CN114942409B - 一种适用于全极化sar系统的波束控制装置和方法 - Google Patents

一种适用于全极化sar系统的波束控制装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种适用于全极化SAR系统的波束控制装置和方法，包括：SAR系统监控计算机，连接到波束控制器，所述的波束控制器连接到数据存储器，以及波控单元；所述的波束控制器采用FPGA实现，所述的数据存储器采用FLASH存储器；所述波束控制器FPGA用于计算并发送全阵波控数据至波控单元，波控单元作为数据接口电路将收到的波控数据分发输出，控制T/R组件，同时将天线遥测数据送回波束控制器。本发明的波束控制器装置适合全极化SAR系统，可以实时在轨进行调整。

Description

一种适用于全极化SAR系统的波束控制装置和方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种适用于全极化SAR系统的波束控制装置和方法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种二维高分辨率成像雷达。传统的SAR图像处理，仅仅利用了SAR获取的幅度信息，比如变化监测、目标检测等，随着人们在利用遥感对地观测时追求信息的“贪婪”，极化SAR（Polarimetric SyntheticAperture Radar，PolSAR）中越来越成为研究和应用的重点。电磁波发射分为水平波（H）和垂直波（V），接收也分为水平波（H）和垂直波（V）。极化SAR应用了目标对入射极化波的改变，利用多种极化方式交替发射接收雷达信号，通过天线发射和接收互相垂直的两种极化信号分量，获取目标回波的散射矩阵，挖掘其中内在的信息，因而能提供更完整的目标散射信息，反映更多更全面的地物特性。
目前大多数的SAR系统都采用数字阵列天线，波束控制器是SAR系统的重要组成部分，它的主要功能是根据SAR不同的工作模式以数字式移相器实现SAR天线的波束扫描与控制。常见的单极化SAR系统通常是由一个波束控制器控制一套由单极化T/R（H极化或V极化）组件组成的天线，而全极化SAR系统是由一个波束控制器控制一套由T/R（H极化）组件和T/R（V极化）组件组成的天线，完成HH、VV、HV、VH这四种极化方式。
相对于常见的SAR系统采用单极化（HH或者VV），全极化SAR系统采用HH、VV、HV、VH这四种极化方式，可以测量目标的全部极化散射特性，获取丰富的目标信息，相对来说实现也更复杂。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种适合全极化SAR系统的波束控制装置和方法，选取FPGA作为波束控制器的核心处理器，FLASH作为数据存储介质，主要功能是根据全极化SAR系统不同的工作模式及极化方式通过数字移相器来实现天线的波束扫描与控制。
本发明的技术方案为：一种适用于全极化SAR系统的波束控制装置，包括：
SAR系统监控计算机，连接到波束控制器，所述的波束控制器连接到数据存储器，以及波控单元；所述的波束控制器采用FPGA实现，所述的数据存储器采用FLASH存储器；
所述波束控制器FPGA用于计算并发送全阵波控数据至波控单元，波控单元作为数据接口电路将收到的波控数据分发输出，控制T/R组件，同时将天线遥测数据送回波束控制器。
有益效果：
（1）本发明的波束控制器装置适合全极化SAR系统，能够实现HH、VV、HV、VH这四种极化方式。本发明的波束控制器装置适合全极化SAR系统，可以实时在轨进行调整；
（2）本发明通过FLASH可以根据实际情况，重新上载H极化基态补偿码δ 1和H极化基态补偿码δ 2、以及所有TR组件的开关矩阵，方便在轨实时做出调整。
附图说明
图1为全极化工作方式；
图2为全极化SAR系统波束控制网络图；
图3为天线的坐标位置；
图4 为成像坐标系定义；
图5为波束控制装置组成框图；
图6为波束控制码计算流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的实施例，提出一种适用于全极化SAR系统的波束控制装置，包括：
SAR系统监控计算机，连接到波束控制器，所述的波束控制器连接到数据存储器，以及波控单元；所述的波束控制器采用FPGA实现，所述的数据存储器采用FLASH存储器；
所述波束控制器FPGA用于计算并发送全阵波控数据至波控单元，波控单元作为数据接口电路将收到的波控数据分发输出，控制T/R组件，同时将天线遥测数据送回波束控制器。具体设计如下：
SAR系统中的波束控制系统采用波束控制器+波控单元+波控组件三级波控方案。
其中波束控制器为舱内设备，属于中央电子设备单机；
波控单元与波控组件为舱外设备，属于天线子系统单机。
波束控制器计算并发送全阵波控数据至波控单元，波控单元作为数据接口电路将收到的波控数据分发输出，控制T/R组件，同时将天线遥测数据送回舱内中央电子设备。
波束控制器按照SAR系统的控制要求，生成当前波位需要的波束控制数据，依照波束控制器与波控单元的约定，输出至天线子系统波控单元，实现SAR系统要求的二维波束赋型和波束扫描控制；输出SAR系统收发定时控制信号TR-R和TR-T（全极化分TR-T-H、TR-T-V两个信号）至各波控单元；
图1 中TR_R为接收通道控制脉冲，低电平关断接收通道、高电平开通接收通道。TR_T为发射通道控制脉冲，低电平开通发射通道、高电平关断发射通道。T/R组件发射负载态和接收负载态组合控制情况下，T/R组件可以工作在以下4种不同状态：不发射不接收、只发射不接收、只接收不发射、既发射又接收。从图1中可以看出，H/V交替发射，H/V同时接收，形成了HH、VV、HV、VH这四种极化方式。
表1 T/R组件开关矩阵控制位定义
Figure 156455DEST_PATH_IMAGE001
根据表1的T/R组件开关矩阵控制位定义，D1D0：
00表示组件不发不收，收发负载态；
01表示组件只收不发；
10表示组件只发不收；
11表示组件正常收发，收发工作态；
SAR天线子系统接受波束控制器的指令进行成像、定标等功能实现，全极化SAR系统波束控制网络图如图2所示。
设定全极化SAR每个天线平面阵各有M个子阵组成，每个子阵N个波控单元，每个波控单元控制L1个H极化T/R组件和L2个V极化T/R组件，天线的坐标位置如图3所示，可以认为与波束控制器相连单元电路的布局为矩形布局，可以使用行号和列号来唯一表示。
天线波束指向正方向参考为天线阵面本体坐标系，+Z方向为卫星对地面方向，方位向正方向为+X方向（卫星飞行方向），距离向正方向为+Y方向，XYZ方向符合标准右手坐标系定义，即
Figure 182180DEST_PATH_IMAGE002
。
假设天线相位中心飞行方向平行于地平面，当固定距离向视角时，方位向扫描角变化时，波束中心地面轨迹平行于雷达星下点地面轨迹。成像坐标系如图3：As为方位向扫描角；Rs为距离向扫描角；θ0为天线法向视角，θ为天线波束视角；
在此条件下，波束指向在天线坐标系中的扫描矢量为：(sinA S ，cosA S sinRS)。
对应的扫描相位分别为：
Figure 370585DEST_PATH_IMAGE003
(公式1)
由于在实际应用中天线系统中方位向扫描范围仅为±3°，此时有cosA S ≈1。所以公式(1)可以简化成：
Figure 241589DEST_PATH_IMAGE004
(公式2)
上式求得的扫描相位递增因子单位为度，其中D x 和D y 分别为方位向和距离向单元间距，λ为中心频率波长，由于天线系统的方位扫描角范围和距离向扫描角范围、扫描步进都是已知的，所以通常提前根据公式（2）将各个扫描角的∆P x 和∆P y 提前计算出来，存储在FPGA中的ROM中，使用时直接调用，这样可以节省在轨FPGA的计算资源和计算时间。
结合图3、图4和公式(2)，可知，第(m，n)个波控单元中H极化TR组件的波束移相码为：
C(m,n,l1)=m*∆P x +(n−1)*L1*∆P y +l1*∆P y (公式3)
V极化TR组件的波束移相码为：
C(m,n,l2)=m*∆P x +(n−1)*L2*∆P y +l2*∆P y (公式4)
其中，l1为1，2，3，…，L1，l2为1，2，3，…，L2。
由于所有TR组件都是由人工组装成整个天线阵面，所以阵面肯定会存在幅度、相位不平的现象存在，在波束控制器FPGA的实现过程中，天线组装好后，利用地面测试系统，测试法向等不同的角度，利用测试结果，给出一组基态误差波束控制数据来补平整个天线阵面。对于全极化SAR系统而言，要分别利用地面测试系统对H极化和V极化进行方向图扫描，根据扫描结果分别对H极化TR组件和V极化TR组件进行基态误差补偿。
在公式（3）和公式（4）的基础上，加上相应的基态误差波束控制数据得到H极化TR组件补偿后的波束移相码为：
C(m,n,l1)=m*∆P x +(n−1)*L1*∆P y +l1*∆P y +δ1 (公式5)
V极化TR组件补偿后的波束移相码为：
C(m,n,l2)=m*∆P x +(n−1)*L2*∆P y +l2*∆P y +δ2 (公式6)
式中，δ1为H极化通道补偿数据，δ2为V极化通道补偿数据。
在波束控制器FPGA的实现过程中，由于天线在测试的过程中会经常有搬运和重新安装的情况，每次变动都会引起天线阵面的不平整，所以本发明中将基态误差波束控制数据存储在FLASH中，因为FLASH中的数据可以快速擦除并重新上载。
如图5所示，根据本发明的一个实施例，本发明的装置包括：SAR系统监控计算机，连接到波束控制器FPGA，所述的波束控制器FPGA连接到数据FLASH，以及天线波控单元；
一个完整的TR组件波束控制数据包括开关矩阵、接收态衰减码、发射态移相码和接收态移相码，其中开关矩阵来确定当前TR组件处于工作状态还是负载状态，天线的正常工作情况下，所有TR组件都处于工作状态。然而在星上实际工作中，如果通过单TR定标、温度遥测等发现某一个或某几个TR组件工作异常，那就可以通过控制TR组件的开关矩阵，让工作异常的TR组件处于关闭不工作状态。所以依旧可以利用FLASH的大容量存储，可以在轨读取和上载数据的优势，存储多组开关矩阵，并根据星上的测试情况，实时重新上载覆盖之前的开关矩阵。
接收态衰减码、发射态移相码和接收态移相码这些码字则是通过工作模式、扫描角度等通过公式（5）和公式（6）计算得到。上述装置的工作流程如下：
步骤1、SAR系统中的波束控制器开始上电工作后，根据SAR系统监控计算机给出的指令，首先根据不同的工作模式将数据存储器FLASH中的开关矩阵数据读取出来存储到波束控制器FPGA的RAM2中待用、FLASH中的H极化通道补偿数据δ 1读取出来存储到波束控制器FPGA的RAM1中待用，FLASH中的V极化通道补偿数据δ 2读取出来存储到波束控制器FPGA的RAM3中待用；
步骤2、然后依据指令确定方位向扫描角和距离向扫描角，从波束控制器FPGA的ROM中读取出相应的∆P x 和∆P y ；
步骤3、根据公式（5）得到H极化TR组件的波束移相码，根据公式（6）得到不V极化TR组件的波束移相码，然后根据和天线波控单元的传输协议，将TR组件的波束移相码发送给对应的天线波控单元。
步骤4、天线波控单元在接收到TR组件的波束移相码后，在接收通道控制脉冲和H极化发射通道脉冲，V极化发射通道脉冲的控制下，实现HH、VV、HV、VH这四种极化方式。具体实现流程如图5-6所示。
在轨工作时，当需要重新上载FLASH中的数据时，波束控制器首先通过SAR系统监控计算机的波控指令获取新的数据，然后加载到FLASH中，覆盖旧的数据。下次计算波束控制数据就会采用新上载的FLASH数据。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种适用于全极化SAR系统的波束控制装置，其特征在于，包括：
SAR系统监控计算机，连接到波束控制器，所述的波束控制器连接到数据存储器，以及波控单元；所述的波束控制器采用FPGA实现，所述的数据存储器采用FLASH存储器；
所述波束控制器所采用的FPGA用于计算并发送全阵波控数据至波控单元，波控单元作为数据接口电路将收到的波控数据分发输出，控制T/R组件，同时将天线遥测数据送回波束控制器；所述波束控制器输出SAR系统收发定时控制信号TR-R和TR-T至各波控单元，包括全极化分TR-T-H、TR-T-V两个信号；
适用于全极化SAR系统, 采用HH、VV、HV、VH这四种极化方式；
设定全极化SAR每个天线平面阵各有M个子阵组成，每个子阵N个波控单元，每个波控单元控制L1个H极化T/R组件和L2个V极化T/R组件；
所述波束控制器按照控制要求，生成当前波束需要的波束控制数据，依照波束控制器与波控单元的约定，输出至波控单元，实现二维波束赋型和波束扫描控制；包括：
假设天线相位中心飞行方向平行于地平面，当固定距离向视角时，方位向扫描角变化时，波束中心地面轨迹平行于雷达星下点地面轨迹；成像坐标系中，As为方位向扫描角；Rs为距离向扫描角；θ0为天线法向视角，θ为天线波束视角；
在此条件下，波束指向在天线坐标系中的扫描矢量为：(sinA S ，cosA S sinRS)；
对应的扫描相位分别为：
Figure 924627DEST_PATH_IMAGE001
公式(1)
所以公式(1)简化成：
Figure 54257DEST_PATH_IMAGE002
公式(2)
上式求得的扫描相位递增因子单位为度，其中D x 和D y 分别为方位向和距离向单元间距，λ为中心频率波长，根据公式（2）将各个扫描角的∆P x 和∆P y 提前计算出来，存储在FPGA中的ROM中，使用时直接调用；
结合公式(2)，可知，第(m，n)个波控单元中H极化TR组件的波束移相码为：
C(m,n,l1)=m*∆P x +(n−1)*L1*∆P y +l1*∆P y 公式(3)
V极化TR组件的波束移相码为：
C(m,n,l2)=m*∆P x +(n−1)*L2*∆P y +l2*∆P y 公式(4)
其中，l1为1，2，3，…，L1，l2为1，2，3，…，L2；
在波束控制器FPGA的实现过程中，天线组装好后，利用地面测试系统，测试不同的角度，利用测试结果，给出一组基态误差波束控制数据来补平整个天线阵面；对于全极化SAR系统而言，要分别利用地面测试系统对H极化和V极化进行方向图扫描，根据扫描结果分别对H极化TR组件和V极化TR组件进行基态误差补偿；
在公式（3）和公式（4）的基础上，加上相应的基态误差波束控制数据得到H极化TR组件补偿后的波束移相码为：
C(m,n,l1)=m*∆P x +(n−1)*L1*∆P y +l1*∆P y +δ1 公式(5)
V极化TR组件补偿后的波束移相码为：
C(m,n,l2)=m*∆P x +(n−1)*L2*∆P y +l2*∆P y +δ2 公式(6)
式中，δ1为H极化通道补偿数据，δ2为V极化通道补偿数据。
2.根据权利要求1所述的一种适用于全极化SAR系统的波束控制装置，其特征在于，
一个完整的TR组件波束控制数据包括开关矩阵、接收态衰减码、发射态移相码和接收态移相码，其中开关矩阵来确定当前TR组件处于工作状态还是负载状态，天线的正常工作情况下，所有TR组件都处于工作状态；利用FLASH数据存储器，进行在轨读取和上载数据，存储多组开关矩阵，并根据星上的测试情况，实时重新上载覆盖之前的开关矩阵。
3.一种适用于全极化SAR系统的波束控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、SAR系统中的波束控制器开始上电工作后，根据SAR系统监控计算机给出的指令，首先根据不同的工作模式将FLASH中的开关矩阵数据读取出来存储到波束控制器FPGA的RAM2中待用、FLASH中的H极化通道补偿数据δ 1读取出来存储到波束控制器FPGA的RAM1中待用，FLASH中的V极化通道补偿数据δ 2读取出来存储到波束控制器FPGA的RAM3中待用；所述波束控制器输出SAR系统收发定时控制信号TR-R和TR-T至各波控单元，包括全极化分TR-T-H、TR-T-V两个信号；
适用于全极化SAR系统, 采用HH、VV、HV、VH这四种极化方式；
设定全极化SAR每个天线平面阵各有M个子阵组成，每个子阵N个波控单元，每个波控单元控制L1个H极化T/R组件和L2个V极化T/R组件；
步骤2、然后依据指令确定方位向扫描角和距离向扫描角，从波束控制器FPGA的ROM中读取出扫描相位；
步骤3、计算得到H极化TR组件的波束移相码，以及得到V极化TR组件的波束移相码，然后根据波束控制器和天线波控单元的传输协议，将TR组件的波束移相码发送给对应的天线波控单元；
步骤4、天线波控单元在接收到TR组件的波束移相码后，在接收通道控制脉冲和H极化发射通道脉冲，V极化发射通道脉冲的控制下，实现HH、VV、HV、VH这四种极化方式；所述波束控制器按照控制要求，生成当前波束需要的波束控制数据，依照波束控制器与波控单元的约定，输出至波控单元，实现二维波束赋型和波束扫描控制；包括：
假设天线相位中心飞行方向平行于地平面，当固定距离向视角时，方位向扫描角变化时，波束中心地面轨迹平行于雷达星下点地面轨迹；成像坐标系中，As为方位向扫描角；Rs为距离向扫描角；θ0为天线法向视角，θ为天线波束视角；
在此条件下，波束指向在天线坐标系中的扫描矢量为：(sinA S ，cosA S sinRS)；
对应的扫描相位分别为：
Figure 665367DEST_PATH_IMAGE001
公式(1)
所以公式(1)简化成：
Figure 222250DEST_PATH_IMAGE002
公式(2)
上式求得的扫描相位递增因子单位为度，其中D x 和D y 分别为方位向和距离向单元间距，λ为中心频率波长，根据公式（2）将各个扫描角的∆P x 和∆P y 提前计算出来，存储在FPGA中的ROM中，使用时直接调用；
结合公式(2)，可知，第(m，n)个波控单元中H极化TR组件的波束移相码为：
C(m,n,l1)=m*∆P x +(n−1)*L1*∆P y +l1*∆P y 公式(3)
V极化TR组件的波束移相码为：
C(m,n,l2)=m*∆P x +(n−1)*L2*∆P y +l2*∆P y 公式(4)
其中，l1为1，2，3，…，L1，l2为1，2，3，…，L2；
在波束控制器FPGA的实现过程中，天线组装好后，利用地面测试系统，测试不同的角度，利用测试结果，给出一组基态误差波束控制数据来补平整个天线阵面；分别利用地面测试系统对H极化和V极化进行方向图扫描，根据扫描结果分别对H极化TR组件和V极化TR组件进行基态误差补偿；
在公式（3）和公式（4）的基础上，加上相应的基态误差波束控制数据得到H极化TR组件补偿后的波束移相码为：
C(m,n,l1)=m*∆P x +(n−1)*L1*∆P y +l1*∆P y +δ1 公式(5)
V极化TR组件补偿后的波束移相码为：
C(m,n,l2)=m*∆P x +(n−1)*L2*∆P y +l2*∆P y +δ2 公式(6)
式中，δ1为H极化通道补偿数据，δ2为V极化通道补偿数据。
4.根据权利要求3所述的一种适用于全极化SAR系统的波束控制方法，其特征在于，
在轨工作时，当需要重新上载数据存储器FLASH中的数据时，波束控制器首先通过SAR系统监控计算机的波控指令获取新的数据，然后加载到数据存储器FLASH中，覆盖旧的数据；下次计算波束控制数据就会采用新上载的FLASH数据。
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