考基准时钟给发射频综，发射频综将参考基准时钟变频至Ka波段，一路输出系统所需要的Ka频段FMCW信号，作为主振信号给发射预功率放大器；同时另一路作为本振信号输出给发射端高频及中频接收组件；主振信号经发射预功率放大器放大后一路输至发射天线功率分配网络，另一路作为发射端同步信号1经辅助天线1辐射，根据时序控制约定待辅助天线1接收到接收端同步信号1时开始辐射发射端同步信号1出去；发射天线功率分配网络为波导功率分配网络，经过发射天线功率分配网络功分后的多路信号输至T组件；同时，发射天线波控机能够输出波控码给T组件，波控码预置了相移量；T组件内包含有多个发射通道，T组件按相移量对多路信号的每路信号分别进行相位调整和功率放大；并合成输出相位调整及功率放大后的射频信号送至发射天线阵面；由发射天线阵面对相位调整及功率放大后的射频信号再次进行功率放大后形成高功率射频信号辐射出去，具体功率根据观测作用距离和系统分辨率决定；

发射天线阵面上设有波导缝隙辐射线阵，由T组件中发射通道输出的高功率射频信号馈入发射天线阵面，该高功率射频信号为Ka波段信号，并由发射天线阵面的波导缝隙辐射线阵向地面以电磁波的形式辐射，发射端稳定平台由发射监控定时单元控制改变姿态，以控制发射天线子系统的扫描角度，使其辐射所预定的成像观测区域；

辅助天线1接收从辅助天线2发出的接收端同步信号1传输至发射端高频及中频接收组件；将接收端同步信号1，并基于本振信号1进行混频、滤波、放大完成下变频处理后，得到接收端同步信号2，送至发射同步信号处理机；发射同步信号处理机对接收端同步信号2进行同步相位信息(即接收端同步信号1的相位信息)提取，并将所提取的接收端同步相位信息通过通信链路传输给接收同步信号处理机，由接收同步信号处理机传输给数字接收机存储；

发射阵面配电器，根据发射天线子系统中各单元所需的工作电源要求对接收雷达配电器输出的电源配电后，送至发射天线子系统中各单元，为发射天线子系统中各单元供电；

接收监控定时单元，能够向接收分系统输入预存的滑动聚束工作模式时序控制命令2；

在滑动聚束工作模式时序控制命令2控制下，接收频综接收接收端同步时钟单元输出的参考基准时钟信号，在参考基准时钟信号到来时，接收频综将参考基准时钟信号变频至Ka波段，输出系统所需要的Ka频段FMCW信号，共分两路输出。其中，第一路经过接收预功率放大器进行功率放大后作为接收端同步信号1由辅助天线2辐射出去；第二路作为本振信号2传输给接收端高频及中频接收组件；

成像观测区域的回波信息，形成Ka波段回波信号，经接收天线阵面接收后，传输至R组件；

接收天线波控机能够输出波控码送至R组件，波控码预置了相移量；R组件根据接收天线波控机预置的相移量对Ka波段回波信号进行相位调整，将相位调整后的Ka波段回波信号输送至接收天线功率分配网络，接收天线功率分配网络为波导功率分配网络，经接收天线功率分配网络中波导合成后得到功率合成后的Ka波段回波信号，输出至接收端高频及中频接收组件；辅助天线2接收发射端同步信号1送至接收端高频及中频接收组件。接收端高频及中频接收组件，对接收天线功率分配网络送来的功率合成后的Ka波段回波信号和辅助天线2接收的发射端同步信号1，基于本振信号2进行混频、滤波、放大完成下变频，得到中频的回波信号和中频的发射端同步信号2；

将中频的回波信号由接收端高频及中频接收组件传送至数字接收机存储；将中频的发射端同步信号2传给接收同步信号处理机进行发射端同步相位信息(即中频的发射端同步信号2的相位信息)提取，形成发射端同步相位信号，发送至数字接收机存储；

数字接收机，对其输入进行模数转换、采集、压缩处理后存储。

接收阵面配电器，根据接收天线子系统各单元所需的工作电源要求对接收雷达配电器输出的电源配电后，送至接收天线子系统各单元，为接收天线子系统各单元供电。

本系统通过发射天线波控机和稳定平台控制天线的距离向波束指向不变，方位向波束按照一定的规律扫过成像区域，提高目标方位向照射时间，获得较高的方位分辨率。

本发明进一步的优选方案为，为解决Ka波段收发天线功耗大、效率低的问题。主要从天线阵面形式、高效率低功耗高集成T/R组件方面进行设计。

本发明进一步的优选方案为：由于天线工作在Ka频段，波长短，设计难度大，加工精度要求高，相对于更低的频率，Ka波段天线设计任何一点小的误差都容易使天线性能受到很大的影响。由于天线口面电尺寸比较大，采用微带天线会带来更大的损耗；缝隙波导天线具有高效率高可靠性的优势，因此天线采用宽边开纵向缝隙的缝隙波导天线。并用矩形波导电桥并联的方式实现Ka波段的天线馈电网络，这种形式的馈电网络损耗小，散热性能好。

本发明进一步的优选方案为：高效率低功耗高集成T/R组件设计方面，采用超低功耗低噪放芯片采用GaAs 0.15um工艺设计，同时为了实现T/R组件的小型化，本发明为以LTCC新型的陶瓷多层基板技术为基础实现组件的三维封装，多层微波集成电路是由分立的有源器件与多层无源器件、互连线构成的集成电路，提高组装密度、具有良好的高频特性和高速传输特性、易于实现一体化结构，进一步减小体积和重量，提高可靠性。

基于本发明与设计考虑，本发明进一步的优选方案为：优选系统采用700M带宽，成像作用距离8Km，实现滑动聚束工作模式。如图2所示，发射天线阵面有效尺寸为52mm×312mm，发射天线阵面与T组件固定，并通过转接波导与功率分配及馈电网络(发射天线功率分配网络及发射定标馈电网络)连接，发射天线阵面，T组件、功率分配及馈电网络整体通过框架上的8个M6螺纹孔安装在LTCC新型的陶瓷多层基板平台之上，然后通过基板与机载表面固定。发射天线阵面由48条沿天线距离向排列的波导缝隙线阵组成，每条波导缝隙线阵由8个波导缝隙构成。因此接收天线阵面由8×48缝隙单元组成，形成一个384单元的发射天线阵。单条波导缝隙线阵如图3所示，整个发射天线阵面由8个单条波导缝隙线阵模块沿方位向拼装，如图4所示。发射天线波控机、定标器1、发射阵面配电器可通过低频、高频电缆连接。

本发明进一步的优选方案为：接收天线阵面尺寸同样为52mm×312mm，如图5所示，接收天线阵面，T组件、接收阵面配电器、功率分配及馈电网络(接收天线功率分配网络及接收定标馈电网络)整体通过框架上的8个M6螺纹孔安装在LTCC新型的陶瓷多层基板平台之上，然后通过基板与机载表面固定。接收通道由6个8通道R组件组成，共48个通道。接收天线辐射阵面由8×48缝隙单元组成；接收天线辐射阵面与R组件固定，然后，通过转接波导固定在功分网络上，最后安装在支撑框架上，形成一个384单元的接收天线阵。接收天线波控机、定标器2、接收阵面配电器可通过中频、高频电缆连接。支撑框架采用铝合金材料组成，以上的优选方案进一步提高了系统的性能。

本发明集合Ka波段、FMCW体制，以及滑动聚束成像工作模式优势，其中FMCW采用百分之百占空比，可实现大面积、高分辨率SAR成像，图像细节更细腻；且本发明通过收发分置技术，将发射天线子系统和接收天线子系统分别安装于发射端和接收端稳定平台上，间隔距离根据收发隔离度要求确定，该方案能够解决Ka SAR系统高功率辐射导致的收发隔离度问题。

本发明针对发射天线子系统和接收天线子系统采用高功率低功耗模块化天线设计。可解决Ka波段收发天线功耗大、效率低以及不易移植的问题，且本发明在每次成像工作期间采用定标工作模式-成像工作模式-定标工作模式的工作流程，定标数据和成像数据顺序采集存储，在后续图像处理中通过分析定标数据是否正常来判断此段成像数据是否有效，提高数据处理的效率。

本系统基于以上设计并在滑动聚束成像工作模式下可达到方位向0.1m的分辨率，为高分辨率成像系统。

Claims (7)

1.一种Ka波段机载高分辨率SAR系统，其特征在于包括：发射分系统、接收分系统、发射监控定时单元、接收监控定时单元、发射端同步时钟单元、接收端同步时钟单元、雷达配电器、发射端稳定平台、接收端稳定平台；Ka波段机载高分辨率SAR系统中，发射分系统安装在发射端稳定平台上；接收分系统安装在接收端稳定平台上；雷达配电器为Ka波段机载高分辨率SAR系统提供电源；

发射分系统：发射频综、发射预功率放大器、发射天线子系统、定标器1、发射端高频及中频接收组件、发射同步信号处理机、发射阵面配电器、辅助天线1；

其中的发射天线子系统，包括：发射天线波控机、发射天线功率分配网络、发射定标馈电网络、T组件以及发射天线阵面；

接收分系统组成部分为：接收频综、定标器2、接收预功率放大器、接收天线子系统、接收端高频及中频接收组件、接收同步信号处理机、数字接收机、接收阵面配电器、辅助天线2；

其中的接收天线子系统，包括：接收天线波控机、接收天线功率分配网络、接收定标馈电网络、R组件以及接收天线阵面；

发射端同步时钟单元与接收端同步时钟单元分别接收GPS时钟信号，发射端同步时钟单元与接收端同步时钟单元互相实时通信，保证输出的参考基准时钟信号同步；

Ka波段机载高分辨率SAR系统，具有两种工作模式，分别为：定标工作模式和滑动聚束成像工作模式；

定标工作模式下：

发射监控定时单元，能够向发射分系统输入预存的定标工作模式时序控制命令1；

在定标工作模式时序控制命令1控制下，发射端同步时钟单元提供参考基准时钟给发射频综，发射频综将参考基准时钟变频至Ka波段，一路输出系统所需要的Ka频段FMCW信号，作为主振信号给发射预功率放大器；同时另一路作为本振信号输出给发射端高频及中频接收组件；主振信号经发射预功率放大器放大后一路输至发射天线功率分配网络，另一路作为发射端同步信号1经辅助天线1辐射，根据时序控制要求，待辅助天线1接收到接收端同步信号1时，开始辐射发射端同步信号1出去；发射天线功率分配网络为波导功率分配网络，经过发射天线功率分配网络功分后的多路信号输至T组件；同时，发射天线波控机能够输出波控码给T组件，波控码预置了相移量；T组件内包含有多个发射通道，T组件按相移量对多路信号的每路信号分别进行相位调整和功率放大；并合成输出相位调整及功率放大后的射频信号送至发射定标馈电网络；

发射定标馈电网络采用多个波导电桥并联形式；T组件输出的相位调整和功率放大后的高功率射频信号经发射定标馈电网络后得到初始发射定标信号，经定标器1定标后输出接收端定标信号1给发射端高频及中频接收组件，辅助天线1接收从辅助天线2发出的接收端同步信号1传输至发射端高频及中频接收组件；发射端高频及中频接收组件接收发射端定标信号1与接收端同步信号1，并基于本振信号1分别进行混频、滤波、放大后完成下变频处理后，得到发射端定标信号2和接收端同步信号2，送至发射同步信号处理机；发射同步信号处理机对接收端同步信号2进行同步相位信息提取，并对所提取的接收端同步相位信息和发射端定标信号2通过通信链路传输给接收同步信号处理机，由接收同步信号处理机传输给数字接收机存储；

发射阵面配电器，根据发射天线子系统中各单元所需的工作电源要求对接收雷达配电器输出的电源配电后，送至发射天线子系统中各单元，为发射天线子系统中各单元供电；

接收监控定时单元，能够向接收分系统输入预存的定标工作模式时序控制命令2；

在定标工作模式时序控制命令2控制下，接收频综接收接收端同步时钟单元输出的参考基准时钟信号，在参考基准时钟信号到来时，接收频综将参考基准时钟信号变频至Ka波段，输出系统所需要的Ka频段FMCW信号，共分三路输出；其中，第一路经过定标器2定标后作为接收端定标信号1；第二路经过接收预功率放大器进行功率放大后作为接收端同步信号1由辅助天线2辐射出去；第三路作为本振信号2传输给接收端高频及中频接收组件；接收定标馈电网络采用多个波导电桥并联形式；接收端定标信号1传输给接收定标馈电网络后，输出馈电后的接收端定标信号1，送至R组件；

接收天线波控机能够输出波控码送至R组件，波控码预置了相移量；R组件根据接收天线波控机预置的相移量对馈电后的接收端定标信号1进行相位调整，将相位调整后的接收定标信号1输送至接收天线功率分配网络，接收天线功率分配网络为波导功率分配网络，经接收天线功率分配网络中波导合成后得到功率合成后的接收定标信号1，输出至接收端高频及中频接收组件；辅助天线2接收发射端同步信号1送至接收端高频及中频接收组件，接收端高频及中频接收组件，对接收天线功率分配网络送来的功率合成后的接收定标信号1和辅助天线2接收的发射端同步信号1，基于本振信号2进行下变频，得到中频的接收定标信号2和中频的发射端同步信号2；

将中频的接收定标信号2由接收端高频及中频接收组件传送至数字接收机存储；将中频的发射端同步信号2传给接收同步信号处理机进行发射端同步相位信息提取，形成发射端同步相位信号，发送至数字接收机存储；

数字接收机，对其输入进行模数转换、采集、压缩处理后存储；

接收阵面配电器，根据接收天线子系统各单元所需的工作电源要求对接收雷达配电器输出的电源配电后，送至接收天线子系统各单元，为接收天线子系统各单元供电；

滑动聚束成像模式下：

发射监控定时单元，能够向发射分系统输入预存的滑动聚束工作模式时序控制命令1；

在滑动聚束工作模式时序控制命令1控制下，发射端同步时钟单元提供参考基准时钟给发射频综，发射频综将参考基准时钟变频至Ka波段，一路输出系统所需要的Ka频段FMCW信号，作为主振信号给发射预功率放大器；同时另一路作为本振信号输出给发射端高频及中频接收组件；主振信号经发射预功率放大器放大后一路输至发射天线功率分配网络，另一路作为发射端同步信号1经辅助天线1辐射，根据时序控制约定待辅助天线1接收到接收端同步信号1时开始辐射发射端同步信号1出去；发射天线功率分配网络为波导功率分配网络，经过发射天线功率分配网络功分后的多路信号输至T组件；同时，发射天线波控机能够输出波控码给T组件，波控码预置了相移量；T组件内包含有多个发射通道，T组件按相移量对多路信号的每路信号分别进行相位调整和功率放大；并合成输出相位调整及功率放大后的射频信号送至发射天线阵面；由发射天线阵面对相位调整及功率放大后的射频信号再次进行功率放大后形成高功率射频信号辐射出去，具体功率根据观测作用距离和系统分辨率决定；

发射天线阵面上设有波导缝隙辐射线阵，由T组件中发射通道输出的高功率射频信号馈入发射天线阵面，该高功率射频信号为Ka波段信号，并由发射天线阵面的波导缝隙辐射线阵向地面以电磁波的形式辐射，发射端稳定平台由发射监控定时单元控制改变姿态，以控制发射天线子系统的扫描角度，使其辐射所预定的成像观测区域；

辅助天线1接收从辅助天线2发出的接收端同步信号1传输至发射端高频及中频接收组件；将接收端同步信号1，并基于本振信号1进行混频、滤波、放大完成下变频处理后，得到接收端同步信号2，送至发射同步信号处理机；发射同步信号处理机对接收端同步信号2进行同步相位信息提取，并将所提取的接收端同步相位信息通过通信链路传输给接收同步信号处理机，由接收同步信号处理机传输给数字接收机存储；

发射阵面配电器，根据发射天线子系统中各单元所需的工作电源要求对接收雷达配电器输出的电源配电后，送至发射天线子系统中各单元，为发射天线子系统中各单元供电；

接收监控定时单元，能够向接收分系统输入预存的滑动聚束工作模式时序控制命令2；

在滑动聚束工作模式时序控制命令2控制下，接收频综接收接收端同步时钟单元输出的参考基准时钟信号，在参考基准时钟信号到来时，接收频综将参考基准时钟信号变频至Ka波段，输出系统所需要的Ka频段FMCW信号，共分两路输出；其中，第一路经过接收预功率放大器进行功率放大后作为接收端同步信号1由辅助天线2辐射出去；第二路作为本振信号2传输给接收端高频及中频接收组件；

成像观测区域的回波信息，形成Ka波段回波信号，经接收天线阵面接收后，传输至R组件；

接收天线波控机能够输出波控码送至R组件，波控码预置了相移量；R组件根据接收天线波控机预置的相移量对Ka波段回波信号进行相位调整，将相位调整后的Ka波段回波信号输送至接收天线功率分配网络，接收天线功率分配网络为波导功率分配网络，经接收天线功率分配网络中波导合成后得到功率合成后的Ka波段回波信号，输出至接收端高频及中频接收组件；辅助天线2接收发射端同步信号1送至接收端高频及中频接收组件；接收端高频及中频接收组件，对接收天线功率分配网络送来的功率合成后的Ka波段回波信号和辅助天线2接收的发射端同步信号1，基于本振信号2进行混频、滤波、放大完成下变频，得到中频的回波信号和中频的发射端同步信号2；

将中频的回波信号由接收端高频及中频接收组件传送至数字接收机存储；将中频的发射端同步信号2传给接收同步信号处理机进行发射端同步相位信息提取，形成发射端同步相位信号，发送至数字接收机存储；

数字接收机，对其输入进行模数转换、采集、压缩处理后存储；

接收阵面配电器，根据接收天线子系统各单元所需的工作电源要求对接收雷达配电器输出的电源配电后，送至接收天线子系统各单元，为接收天线子系统各单元供电。

2.根据权利要求1所述的一种Ka波段机载高分辨率SAR系统，其特征在于：发射频综和接收频综所输出的系统信号为百分之百占空比的Ka波段线性调频连续波(FMCW)体制信号。

3.根据权利要求1所述的一种Ka波段机载高分辨率SAR系统，其特征在于：发射分系统和接收分系统分别置于两个稳定平台上，间隔距离根据系统要求隔离度来决定。

4.根据权利要求1所述的一种Ka波段机载高分辨率SAR系统，其特征在于：设定系统一次工作时间内工作模式次序为：定标工作模式-滑动聚束成像工作模式-定标工作模式；定标工作模式数据和滑动聚束成像工作模式数据按工作模式次序采集、压缩存储于数字接收机；数据处理时首先针对定标工作模式数据进行处理，若定标工作数据反映的系统增益、功率正常，则针对对应的滑动聚束成像工作模式数据进行处理，反之可判定对应的滑动聚束成像工作模式数据为无效数据。

5.根据权利要求1所述的一种Ka波段机载高分辨率SAR系统，其特征在于：辅助天线1和辅助天线2均采用Ka频段喇叭天线方式；辅助天线1发射发射端同步信号1，接收接收端同步信号；辅助天线2发射接收端同步信号1，接收发射端同步信号1。

6.根据权利要求1所述的一种Ka波段机载高分辨率SAR系统，其特征在于：定标工作模式下，发射同步信号处理机将发射定标信号通过空间通信链路传输给接收同步信号处理机，完成发射分系统和接收分系统的定标链路闭环。

7.根据权利要求1所述的一种Ka波段机载高分辨率SAR系统，其特征在于：Ka波段机载高分辨率SAR系统安装在飞行器上，发射端稳定平台由监控定时单元控制改变姿态，以控制发射天线子系统的扫描角度，实现设定的滑动聚束扫描成像工作模式。

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