CN115291218B

CN115291218B - 一种同源共视多波段干涉sar试验系统

Info

Publication number: CN115291218B
Application number: CN202211231669.2A
Authority: CN
Inventors: 刘爱芳; 黄龙; 赵浩浩; 夏雪; 徐辉; 林幼权; 楼良盛; 陈刚; 缪毓喆; 董小环
Original assignee: CETC 14 Research Institute
Current assignee: CETC 14 Research Institute
Priority date: 2022-10-10
Filing date: 2022-10-10
Publication date: 2022-12-09
Anticipated expiration: 2042-10-10
Also published as: CN115291218A

Abstract

本发明涉及一种同源共视多波段干涉SAR试验系统，包括两套X‑Ku超宽带天线、两套L波段天线、两套P波段天线、六套变频接收机、四套激励源、一套基准源、一套数字单机、两套内定标器、两套波控机和两套伺服系统；基准源提供基准信号给激励源，激励源将信号上变频至相应频段并放大输出到天线阵面，天线辐射单元将电磁波向特定方向辐射，经过一定时间的延时，辐射单元接收目标区域的反射回波，并将回波传输到相应的接收机，经过低噪放大、下变频、滤波操作，AD将中频模拟信号采样成数字基带信号，并通过光纤传输到对应的存储单元。本系统单次航过可同时获取同一区域的P、L、X、Ku波段SAR数据，研究同一地物在不同波段下的特性差异。

Description

一种同源共视多波段干涉SAR试验系统

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种同源共视多波段干涉SAR试验系统。

背景技术

作为战场侦察核心的雷达探测手段，合成孔径雷达（SAR）可获得全天候、全天时、大范围、大纵深、近实时的战场信息，其中目标检测与识别是获取情报信息的关键。目标的散射特性与波段间存在紧密的关联关系，低波段穿透能力较强，可以穿透树林获取地表目标信息，而高波段则能提供高精度的目标表层信息，细节更加丰富。极化、干涉等技术获取的环境信息也对军事目标的探测与识别有辅助支撑作用，能够更准确的获取目标信息及其态势。因此目标的精确检测和识别与SAR雷达的多维度、高精度的信息获取能力息息相关。

从上世纪七十年代开始，美国研制了第一部机载合成孔径雷达，之后在原型机的基础上研制出同时具有P、L、C波段的全极化工作模式系统AIRSAR，并且利用该系统获得了C波段垂直航向的干涉数据以及L波段沿航向的干涉数据。德国宇航局首先研制了ESAR、AES-1系统，之后对ESAR系统进行了改进，推出了FSAR系统，能够同时获取四个波段（P、L、C、X）的全极化数据，同时实现在X波段极化干涉测量。此外，还有加拿大的CONVAIR-580 C/X-SAR系统、日本的PI-SAR系统、德国应用科学研究院的PAMIR系统、法国的RAMSES系统以及美国宇航局的无人机UAVSAR系统。机载极化雷达集多波段、多极化、多模式、高分辨等特点于一身，其便捷易操作的特性为对地遥感应用军事任务的执行奠定了基础。

国内机载SAR系统覆盖了P、L、C、X、Ku、K、Ka等多个波段，然而由于功能需求或受平台、系统规模等因素限制，大部分系统只包含一种或两种波段，单次飞行或航过无法同时获取同一区域的多个波段的干涉数据，无法完成同等飞行条件下多种波段目标特性对比性分析，在多种技术和应用模式验证研究上有所欠缺。

发明内容

为解决现有的技术问题，本发明提供了一种同源共视多波段干涉SAR试验系统。

本发明的具体内容如下：一种同源共视多波段干涉SAR试验系统，包含：两套相同的X-Ku超宽带天线，用于X和Ku两个波段信号的分时发射和接收；两套相同的L波段天线，用于L波段信号的发射和接收；两套相同的P波段天线，用于P波段信号的发射和接收；六个天线对应地分布在平台的左右两侧，分别形成交轨干涉基线；六套变频接收机，分别完成对应天线回波信号的下变频接收和中频采样；四套激励源，分别用于产生P、L、X、Ku的射频信号；一套基准源，为四套激励源和接收机提供同一基准信号，使发射信号和接收信号不存在因参考信号不同而引入相位差异；一套数字单机，用于整个系统的模式控制和定时时序；两套内定标器，分别用于L、P天线和X-Ku天线的链路标定；两套波控机和两套伺服系统，分别用于控制两侧天线阵面方位向波束和距离向波束的指向。

系统工作时X-Kua天线发射X波段信号，X-Kub天线发射Ku波段信号，La天线发射L波段信号，Pa天线发射P波段信号；接收时X-Kua天线和X-Kub天线同时接收X波段和Ku波段信号，通过变频滤波至不同波段完成X和Ku信号的同时接收；La天线和Lb天线同时接收L波段信号，Pa和Pb天线同时接收P波段信号，系统可实现四波段的同时工作，获取常规SAR数据和交轨干涉数据。

进一步的，本申请的试验系统还采用了以下设计：

1、X-Ku子系统的超宽带设计。本发明中涉及到的阵面数据较多，波段较多，为减少系统成本、节省阵面框架空间和降低系统的设备重量，将X-Ku子系统进行超宽带设计。首先内定标器为超宽带设计，可以标定X和Ku两种频段的射频链路；然后天线辐射单元是超宽带设计，可以发射和接收两种频段的信号；最后接收机也是超宽带设计，可以通过不同的滤波器，同时实现两种频段信号的下变频接收。

2、同源设计。在一般的参考源不同的干涉系统中，两个交轨天线的信号会存在因源信号初相的不同而导致出现相位差异，而干涉测绘的原理则是利用两个天线到目标区域的路径差产生的相位差异，反演出照射目标的高度。如果两种因素导致的相位差混合在一起，就无法准确得到目标区域的高程信息。因此本发明中三组交轨干涉天线均使用同一基准源，通过功分器将基准信号分别传输给各个子系统。一方面可以避免出现上述的相位同步问题，简化数据的干涉处理；另一方面，还可以进一步节省成本和降低硬件设备重量。

3、分时定标时序设计。为了保证SAR数据的准确有效性，系统通过参考定标、接收定标、发射定标三种内定标完成系统的高精度标校；为了避免不同器件对链路标校造成的影响，同时也为了降低系统的设备量，系统使用了两套内定标器，其中L和P共用一套内定标器，X和Ku共用一套内定标器；为了防止发射定标时两个阵面的信号同时进入内定标器造成信号的交叠，系统还需设计分时定标时序，即多个天线在时间上分别先后使用内定标器完成各自传输链路的标校。

4、波束指向设计。基于四个波段对目标区域共视的需求，需统一控制波控机与伺服系统，保证六套天线的波束指向严格一致。各天线阵面的距离向波束扫描通过伺服的转动实现，方位向波束扫描由波控机发送的波控码控制相位移动实现。

进一步的，试验系统的六套天线分别固定在专门的天线框架中，同一侧的天线阵面与框架构成一个刚体，其转动角度相同；平台左侧的主伺服和右侧的辅伺服，共用一套程序，两者同时受综合处理单元的控制，步调保持相同，以上两点保证六套天线的距离向波束指向保持一致。伺服的转动范围为0到180度，可以从平台正左侧转动到平台正右侧。

进一步的，六套天线的方位向均分布有较多的辐射单元，综合处理单元控制两套波控机，通过波控机发送波控码，控制辐射单元的相位移动，实现合成波束的指向扫描。六套天线统一由综合处理单元控制，使方位向波束指向保持一致。方位向波束范围为-20度到20度，实现平台后斜视到前斜视的扫描。

5、工作模式设计。基于技术验证需求，设计条带、滑聚、聚束、TOPS等多种工作模式，完成多种场景下多波段多模式SAR数据获取。SAR图像中的目标电磁散射特性受分辨率、频段、下视角、方位斜视角等多种因素影响，为了验证目标散射特性与频段、斜视角等参数间的关系，系统设计了正侧视条带、斜视条带模式，用于比较相同方位斜视角下目标特性在不同频段的差异；设计滑聚和聚束模式，用于比较同一目标在相同频段下不同方位视角下的特性差异；设计TOPS模式用于比较不同下视角时面目标场景的变化特性。

通过设计不同的工作模式，获取不同场景下多个维度的多波段共视数据，用于研究各种目标在不同分辨率、频段、视角下的电磁散射特性，为目标的精确检测和识别提供数据保障。

6、本试验系统采用波门自动计算设计。由于各个波段的采样率不同，而接收机的采样能力相差不大，为了可以录取到同一区域的回波，各个波段的波门设置也不尽相同。试验过程中，操作人员需考虑的方面较为繁杂，为了降低干预程度，减少出错的概率，设计实现了根据目标区域地面距离和平台高度信息，自动计算波门的功能。

波门计算通过以下方法实现：为波束宽度，为波束下视角，h为平台高度，R为目标的地面距离，R ₀为近端斜距即波门，R ₁为远端斜距，为有效幅宽大小，由几何关系，

，可得

。

再结合平台飞行的姿态角等，稍作修正，保证录取的四个波段的回波为同一区域。

本发明的有益效果：单次航过可同时获取同一区域的四个波段的数据，可用于多种波段的目标特性对比性分析；同时还可分别获取P、L、X、Ku波段的交轨干涉数据，用于多频段对目标周围环境的测绘和对比等；另外系统设计实现了X、Ku超宽带天线，两个频段分时共用同一套天线，保证数据高效录取的同时，降低了系统设备量，在系统成本和重量控制上优势更为明显。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。

图1为本发明的同源共视多波段干涉SAR试验系统示意图；

图2为各波段天线安装示意图；

图3为系统高精度标校定时时序图；

图4为左右阵面波束指向示意图；

图5为系统波门计算示意图。

具体实施方式

结合图1-图5，本发明的同源共视多波段干涉SAR试验系统，包含以下部件：两套相同的X-Ku超宽带天线，用于X和Ku两个波段信号的分时发射和接收；两套相同的L波段天线，用于L波段信号的发射和接收；两套相同的P波段天线，用于P波段信号的发射和接收；六个天线对应地分布在左右两侧，分别形成交轨干涉基线。六套变频接收机，分别完成对应天线回波信号的下变频接收和中频采样；四套激励源，分别用于产生P、L、X、Ku的射频信号；一套基准源，为四套激励源和接收机提供同一基准信号，使发射信号和接收信号不存在因参考信号不同而引入相位差异；一套数字单机，用于整个系统的模式控制和定时时序；两套内定标器，分别用于L、P天线和X-Ku天线的链路标定；两套波控机和两套伺服系统，分别用于控制两侧天线阵面方位向波束和距离向波束的指向。

系统工作时，首先基准源提供100MHz基准信号给激励源，激励源将信号上变频至相应的频段，并放大输出到天线阵面，天线辐射单元将电磁波向特定方向辐射，经过一定时间的延时，辐射单元接收目标区域的反射回波，并将回波传输到相应的接收机，经过低噪放大、下变频、滤波等操作，AD将中频模拟信号采样成数字基带信号，并通过光纤传输到对应的存储单元。

本实施例中，各个天线的分布如图2所示，X-Kua、La、Pa天线分别固定在阵面的左侧，和框架一起构成一个刚体，X-Kub、Lb、Pb天线分别固定在阵面右侧的相应位置，对应天线之间间隔一定的距离，构成交轨干涉基线。

具体的分时定标时序如图3所示，通过成像前的12帧信号，依次分别完成La、Lb，Pa、Pb和X-Kua、X-Kub六套天线阵面发射链路和接收链路的内定标。以L波段的发射定标为例，第一帧信号从L激励源发出进入L1天线的发射链路，信号耦合后从阵面进入L波段内定标器，最后进入对应的接收机，此时L2链路采集的为噪声信号；第二帧信号从L激励源发出进入L2天线的发射链路，信号耦合后从阵面进入L波段内定标器，最后进入对应的接收机，此时L1链路采集的为噪声信号。同理P波段天线和X-Ku天线完成对应阵面的发射链路标校，参考定标、接收定标时序和发射定标类似。

本实施例中使用的运载平台飞行高度H=7000m，飞行速度为v=130m/s。由于雷达的功率限制，目标区域的斜距R _max ≤12000m；由于高度回波的影响，最小斜距不应小于R _min ≥ 7500m。由

可知，下视角的范围约为（20°，55°），当观测左侧区域时，对应的伺服控制角度为（35°，70°），当观测右侧区域时，对应的伺服控制角度为（110°，145°），设计的伺服转动角度满足试验要求。另外，设计的方位向波束的扫描角度（-20°，20°），也完全满足方位分辨率条件下所需的积累角度。波束指向控制示意图如图4所示。

以X-Ku天线为例，阐述波门自动计算过程。参数如下表所示：

表1 雷达参数表

由

可知，X波段的波束宽度θ _X =6.4°，Ku波段的波束宽度为θ _Ku = 3.9°；在斜距为10000m时，对应的天线下视角为

，则X波段的波束近端对应的斜距为

，波束远端对应的斜距为

，录取幅宽为

，而接收机的录取能力为

，完全满足幅宽的要求。同理，Ku波段的波束近、远端斜距分别为R ₀ =9672m，R ₁ =10374m，录取幅宽

，录取能力也满足幅宽要求。

另外，L波段和P波段的波束宽度较大，波门设置和X波段相同，由此实现四个波段同一目标区域的数据录取。

本发明的试验系统，能够实现单次航过可同时获取同一区域的P、L、X、Ku波段SAR数据，研究同一地物在不同波段下的特性差异；同时也可实现四波段的交轨干涉数据获取，研究不同波段高程反演的精度；另外该系统设计了条带、滑聚、聚束、TOPS等多种工作模式，可满足多种场景下对SAR回波数据的需求。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。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做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种同源共视多波段干涉SAR试验系统，其特征在于：包括：

两套相同的X-Ku超宽带天线，实现X和Ku两个波段信号的分时发射和接收；

两套相同的L波段天线，实现L波段信号的发射和接收；

两套相同的P波段天线，实现P波段信号的发射和接收；

六个天线对应地分布在平台的左右两侧，分别形成交轨干涉基线；

六套变频接收机，分别完成对应天线回波信号的下变频接收和中频采样；

四套激励源，分别产生P、L、X、Ku的射频信号；

一套基准源，为激励源和变频接收机提供同一基准信号，使发射信号和接收信号不存在因参考信号不同而引入相位差异；

一套数字单机，实现整个系统的模式控制和定时时序；

两套内定标器，分别用于L、P天线和X-Ku天线的链路标定；

两套波控机和两套伺服系统，分别控制两侧天线阵面方位向波束和距离向波束的指向；

系统工作时，基准源提供基准信号给激励源，激励源将信号上变频至相应的频段，并放大输出到天线阵面，天线的辐射单元将电磁波向特定方向辐射，经过延时，辐射单元接收目标区域的反射回波，并将回波传输到相应的接收机，经过低噪放大、下变频、滤波操作，AD将中频模拟信号采样成数字基带信号，并通过光纤传输到对应的存储单元。

2.根据权利要求1所述的同源共视多波段干涉SAR试验系统，其特征在于：内定标器、辐射单元、变频接收机均为超宽带设计。

3.根据权利要求1所述的同源共视多波段干涉SAR试验系统，其特征在于：系统采用分时定标时序，多个天线在时间上分别先后使用内定标器完成各自传输链路的标校。

4.根据权利要求1所述的同源共视多波段干涉SAR试验系统，其特征在于：各天线阵面的距离向波束扫描通过伺服系统的转动实现，方位向波束扫描由波控机发送的波控码控制相位移动实现。

5.根据权利要求4所述的同源共视多波段干涉SAR试验系统，其特征在于：两套伺服系统分别为平台左侧的主伺服和右侧的辅伺服，两者共用一套程序，同时受数字单机中的综合处理单元的控制，步调保持相同，可以从平台正左侧转动到平台正右侧。

6.根据权利要求4所述的同源共视多波段干涉SAR试验系统，其特征在于：数字单机中的综合处理单元控制两套波控机，通过波控机发送波控码控制天线方位向的辐射单元的相位移动，实现合成波束的指向扫描，六套天线方位向的波束指向保持一致。

7.根据权利要求1所述的同源共视多波段干涉SAR试验系统，其特征在于：天线的工作模式包括条带、滑聚、聚束和TOPS模式。

8.根据权利要求 1 所述的同源共视多波段干涉SAR试验系统，其特征在于：根据目标区域地面距离和平台高度信息，自动计算各个波段的波门，计算方法如下：

其中，

为波束宽度，

为波束下视角，h为平台高度，R为目标的地面距离，R ₀为近端斜距即波门，R ₁为远端斜距，

为有效幅宽大小。