CN113608216B - 一种星载多波段共口径sar及目标联合在轨检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种星载多波段共口径SAR及目标联合在轨检测系统及方法。系统包括三波段共口径天线和雷达电子学系统；所述三波段共口径天线，在三个波段分别采用不同形式的辐射单元，采用立体空间排布，实现最大限度地利用天线口径；所述雷达电子学系统，包括一个雷达主控单元、三个中频信号发生器、三个上变频射频模块、三个射频接收机、三个下变频射频模块、三个中频采样高速ADC、一个时钟管理器与一个星上数据存储器，每个波段均有一个独立的发射通道与接收通道。本发明对海面舰船目标检测、识别概率高，时效性强。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，提供一种星载多波段共口径SAR及目标联合在轨检测系统及方法。
背景技术
星载SAR具有全天时全天候对地成像观测能力，特别适合云雾天气下对海洋舰船目标进行探测。在低海况下，单站星载SAR接收的海杂波能量较低，船海对比度较高，舰船目标检测性能较高。但在中高海况下，海杂波能量较大，舰船与海面形成的二面角散射较弱，船海对比度急剧下降，目标检测性能恶化。为了实现中高海况下的舰船目标可靠检测，提出了多维SAR的概念，即同步获得目标的多极化电磁散射特性、多波段电磁散射特性、多角度电磁散射特性等，通过多维信息融合处理，提升目标检测性能。
美国国家航天和航空局(NASA)航天飞机同时搭载了X波段与C波段SAR进行了一系列干涉测高、目标检测等试验，获得了全球DEM信息，但这两个波段的天线是分离天线，两副天线的口径较大。德国宇航局(DLR)的机载多波段SAR系统E-SAR与F-SAR也证明了多波段联合探测与目标分类的优势，F-SAR的五个波段天线也是分离天线，分别放置于飞机的不同位置。NASA与印度空间研究组织(ISRO)计划于2021年发射世界首颗双波段SAR卫星NISAR，能同时工作于L波段与S波段，两个波段共用一个口径为12m的反射面天线，但采用不同的阵列天线作为馈源对反射面天线进行馈电。为了简化多个波段的天线结构与减轻天线总面积，已有多种共口径天线技术被提出。航天五院五〇三所天地一体化信息技术国家重点实验室于2019年设计了L/S/X三波段共口径天线，每个波段具有两种极化，该L/S/X三波段共口径天线有效减小天线面积与重量，同步获得海面与舰船目标的L、S与X三个波段电磁散射信息。通过三波段SAR图像融合处理后，进一步提升舰船目标的SCNR与轮廓信息，提高中高海况下的舰船目标检测性能。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星载多波段共口径SAR及目标联合在轨检测系统及方法，以解决现有技术中多波段SAR天线重量大，复杂海况下的舰船目标检测、识别概率不高，时效性差的问题。
本发明的技术方案是：一种星载三波段SAR系统，包括三波段共口径天线和雷达电子学系统；
所述三波段共口径天线，在三个波段分别采用不同形式的辐射单元，采用立体空间排布，实现最大限度地利用天线口径；
所述雷达电子学系统，包括一个雷达主控单元、三个中频信号发生器、三个上变频射频模块、三个射频接收机、三个下变频射频模块、三个中频采样高速ADC、一个时钟管理器与一个星上数据存储器，每个波段均有一个独立的发射通道与接收通道。
所述三波段共口径天线能同步收发L波段、S波段与X波段三个波段的信号；采用脉内同步方式发射三波段SAR脉冲，在一个脉冲重复周期PRP内，依次发射L,S,X三个波段的信号，实现三个波段信号的近同时接收
在三波段共口径天线次外层部分，采用L/S双波段共口径方案，即L/S/X三波段共口径方案的基础上去掉X波段辐射单元，下层采用X波段辐射单元。
L波段天线阵元的中心频率调高127MHz；X波段SAR天线面积为4.8m×0.6m，S波段SAR天线面积为7.2m×1.2m，L波段SAR天线面积为12.0m×1.8m。
三波段SAR天线共含10个天线子板，每个天线子板面积为1.2m×1.8m；在天线最中间部分，采用三波段共口径方案，该共口径天线子阵包含一个6×6的X波段阵列，一个2×2的S波段阵列，两个L波段单元；在L波段，选择具有U形调谐枝节的印刷单极子天线作为辐射单元，采用同轴直接馈电；在S波段，选择正交放置的微带偶极子作为辐射单元，采用微带线贴近耦合馈电；在X波段，选择方形贴片并采用缝隙耦合馈电。
基于三波段同步发射的能力，采用相控阵模式，分别调整三个波段的波束指向；所述的三个波段的波束能同时指向同一区域，获取场景多波段电磁散射信息，也能分别指向不同区域，实现更灵活的功能。
所述三波段共口径天线的工作模式为：
采用脉内同步方式发射三波段SAR脉冲；
三个波束探测范围根据目标情况进行灵活分配；
三个波段的回波信号在距离向与方位向均独立采样。
一种星载多波段共口径SAR及目标联合在轨检测方法，步骤如下：
1)信号级三波段联合检测；
2)对目标进行成像及预处理；
3)对目标进行三波段融合检测与提取。
所述步骤1)中信号级三波段联合检测，具体包括信号预处理和信号融合处理；
信号预处理包括三个波段的中频回波信号进行数字域下变频，距离向脉冲压缩处理，方位向非相干累加；
信号融合处理包括对三个波段的回波信号进行决策级融合检测与恒虚警率检测处理，获得目标的粗略位置信息。
所述步骤2)中目标的成像及预处理方法具体包括：
对目标粗略位置信息及附近区域进行成像处理，三波段图像配准，插值；
只对目标粗略位置附近区域进行成像，范围不大于位置精度与舰船最大长度的和；
基于成像几何信息、图像相关性进行配准，将三幅图像共同探测区域插值到相同地理网格。
所述步骤3)中目标三波段融合检测与提取的具体方法包括：
利用小波阀值去噪，图片切割；
对三波段图像分别产生多级小波系数；
将最大化信杂噪比和强点分辨率作为目标函数进行加权组合优化，获得三波段图像各阶小波系数的加权值，得到融合图像；
依据融合后的图像，提取出目标图像，和目标位置、位置精度共同形成在轨检测产品。
本发明与现有技术相比存在的有益效果是：能够同步获得海面舰船目标的L、S与X三个波段电磁散射信息，通过信号及联合检测快速定位舰船目标位置，对定位区域成像及三波段图像融合处理后，提升舰船目标的信杂噪比与轮廓信息，提高复杂海况下的舰船目标检测性能。相比传统非共口径多波段天线及海面舰船目标探测SAR系统，本发明解决现有技术中多波段SAR天线重量大的问题，对海面舰船目标检测、识别概率高，时效性高，能够低成本高效地实现海面舰船信息实时探测识别。
附图说明
图1是本发明实施例提供的星载三波段SAR系统组成示意图；
图2是本发明实施例提供的三波段共口径天线同步收发信号示意图；
图3是本发明实施例提供的三波段共口径天线共型布局及尺寸示意图；
图4是本发明实施例提供的三波段SAR工作方式示意图；
图5是本发明实施例提供的三波段SAR信号发射接收时序示意图；
图6是本发明实施例提供的星上三波段数据联合处理方法示意图；
图7是本发明实施例提供的三波段信号级预处理方法示意图；
图8是本发明实施例提供的目标三波段融合检测与提取方法示意图。
具体实施方式
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
参见图1给出了星载三波段SAR系统组成，主要包括三波段共口径天线与雷达电子学系统两个部分。雷达电子学系统主要包括一个雷达主控单元、三个中频信号发生器、三个上变频射频模块、三个射频接收机、三个下变频射频模块、三个中频采样高速ADC、一个时钟管理器与一个星上数据存储器等，每个波段均有一个独立的发射通道与接收通道。星载三波段共口径SAR系统的主要参数如表1所示，三个波段的回波信号在距离向与方位向均独立采样。
表1星载三波段SAR系统主要参数
星载三波段SAR采用共口径天线技术，能同步收发L波段、S波段与X波段三个波段的信号，如图2所示。
为了尽量降低三个波段天线的面积与重量，采用L/S/X三波段共口径天线技术。由于L/S/X三波段的频率比约为fL：fS：fX＝1∶3∶9，其中，L波段天线阵元的中心频率需要调高约127MHz。考虑到成像分辨率、幅宽、噪声等效散射系数、方位向模糊与距离向模糊等性能，设置X波段SAR天线面积为4.8m×0.6m，S波段SAR天线面积为7.2m×1.2m，L波段SAR天线面积为12.0m×1.8m，如图3所示。三波段SAR天线共含10个天线子板，每个天线子板面积为1.2m×1.8m。在天线最中间部分，采用一种新型三波段共口径方案，该共口径天线子阵包含一个6×6的X波段阵列，一个2×2的S波段阵列，两个L波段单元。在L波段，选择具有U形调谐枝节的印刷单极子天线作为辐射单元，采用同轴直接馈电。在S波段，选择正交放置的微带偶极子作为辐射单元，采用微带线贴近耦合馈电。在X波段，选择方形贴片并采用缝隙耦合馈电。在三个波段分别采用不同形式的辐射单元，采用立体空间排布，三个波段之间的互耦较传统平面排布降低20％以上，并且实现了最大限度地利用天线口径。三个波段的天线单元都具有宽带双极化工作能力，进一步提升了共口径SAR天线的工作性能。
在天线次外层部分，采用L/S双波段共口径方案，也就是L/S/X三波段共口径方案的基础上去掉X波段辐射单元。由于三个波段频率比较大，相互之间影响较小，因此L/S双波段共口径子阵的工作性能与三波段共口径相比变化不大。这种方案的优点是能保证天线组阵和扩展的灵活性，以及各个子阵的辐射特性保持不变。
在天线的最外层部分，采用正交摆放的L波段印刷单极子天线作为双极化辐射单元，L波段单元形式与其它共口径部分的单元一致，扩展容易。这部分天线的作用在于提高低频段增益，使得三个波段增益比较接近。
本实施例还提供了一种三波段SAR工作模式，参见图4，详述如下：
采用脉内同步方式发射三波段SAR脉冲，在一个脉冲重复周期(PRP)内，依次发射L,S,X三个波段的信号，能够实现三个波段信号的近同时接收，保证目标场景的一致性，发射接收时序如图5；
三个波束探测范围根据目标情况进行灵活分配，三个波段的波束能同时指向同一区域，获取场景多波段电磁散射信息；三个波段的波束也能分别指向不同区域，L波段工作于中分辨率的扫描成像模式，快速检测出感兴趣的目标，再引导S波段与X波段对感兴趣目标进行高分辨率成像。
三个波段的回波信号在距离向与方位向均独立采样。
本实施例还提供了一种星上实时信号级三波段联合检测方法，包括信号预处理，信号融合处理，流程如图6。
S01，信号预处理包括在轨三个波段的中频回波信号进行数字域下变频，通过对回波信号的距离向脉冲压缩处理，方位向非相干累加，使得目标能达到可进行粗略检测的信杂噪比，同时显著降低了星上处理计算量，实现舰船目标区域的快速检测。如图7所示，信杂噪比由处理前的8dB(深色线)提升到22dB(浅色线)；
信号融合处理包括对三个波段预处理后的信号进行决策级融合检测与恒虚警率检测(CFAR)处理，获得目标的粗略位置信息。
S02，包括对目标粗略位置信息及附近区域进行成像处理，三波段图像配准，插值。其特征在于：
只对目标粗略位置附近区域进行成像，范围不大于位置精度与舰船最大长度的和。提取的小区域三波段成像的计算量很低，能对大范围海面舰船目标进行在轨成像；
基于成像几何信息、图像相关性进行配准，将三幅图像共同探测区域插值到相同地理网格。
S03，三波段SAR图像融合处理能大幅提升目标的SCNR，特别是能极大抑制中高海况时的海杂波能量，增强目标的边缘轮廓与细节，有利于目标可靠检测与识别，包括利用小波阀值去噪，图片切割，其特征在于：
对三波段图像分别产生多级小波系数。参照图8，示例表现了j级和j+1级小波系数分解的情况，其中L,S,X代表波段，下标1，2，3，4分别代表系数的四个种类，包括二维尺度系数，水平方向分解系数，垂直方向分解系数，对角线方向分解系数。每块颜色面积大小代表每块系数的个数。
以j级垂直方向分解系数(图中左下角色块)为例，三波段融合结果为P4(j)，系数ω上标和下标分表对应四种分解系数的种类和波段。对三波段各级、各种类对应系数进行同样操作，其中各级、各种类、各波段系数待定。
融合后的图像为
IM＝IWT(P)
其中P为各级、各种类融合图像按图8位置的组合，IWT为逆小波变换。
将最大化信杂噪比作为目标函数进行加权组合优化，
获得三波段图像各阶小波系数的加权值，得到融合图像；
依据融合后的图像，提取出目标图像，和目标位置、位置精度共同形成在轨检测产品。
上述实施例中的预测方法，针对中高海况下的舰船目标探测应用，提出机载三波段共口径SAR系统概念，采用三波段共口径天线技术减小天线面积与重量，同步获得海面舰船目标的L、S与X三个波段电磁散射信息。研究了三波段SAR回波信息联合处理方法。相比传统单波段雷达，通过三波段SAR图像融合处理后，尽量保留X波段图像分辨率的情况下利用L波段和S波段图像提高信杂噪比，提升了舰船目标检测的信杂噪比与轮廓信息，提高了中高海况下的舰船目标检测性能。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (3)
1.一种星载三波段SAR系统，其特征在于：包括三波段共口径天线和雷达电子学系统；
所述三波段共口径天线，在三个波段分别采用不同形式的辐射单元，采用立体空间排布，实现最大限度地利用天线口径；
所述雷达电子学系统，包括一个雷达主控单元、三个中频信号发生器、三个上变频射频模块、三个射频接收机、三个下变频射频模块、三个中频采样高速ADC、一个时钟管理器与一个星上数据存储器，每个波段均有一个独立的发射通道与接收通道；
所述三波段共口径天线能同步收发L波段、S波段与X波段三个波段的信号；采用脉内同步方式发射三波段SAR脉冲，在一个脉冲重复周期PRP内，依次发射L,S,X三个波段的信号，实现三个波段信号的近同时接收；
在三波段共口径天线次外层部分，采用L/S双波段共口径方案，即L/S/X三波段共口径方案的基础上去掉X波段辐射单元，下层采用X波段辐射单元；
三波段共口径天线共含10个天线子板，每个天线子板面积为1.2m×1.8m；在天线最中间部分，采用三波段共口径方案，该三波段共口径天线子阵包含一个6×6的X波段阵列，一个2×2的S波段阵列，两个L波段单元；在L波段，选择具有U形调谐枝节的印刷单极子天线作为辐射单元，采用同轴直接馈电；在S波段，选择正交放置的微带偶极子作为辐射单元，采用微带线贴近耦合馈电；在X波段，选择方形贴片并采用缝隙耦合馈电；
基于三波段同步发射的能力，采用相控阵模式，分别调整三个波段的波束指向；所述的三个波段的波束能同时指向同一区域，获取场景多波段电磁散射信息，也能分别指向不同区域，实现更灵活的功能；
所述三波段共口径天线的工作模式为：
采用脉内同步方式发射三波段SAR脉冲；
三个波束探测范围根据目标情况进行灵活分配；
三个波段的回波信号在距离向与方位向均独立采样。
2.如权利要求1所述的一种星载三波段SAR系统，其特征在于：L波段天线阵元的中心频率调高127MHz；X波段SAR天线面积为4.8m×0.6m，S波段SAR天线面积为7.2m×1.2m，L波段SAR天线面积为12.0m×1.8m。
3.一种星载多波段共口径SAR及目标联合在轨检测方法，其特征在于步骤如下：
1）信号级三波段联合检测；
2）对目标进行成像及预处理；
3）对目标进行三波段融合检测与提取；
所述步骤1）中信号级三波段联合检测，具体包括信号预处理和信号融合处理；
信号预处理包括三个波段的中频回波信号进行数字域下变频，距离向脉冲压缩处理，方位向非相干累加；
信号融合处理包括对三个波段的回波信号进行决策级融合检测与恒虚警率检测处理，获得目标的粗略位置信息；
所述步骤2）中目标的成像及预处理方法具体包括：
对目标粗略位置信息及附近区域进行成像处理，三波段图像配准，插值；
只对目标粗略位置附近区域进行成像，范围不大于位置精度与舰船最大长度的和；
基于成像几何信息、图像相关性进行配准，将三幅图像共同探测区域插值到相同地理网格；
所述步骤3）中目标三波段融合检测与提取的具体方法包括：
利用小波阀值去噪，图片切割；
对三波段图像分别产生多级小波系数；
将最大化信杂噪比和强点分辨率作为目标函数进行加权组合优化，获得三波段图像各阶小波系数的加权值，得到融合图像；
依据融合后的图像，提取出目标图像，和目标位置、位置精度共同形成在轨检测产品。
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2021
- 2021-06-25 CN CN202110710563.XA patent/CN113608216B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Title |
|---|
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|---|---|
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