專利名稱：一種單航過全極化干涉合成孔徑雷達的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合成孔徑雷達技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種將極化技術(shù)和干涉技術(shù)結(jié)合在一起的單航過全極化干涉合成孔徑雷達。本發(fā)明可同時獲得8個通道的極化干涉SAR (合成孔徑雷達)數(shù)據(jù)，通過干涉處理可以得到目標場景的三維地形圖。本發(fā)明獲得的極化干涉SAR數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于林業(yè)和農(nóng)業(yè)中的植被參數(shù)反演，也可應(yīng)用于地震災(zāi)害中的地表形變檢測(如房屋橋梁倒塌、滑坡、泥石流等)，并可進行大面積的三維地形測繪。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達是20世紀50年代提出并研制成功的一種主動式微波遙感系統(tǒng)，它具有全天候、全天時，穿透云層、濃霧、煙塵及大面積獲取地表信息的特點，尤其適用于傳統(tǒng)光學(xué)傳感器成像困難的地區(qū)，在資源調(diào)查、災(zāi)害監(jiān)測和國防建設(shè)中有重要意義，受到世界各國政府的高度重視。美國JPL實驗室于1985年研制成功第一部機載全極化合成孔徑雷達CV-900，開創(chuàng)了極化SAR研究的新紀元。應(yīng)用比較廣泛的系統(tǒng)有美國NASA/JPL的A^SAR/TOPSAR、德國 DLR 的 E-SAR、加拿大 CCRS 的 C/X-SAR、日本 NASDA/JAXA 的 Pi-SAR、丹麥的 EMISAR 等。其中德國的E-SAR是一個裝載在小型飛機上的多參數(shù)雷達系統(tǒng)，于1996年添加了 SAR干涉測量和極化測量的新功能，該系統(tǒng)可工作在P，L，C和X波段。極化測量的出現(xiàn)為許多地表參數(shù)反演問題提供了更加有效的解決途徑，這方面的研究可追溯到1970年由Huynen提出的目標分解理論，此后van Zyl、Krogager、Cloude和 Pottier等人做了大量基礎(chǔ)性的研究，使得目標分解初步邁向了實用，先后出現(xiàn)了許多基于目標分解的極化SAR圖像目標分類與識別算法。干涉SAR技術(shù)是目前空間遙感技術(shù)中獲取高精度地面高程信息的一項前沿技術(shù)， 干涉測量無論是DEM提取，還是經(jīng)過差分處理進行地表形變檢測等應(yīng)用，數(shù)據(jù)處理的基本算法己經(jīng)發(fā)展得比較成熟了。干涉SAR雖然可以提供垂直方向的高度信息，但在大多數(shù)情況下無法辨別反射體的指向及其形狀；而極化SAR雖然能夠區(qū)分物體的細致結(jié)構(gòu)、目標特性等參數(shù)，但無法提供反射體高度信息。為了解決這一問題，1996年P(guān)apathanassiou等人首先利用 SIR-C/X-SAR數(shù)據(jù)研究了頻率、極化對相干性的影響，這是極化干涉思想的起源；1997年， Papathanassiou和Cloude對重復(fù)軌道干涉中極化的影響進行了較系統(tǒng)的研究；1998年， Papathanassiou和Cloude接著提出了極化干涉的相干最優(yōu)算法和基于相干最優(yōu)的目標分解算法，奠定極化干涉的理論基礎(chǔ)；其后，不同的工作組又對極化干涉從不同角度進行了理論、方法和應(yīng)用研究。國外己經(jīng)進行了一些理論方法研究和實地驗證，數(shù)據(jù)源包括T0PSAR、 SIR-C/X-SAR及AIRSAR等數(shù)據(jù)，采用的系統(tǒng)裝置有單頻/單基線全極化、單頻/多基線全極化、多頻/多基線全極化等。除此之外，還有的學(xué)者致力于相干散射模型的研究和目標檢測、分類及地面參數(shù)反演的研究，提取植被的垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)等。由于極化干涉的機理極為復(fù)雜，迄今這些研究還處于初步的探索階段。在極化干涉SAR的應(yīng)用研究方面，用極化干涉提取地表植被參數(shù)是一個研究的熱點問題。1996年到2001年期間，Cloude和Papathanassiou等人結(jié)合相干散射理論模型對多頻、單(多)基線極化干涉提取地表植被參數(shù)和森林高度成圖進行了研究；1999年，Lee等人用極化干涉進行了相干斑去噪研究；2000年，Shimama等人利用機載雷達對森林高度的概率分布進行研究；2000年，Chandra和Keydel等研究了大氣延遲對極化干涉測量的影響； 2000年，Nico等人利用相干最優(yōu)算法對相位解纏進行了研究；2001年，Sagues等人對極化干涉測量雷達進行了實驗室研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是研制一種將極化技術(shù)和干涉技術(shù)結(jié)合在一起的單航過全極化干涉合成孔徑雷達。本發(fā)明采用有源相控陣雷達體制實現(xiàn)全極化條帶SAR成像；天線機腹和機側(cè)吊艙分置實現(xiàn)干涉；不同收發(fā)方式完成多基線工作模式；寬帶、四通道、低失真收發(fā)系統(tǒng)保證雷達的正常工作。為了實現(xiàn)多干涉基線，本發(fā)明中使用的兩個天線都可以獨立地控制進行收發(fā)，并通過設(shè)計工作時序?qū)崿F(xiàn)三種工作模式單發(fā)雙收、乒乓和組合模式。系統(tǒng)具有四個接收通道，用于接收全極化干涉的不同通道的數(shù)據(jù)。本發(fā)明中電磁波發(fā)射和接收極化的實現(xiàn)和變化均是通過天饋系統(tǒng)來實現(xiàn)的，多極化表現(xiàn)在天饋系統(tǒng)就是雙極化的天線單元和多通道的T/R組件。雙極化天線單元主要是要解決雙極化輻射、饋電及極化隔離問題。全極化SAR系統(tǒng)一般采用四種線極化基組合(VV， VH，HH，HV)方式，本發(fā)明采用一個發(fā)射通道和兩個接收通道同時工作，在脈間交替發(fā)射H和 V極化信號，每個脈沖周期同時接收H和V極化信號。根據(jù)信號獲取模式的不同，將干涉SAR的工作模式分為雙天線單航過和單天線雙航過。單天線雙航過方式是指用一個天線在相隔一段距離的軌道上，對同一被測地區(qū)分別觀測兩次，來得到兩幅被測地區(qū)的圖像數(shù)據(jù)。但是，這種工作方式是在相隔一段時間對同一地區(qū)進行兩次觀測，存在時間去相干問題，而且機載系統(tǒng)受氣流影響，難以精確控制飛行航跡和姿態(tài)，形成有效基線比較困難，飛行有效性不能得到保證。雙天線單航過方式是指用相隔一段距離的兩個天線，同時觀測被測地區(qū)，來得到兩幅被測地區(qū)的圖像數(shù)據(jù)。該方式需要同時安裝兩副SAR天線，對應(yīng)需要增加一套接收系統(tǒng)，對系統(tǒng)設(shè)備量的要求比較高，但解決了單天線雙航過方式所存在的問題，有效地提高了系統(tǒng)工作的有效性。本發(fā)明采用雙天線單航過方式，利用極化干涉相干最優(yōu)化處理提高相干性，從而提高測高精度。本發(fā)明通過設(shè)置工作時序，可以實現(xiàn)三種工作模式
單發(fā)雙收天線A發(fā)，天線A、天線B同時收；
乒乓模式第一個脈沖，天線A發(fā)，天線A收，下一個脈沖天線B發(fā)，天線B收，如此兩個天線輪流收發(fā)；
組合模式第一個脈沖，天線A發(fā)，天線A、天線B同時收，下一個脈沖天線B發(fā)，天線A、天線B同時收，如此兩個天線輪流發(fā)射。相比較而言，乒乓模式下兩個天線所接收到的回波的波程差是單發(fā)雙收模式的兩倍，等效于基線長度增加一倍，更有利于測高精度的提高，但同時系統(tǒng)的PRF也要相應(yīng)提高一倍。而第三種工作模式是前兩種方式的綜合使用，可以構(gòu)成多基線干涉，PRF與乒乓模式
一樣，但數(shù)據(jù)率要高一倍。綜合所述，本發(fā)明采用脈間交替發(fā)射H、V極化信號的工作方式實現(xiàn)全極化，干涉模式設(shè)計有單發(fā)雙收、乒乓模式、組合模式三種模式，通過雙天線交替發(fā)射，四通道接收實現(xiàn)極化干涉。綜上所述，本發(fā)明所采取的技術(shù)解決方案歸納為
一種單航過全極化干涉合成孔徑雷達，包括雙極化有源相控陣天線、接收分機、定標與采集分機、監(jiān)控分機、配電分機、記錄儀 (1)雙極化有源相控陣無線
所述天線前端為雙極化波導(dǎo)裂縫天線陣，每個天線單元有水平極化和垂直極化開口用于輻射兩種極化的電磁波；
所述天線后端為16個TR組件，每個TR組件與對應(yīng)的天線單元相連； 所述天線中間為波控和電源，波控可以控制組件內(nèi)移相器的相位用于波束展寬和波束掃描，電源用于為每個TR組件供電；
所述天線有兩部，可以安裝在載機平臺的不同位置來實現(xiàn)單航過干涉。(2)接收分機
所述接收分機由激勵源、頻率合成、接收通道1、接收通道2、電源共5個模塊組成，激勵源為整個系統(tǒng)提供中心頻率9. 6GHz (X波段)的信號源，頻率合成模塊為整個系統(tǒng)提供基準時鐘和采樣時鐘，兩個接收通道分別接收兩種極化的回波信號，電源模塊為分機供電； 所述接收分機有兩部，分別接收來自兩部天線的回波信號。(3)定標與采集分機
所述定標與采集分機由定標、采集1、采集2、電源共4個模塊組成，定標模塊為一開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)定標功能，兩塊采集卡分別采集來自兩部接收機的IQ信號，電源模塊為分機供電。(4)監(jiān)控分機
所述監(jiān)控分機為整個系統(tǒng)提供時序控制，并可與計算機進行串口通訊，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的實時監(jiān)控。(5)配電分機
所述配電分機為各個分機提供28V電源，并可通過電源控制模塊監(jiān)測各個分機供電是否異常。(6)記錄儀
所述記錄儀將采集到的回波數(shù)據(jù)記錄下來，并可通過網(wǎng)口、USB等接口將原始數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)儲。一種單航過全極化干涉合成孔徑雷達通過將一部天線安裝在機腹吊艙內(nèi)，將另一部天線安裝在機側(cè)吊艙內(nèi)，可以獲得垂直有效基線，從而實現(xiàn)單航過雙天線干涉。一種單航過全極化干涉合成孔徑雷達通過時序控制可以實現(xiàn)三種工作模式單發(fā)雙收、乒乓和組合模式
所述單發(fā)雙收模式為兩部天線(A和B)中天線A發(fā)，天線A和天線B同時收； 所述乒乓模式為兩部天線(A和B)中首先天線A發(fā)天線A收，下一個脈沖天線B發(fā)天線B收，如此兩個天線輪流收發(fā)；
所述組合模式為兩部天線(A和B)中首先天線A發(fā)，天線A和天線B同時收，下一個脈沖天線B發(fā)，天線A和天線B同時收，如此兩個天線輪流發(fā)射。本發(fā)明有益的效果為
本發(fā)明可同時獲得8個通道的極化干涉SAR數(shù)據(jù)，通過干涉處理可以得到目標場景的三維地形圖。本發(fā)明獲得的極化干涉SAR數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于林業(yè)和農(nóng)業(yè)中的植被參數(shù)反演， 也可應(yīng)用于地震災(zāi)害中的地表形變檢測，并可進行大面積的三維地形測繪。


圖1為本發(fā)明的全極化實現(xiàn)原理和工作時序示意圖。圖2為本發(fā)明的兩副天線安裝位置和干涉實現(xiàn)方式示意圖。圖3為本發(fā)明的極化干涉工作時序示意圖。圖4為本發(fā)明的極化干涉系統(tǒng)設(shè)計框圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明
如圖1所示，全極化雷達需要兩個接收通道同時接收H和V兩個不同極化信號。星載 SAR系統(tǒng)大多采用有源相控陣天線，并在T/R組件中設(shè)置兩個接收通道實現(xiàn)兩個極化信號同時接收；也有的采用單接收通道T/R組件，發(fā)射時采用全天線，在接收時將天線分成兩塊，其中一塊接收H信號，另一塊接收V信號，從而實現(xiàn)雙極化同時接收。顯然后一種方案可大大降低T/R組件復(fù)雜度，減小系統(tǒng)體積、重量和研制成本，缺點是接收時天線增益減小 3dB，為保證SAR圖像信噪比，需較大發(fā)射功率。由于系統(tǒng)發(fā)射功率余量不大，本發(fā)明采用雙接收通道T/R組件實現(xiàn)兩種極化同時接收。在交替發(fā)射全極化工作模式下，對于某一種極化信號是兩個脈沖周期接收采樣一次，因此，全極化與單一極化工作方式相比，脈沖重復(fù)頻率需增大一倍，同時某一種極化信號發(fā)射平均功率也降低3dB。由于需進行兩種極化同時成像，必須有兩個接收通道同時接收同極化(HH或VV)和交叉極化(HV或VH)數(shù)據(jù)，這樣將大大增加雷達回波數(shù)據(jù)量及數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)率。本發(fā)明用相隔一段距離的兩個天線，同時觀測被測地區(qū)，來得到兩幅被測地區(qū)的圖像數(shù)據(jù)，如圖2所示，該雙天線單航過方式需要同時安裝兩副SAR天線，對應(yīng)需要增加一套接收系統(tǒng)，對系統(tǒng)設(shè)備量的要求比較高，但解決了單天線雙航過方式所存在的問題，有效地提高了系統(tǒng)工作的有效性。本發(fā)明設(shè)計有單發(fā)雙收、乒乓和組合三種工作模式，其中單發(fā)雙收模式可以概括為單天線發(fā)射、四通道同時接收；乒乓模式可以概括為雙天線交替發(fā)射、四通道分時接收; 組合模式可以概括為雙天線交替發(fā)射、四通道同時接收。圖3所示為乒乓模式的工作時序 首先是天線A發(fā)射H極化信號，對應(yīng)天線A的接收機A的兩個接收通道分別接收H極化和V極化回波信號，接著天線A發(fā)射V極化信號，對應(yīng)天線A的接收機A的兩個接收通道分別接收H極化和V極化回波信號，這樣就獲取了天線A發(fā)A收的全極化數(shù)據(jù)；然后是天線B發(fā)射 H極化信號，對應(yīng)天線B的接收機B的兩個接收通道分別接收H極化和V極化回波信號，最后天線B發(fā)射V極化信號，對應(yīng)天線B的接收機B的兩個接收通道分別接收H極化和V極化回波信號，這樣就獲取了天線B發(fā)B收的全極化數(shù)據(jù)。由于兩副天線分置在載機的不同位置(機腹和機側(cè))形成垂直有效基線，因此可以進行干涉處理，并可通過極化干涉相干最優(yōu)化處理提高干涉相干性。 圖4所示為極化干涉合成孔徑雷達的系統(tǒng)設(shè)計框圖，如前所述，本發(fā)明采用有源相控陣雷達體制實現(xiàn)全極化條帶SAR成像，每副天線有16個T/R組件，兩個接收機分別接收來自兩個天線的雷達回波，每個接收機有兩個接收通道分別接收H和V極化回波信號。本發(fā)明還采用內(nèi)定標網(wǎng)絡(luò)來定期地對系統(tǒng)中的誤差進行監(jiān)測。本發(fā)明的主要系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如下
中心頻率9. 6GHz
雷達視角30° 65°
定時基準頻率穩(wěn)定度<1 X lO—n/ms
本振頻率穩(wěn)定度<3 X KT11Ais
天線尺寸400mmX360mm
信號帶寬240MHz、300MHz、360MHz
發(fā)射信號形式線性調(diào)頻信號
工作模式單發(fā)雙收模式、乒乓模式、組合模式
系統(tǒng)噪聲系數(shù)4. 5dB
量化比特數(shù):I、Q各8bit
雷達作用距離5 IOkm
測繪帶寬1. 5 2km
測高精度1m。
權(quán)利要求
1.一種單航過全極化干涉合成孔徑雷達，包括雙極化有源相控陣天線、接收分機、定標與采集分機、監(jiān)控分機、配電分機、記錄儀，其特征在于(1)雙極化有源相控陣天線所述天線前端為雙極化波導(dǎo)裂縫天線陣，每個天線單元有水平極化和垂直極化開口用于輻射兩種極化的電磁波；所述天線后端為16個TR組件，每個TR組件與對應(yīng)的天線單元相連；所述天線中間為波控和電源，波控可以控制組件內(nèi)移相器的相位用于波束展寬和波束掃描，電源用于為每個TR組件供電；所述天線有兩部，可以安裝在載機平臺的不同位置來實現(xiàn)單航過干涉；(2)接收分機所述接收分機由激勵源、頻率合成、接收通道1、接收通道2、電源共5個模塊組成，激勵源為整個系統(tǒng)提供中心頻率9. 6GHz (X波段)的信號源，頻率合成模塊為整個系統(tǒng)提供基準時鐘和采樣時鐘，兩個接收通道分別接收兩種極化的回波信號，電源模塊為分機供電；所述接收分機有兩部，分別接收來自兩部天線的回波信號；(3)定標與采集分機所述定標與采集分機由定標、采集1、采集2、電源共4個模塊組成，定標模塊為一開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)定標功能，兩塊采集卡分別采集來自兩部接收機的IQ信號，電源模塊為分機供電；(4)監(jiān)控分機所述監(jiān)控分機為整個系統(tǒng)提供時序控制，并可與計算機進行串口通訊，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的實時監(jiān)控；(5)配電分機所述配電分機為各個分機提供28V電源，并可通過電源控制模塊監(jiān)測各個分機供電是否異常；(6)記錄儀所述記錄儀將采集到的回波數(shù)據(jù)記錄下來，并可通過網(wǎng)口、USB等接口將原始數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)儲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單航過全極化干涉合成孔徑雷達，其特征在于通過將一部天線安裝在機腹吊艙內(nèi)，將另一部天線安裝在機側(cè)吊艙內(nèi)，可以獲得垂直有效基線，從而實現(xiàn)單航過雙天線干涉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單航過全極化干涉合成孔徑雷達，其特征在于通過時序控制可以實現(xiàn)三種工作模式單發(fā)雙收、乒乓和組合模式所述單發(fā)雙收模式為兩部天線(A和B)中天線A發(fā)，天線A和天線B同時收；所述乒乓模式為兩部天線(A和B)中首先天線A發(fā)天線A收，下一個脈沖天線B發(fā)天線B收，如此兩個天線輪流收發(fā)；所述組合模式為兩部天線(A和B)中首先天線A發(fā)，天線A和天線B同時收，下一個脈沖天線B發(fā)，天線A和天線B同時收，如此兩個天線輪流發(fā)射。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將極化技術(shù)和干涉技術(shù)結(jié)合在一起的單航過全極化干涉合成孔徑雷達，包括雙極化有源相控陣天線，接收分機，定標與采集分機，監(jiān)控分機，配電分機，記錄儀。本發(fā)明可同時獲得8個通道的極化干涉SAR數(shù)據(jù)，通過干涉處理可以得到目標場景的三維地形圖。本發(fā)明獲得的極化干涉SAR數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于林業(yè)和農(nóng)業(yè)中的植被參數(shù)反演，也可應(yīng)用于地震災(zāi)害中的地表形變檢測，并可進行大面積的三維地形測繪。
文檔編號G01S13/90GK102331575SQ201110170280
公開日2012年1月25日 申請日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者汪洋, 湛金童, 鄭陶冶 申請人:中國電子科技集團公司第三十八研究所