CN1191977A - 星(机)地一体化陆基微波散射计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种地物微波波谱测量技术,它由发射单元1,功率与脉冲控制单元2,校准开关3,收发环形器4,收发天线5,校准支路6,接收开关7,接收放大单元8,检波采样单元9,数字处理与频谱分析单元10和主控计算机11组成。本发明从带宽和穿透深度最大限度地模拟了星(机)载台成孔径雷达进行地物后向散射测量的机理,与合成孔径雷达达到尽可能大的兼容性,从而可以将测量到的地物后向散射波谱更为准确地用于合成孔径雷达图像的反演。

Description

星(机)地一体化陆基微波散射计
本发明涉及一种微波遥感定量化波谱测量技术，特别是涉及一种用于合成孔径雷达图像定量化应用的地物微波波谱测量技术。
合成孔径雷达(SAR)是近年来发展起来的重要微波对地观测(遥感)仪器。它具有全天时、全天候以及成像分辩率高的特点。与可见光与红外遥感一样，对合成孔径雷达SAR图像的定量化应用不但需要进行图像处理方面的技术，还需要用图像中不同灰度值对应的地物波谱数据库来进行图像内容的反演。目前地物波谱数据的获取主要是通过陆基微波散射计实测得到的。
常规的陆基微波散射计通常采样连续波调频(FM-CW)制式。该制式的散射计为提高测量数据的稳定性通常都具有很宽的频带，一般至少达到15％，如中心频率在5.3GHz时，带宽可达800MHz以上。另外，它对其发射机的输出功率没有限制，通常使测量数据达到40dB的动态为目标。这样的散射计技术在星载合成孔径雷达上天之前已经成熟并被大量应用于波谱测量工作中。目前在合成孔径雷达图像应用工作中使用的实测波谱也是由这样的陆基散射计测量的。
但上述常规陆基微波散射计在用于合成孔径雷达图像应用波谱测量时有以下主要不足：
1、信号带宽与合成孔径雷达不符(合成孔径雷达的带宽只有几十MHz)，从而所测量波谱是地物对许多频率响应的平均，不能准确地在地面上模拟合成孔径雷达的测量结果；
2、发射功率或接收机的动态与合成孔径雷达不具有同一性，因而会得到与合成孔径雷达不同的地面穿透深度，这样也就不可能得到与合成孔径雷达同样的测量结果；
3、连续波调频制式的陆基散射计要使用发射与接收分离的两套天线系统，这在陆基平台测量时由于作用距离较小，会引入一定的波束对准误差，从而影响测量精度。
参见[美]M.I.斯科尔尼克著的《(雷达系统导论》(国防工业出版社1992年2月第一版)第三章，“连续波雷达与调频雷达”。
本发明的目的是提供一种与星载或机载合成孔径雷达同频，同极化，同带宽，同穿透深度，具有更高测量精度的陆基微波散射计。这样的散射计称为星(机)地一体化的陆基微波散射计。
一种星(机)地一体化的陆基微波散射计，其特征在于：
(1)该散射计由发射单元1，功率与脉冲控制单元2，校准开关3，收发环形器4，收发天线5，校准支路6，接收开关7，接收放大单元8，检波采样单元9，数字处理与频谱分析单元10和主控计算机11组成；
(2)发射单元1在主控计算机11的控制下首先产生与合成孔径雷达信号中心频率相同的连续载波(CW)信号，并放大后送至功率与脉冲控制单元2；功率与脉冲控制单元2在主控计算机11的控制下根据合成孔径雷达的穿透深度，调整发射单元1的输出功率，并对连续载波信号进行截取，以获得适当的发射信号脉冲宽度；校准开关3在主控计算机11的控制下对由功率与脉冲控制单元2输出的发射脉冲信号进行切换，当校准开关3接通收发环形器4时，散射计处于测量状态，发射信号由收发环形器4接至收发天线5辐射出去，经地物反射后，地面回波经同一收发天线5接收，通过收发环形器4送至接收开关7；当校准开关3接通校准支路6时，散射计处于校准状态，发射信号被引入校准支路6并经过与实际作用距离相当的传输延时之后再到达接收开关7；经由校准支路6过来的校准信号和经由收发环形器4接收的测量信号分别通过接收开关7传送至对接收或校准信号在微波频率进行放大的接收放大单元8，接收放大单元8中插有自动增益控制电路，并由主控计算机11加以控制；接收放大单元8将信号放大后送入检波采样单元9，在主控计算机11控制下直接检波；然后该信号被送入数字处理与频谱分析单元10，在主控计算机11控制下进行数字处理与频谱分析，得到最终的测量结果。
通过以上方案，本发明主要从带宽和穿透深度两方面最大限度地模拟了星(机)载合成孔径雷达进行地物后向散射测量的机理，使星(机)地一体化的陆基微波散射计能够与合成孔径雷达达到尽可能大的兼容性，从而可以将该散射计测量到的地物后向散射波谱更为准确地应用于合成孔径雷达图像的反演。
附图1为本发明的结构框图。
下面结合附图，详细说明本发明的工作过程。
本发明由发射单元1，功率与脉冲控制单元2，校准开关3，收发环形器4，收发天线5，校准支路6，接收开关7，接收放大单元8，检波采样单元9，数字处理与频谱分析单元10和主控计算机11组成。
发射单元1在主控计算机11的控制下首先产生与台成孔径雷达信号中心频率相同的连续载波(CW)信号，并放大至1W以上送至功率与脉冲控制单元2。功率与脉冲控制单元2在主控计算机11的控制下根据不同的星载或机载合成孔径雷达在地面上能达到的穿透深度，调整发射单元1的输出功率；并根据平台架设高度对连续载波信号进行截取，以获得适当的发射信号脉冲宽度，从而保证测量是在很窄的频带下进行的。主控计算机11对功率与脉冲控制单元2的功率输出和脉冲宽度根据应用目标与平台高度进行调节然后将信号送入校准开关3。校准开关3在主控计算机11的控制下对由功率与脉冲控制单元2输出的发射脉冲信号进行切换。当校准开关3接通收发环形器4时，散射计处于测量状态，发射信号由收发环形器4接至收发天线5辐射出去，经地物反射后，地面回波经同一收发天线5接收，通过收发环形器4送至接收开关7；当校准开关3接通校准支路6时，散射计处于校准状态，发射信号被引入校准支路6并经过与实际作用距离相当的传输延时之后再到达接收开关7。校准支路6的作用是对散射计进行内定标，以消除由于发射单元1与接收放大单元8的增益漂移带来的不稳定性。接收开关7的主要功能是增大测量状态时与发射单元1之间的隔离度以避免接收通道阻塞并在校准状态时接通校准支路。经由校准支路6过来的校准信号和经由收发环形器4接收的测量信号分别通过接收开关7传送至接收放大单元8。接收放大单元8的主要功能是对接收或校准信号在微波频率进行放大。由于发射脉冲的宽度很窄，不能采用变频放大的方式，所以接收放大单元8的功率放大倍数应很高，通常为60dB。为防止信号过强时通道阻塞，接收放大单元8中应插入自动增益控制电路，并由主控计算机11加以控制。接收放大单元8将信号放大后送入检波采样单元9进行直接检波，然后该信号被送入数字处理与频谱分析单元10进行数字处理与频谱分析，得到最终的测量结果。检波采样单元9的主要功能是对接收放大单元8输出的时域信号进行包络检波并进行高速模数(A/D)变换，将模拟时域信号尽可能完整地转换为数字信号。对应不同的地物目标，主控计算机11可选择不同的采样速率。数字处理与频谱分析单元10的主要功能有四个：一是计算回波到达时间从而确定天线到目标的作用距离；二是如果由于作用距离的限制发射脉冲太窄，散布带宽超过需要模拟的合成孔径雷达信号的带宽(通常如此)，数字处理与频谱分析单元10将从信号中滤出需要的信号带宽；三是要从复杂的测量信号中解出只由天线主波束覆盖区内散射回来的信号，以避免来自天线波束副瓣或周围环境带来的其它影响；最后是对回波功率进行标定，以向计算机输出测量结果。主控计算机11是协调与指挥整个系统的中枢。它可以控制发射单元1的工作与停止、功率与脉冲控制单元2的功率输出与脉冲宽度、校准开关3与接收开关7的开关时序、接收放大单元8的自动增益电路，检波采样单元9的采样速率、数字处理与频谱分析单元10的处理与分析参数，如：回波到达时间，截取带宽，波束宽度，幅度标定修正系数等。本发明中，校准开关3可以为一般的低插损微波开关，如电控机械式波导开关；校准开关3也可采用小功率PIN微波开关或其它各种形式的微波开关。收发环形器4为常规的铁氧体环形器。收发天线5包括天线转台，天线本身根据工作频率的不同可采用反射面或其它形式的孔径天线，天线的半功率波束宽度可取在10到15度之间。校准支路6通常由同轴电缆实现，也可以用声表面波无色散延时线。

Claims (7)

1、一种星(机)地一体化陆基微波散射计，其特征在于：
1)该散射计由发射单元(1)，功率与脉冲控制单元(2)，校准开关(3)，收发环形器(4)，收发天线5)，校准支路(6)，接收开关(7)，接收放大单元(8)，检波采样单元(9)，数字处理与频谱分析单元(10)和主控计算机(11)组成；
2)发射单元(1)在主控计算机(11)的控制下首先产生与合成孔径雷达信号中心频率相同的连续载波(CW)信号，并放大后送至功率与脉冲控制单元(2)；功率与脉冲控制单元(2)在主控计算机(11)的控制下根据合成孔径雷达的穿透深度，调整发射单元(1)的输出功率，并对连续载波信号进行截取，以获得适当的发射信号脉冲宽度；校准开关(3)在主控计算机(11)的控制下对由功率与脉冲控制单元(2)输出的发射脉冲信号进行切换，当校准开关(3)接通收发环形器(4)时，散射计处于测量状态，发射信号由收发环形器(4)接至收发天线(5)辐射出去，经地物反射后，地面回波经同一收发天线(5)接收，通过收发环形器(4)送至接收开关(7)；当校准开关(3)接通校准支路(6)时，散射计处于校准状态，发射信号被引入校准支路(6)并经过与实际作用距离相当的传输延时之后再到达接收开关(7)；经由校准支路(6)过来的校准信号和经由收发环形器(4)接收的测量信号分别通过接收开关(7)传送至对接收或校准信号在微波频率进行放大的接收放大单元(8)，接收放大单元(8)中插有自动增益控制电路，并由主控计算机(11)加以控制；接收放大单元(8)将信号放大后送入检波采样单元(9)，在主控计算机(11)控制下直接检波；然后该信号被送入数字处理与频谱分析单元(10)，在主控计算机(11)控制下进行数字处理与频谱分析，得到最终的测量结果。
2、如权利要求1所述的星(机)地一体化陆基微波散射计，其中发射单元(1)的特征在于产生与合成孔径雷达信号中心频率相同的连续载波信号，并放大至1W以上。
3、如权利要求1所述的星(机)地一体化陆基微波散射计，其中的校准开关(3)可以为一般的低插损微波开关，如电控机械式波导开关。
4、如权利要求1所述的星(机)地一体化陆基微波散射计，其中的校准开关(3)可采用小功率PIN微波开关或其它各种形式的微波开关。
5、如权利要求1所述的星(机)地一体化陆基微波散射计，其中的收发环形器(4)为常规的铁氧体环形器。
6、如权利要求1所述的星(机)地一体化陆基微波散射计，其中的收发天线(5)包括天线转台，天线本身根据工作频率的不同可采用反射面或其它形式的孔径天线，天线的半功率波束宽度可取在10到15度之间。
7、如权利要求1所述的星(机)地一体化陆基微波散射计，其中的校准支路(6)可以包括同轴电缆，也可以包括声表面波无色散延时线。
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