RU2707556C1 - Method of determining terrain elevation height of a radar with synthesized antenna aperture - Google Patents
Method of determining terrain elevation height of a radar with synthesized antenna aperture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2707556C1 RU2707556C1 RU2019106456A RU2019106456A RU2707556C1 RU 2707556 C1 RU2707556 C1 RU 2707556C1 RU 2019106456 A RU2019106456 A RU 2019106456A RU 2019106456 A RU2019106456 A RU 2019106456A RU 2707556 C1 RU2707556 C1 RU 2707556C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- signals
- radar
- terrain
- antenna
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9021—SAR image post-processing techniques
- G01S13/9023—SAR image post-processing techniques combined with interferometric techniques
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/06—Systems determining position data of a target
- G01S13/08—Systems for measuring distance only
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
- G01S13/52—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds
- G01S13/522—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds using transmissions of interrupted pulse modulated waves
- G01S13/524—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds using transmissions of interrupted pulse modulated waves based upon the phase or frequency shift resulting from movement of objects, with reference to the transmitted signals, e.g. coherent MTi
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
- G01S13/52—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds
- G01S13/522—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds using transmissions of interrupted pulse modulated waves
- G01S13/524—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds using transmissions of interrupted pulse modulated waves based upon the phase or frequency shift resulting from movement of objects, with reference to the transmitted signals, e.g. coherent MTi
- G01S13/5242—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds using transmissions of interrupted pulse modulated waves based upon the phase or frequency shift resulting from movement of objects, with reference to the transmitted signals, e.g. coherent MTi with means for platform motion or scan motion compensation, e.g. airborne MTI
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9004—SAR image acquisition techniques
- G01S13/9017—SAR image acquisition techniques with time domain processing of the SAR signals in azimuth
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9021—SAR image post-processing techniques
- G01S13/9029—SAR image post-processing techniques specially adapted for moving target detection within a single SAR image or within multiple SAR images taken at the same time
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/28—Details of pulse systems
- G01S7/285—Receivers
- G01S7/288—Coherent receivers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокаторе с синтезируемой апертурой антенны (РСА), установленном на борту летательного аппарата, для оперативного определения высоты рельефа местности.The invention relates to the field of radar and can be used in a radar with a synthesized aperture antenna (PCA), installed on board the aircraft, to quickly determine the height of the terrain.
Известен интерферометрический режим РСА предназначенный для получения трехмерного РЛИ местности в координатах «дальность-азимут-высота» каждого разрешаемого элемента [«Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли», Учебное пособие для ВУЗов под ред. Г.С. Кондратенкова, М.: Радиотехника, 2005 г. стр. 349-354]. Способ заключается в формировании элементов разрешения по дальности и азимуту обычным РСА способом. А для получения информации о высоте рельефа местности и объектов используется дополнительный канал измерения угла места каждого элемента разрешения по дальности и азимуту. Для измерения угла места используется антенная система РСА, при этом, чем больше размер антенны в угломестной плоскости, тем выше точность измерения высоты. Для упрощения конструкции и уменьшения массы используют антенную систему, состоящую из двух разнесенных по углу места антенн - интерферометр. Фаза сигнала интерферометра несет информацию о высоте рельефа. В простейшем интерферометрическом режиме РСА на РЛИ наносят линии равных углов места, расстояние между которыми пропорционально изменению высоты рельефа.Known interferometric SAR mode designed to obtain three-dimensional radar data in the coordinates of the "range-azimuth-height" of each resolved element ["Radio. Radar Systems for Remote Sensing of the Earth ”, Textbook for High Schools, ed. G.S. Kondratenkova, M.: Radio engineering, 2005 p. 349-354]. The method consists in the formation of resolution elements in range and azimuth by a conventional SAR method. And to obtain information about the elevation of the terrain and objects, an additional channel is used to measure the elevation angle of each resolution element in range and azimuth. An SAR antenna system is used to measure the elevation angle, and the larger the size of the antenna in the elevation plane, the higher the accuracy of the height measurement. To simplify the design and reduce weight, an antenna system is used, consisting of two antennas spaced apart along the elevation angle — an interferometer. The phase of the interferometer signal carries information about the height of the relief. In the simplest interferometric mode, the SAR is applied to the X-ray lines of equal elevation angles, the distance between which is proportional to the change in the height of the relief.
Недостатком указанного способа является то, что для достижения приемлемой точности измерения высоты рельефа местности требуется размещение двух антенн с большой базой интерферометра (расстояние между антеннами), что зачастую невозможно на носителях РСА (самолетах, беспилотных летательных аппаратах, космических аппаратах).The disadvantage of this method is that to achieve acceptable accuracy of measuring the height of the terrain, the placement of two antennas with a large interferometer base (distance between antennas) is required, which is often impossible on PCA carriers (aircraft, unmanned aerial vehicles, spacecraft).
Известен способ формирования изображений РСА для интерферометрической обработки, описанный в публикации к патенту «Acquisition of SAR images for computing a height or a digital elevation model by interferometric processing» (Формирование РСА изображений для вычисления высоты или цифровых моделей высот путем интерферометрической обработки) [US 9019144, опубликовано 28.04.2015, МПК G01S 13/00, G01S 13/90]. Способ заключается в том, что формируют одним бортовым радиолокатором с синтезированной апертурой (РСА) антенны радиолокационное изображение одной и той же области с геометрией формирования, такой, чтобы обеспечить интерферометрическую обработку указанных РСА изображений. Указанный способ характеризуется геометрией формирования, в которой каждое РСА изображение области получается в соответствующем направлении формирования, которое определяет соответствующий угол отклонения максимума диаграммы направленности относительно направления полета, и в котором углы отклонения максимума диаграммы направленности таковы, что образуют средний угол отклонения максимума диаграммы направленности отличный от нуля; а РСА изображения получают только одним датчиком РСА, который находится на воздушной/спутниковой платформе, и использует только одну антенну и получает РСА изображения только за один проход воздушной/спутниковой платформы.A known method of generating SAR images for interferometric processing is described in the publication on the patent "Acquisition of SAR images for computing a height or a digital elevation model by interferometric processing" (PCA imaging for calculating heights or digital height models by interferometric processing) [US 9019144 , published on April 28, 2015, IPC G01S 13/00, G01S 13/90]. The method consists in forming a radar image of the same area with the geometry of formation with one on-board synthesized aperture (PCA) radar antenna so as to provide interferometric processing of said PCA images. The specified method is characterized by the geometry of the formation in which each SAR image of the region is obtained in the corresponding direction of formation, which determines the corresponding deviation angle of the maximum radiation pattern relative to the direction of flight, and in which the angles of deviation of the maximum radiation pattern are such that they form an average angle of deviation of the maximum radiation pattern different from zero; and SAR images are obtained with only one SAR sensor, which is located on the air / satellite platform, and uses only one antenna and receives SAR images in only one pass of the air / satellite platform.
Наиболее близким по технической сущности является «Способ измерения рельефа поверхности Земли» [RU 2643790, опубликовано 06.02.2018, МПК G01C 11/00, G01S 13/89]. Способ заключается в том, что на борту одного носителя размещают один радиолокатор с синтезируемой апертурой антенны (РСА), с помощью которого искусственно формируют базу интерферометра во время последовательных наблюдений за поверхностью Земли, при этом осуществляя излучение зондирующих сигналов и прием отраженных от земной поверхности сигналов с синтезом пары радиолокационных изображений (РЛИ) и их интерферометрической обработкой. Базу интерферометра формируют вдоль трассы полета носителя РСА при его естественном перемещении в пространстве, осуществляют последовательные наблюдения за поверхностью Земли при постоянной высоте и скорости полета носителя РСА. Первый сеанс наблюдения осуществляют путем излучения зондирующих сигналов и приема сигналов, отраженных от поверхности Земли с синтезом РЛИ при азимутальном телескопическом обзоре на интервале синтезирования. После перемещения носителя РСА на расстояние базы интерферометра осуществляют второй сеанс наблюдения за той же областью поверхности Земли, также путем излучения зондирующих сигналов и приема сигналов, отраженных от поверхности Земли с синтезом РЛИ при азимутальном телескопическом обзоре на интервале синтезирования. После проведения пары сеансов наблюдения осуществляют интерферометрическую обработку пары РЛИ с извлечением информации о рельефе подстилающей поверхности, при этом наличие перпендикулярной проекции базы интерферометра, возникающей при использовании телескопического обзора с азимутальным углом α1, меньшим 90°, обеспечивает получение соотношения, отображающего однозначную связь между рельефом поверхности Земли и параметрами наблюдения с интерферометрической разностью фаз в виде -The closest in technical essence is the "Method for measuring the surface topography of the Earth" [RU 2643790, published 02/06/2018, IPC G01C 11/00, G01S 13/89]. The method consists in the fact that one radar with a synthesized antenna aperture (SAR) is placed on board one carrier, with the help of which an interferometer base is artificially formed during successive observations of the Earth’s surface, while emitting sounding signals and receiving signals reflected from the earth’s surface with synthesis of a pair of radar images (RLI) and their interferometric processing. The base of the interferometer is formed along the flight path of the SAR carrier during its natural movement in space, successive observations of the Earth's surface are carried out at a constant altitude and speed of flight of the SAR carrier. The first observation session is carried out by emitting sounding signals and receiving signals reflected from the Earth’s surface with the use of X-ray radiation during azimuthal telescopic viewing over the synthesis interval. After moving the SAR carrier to the distance of the base of the interferometer, a second observation session is carried out for the same region of the Earth’s surface, also by emitting sounding signals and receiving signals reflected from the Earth’s surface with XRD synthesis during azimuthal telescopic viewing over the synthesis interval. After conducting a pair of observation sessions, interferometric processing of a pair of radar images is carried out with information on the relief of the underlying surface, while the presence of a perpendicular projection of the base of the interferometer that occurs when using a telescopic view with an azimuth angle α 1 less than 90 ° provides a relationship that displays a unique relationship between the relief the Earth’s surface and observation parameters with an interferometric phase difference in the form -
где Н - постоянная высота полета носителя РСА; R1 - дальность до поверхности Земли; В - расстояние базы интерферометра; α1 - азимутальный угол; λ - рабочая длина волны передатчика РСА; ϕ - интерферометрическая разность фаз.where H is the constant altitude of the SAR carrier; R 1 - the distance to the surface of the Earth; B is the distance of the base of the interferometer; α 1 is the azimuthal angle; λ is the operating wavelength of the SAR; ϕ is the interferometric phase difference.
Недостатком указанных способов является недостаточная точность измерения высоты рельефа местности вызванная временной декорреляцией нескольких накапливаемых сигналов, по которым осуществляется определение высоты. Временная декорреляция сигналов, отраженных от одного и того же участка местности, возникает за счет пролета носителя РСА между интервалами накопления сигналов для формирования базы интерферометра.The disadvantage of these methods is the lack of accuracy in measuring the height of the terrain due to temporary decorrelation of several accumulated signals, which determine the height. Temporary decorrelation of signals reflected from the same area is due to the span of the SAR carrier between the signal accumulation intervals to form the base of the interferometer.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения высоты рельефа местности.The technical result of the invention is to improve the accuracy of measuring the height of the terrain.
Технической проблемой решаемой предлагаемым изобретением является создание высокоточного способа измерения высоты рельефа местности для реализации в радиолокаторах с синтезированной апертурой.The technical problem solved by the invention is the creation of a high-precision method for measuring the height of the terrain for implementation in radars with a synthesized aperture.
Сущность изобретения заключается в том, что излучают радиолокационный сигнал в направлении участка местности и принимают отраженный сигнал, когерентно накапливают принятый сигнал s(t), синтезируют апертуру антенны.The essence of the invention lies in the fact that they emit a radar signal in the direction of the site and receive the reflected signal, coherently accumulate the received signal s (t), synthesize the antenna aperture.
Новым в заявляемом способе является то, что после накопления сигнала s(t) выделяют из него два сигнала s1(t) и s2(t) с перекрывающимися спектрами и центральными частотами ƒ1 и ƒ2, причем ƒ2>ƒ1, а синтез апертуры антенны осуществляют по сигналам s1(t) и s2(t) в виде совокупности комплексных амплитуд сигналов в координатах i - азимут, k - дальность. Далее осуществляют фазовую коррекцию комплексных амплитуд сигналов по дальности, затем определяют совокупность разностей фаз Δϕ[i,k] между скомпенсированными комплексными амплитудами сигналов и Затем определяют высоту рельефа участка местности по соотношению:New in the claimed method is that after the accumulation of the signal s (t), two signals s 1 (t) and s 2 (t) are extracted from it with overlapping spectra and center frequencies ƒ 1 and ƒ 2 , and ƒ 2 > ƒ 1 , and the synthesis of the antenna aperture is carried out according to the signals s 1 (t) and s 2 (t) in the form of a set of complex signal amplitudes in coordinates i - azimuth, k - range. Next, phase correction of the complex amplitudes of the signals is carried out. range, then determine the set of phase differences Δϕ [i, k] between the compensated complex signal amplitudes and Then determine the height of the relief of the site by the ratio:
где Δƒ=ƒ2-ƒ1 - разность центральных частот сигналов s1(ƒ) и s2(ƒ), с - величина скорости распространения электромагнитных волн, θ - угол места луча диаграммы направленности антенны радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА), α - азимут луча диаграммы направленности антенны РСА, R0 - дальность от антенны РСА до участка местности, TН - время накопления сигнала s(t), V - скорость носителя РСА. where Δƒ = ƒ 2 -ƒ 1 is the difference between the central frequencies of the signals s 1 (ƒ) and s 2 (ƒ), c is the propagation velocity of electromagnetic waves, θ is the elevation angle of the beam of the radiation pattern of the synthetic aperture radar (PCA), α is the azimuth of the beam of the radiation pattern of the SAR antenna, R 0 is the distance from the SAR antenna to the terrain, T N is the signal accumulation time s (t), V is the SAR carrier speed.
Выделение сигналов s1(t) и s2(t) с перекрывающимися спектрами осуществляют преобразованием накопленного сигнала s(t) в частотную область s(ƒ), разделением преобразованного сигнала s(ƒ) в частотной области на два сигнала s1(ƒ) и s2(ƒ) с перекрывающимися спектрами и центральными частотами ƒ1 и ƒ2, преобразованием сигналов s1(ƒ) и s2(ƒ) во временную область s1(t) и s2(t). Накопленный сигнал s(t) преобразуют в частотную область быстрым преобразованием Фурье. Сигналы s1(ƒ) и s2(ƒ) преобразуют во временную область обратным быстрым преобразованием Фурье. Разность Δƒ центральных частот ƒ1 и ƒ2 сигналов s1(t) и s2(t) определяется соотношением где Δƒ=ƒ2-ƒ1, а ΔƒСП - ширина спектра излучаемого сигнала.The signals s 1 (t) and s 2 (t) with overlapping spectra are extracted by converting the accumulated signal s (t) into the frequency domain s (ƒ), by dividing the converted signal s (ƒ) in the frequency domain into two signals s 1 (ƒ) and s 2 (ƒ) with overlapping spectra and center frequencies ƒ 1 and ƒ 2 , converting the signals s 1 (ƒ) and s 2 (ƒ) into the time domain s 1 (t) and s 2 (t). The accumulated signal s (t) is converted into the frequency domain by the fast Fourier transform. Signals s 1 (ƒ) and s 2 (ƒ) are converted into the time domain by the inverse fast Fourier transform. The difference Δƒ of the center frequencies ƒ 1 and ƒ 2 of the signals s 1 (t) and s 2 (t) is determined by the relation where Δƒ = ƒ 2 -ƒ 1 , and Δƒ SP is the width of the spectrum of the emitted signal.
На Фиг. 1 представлена функциональная схема радиолокационной станции, осуществляющей заявляемый способ.In FIG. 1 presents a functional diagram of a radar station implementing the inventive method.
На Фиг. 2 изображена геометрическая схема определения высоты измерения рельефа местности.In FIG. 2 shows a geometric diagram for determining the height of the measurement of the terrain.
На Фиг. 3 изображены спектры принятых и выделенных парных сигналов.In FIG. 3 shows the spectra of the received and extracted pair signals.
На Фиг. 4 представлены РЛИ, изображение рельефа местности и высотный профиль, полученные заявленным способом.In FIG. 4 presents the radar image, the image of the terrain and the altitude profile obtained by the claimed method.
Способ определения высоты рельефа местности может быть реализован в радиолокаторе с синтезированной апертурой антенны, установленном на самолете и построенным, например, по следующей схеме. РСА состоит из антенны (1), передатчика (2), приемника (3), процессора управления (4), процессора сигналов (5), индикатора (6). Выход процессора управления (4) соединен с первым входом антенны (1), выход передатчика (2) соединен со вторым входом антенны (1). Выход антенны (1) соединен с входом приемника (3). Выход приемника (3) подключен к входу процессора сигналов (5). Выход процессора сигналов (5) подключен к входу индикатора (6).The method for determining the height of the terrain can be implemented in a radar with a synthesized aperture of the antenna mounted on an airplane and constructed, for example, according to the following scheme. A PCA consists of an antenna (1), a transmitter (2), a receiver (3), a control processor (4), a signal processor (5), an indicator (6). The output of the control processor (4) is connected to the first input of the antenna (1), the output of the transmitter (2) is connected to the second input of the antenna (1). The output of the antenna (1) is connected to the input of the receiver (3). The output of the receiver (3) is connected to the input of the signal processor (5). The output of the signal processor (5) is connected to the indicator input (6).
Способ определения высоты рельефа местности радиолокатором с синтезированной апертурой антенны осуществляется следующим образом.The method of determining the height of the terrain by a radar with a synthesized aperture of the antenna is as follows.
Режим определения высоты рельефа местности запускается летчиком соответствующей командой из процессора управления (4). Процессор управления (4) задает параметры управления антенне (1) для просмотра соответствующей зоны обзора. Луч диаграммы направленности антенны (ДНА) выставляется антенной (1) в требуемую позицию по азимуту α и углу места θ (Фиг. 2). При этом форма и ширина луча ДНА определяется из необходимого перекрытия зоны обзора - карандашный луч, cosec2 и т.д. Антенна (1) излучает сформированный передатчиком (2) когерентный импульсный радиолокационный сигнал (простые радиоимпульсы, фазокодоманипулированные (ФКМ) или линейно частотномодулированные (ЛЧМ) импульсы с периодом повторения, обеспечивающим перекрытие доплеровского диапазона частот, попадающих в зону обзора, и однозначное перекрытие зоны по дальности.The mode for determining the height of the terrain is launched by the pilot with the appropriate command from the control processor (4). The control processor (4) sets the control parameters of the antenna (1) to view the corresponding field of view. The beam of the antenna pattern (BOTTOM) is set by the antenna (1) to the desired position in azimuth α and elevation angle θ (Fig. 2). In this case, the shape and beam width of the bottom beam is determined from the necessary overlap of the viewing area - pencil beam, cosec 2 , etc. The antenna (1) emits a coherent pulsed radar signal generated by the transmitter (2) (simple radio pulses, phase-shift keyed (PCM) or linearly frequency-modulated (LFM) pulses with a repetition period that provides overlap of the Doppler range of frequencies falling into the field of view, and unambiguous overlap of the zone in range .
Отраженный от земной поверхности сигнал принимается антенной (1). С выхода антенны (1) сигнал поступает в приемник (3), где осуществляется аналоговая обработка сигнала, например усиление, фильтрация и т.д. После завершения аналоговой обработки осуществляют аналого-цифровое преобразование принятого сигнала. Затем принятый сигнал когерентно накапливается в процессоре сигналов (5). После завершения накопления принятого сигнала в процессоре сигналов (5) запускается его обработка.The signal reflected from the earth's surface is received by the antenna (1). From the output of the antenna (1), the signal enters the receiver (3), where analog signal processing is performed, for example, amplification, filtering, etc. After completing the analog processing, an analog-to-digital conversion of the received signal is performed. Then, the received signal is coherently accumulated in the signal processor (5). After the accumulation of the received signal in the signal processor (5) is completed, its processing is started.
Обработка накопленного сигнала s(t) начинается с выделения из накопленного сигнала s(t) парных сигналов s1(t) и s2(t) с перекрывающимися спектрами и центральными частотами ƒ1 и ƒ2. Для этого преобразуют накопленный сигнал s(t) в частотную область. Для этого сигнал s(t) в процессоре сигналов (5) подвергают быстрому преобразованию Фурье (БПФ).Processing of the accumulated signal s (t) begins by extracting from the accumulated signal s (t) the paired signals s 1 (t) and s 2 (t) with overlapping spectra and center frequencies ƒ 1 and ƒ 2 . For this, the accumulated signal s (t) is converted into the frequency domain. For this, the signal s (t) in the signal processor (5) is subjected to fast Fourier transform (FFT).
smk(ƒ)=БПФ(snk(t))s mk (ƒ) = FFT (s nk (t))
где t - время, ƒ - частота, n - номер излученного импульса, k - номер элемента разрешения по дальности, m - номер частотного фильтра, smk(ƒ) - сигнал в частотной области.where t is time, ƒ is the frequency, n is the number of the emitted pulse, k is the number of the range resolution element, m is the number of the frequency filter, s mk (ƒ) is the signal in the frequency domain.
Затем в процессоре сигналов (5) из сигнала smk(ƒ) выделяют два сигнала и с перекрывающимися спектрами (Фиг. 3), например, таким образом, что центральные частоты ƒ1 и ƒ2 отстают слева и справа от центральной частоты ƒ0 сигнала smk(ƒ) на одинаковую величину при этом нижняя граница спектра сигнала совпадает с нижней границей сигнала smk(ƒ), а верхняя граница спектра сигнала совпадает с верхней границей сигнала smk(ƒ). Такое выделение сигналов и осуществляется выборкой соответствующей части отсчетов сигнала smk(ƒ).Then, in the signal processor (5), two signals are extracted from the signal s mk (ƒ) and with overlapping spectra (Fig. 3), for example, in such a way that the center frequencies ƒ 1 and ƒ 2 are behind the left and right of the center frequency s 0 of the signal s mk (одинаков) by the same amount while the lower limit of the signal spectrum coincides with the lower boundary of the signal s mk (ƒ), and the upper boundary of the signal spectrum coincides with the upper boundary of the signal s mk (ƒ). This selection of signals and is carried out by sampling the corresponding part of the signal samples s mk (ƒ).
Величина перекрытия спектров определяется исходя из требования корреляции парных сигналов и Коэффициент корреляции определяется из соотношения [Бабокин М.И., «Алгоритмы оценки относительного рельефа местности в многопозиционных комплексах РСА», журнал «Радиотехника», №7 2009 г., стр. 53.]:The magnitude of the overlap of the spectra is determined based on the requirement of correlation of pair signals and The correlation coefficient is determined from the relationship [MI Babokin, “Algorithms for assessing the relative terrain in multi-position complexes of SAR,” Journal of Radio Engineering, No. 7, 2009, p. 53.]:
где - коэффициент корреляции, Δƒ=ƒ2-ƒ1, с - абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн, - разрешающая способность по дальности определяемая перекрытием спектров сигналов, δr - разрешающая способность по дальности, - ширина спектра зондирующего сигнала.Where is the correlation coefficient, Δƒ = ƒ 2 -ƒ 1 , s is the absolute value of the propagation velocity of electromagnetic waves, - range resolution determined by overlapping signal spectra, δr - range resolution, - the width of the spectrum of the sounding signal.
Так, например, при коэффициенте корреляции сигналов на допустимое частотное смещение накладывается ограничение So, for example, with a correlation coefficient of signals permissible frequency offset is limited
Далее осуществляют преобразование сигналов и во временную область. Для этого в процессоре сигналов (5) осуществляют обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ) и Next, the signal conversion and to the time domain. To do this, in the signal processor (5) carry out the inverse fast Fourier transform (IFFT) and
Затем осуществляют синтезирование апертуры антенны по сигналам и В результате синтезирования апертуры антенны формируют два двумерных массива комплексных амплитуд сигналов где i - номер азимутальной позиции, k - номер элемента разрешения по дальности. Основными операциями синтезирования апертуры антенны являются обработка сигнала согласованным фильтром, весовая обработка сигнала, компенсация квадратичного и линейного фазового набегов, быстрое преобразование Фурье. Подробное описание алгоритмов синтезирования апертуры антенны приведено, например, в монографиях [«Многофункциональные радиолокационные системы» под ред. Б.Г. Татарского, М.: Дрофа, 2007 г. стр. 181-190, рис. 7.9, 7.10] или [«Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли» Учебное пособие для ВУЗов под ред. Г.С. Кондратенкова, М.: Радиотехника, 2005 г. стр. 174-195, рис. 6.11].Then carry out the synthesis of the antenna aperture from the signals and As a result of the synthesis of the antenna aperture, two two-dimensional arrays of complex signal amplitudes are formed where i is the number of the azimuthal position, k is the number of the range resolution element. The main operations for synthesizing the antenna aperture are signal processing with a matched filter, weighted signal processing, quadratic and linear phase shift compensation, fast Fourier transform. A detailed description of the antenna aperture synthesis algorithms is given, for example, in the monographs [“Multifunctional Radar Systems”, ed. B.G. Tatarsky, Moscow: Drofa, 2007, pp. 181-190, Fig. 7.9, 7.10] or [“Radio-vision. Radar Systems for Remote Sensing of the Earth »Textbook for High Schools, ed. G.S. Kondratenkova, M .: Radio engineering, 2005, pp. 174-195, Fig. 6.11].
Далее осуществляют фазовую коррекцию сигналов по дальности , для компенсации разности фаз возникшей из-за разности центральных частот сигналов Δƒ=ƒ2-ƒ1. Компенсацию можно осуществить введением фазового сдвига для каждого элемента дальности k сигналов после их комплексного сопряжения:Next, phase correction of signals by range , to compensate for the phase difference arising due to the difference in the center frequencies of the signals Δƒ = ƒ 2 -ƒ 1 . Compensation can be achieved by introducing a phase shift for each element of the range of k signals after their complex pairing:
i - номер азимутальной позиции, k - номер текущего элемента разрешения по дальности, К - общее количество элементов разрешения по дальности.i is the number of the azimuthal position, k is the number of the current range resolution element, K is the total number of range resolution elements.
В процессоре сигналов (5) осуществляют вычисление разности фаз Δϕ между скомпенсированными отсчетами комплексных сигналов и Для этого формируют массив разностей фаз Δϕ[i,k] по массиву комплексно-сопряженных скомпенсированных сигналов например по следующему соотношению:In the signal processor (5), the phase difference Δϕ between the compensated samples of the complex signals is calculated and For this, an array of phase differences Δϕ [i, k] is formed from the array of complex conjugate compensated signals for example, in the following ratio:
Далее определяют высоту объекта с координатами [i,k], которому соответствует отсчет разности фаз Δϕ[i,k]. Для этого умножают разность фаз Δϕ[i,k] на коэффициент Next, determine the height of the object with coordinates [i, k], which corresponds to the reference phase difference Δϕ [i, k]. To do this, multiply the phase difference Δϕ [i, k] by the coefficient
где Δƒ=ƒ2-ƒ1, с - величина скорости распространения электромагнитных волн, θ - угол места луча ДНА, α - азимут луча ДНА, R0 - дальность от антенны РСА до участка местности, ТН - время накопления сигнала s(t), V - скорость носителя РСА.where Δƒ = ƒ 2 -ƒ 1 , s is the magnitude of the speed of propagation of electromagnetic waves, θ is the angle of the beam of the beam, α is the azimuth of the beam of the beam, R 0 is the distance from the SAR antenna to the terrain, T N is the signal accumulation time s (t ), V is the speed of the PCA carrier.
Таким образом, формируют массив высот рельефа участка местности, с высокой точностью за счет определения разности фаз по двум сигналам, выделенным из одного когерентно накопленного сигнала.Thus, an array of elevations of the relief of the area is formed, with high accuracy by determining the phase difference from two signals extracted from one coherently accumulated signal.
Далее по числовым значениям высот формируют либо изображение рельефа местности, либо высотный профиль и выводят на индикатор (6) для отображения летчику. На фигуре 4 приведены РЛИ участка местности с изображением горы Богдо (Астраханская область), рельеф этого участка местности (яркость пропорциональна высоте, чем ярче точка - тем больше высота) и высотный профиль участка местности по азимуту, полученные заявляемым способом.Then, using the numerical values of the heights, either an image of the terrain or a height profile is formed and displayed on the indicator (6) for display to the pilot. The figure 4 shows the radar image of the site with the image of Mount Bogdo (Astrakhan region), the relief of this site (the brightness is proportional to the height, the brighter the point - the higher the height) and the altitude profile of the site in azimuth obtained by the claimed method.
Далее осуществляют обзор следующего участка местности, обусловленного пролетом носителя РСА, либо летчик вручную изменяет зону обзора переключением луча ДНА в другое положение по азимуту и углу места и осуществляется определение высоты рельефа нового заданного участка местности.Then, the next site is surveyed due to the span of the SAR carrier, or the pilot manually changes the field of view by switching the beam of the bottom beam to another position in azimuth and elevation and determines the height of the relief of the new specified site.
Таким образом, определяя высоту рельефа по разности фаз парных сигналов, сформированных с перекрытием по частоте из единого когерентно накопленного сигнала, повышается точность оценки рельефа местности.Thus, by determining the height of the relief from the phase difference of the pair of signals formed with overlapping frequency from a single coherently accumulated signal, the accuracy of assessing the topography of the terrain increases.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019106456A RU2707556C1 (en) | 2019-03-06 | 2019-03-06 | Method of determining terrain elevation height of a radar with synthesized antenna aperture |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019106456A RU2707556C1 (en) | 2019-03-06 | 2019-03-06 | Method of determining terrain elevation height of a radar with synthesized antenna aperture |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2707556C1 true RU2707556C1 (en) | 2019-11-28 |
Family
ID=68836186
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019106456A RU2707556C1 (en) | 2019-03-06 | 2019-03-06 | Method of determining terrain elevation height of a radar with synthesized antenna aperture |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2707556C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2748760C2 (en) * | 2020-11-09 | 2021-05-31 | Виктор Андреевич Кузнецов | Method for obtaining three-dimensional radar image of earth surface in two-pass interferometric shooting mode from unmanned aerial vehicle |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5448241A (en) * | 1994-05-26 | 1995-09-05 | Hughes Aircraft Company | Terrain height radar |
US7106242B2 (en) * | 2002-07-09 | 2006-09-12 | Bae Systems Plc. | High range resolution radar system |
EP1959270A1 (en) * | 2007-02-15 | 2008-08-20 | Selex Sensors and Airborne Systems Limited | Improved synthetic aperture radar technique |
RU2351949C1 (en) * | 2007-09-21 | 2009-04-10 | Рязанский государственный радиотехнический университет | Method of measuring height and formation of three-dimensional image of surface according to onboard pulsewise-doppler radar of low-level flight |
US20100283669A1 (en) * | 2009-04-07 | 2010-11-11 | Thales | Multi-mode ground surveillance airborne radar |
RU2467347C1 (en) * | 2011-04-08 | 2012-11-20 | Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of detection and high-accuracy determination of marine ice floes and radiolocating system that implements it |
RU2012101382A (en) * | 2012-01-13 | 2013-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) | HELICOPTER RADAR SYSTEM FOR MEASURING THE HEIGHT OF THE LAYOUT SURFACE RELIEF |
US9019144B2 (en) * | 2011-06-15 | 2015-04-28 | Thales Alenia Space Italia S.P.A. | Acquisition of SAR images for computing a height or a digital elevation model by interferometric processing |
RU2643790C1 (en) * | 2016-12-08 | 2018-02-06 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Method of earth surface relief measurement |
-
2019
- 2019-03-06 RU RU2019106456A patent/RU2707556C1/en active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5448241A (en) * | 1994-05-26 | 1995-09-05 | Hughes Aircraft Company | Terrain height radar |
US7106242B2 (en) * | 2002-07-09 | 2006-09-12 | Bae Systems Plc. | High range resolution radar system |
EP1959270A1 (en) * | 2007-02-15 | 2008-08-20 | Selex Sensors and Airborne Systems Limited | Improved synthetic aperture radar technique |
RU2351949C1 (en) * | 2007-09-21 | 2009-04-10 | Рязанский государственный радиотехнический университет | Method of measuring height and formation of three-dimensional image of surface according to onboard pulsewise-doppler radar of low-level flight |
US20100283669A1 (en) * | 2009-04-07 | 2010-11-11 | Thales | Multi-mode ground surveillance airborne radar |
RU2467347C1 (en) * | 2011-04-08 | 2012-11-20 | Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of detection and high-accuracy determination of marine ice floes and radiolocating system that implements it |
US9019144B2 (en) * | 2011-06-15 | 2015-04-28 | Thales Alenia Space Italia S.P.A. | Acquisition of SAR images for computing a height or a digital elevation model by interferometric processing |
RU2012101382A (en) * | 2012-01-13 | 2013-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) | HELICOPTER RADAR SYSTEM FOR MEASURING THE HEIGHT OF THE LAYOUT SURFACE RELIEF |
RU2643790C1 (en) * | 2016-12-08 | 2018-02-06 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Method of earth surface relief measurement |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2748760C2 (en) * | 2020-11-09 | 2021-05-31 | Виктор Андреевич Кузнецов | Method for obtaining three-dimensional radar image of earth surface in two-pass interferometric shooting mode from unmanned aerial vehicle |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Walterscheid et al. | Bistatic SAR experiments with PAMIR and TerraSAR-X—setup, processing, and image results | |
Egido et al. | Fully focused SAR altimetry: Theory and applications | |
US5659318A (en) | Interferometric SAR processor for elevation | |
RU2682661C1 (en) | Method of active review single-pulse radiolocation with an inverse synthesis of antenna aperture | |
CN109477892B (en) | Vehicle radar for environmental detection | |
JPH045157B2 (en) | ||
JPH045155B2 (en) | ||
RU2392635C2 (en) | Method for detecting and determining coordinates of search object | |
JPH044557B2 (en) | ||
RU2496120C2 (en) | Multifunctional multirange scalable radar system for aircraft | |
RU2643168C2 (en) | Method of height, aircraft actual velocity and aircraft velocity vector inclination measurement in relation to horizon, on-board radar device using method | |
RU2656366C1 (en) | Method of aircraft coordinate determining the coordinate on the basis of radar picture | |
RU2597148C1 (en) | Method of measuring vector field speed of ocean and river streams in space sar | |
RU2707556C1 (en) | Method of determining terrain elevation height of a radar with synthesized antenna aperture | |
RU2614041C1 (en) | Method for generating image of the ground surface in radar station with antenna aperture synthesis | |
RU2569843C1 (en) | Method of forming three-dimensional image of earth's surface in on-board doppler radar station with linear antenna array | |
Zhou et al. | Very high resolution SAR imaging with DGPS-supported airborne X-band data | |
RU2483324C1 (en) | Method for aircraft navigation on radar images of earth's surface | |
RU2379707C1 (en) | Method for surface observation by onboard radio-ir-radar connected with radar | |
RU2572357C1 (en) | Method of forming three-dimensional image of earth's surface in on-board four-channel doppler radar set | |
RU2660159C1 (en) | Method of side-looking airborne radar determination of aircraft demolition angle | |
Jha et al. | Ka-Band FMCW Radar Altimeter for Navigation | |
RU2643790C1 (en) | Method of earth surface relief measurement | |
RU2529523C1 (en) | Ground mapping method using on-board radar set | |
RU2654955C2 (en) | Method of the aircrafts navigation by the location elevations maps accuracy increasing and the navigation system using this method |