無人機(jī)載Ka頻段調(diào)頻連續(xù)波SAR成像和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于成像雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種無人機(jī)載Ka頻段調(diào)頻連續(xù)波SAR成像和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種主動(dòng)微波遙感設(shè)備，能夠全天候全天時(shí)的對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，獲取高分辨率圖像。合成孔徑雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(SAR-GMTI)技術(shù)能夠同時(shí)獲取場(chǎng)景中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息，其作為現(xiàn)代化偵察手段受到廣泛關(guān)注。
[0003]無人機(jī)(UAV)能夠替代飛行員執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)，可以減少人員傷亡，降低裝備和使用成本。情報(bào)偵察和戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視是目前UAV系統(tǒng)一個(gè)主要作戰(zhàn)任務(wù)。UAV對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境要求低，能夠潛入敵目標(biāo)上空侵入式偵察，戰(zhàn)場(chǎng)生存能力強(qiáng)，連續(xù)作戰(zhàn)性能強(qiáng)。小型化是當(dāng)前UAV的一個(gè)重要發(fā)展方向，各國都在競(jìng)相開發(fā)遙控式、半自主式或自主式的微小UAV0
[0004]小型UAV的有效載荷小，對(duì)SAR的體積、重量、功耗等提出了嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的低頻段脈沖體制SAR體積大、設(shè)備復(fù)雜、成本高，且容易被敵方電子偵察系統(tǒng)截獲，無法滿足小型UAV的偵察和監(jiān)視需求。
[0005]另外，現(xiàn)有的UAV FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)體制SAR系統(tǒng)主要工作在X頻段，大多只有成像模式，不具備動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)能力，無法滿足UAV作戰(zhàn)時(shí)高分辨率精細(xì)成像和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種無人機(jī)載Ka頻段調(diào)頻連續(xù)波SAR成像和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)小型化的要求。
[0007]本發(fā)明的無人機(jī)載Ka頻段調(diào)頻連續(xù)波SAR成像和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)，其包括機(jī)上設(shè)備和地面的成像處理單元；所述Ka頻段的頻率為35.75GHz ;
[0008]機(jī)上設(shè)備包括:收發(fā)喇叭天線、穩(wěn)定平臺(tái)、射頻模塊和數(shù)字模塊；其中，
[0009]收發(fā)喇叭天線包括:發(fā)射天線和接收天線，天線形式為角錐喇叭透鏡天線，工作頻段范圍為:35.55GHz-35.75GHz，該收發(fā)喇叭天線安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上；
[0010]穩(wěn)定平臺(tái)包括:姿態(tài)傳感器和控制單元，以及支撐所述姿態(tài)傳感器和控制單元的平臺(tái)本體，該穩(wěn)定平臺(tái)采用GNSS/INS作為姿態(tài)傳感器，輸出目標(biāo)航向和姿態(tài)信息給控制單元和數(shù)字模塊的采集與控制單元，控制單元根據(jù)目標(biāo)航向和姿態(tài)信息調(diào)整平臺(tái)本體以改變收發(fā)喇B八天線的波束指向；
[0011]射頻模塊包括:頻率綜合器、前置功率放大器和接收機(jī)；頻率綜合器產(chǎn)生要發(fā)射的Ka頻段調(diào)頻三角波信號(hào)，輸出至前置功率放大器；前置功率放大器對(duì)Ka頻段調(diào)頻三角波信號(hào)進(jìn)行功率放大后通過發(fā)射天線輻射出去；
[0012]進(jìn)一步的，頻率綜合器中:晶振產(chǎn)生滿足鎖相介質(zhì)振蕩器TORO和鎖相源輸入要求的時(shí)鐘信號(hào)，并輸出至I3DRO和鎖相源；roRO接收時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)該時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生頻率源，輸出至混頻器；鎖相源接收時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)該時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生帶有DA的FPGA所需要的輸入頻率和采集與控制單元所需要的基準(zhǔn)時(shí)鐘CLK ;帶有DA的FPGA根據(jù)所述輸入頻率產(chǎn)生系統(tǒng)的信號(hào)波形，并輸入至混頻器；混頻器將頻率源與信號(hào)波形進(jìn)行混頻，獲得混頻信號(hào)；倍頻器對(duì)所述混頻信號(hào)進(jìn)行倍頻獲得Ka頻段調(diào)頻三角波信號(hào)輸出至前置功率放大器；
[0013]前置功率放大器包括采用Ka頻段的功率放大器和耦合器，功率放大器對(duì)Ka頻段調(diào)頻三角波信號(hào)進(jìn)行功率放大后經(jīng)發(fā)射天線輻射出去；同時(shí)將經(jīng)功率放大后的Ka頻段調(diào)頻三角波信號(hào)通過耦合器耦合后輸出至接收機(jī)的混頻器；
[0014]接收機(jī)中:接收天線接收反射的回波信號(hào)，輸出至接收機(jī)的低噪聲放大器，低噪聲放大器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行功率放大輸出至混頻器；混頻器對(duì)低噪聲放大器后的回波信號(hào)與通過耦合器耦合后的Ka頻段調(diào)頻三角波信號(hào)進(jìn)行混頻，得到零中頻信號(hào)，輸出至放大器進(jìn)行零中頻放大，經(jīng)濾波器濾波之后輸出至數(shù)字模塊的采集與控制單元；
[0015]數(shù)字模塊包括:存儲(chǔ)單元和采集與控制單元，采集與控制單元接收接收機(jī)的零中頻信號(hào)，以及目標(biāo)航向和姿態(tài)信息；其中，
[0016]采集與控制單元包括:A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字正交解調(diào)單元，A/D轉(zhuǎn)換器以收到的基準(zhǔn)時(shí)鐘作為系統(tǒng)工作時(shí)鐘對(duì)零中頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得數(shù)字信號(hào)輸出至數(shù)字正交解調(diào)單元進(jìn)行正交解調(diào)，得到IQ信號(hào)，數(shù)字正交解調(diào)單元對(duì)目標(biāo)航向和姿態(tài)信息以及IQ信號(hào)進(jìn)行組幀，獲得待處理信號(hào)，分兩路，一路輸出至存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)，另一路經(jīng)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)輸出至地面的成像處理單元進(jìn)行成像和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)處理；
[0017]地面的成像處理單元包括:調(diào)頻連續(xù)波SAR實(shí)時(shí)成像單元、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)單元和顯示單元;
[0018]調(diào)頻連續(xù)波SAR實(shí)時(shí)成像單元收到待處理信號(hào)，利用IQ信號(hào)采用改進(jìn)的R-D成像算法進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，在實(shí)時(shí)成像中并利用目標(biāo)航向和姿態(tài)信息對(duì)IQ信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，獲得SAR圖像，所述SAR圖像包括:上調(diào)頻和下調(diào)頻兩幅SAR圖像；
[0019]動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)單元，對(duì)獲得的上調(diào)頻和下調(diào)頻兩幅高分辨率SAR圖像，進(jìn)行對(duì)消處理獲得SAR圖像，若SAR圖像中某一點(diǎn)幅度大于檢測(cè)門限，則認(rèn)為該點(diǎn)存在動(dòng)目標(biāo)，否則不存在動(dòng)目標(biāo)。
[0020]進(jìn)一步的，所述頻率綜合器包括:100MHz晶振、一分三功分器、鎖相時(shí)鐘、TORO、鎖相源、帶有DA的FPGA、兩個(gè)放大器、兩個(gè)濾波器、混頻器和倍頻器；
[0021]10MHz晶振產(chǎn)生滿足I3DRO和鎖相源輸入要求的時(shí)鐘信號(hào)，并輸出至一分三功分器將該時(shí)鐘信號(hào)分三路輸出，第一路輸出至roRO，第二路輸出至鎖相源，第三路輸出至鎖相時(shí)鐘產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)鐘給采集與控制單元；roR0接收時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)該時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生17.1GHz頻率源，輸出至混頻器；鎖相源接收時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)該時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生帶有DA的FPGA所需要的3GHz輸入頻率；帶有DA的FPGA根據(jù)所述3GHz輸入頻率產(chǎn)生系統(tǒng)的775MHz信號(hào)波形并輸出至放大器，經(jīng)放大器放大后輸入至混頻器；混頻器將17.1GHz頻率源與775MHz信號(hào)波形進(jìn)行混頻，獲得17.185GHz混頻信號(hào)；經(jīng)濾波器濾波和放大器放大后輸出至倍頻器，倍頻器對(duì)所述17.185GHz混頻信號(hào)進(jìn)行2倍頻并經(jīng)濾波器濾波后獲得35.75GHz調(diào)頻三角波信號(hào)，并輸出至前置功率放大器。
[0022]進(jìn)一步的，所述接收機(jī)包括:限幅器、低噪聲放大器、腔體濾波器、混頻器、LC濾波器、放大器、電調(diào)衰減器、四個(gè)放大器和兩個(gè)數(shù)控衰減器，所述低噪聲放大器簡(jiǎn)稱低噪聲放大器；
[0023]接收天線接收反射的回波信號(hào)，依次進(jìn)行限幅器限幅、低噪聲放大器放大、腔體濾波器濾波后輸出至混頻器；混頻器對(duì)濾波后的回波信號(hào)與通過耦合器耦合后的35.75GHz調(diào)頻三角波信號(hào)進(jìn)行混頻，得到3-30MHZ零中頻信號(hào)，輸出至放大器進(jìn)行零中頻放大，然后經(jīng)LC濾波器濾波之后輸出至電調(diào)衰減器，電調(diào)衰減器根據(jù)外部控制指令對(duì)零中頻信號(hào)進(jìn)行衰減控制后輸出至放大器放大，再進(jìn)行兩級(jí)數(shù)控衰減后輸出零中頻信號(hào)至數(shù)字模塊的采集與控制單元，每一級(jí)數(shù)控衰減通過放大器和數(shù)控衰減器實(shí)現(xiàn)。
[0024]有益效果:
[0025]本系統(tǒng)利用毫米波Ka頻段信號(hào)進(jìn)行SAR成像處理，能夠得到比其它低頻段更精細(xì)的圖像，目標(biāo)棱角特征明顯，更利于目標(biāo)識(shí)別；Ka頻段信號(hào)能夠獲得更高的相對(duì)帶寬，因而比低頻段信號(hào)能夠得到更高的圖像分辨率。
[0026]Ka頻段波長(zhǎng)更短，相同的波束寬度下，天線尺寸小于低頻段天線；毫米波器件(放大器、濾波器、低噪放等)體積、重量、功耗也小于低頻段器件；能夠?qū)崿F(xiàn)小型化系統(tǒng)。
[0027]本系統(tǒng)采用發(fā)射FMCW信號(hào)，信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，占空比為1，不需要較高的發(fā)射峰值功率，利用固態(tài)放大器件就可以滿足要求，減小了體積和重量；FMCW信號(hào)具有很大的時(shí)寬帶寬積，發(fā)射功率電平比同樣平均功率的脈沖雷達(dá)的峰值功率低，具有優(yōu)良的低截獲概率特性。
[0028]本系統(tǒng)頻率綜合器采用振蕩器TORO產(chǎn)生頻率源，與調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)混頻再倍頻到Ka頻段的發(fā)射頻率相比，可靠性高、相位噪聲理想、復(fù)雜度低。
[0029]本系統(tǒng)利用三角FMCW信號(hào)的特性，只用單個(gè)接收通道實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)功能。減少設(shè)備量的同時(shí)避免了多個(gè)接收通道帶來的一致性等問題。
[0030]本系統(tǒng)接收機(jī)采用差拍處理方式，回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)混頻得到零中頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高分辨率的同時(shí)數(shù)據(jù)量減小了十分之一以上，對(duì)存