CN103744080B - 一种星载多通道合成孔径雷达成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种星载多通道合成孔径雷达成像装置，多路俯仰向接收天线组件等距离设置在雷达的俯仰向上；多路俯仰向接收天线组件接收到的回波经过俯仰向数字波束形成单元后形成一路回波信号，这一路信号所对应的多路俯仰向接收天线作为一列接收天线；多列方位向接收天线组件，设置在雷达的方位向上；多列方位向接收天线组件在经过各自的数字波束形成单元后，形成多路回波信号并进入方位向频谱重建单元进行方位向频谱重建；方位向频谱重建单元分别与多路俯仰向数字波束形成单元连接，对多路回波信号做方位向频谱重建，生成并输出合成孔径雷达回波信号；成像装置与方位向频谱重建单元连接，接收并将合成孔径雷达回波信号生成合成孔径雷达图像。

Description

一种星载多通道合成孔径雷达成像装置

技术领域

本发明涉及一种高性能星载多通道SAR系统的设计与实现，尤其设计俯仰向DBF与方位向多通道技术。

背景技术

高性能星载SAR系统的设计所面临的最重要的问题是：如何在实现方位向高分辨率的同时实现距离向宽测绘带。

目前，对于传统SAR系统来说，欲实现方位向高分辨率，在方位向上需要具有大的多普勒带宽，为了使得信号的采样符合奈奎斯特采样定律，系统的方位向采样率(即脉冲重复频率)必须足够高。而高的脉冲重复频率会缩短雷达系统的回波接收窗，从而降低测绘带宽，所以方位向高分辨率与距离向宽测绘带是一对矛盾。

综上所示，如何在实现方位向高分辨率的同时实现距离向宽测绘带是目前亟待解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，为了解决现有技术要实现宽测绘带，必须使得发射波束在俯仰向上足够的宽，但是这样会降低信号能量，使得系统性能降低的技术问题，本发明的主要目的在于提供一种实现方位向高分辨率的同时实现距离向宽测绘带的星载多通道合成孔径雷达成像装置。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供的一种星载多通道合成孔径雷达成像装置，包括：多路俯仰向接收天线组件、多路方位向接收天线组件、多路俯仰向数字波束形成单元、多路方位向数字波束形成单元、方位向频谱重建单元和合成孔径雷达成像装置，其中：多路俯仰向接收天线组件，等距离设置在多通道合成孔径雷达系统的俯仰向上；每路俯仰向接收天线组件的接收端接收雷达回波，生成一路俯仰向回波数据；多路俯仰向接收天线组件接收到的回波经过俯仰向数字波束形成单元后形成一路回波信号，这一路信号所对应的多路俯仰向接收天线作为一列接收天线；多列方位向接收天线组件，设置在多通道合成孔径雷达系统的方位向上；每列方位向接收天线组件的接收端接收雷达回波，生成并输出一路方位向回波数据，其中，多列方位向接收天线组件在经过各自的数字波束形成单元后，形成多路回波信号，这多路回波信号进入方位向频谱重建单元进行方位向频谱重建；方位向频谱重建单元，其输入端分别与多路俯仰向数字波束形成单元的输出端连接，对数字波束形成单元输出的回波信号做方位向频谱重建，生成并输出合成孔径雷达回波信号；以及成像装置，其输入端与方位向频谱重建单元输出端连接，接收并将合成孔径雷达回波信号生成合成孔径雷达图像。

(三)有益效果

针对传统SAR系统测绘带宽与方位向分辨率不能同时提高的特点，本发明针对如果要实现宽测绘带，必须使得发射波束在俯仰向上足够的宽，但是这样会降低信号能量，使得系统性能降低的问题，提出在俯仰向上设置均匀排列的多个接收天线，通过数字波束形成技术，使得天线阵列生成一个可调整方向的高增益窄波束，在接收信号时，随着来波方向实时的调整波束角度，从而使得回波的能量最大化，提高系统成像性能；针对传统合成孔径雷达系统测绘带宽与方位向分辨率不能同时提高的特点，提出在飞行轨迹方向设置多列接收天线，通过方位向多通道接收使得在提高方位向分辨率的同时，不提高脉冲重复频率PRF，从而可以实现大的测绘带宽。

附图说明

图1为本发明星载多通道合成孔径雷达成像装置示意图；

图2为本发明方位向多通道示意图；

图3为本发明多通道重建理论示意图；

图4为本发明俯仰向多通道示意图；

图5为本发明俯仰向DBF处理流程示意图；

图6为本发明实施例一中SAR系统示意图；

图7为本发明实施例一中SAR系统的波位选择示意图；

图8为本发明实施例一中SAR系统的NESZ曲线图；

图9为本发明实施例一中SAR系统的RASR曲线图；

图10为本发明方位向频谱重构流程图；

图11为根据本发明实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明再作进一步详细的说明。

本发明高性能多通道SAR系统，请参照图1、图10和图11，包括以下部分：多路俯仰向接收天线组件、多路方位向接收天线组件、多路俯仰向数字波束形成单元、多路方位向数字波束形成单元、方位向频谱重建单元和合成孔径雷达成像装置，其中：多路俯仰向接收天线组件，等距离设置在多通道合成孔径雷达系统的俯仰向上；每路俯仰向接收天线组件的接收端接收雷达回波，生成一路俯仰向回波数据；多路俯仰向接收天线组件接收到的回波经过俯仰向数字波束形成单元后形成一路回波信号，这一路信号所对应的多路俯仰向接收天线作为一列接收天线；多列方位向接收天线组件，设置在多通道合成孔径雷达系统的方位向上；每列方位向接收天线组件的接收端接收雷达回波，生成并输出一路方位向回波数据，其中，多列方位向接收天线组件在经过各自的数字波束形成单元后，形成多路回波信号，这多路回波信号进入方位向频谱重建单元进行方位向频谱重建；方位向频谱重建单元，其输入端分别与多路俯仰向数字波束形成单元的输出端连接，对数字波束形成单元输出的回波信号做方位向频谱重建，生成并输出合成孔径雷达回波信号；以及成像装置，其输入端与方位向频谱重建单元输出端连接，接收并将合成孔径雷达回波信号生成合成孔径雷达图像。

其中，所述一路俯仰向接收天线组件含有一路俯仰向接收子天线，每一路俯仰向接收天线的方向图覆盖整个测绘带，从而接收测绘带内的回波。

其中，所述一列方位向接收天线组件含有一列方位向接收天线，每一列方位向接收子天线的方向图覆盖整个测绘带，从而接收测绘带内的回波。

其中，所述俯仰向接收天线组件接收雷达回波信号模型表示如下：

$\begin{array}{c}{r}_n\left(t\right)=\mathrm{\γ}\·\mathrm{rect}\left[\frac{t-t_n}{T_p}\right]\·\exp \left[{\mathrm{jK}}_r\mathrm{\π}{(t-t_n)}^2\right]\\ \·\exp [-j2\mathrm{\π}{f}_c{t}_n],\end{array}$

其中：γ表示与目标散射系数以及天线方向图增益有关的常数，t表示快时间，t_n表示发射信号从发射通道到目标再反射回第n个接收天线的延迟时间，T_p为脉宽，j为虚数，K_r为调频率，f_c为雷达载频，n＝1，…，N，所述延迟时间t_n如下表示：

$t_n=t_0-\frac{d_n\·\sin (\mathrm{\θ}\left(t_0\right)-\mathrm{\β})}{C}$

t₀表示发射信号从发射通道到目标再反射回参考接收通道的时间延迟；参考接收通道选择为俯仰向处于中间位置的接收通道；回波信号模型中的表示第n个接收通道与参考通道间的信号延迟差，d_n表示第n个接收通道与参考通道间的间距，θ(t₀)表示目标的下视角，β为天线法线的下视角，又叫天线安装角，C表示雷达波的传输速度。

其中，从回波信号模型中看出不同参考接收通道的回波会有相位差，从而不能相干累加，数字波束形成模块单元能将各个通道的相位差补偿掉从而使得各天线组件接收到的回波相干信号，最后在数字波束形成模块单元中累加到一起形成一路输出信号，输出信号等效于形成一个高增益的笔形波束；通过实时的改变合成时各通道的实时加权值从而调整窄波束的指向使其跟踪接收地面的反射回波，实现高增益接收，提高雷达灵敏度。

其中，各通道的实时加权值w_k(t)如下表示为：

$w_k\left(t\right)=\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{d_n}{\mathrm{\λ}}\sin (\mathrm{\θ}\left(t\right)-\mathrm{\β})),$

式中：λ为雷达载波所对应的波长，θ(t)表示t时刻回波所对应的下视角。

其中，所述回波相干信号R(t)如下表示：

$R\left(t\right)=\mathrm{\γ}\·N\·\mathrm{rect}\left[\frac{t-t_0}{T_p}\right]\·\exp \left[j{K}_r\mathrm{\π}{(t-t_0)}^2\right]\·\exp [-j2\mathrm{\π}{f}_c{t}_0].$

其中，通过多列方位向接收天线组件方位向上的多通道采样，用于降低脉冲重复频率，但是对于每一方位向接收天线组件来说，方位向信号为欠采样，第n列接收通道接收到的方位向信号u_n(τ)如下式表示：

$u_n\left(\mathrm{\τ}\right)=\mathrm{\γ}\·\exp [-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\sqrt{R_0^2+{\left(V_s\mathrm{\τ}\right)}^2}+\sqrt{R_0^2+{(V_s\mathrm{\τ}-{\mathrm{\Δx}}_n)}^2})]$

其中τ表示慢时间，R₀表示雷达到目标的斜距，V_s表示雷达速度，Δx_n表示第n列接收通道与发射通道在方位向上的间距。

其中，方位向频谱重建单元基于多通道数据重建理论，通过N个预滤波器对B带宽的方位向信号进行预滤波，得到预滤波之后的信号，对每个预滤波后的信号以B/N的采样率进行采样，则通过重建滤波器从N个通道的采样信号中恢复出原始低通信号，所述重建滤波器从数据采样前的预滤波器的传递函数中得到。

步骤101：在俯仰向上设置均匀排列的多个接收天线组件，通过数字波束形成技术形成一个高增益窄波束并实时调整方向跟踪地面的接收回波，实现高增益接收。每一个接收天线组件得到的信号均进入数字波束形成处理器进行处理，输出为合成后的回波信号。

如图4所示俯仰向多通道接收示意图，天线为平面相控阵天线系统，轨高为雷达的轨道高度，俯仰向各通道将接收到的回波用A/D模数转换器采样，并且在后端使用俯仰向数字波束形成技术相干累加。

图5为本发明俯仰向DBF处理流程示意图，每一个通道都分别接收回波，通过多路低噪声放大单元、多路混频单元、多路A/D模数转换器采样，采样后的信号在被实时加权之后并由数字波束形成相干累加合成为一路信号。各通道的实时加权值w_n(t)如下式：

w_n(t)＝exp(-j2πd_nsin(θ(t))/λ)(1)

其中d_n为第n个通道距离发射通道的间距，θ(t)为t时刻所对应的来波方向，λ为雷达载波所对应的波长。

最终合成的距离向方位图如下式所示(t₀时刻)：

$F\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{\sin (\mathrm{N\πd}(\sin \left(\mathrm{\α}\right)-\sin \left(\mathrm{\θ}\left(t_0\right)\right))/\mathrm{\λ})}{\sin (\mathrm{\πd}(\sin \left(\mathrm{\α}\right)-\sin \left(\mathrm{\θ}\left(t_0\right)\right))/\mathrm{\λ})}---\left(2\right)$

步骤102：在雷达飞行轨迹方向设置多列接收天线组件，使得每一个接收通道都可以覆盖照射区域，将每一列接收天线组件的数字波束形成模块的输出信号输入到多普勒频谱重建模块，然后通过方位向多通道重建技术将多普勒频谱恢复；

具体的，如图2示出方位向多通道示意图，R表示接收通道，T/R表示收发通道(其他的不需要描述)，在雷达的飞行轨迹方向(即方位向)上设置了N个通道多个接收天线组件，由于各个天线组件在接收同一个回波的时候，处于不同的方位位置，所以结合雷达发射通道的位置，可以得到每一个通道的等效相位中心，每一个通道的回波都相当于其所对应的等效相位中心处的天线自发自收得到的信号。如果将方位向信号定义为U(f)，则每一个通道上得到的信号相当于方位向信号通过一个预滤波器后的信号。可将第n个通道上得到的方位向信号定义为U_n(f)，其预滤波器为H_n(f)。

如图3示出本发明多通道重建理论示意图，在数学上有一种一般性的多通道数据重建理论：将带宽为B的信号通过N个预滤波器，对每个预滤波器后的信号以B/N的采样率进行采样，则可以通过设计合理的重建滤波器来从N个通道的采样信号中恢复出原始低通信号，如图3所示。数据重建滤波器可以中数据采样前的预滤波器的传递函数中得到。

图3中SAR系统方位向信号符合上述重建理论所述特征，所以根据上述重建理论可以利用多个通道的数据将多普勒频谱恢复，从而便于后续的成像处理。利用多列方位向接收天线组件形成预滤波器，预滤波器组成的矩阵H(f)表示为：

其中H_n(f)表示第n列方位通道的预滤波器，f表示方位向频率，PRF表示脉冲重复频率，重建滤波器P(f)与H(f)的关系为：

利用得到的重建滤波器恢复方位向频谱，从而生成用于雷达成像的回波。

图10为方位向频谱重构流程图。其中U_n(f)为方位向第n列的数字波束形成单元输出回波的方位向信号，U(f)为最终恢复的方位向频谱。n＝1，2，…N。

下面结合实施例对本发明再作进一步详细的描述。

实施例一

如图6所示，本实施例中，设计了一种基于方位向多通道和距离向DBF的高性能星载SAR系统实例。系统设计参数如下：

发射信号载频	9.6GHz
		轨道高度	700km
方位向通道数	10
		俯仰向通道数	10
方位向天线总长	12米
		俯仰向天线总高	2米
发射峰值功率	40000w
		PRF范围	1224Hz～1369Hz
发射信号带宽	600MHz～250MHz
		方位向分辨率	1米
距离向分辨率	1米
		测绘带幅宽	90公里

表1

图7为本实施例SAR系统的波位选择图，下视角从15度到52度。幅宽为90公里，方位向和距离向分辨率都达到1米。

图8为等效后向散射系数(NESZ)曲线图，其中实线为本设计系统的结果，虚线为传统单通道SAR系统的NESZ曲线，从图中可以看出，基于本实施例的星载SAR系统具有更高的灵敏度。因此系统的性能得到了很大的提升。

图9为距离模糊(RASR)曲线图，其中实线为本设计系统的距离模糊结果，虚线为传统单通道SAR系统的RASR曲线，从图中可以看出，基于本设计的系统的距离模糊值远优于单通道SAR系统。所以系统的模糊性能也得到了很大的提升。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种星载多通道合成孔径雷达成像装置，其特征在于，包括：多路俯仰向接收天线组件、多路方位向接收天线组件、多路俯仰向数字波束形成单元、多路方位向数字波束形成单元、方位向频谱重建单元和合成孔径雷达成像装置，其中：

多路俯仰向接收天线组件，等距离设置在多通道合成孔径雷达系统的俯仰向上；每路俯仰向接收天线组件的接收端接收雷达回波，生成一路俯仰向回波数据；多路俯仰向接收天线组件接收到的回波经过俯仰向数字波束形成单元后形成一路回波信号，这一路信号所对应的多路俯仰向接收天线作为一列接收天线；

多列方位向接收天线组件，设置在多通道合成孔径雷达系统的方位向上；每列方位向接收天线组件的接收端接收雷达回波，生成并输出一路方位向回波数据，其中，多列方位向接收天线组件在经过各自的数字波束形成单元后，形成多路回波信号，这多路回波信号进入方位向频谱重建单元进行方位向频谱重建；

方位向频谱重建单元，其输入端分别与多路俯仰向数字波束形成单元的输出端连接，对数字波束形成单元输出的回波信号做方位向频谱重建，生成并输出合成孔径雷达回波信号；

成像装置，其输入端与方位向频谱重建单元输出端连接，接收并将合成孔径雷达回波信号生成合成孔径雷达图像。

2.根据权利要求1所述的星载多通道合成孔径雷达成像装置，其特征在于，每路所述俯仰向接收天线组件含有一路俯仰向接收子天线，每一路俯仰向接收子天线的方向图覆盖整个测绘带，从而接收测绘带内的回波。

3.根据权利要求1所述的星载多通道合成孔径雷达成像装置，其特征在于，每列所述方位向接收天线组件含有一列方位向接收子天线，每一列方位向接收子天线的方向图覆盖整个测绘带，从而接收测绘带内的回波。

4.根据权利要求1所述的星载多通道合成孔径雷达成像装置，其特征在于，所述俯仰向接收天线组件接收到的雷达回波信号模型表示如下：

$\begin{array}{c}{r}_n\left(t\right)=\mathrm{\γ}\·rect\[\frac{t-t_n}{T_p}\]\·\exp \[{\mathrm{jK}}_r\mathrm{\π}{(t-t_n)}^2\]\\ \·\exp \[-j2{\mathrm{\πf}}_c{t}_n\]\end{array},$

其中：γ表示与目标散射系数以及天线方向图增益有关的常数，t表示快时间，t_n表示发射信号从发射通道到目标再反射回第n个俯仰向接收天线的延迟时间，T_p为脉宽，j为虚数，K_r为调频率，f_c为雷达载频，n＝1，…，N，所述延迟时间t_n如下表示：

$t_n=t_0-\frac{d_n\·sin\left(\mathrm{\θ}\right(t_0)-\mathrm{\β})}{C}$

t₀表示发射信号从发射通道到目标再反射回参考接收通道的时间延迟；参考接收通道选择为俯仰向处于中间位置的接收通道；回波信号模型中的表示第n个接收通道与参考通道间的信号延迟差，d_n表示第n个接收通道与参考通道间的间距，θ(t₀)表示目标的下视角，β为天线法线的下视角，又叫天线安装角，C表示雷达波的传输速度。

5.根据权利要求4所述的星载多通道合成孔径雷达成像装置，其特征在于，从回波信号模型中看出不同参考接收通道的回波会有相位差，从而不能相干累加，数字波束形成模块单元能将各个通道的相位差补偿掉从而使得各天线组件接收到的回波相干信号，最后在数字波束形成模块单元中累加到一起形成一路输出信号，生成输出信号的过程等效于形成一个高增益的笔形波束；通过实时的改变合成时各通道的实时加权值从而调整窄波束的指向使其跟踪接收地面的反射回波，实现高增益接收，提高雷达灵敏度。

6.根据权利要求5所述的星载多通道合成孔径雷达成像装置，其特征在于，各通道的实时加权值w_k(t)如下表示为：

$w_k\left(t\right)=\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{d_n}{\mathrm{\λ}}sin(\mathrm{\θ}\left(t\right)-\mathrm{\β}\left)\right),$

其中：t表示快时间，j为虚数，d_n表示第n个接收通道与参考通道间的间距，λ为雷达载波所对应的波长，θ(t)表示t时刻回波所对应的下视角，β为天线法线的下视角。

7.根据权利要求5所述的星载多通道合成孔径雷达成像装置，其特征在于，所述回波相干信号R(t)如下表示：

$R\left(t\right)=\mathrm{\γ}\·N\·rect\[\frac{t-t_0}{T_p}\]\·\exp \[{\mathrm{jK}}_r\mathrm{\π}{(t-t_0)}^2\]\·\exp \[-j2{\mathrm{\πf}}_c{t}_0\]$

式中：γ表示与目标散射系数以及天线方向图增益有关的常数，t表示快时间，t_n表示发射信号从发射通道到目标再反射回第n个接收天线的延迟时间，T_p为脉宽，j为虚数，K_r为调频率，f_c为雷达载频，n＝1，…，N。

8.根据权利要求3所述的星载多通道合成孔径雷达成像装置，其特征在于，通过多列方位向接收天线组件方位向上的多通道采样，用于降低脉冲重复频率，但是对于每一方位向接收天线组件来说，方位向信号为欠采样，第n列接收通道接收到的方位向信号u_n(τ)如下式表示：

$u_n\left(\mathrm{\τ}\right)=\mathrm{\γ}\·\exp \[-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\sqrt{R_0^2+{\left(V_s\mathrm{\τ}\right)}^2}+\sqrt{R_0^2+{(V_s\mathrm{\τ}-{\mathrm{\Δx}}_n)}^2})\]$

其中τ表示慢时间，γ表示与目标散射系数以及天线方向图增益有关的常数，j为虚数，λ表示雷达波长，R₀表示雷达到目标的斜距，V_s表示雷达速度，Δx_n表示第n列接收通道与发射通道在方位向上的间距。

9.根据权利要求3所述的星载多通道合成孔径雷达成像装置，其特征在于，方位向频谱重建单元基于多通道数据重建理论，通过N个预滤波器对B带宽的方位向信号进行预滤波，得到预滤波之后的信号，对每个预滤波后的信号以B/N的采样率进行采样，则通过重建滤波器从N个通道的采样信号中恢复出原始低通信号，所述重建滤波器从数据采样前的预滤波器的传递函数中得到。

10.根据权利要求9所述的星载多通道合成孔径雷达成像装置，其特征在于，利用多列方位向接收天线组件形成预滤波器，预滤波器组成的矩阵H(f)为表示为：

其中H_n(f)表示第n列方位通道的预滤波器，f表示方位向频率，PRF表示脉冲重复频率，重建滤波器P(f)与H(f)的关系为：

利用得到的重建滤波器恢复方位向频谱，从而生成用于雷达成像的回波，P_ij(f)表示第i个方位向通道在多普勒频率为f+(j-1)PRF处的重建滤波器的值。