專利名稱：一種前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本技術(shù)發(fā)明屬于雷達技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及了合成孔徑雷達(SAR)成像技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達(SAR)是一種高分辨率的微波成像系統(tǒng)，它依靠雷達和目標 之間的相對運動來形成合成陣列來獲得橫向高分辨率，利用大帶寬信號實現(xiàn)縱向 高分辨率，而三維SAR是基于常規(guī)SAR橫向維和縱向維的基礎(chǔ)之上外加切橫向維，
它也是依靠雷達和目標之間的相對運動來獲得切橫向分辨率。三維成像是三維 SAR區(qū)別于其他遙感成像系統(tǒng)的重要特征，由于其測繪時具有全天候、全天時、
距離遠等特點，在地形測繪、環(huán)境檢測和災害預報等方面具有不可替代的作用。 前視SAR的出現(xiàn)使得SAR的應用范圍得以擴展，目前對前視SAR做的比較出 色的是德國宇航局(DLR)，他們在1999年提出了一種能對飛行路線正前方扇形 區(qū)域進行中/高分辨率成像的新型機載前視合成孔徑雷達系統(tǒng)--"用于視景增強 的新型區(qū)域成像雷達(SIREV)"，目前己完成了SIREV的理論研究、前視成像 算法、計算機仿真與樣機研制，并在DLR的E-SAR機載試驗平臺上進行飛行測試。 在相關(guān)文獻中對這個系統(tǒng)做了系統(tǒng)分析和描述。然而這種前視SAR只能得到二維 的SAR圖像，對地形的三維信息是無法獲取的。
我們這個前視三維SAR結(jié)合了三維SAR和前視SAR的優(yōu)點，它除了具有三維 SAR所起的作用外，由于波束是前視照射，能提前并實時的得知測繪地形信息， 所以它還可以實現(xiàn)飛行器的導航與盲降，因此前視三維合成孔徑雷達具有廣闊的 應用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有合成孔徑雷達系統(tǒng)(簡稱SAR系統(tǒng))不能實 時獲取前方三維地形信息的缺點，提供一種前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng) (SAR系統(tǒng))的構(gòu)建方法。該系統(tǒng)采用線陣系統(tǒng)單陣元激勵方式，波束前視照 射，可以提前并實時的獲取飛行器前方三維地形信息，為精確制導以及飛行器的 導航、進近著陸以及盲降提供了一種新方法。為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先作以下術(shù)語定義 定義l、線陣三維成像合成孔徑雷達
線陣三維成像合成孔徑雷達是將線性陣列天線固定于運動平臺上，結(jié)合運動 平臺的運動以合成二維平面陣列，并進行三維成像的一種合成孔徑雷達系統(tǒng)。 定義2、單激勵方式
在一個飛行孔徑內(nèi)，對于固定在運動平臺上的線性陣列天線，在每一個慢時 間"，"=1W，利用控制開關(guān)打開線陣天線中特定的某一個陣元來發(fā)射信號
或者是接收回波。詳細內(nèi)容可參考文獻"APC Trajectory design for'one-active' linear array 3-D imaging SAR"， Shi Jun等
定義3、波束前視角
波束前視角是指合成孔徑雷達波束中心與飛行器飛行速度方向之間的銳角 夾角， 一般地，飛行器沿直線飛行，因此波束角可認為是雷達波束中心與沿航跡
直線之間夾角。當波束前視角為0°~20°時，稱為大斜視，20° ~90°稱為小斜視。
定義4、三維成像合成孔徑雷達理論分辨率
三維合成孔徑雷達理論分辨率是指根據(jù)三維合成孔徑雷達系統(tǒng)參數(shù)，包括發(fā) 射信號帶寬，合成孔徑長度以及線陣天線長度決定的三維合成孔徑雷達所能達到 的最大分辨率。詳見文獻"合成孔徑雷達成像——算法與實現(xiàn)"，F(xiàn)rank H. Wong 等編著,電子工業(yè)出版社出版。
定義5、標準后向投影算法
后向投影算法是基于匹配濾波原理的合成孔徑雷達成像算法。詳細內(nèi)容可參 考文獻"Research on A novel fast back projection algorithm for strip map bistatic SAR imaging", Huang Yulin等
定義6、發(fā)射/接收天線相位中心軌跡
發(fā)射/接收天線相位中心軌跡是指不同脈沖重復周期內(nèi)，前視線陣三維成像 合成孔徑雷達打開的發(fā)射/接收天線陣元位置所構(gòu)成的軌跡，可看作服從某種分 布的隨機變量；
定義7、合成孔徑雷達發(fā)射機
合成孔徑雷達發(fā)射機是指目前合成孔徑雷達采用的向觀測區(qū)域發(fā)射電磁信 號的系統(tǒng)，主要包括信號發(fā)生器、混頻器、放大器等模塊定義8、合成孔徑雷達接收機
合成孔徑雷達接收機是指目前合成孔徑雷達采用的接收觀測區(qū)域回波的系 統(tǒng)，主要包括混頻器、放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲設(shè)備等。 定義9、飛行孔徑與慢時間
雙站線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)的飛行孔徑是指對于測繪場景中的一個散 射點從收發(fā)波束共同照射到開始到發(fā)射波束或接收波束任意一個照射不到結(jié)束 收發(fā)波束中心所走過的距離。
雙站線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)的慢時間是指收發(fā)平臺飛過一個飛行孔徑
所需要的時間，由于雷達以一定的重復周期7;發(fā)射接收脈沖，慢時間可以表示為
一個離散化的時間變量^ =" ;， /7 = 1L7V， iV為一個飛行孔徑內(nèi)慢時間的離散
個數(shù)，7;為重復周期。
本發(fā)明提供一種前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)的構(gòu)建方法，它包括如下步
驟
步驟l:發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)構(gòu)建
發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)包括 一臺發(fā)射機， 一臺接收機， 一個T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)， 一個饋元控制開關(guān)，M條饋線和M個線陣饋元；M是自然數(shù)，M的大小由前
視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)在一個飛行孔徑內(nèi)脈沖重復頻率的大小來決定，
M = vxTVa/Z，其中，v為飛行平臺速度，A^為合成孔徑雷達方位向采樣點數(shù)， 丄為線陣天線長度；發(fā)射機和接收機與控制開關(guān)之間用一個T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)相連， T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)的一邊與控制開關(guān)相連，另一邊分別與發(fā)射機和接收機相連，如圖 1所示；控制開關(guān)通過似條饋線和M個線陣饋元相連構(gòu)成一個線陣天線，如圖
2所示；線陣天線的長度Z的大小由前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)要求得到的
分辨率決定，￡ =義/>，其中，A為前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)載波頻率，
^為系統(tǒng)分辨率；發(fā)射機和接收機共用一個線陣天線，使用一個T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)控
制發(fā)射機和接收機在不同時段工作，即采用的是單激勵工作方式。 步驟2:單激勵線陣天線相位中心軌跡的確定對于慢時間w， " = 1..…#， N為正整數(shù)，當"=1，控制開關(guān)按照三角周 期函數(shù)打開線陣天線中任意一個線陣饋元M二Mi， Ml是M個線陣饋元中的
任意一個線陣饋元的標記，記下慢時間"=1時工作的線陣饋元標記^1;
當"二2，控制開關(guān)打開線陣天線中一個線陣饋元M二M2， M2^Mi， 記下慢時間"=2時工作的線陣饋元標記M2;
當"二3，控制開關(guān)打開線陣天線中一個線陣饋元M二M3， M3#M2# 似l，記下慢時間"=3時工作的線陣饋元標記M3;
依此類推，當"二N時，控制開關(guān)打開線陣天線中一個線陣饋元^二MN， Mi， M2， M3，…，Mn均不相同，記下慢時間w二n時工作的線陣饋元標記
MN;這樣，就得到慢時間和對應這個慢時間工作的線陣饋元標記的對應關(guān)系，
即線陣天線相位中心軌跡，所述線陣天線相位中心軌跡構(gòu)成的隨機變量服從均勻 分布。
步驟3:發(fā)射/接收平臺構(gòu)建
前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)發(fā)射/接收平臺是將步驟1中的線陣發(fā)射系 統(tǒng)/接收系統(tǒng)安置于運動平臺上，線陣天線中的饋元排列方向垂直于運動平臺的
運動方向，運動平臺以恒矢量速度^運動，運動平臺的初始化飛行高度為i/,。；
如圖3所示；
步驟4:發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)同步
在前視線陣三維成像合成孔徑雷達進行三維成像過程中，在發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射電
磁信號后固定的延時時刻r，轉(zhuǎn)換T/R開關(guān)，讓接收系統(tǒng)接收場景回波，以實現(xiàn)
發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的時間同步，其中，固定的延時時刻r由觀測區(qū)域到線陣天
線的距離及決定，r = 0.8x2i /C,其中，C為光速。
步驟5:前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)單激勵發(fā)射/接收平臺工作 通過T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)使線陣發(fā)射機和接收機按步驟2中的構(gòu)建的天線相位中心
軌跡對測繪場景不斷的發(fā)射電磁波信號并接收回波信號，前視線陣三維合成孔徑
7雷達系統(tǒng)采用單激勵工作方式，即在每一個慢時間只有一個饋元工作，在這個慢 時間，發(fā)射機和接收機只能通過一個饋元工作；接收機在w個慢時間得到w個測 繪場景的回波信號就是前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)。
通過以上步驟，即可完成前視線陣三維成像合成孔徑雷達系統(tǒng)的構(gòu)建，本發(fā) 明流程圖如圖6所示。 需要說明的是，
采用現(xiàn)有標準的后向投影算法，即可利用前視線陣三維成像合成孔徑雷達系 統(tǒng)步驟4所采集數(shù)據(jù)實現(xiàn)對觀測區(qū)域的三維散射系數(shù)重建；
步驟2中所述的控制開關(guān)按照三角周期函數(shù)打開線陣天線中任意一個線陣 饋元，所述的控制開關(guān)也可以按照高斯函數(shù)、拋物線函數(shù)打開線陣天線中任意一 個線陣饋元，最后得到的天線相位中心運動軌跡所服從的分布可以是三角周期函 數(shù)分布或高斯函數(shù)分布或拋物線函數(shù)分布等，不影響本發(fā)明所構(gòu)建前視線陣三維 成像合成孔徑雷達系統(tǒng)的有效性。
本發(fā)明的創(chuàng)新點在于該系統(tǒng)利用合成孔徑雷達原理，結(jié)合單激勵線陣三維合 成孔徑雷達天線相位中心控制精度高和現(xiàn)有前視合成孔徑雷達系統(tǒng)能夠提前獲 取前方地形信息，來實現(xiàn)實時的得知前方測繪地形的三維信息，可以實現(xiàn)飛行器 的導航與盲降。
本發(fā)明的基本原理本發(fā)明是利用合成孔徑雷達原理，結(jié)合單激勵線陣三維 合成孔徑雷達天線相位中心控制精度高和前視合成孔徑雷達系統(tǒng)能夠提前獲取 前方地形信息的特點，因此我們就采用單激勵線陣三維SAR系統(tǒng)和前視SAR系 統(tǒng)相結(jié)合的模式，使單激勵線陣三維SAR的波束前視照射。然后實時的對接收 到的回波數(shù)據(jù)我們采用標準的后向投影算法(即三維BP算法)進行處理，最后 就可以得到前方測繪區(qū)域的三維成像結(jié)果。
本發(fā)明解決的技術(shù)問題:本發(fā)明提出的前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)主要 是針對現(xiàn)有合成孔徑雷達不能實時獲取前方三維地形信息的缺點而提出的，該系 統(tǒng)結(jié)合單激勵線陣三維合成孔徑雷達天線相位中心控制精度高和前視合成孔徑 雷達系統(tǒng)能夠提前獲取前方地形信息的優(yōu)點，用線陣系統(tǒng)單陣元激勵方式，波束前視照射，可以提前并實時的獲取飛行器前方的三維地形信息，為精確制導以及 飛行器的導航、進近著陸以及盲降提供了一種新方法。
本發(fā)明的優(yōu)點在于采用了單激勵線陣三維SAR和前視SAR相結(jié)合的特點， 利用較低的硬件成本，實現(xiàn)了小數(shù)據(jù)處理量的前視線陣三維合成孔徑雷達成像， 最主要的就是實現(xiàn)了飛行器前方測繪區(qū)域的三維成像，可以提前并實時的獲取飛 行器前方的三維地形信息。


圖1是本發(fā)明發(fā)射系統(tǒng)/接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖2是本發(fā)明發(fā)射機/接收機的線陣天線結(jié)構(gòu)框圖
圖3是本發(fā)明采用的前視線陣三維成像合成孔徑雷達運動幾何結(jié)構(gòu)圖
其中，P為飛行器的速度矢量，^為前視角；X、 Y、 Z為三維坐標系；
圖4是本發(fā)明具體實施例對三維點目標的成像結(jié)果圖
其中橫坐標為切航跡方向，縱坐標為沿航跡方向，垂直坐標為高度向，l為 三維點目標成像。
圖5是本發(fā)明具體實施例仿真時用的參數(shù)表 圖6是本發(fā)明的流程圖
具體實施例方式
本發(fā)明主要采用仿真實驗的方法進行驗證該系統(tǒng)模型的可行性，所有步驟、 結(jié)論都在VC十+ 、 MATLAB7.0上驗證正確。具體實施步驟如下 步驟l:線陣發(fā)射/接收系統(tǒng)構(gòu)建
前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)運動平臺上的線陣發(fā)射機/接收機包括以下 部分 一臺發(fā)射機， 一臺接收機， 一個T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)， 一個饋元控制開關(guān)，800 條饋線和800個線陣饋元，其系統(tǒng)框圖如附圖1所示，發(fā)射機和接收機與控制開 關(guān)之間用一個T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)相連，發(fā)射機和接收機分別與T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)相連控 制開關(guān)和接收機相連，控制開關(guān)通過800條饋線和800個線陣饋元相連，線陣的 長度為20。在一個飛行孔徑內(nèi)，T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)控制發(fā)射機與接收機之間的切換， 控制開關(guān)控制每一個慢時間"，w = lL iV所打開的饋元的位置，且在每一個慢時
間n僅有一個饋元被打開。線陣饋元的方位波束寬度為&=5°， / = 1L 1000，水
9平波束寬度分別為《=30°，單位為弧度，/ = 1L 1000 。 步驟2:單激勵陣列天線相位中心軌跡的構(gòu)建
因為前視線陣三維合成孔徑雷達采用的是單激勵工作方式，在每一個慢時間 "，"=1..…iV，利用控制開關(guān)按照三角周期函數(shù)來選擇單激勵陣列天線中的任 意一個饋元來發(fā)射和接收信號，并記錄每個打開饋元所在的位置，那么所有的慢 時間，所有的工作的饋元的位置就構(gòu)成了一個軌跡，定義為前視線陣三維合成孔 徑雷達的天線相位中心的軌跡。
步驟3:發(fā)射/接收運動平臺構(gòu)建
前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)發(fā)射/接受運動平臺是將步驟1中的線陣發(fā) 射機/接收機安置于運動平臺上，線陣天線排列方向沿垂直發(fā)射平臺運動方向放
置，運動平臺以恒矢量速度[O 100 0]運動，運動平臺的初始化飛行高度為1000m。 通過T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)使線陣發(fā)射機和接收機按步驟2中的構(gòu)建的天線相位中心 軌跡對測繪場景不斷的發(fā)射電磁波信號并接收回波信號。
前視線陣三維合成孔徑雷達的飛行幾何結(jié)構(gòu)圖見附圖3。 本具體實施方式
所采用的系統(tǒng)參數(shù)詳見圖5，最后我們對測繪點進行仿真成 像，得到的3D成像如圖4所示。
通過本發(fā)明具體實施方式
的仿真及測試，本發(fā)明所提供的前視線陣三維合成 孔徑雷達系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)了前視線陣三維成像合成孔徑雷達成像，與現(xiàn)有的三維合 成孔徑雷達系統(tǒng)相比，本發(fā)明在克服現(xiàn)有系統(tǒng)缺點，提前獲取了飛行器前方三維 地形信息，為精確制導以及飛行器的導航、進近著陸以及盲降提供了一種新方法。
10
權(quán)利要求
1、一種前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其特征是它包括如下步驟步驟1單激勵發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)構(gòu)建發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)包括一臺發(fā)射機，一臺接收機，一個T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)，一個饋元控制開關(guān)，M條饋線和M個線陣饋元；M是自然數(shù)，M的大小由前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)在一個飛行孔徑內(nèi)脈沖重復頻率的大小來決定，M＝v×Na/L，其中，v為飛行平臺速度，Na為合成孔徑雷達方位向采樣點數(shù)，L為線陣天線長度；發(fā)射機和接收機與控制開關(guān)之間用一個T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)相連，T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)的一邊與控制開關(guān)相連，另一邊分別與發(fā)射機和接收機相連，控制開關(guān)通過M條饋線和M個線陣饋元相連構(gòu)成一個線陣天線，線陣天線的長度L的大小由前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)要求得到的分辨率決定，L＝λ/ρ，其中，λ為前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)載波頻率，ρ為系統(tǒng)分辨率；發(fā)射機和接收機共用一個線陣天線，使用一個T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)控制發(fā)射機和接收機在不同時段工作，即采用的是單激勵工作方式；步驟2單激勵天線相位中心軌跡的確定對于慢時間n，n＝1·····N，N為正整數(shù)，當n＝1，控制開關(guān)按照三角周期函數(shù)打開線陣天線中任意一個線陣饋元M＝M1，M1是M個線陣饋元中的任意一個線陣饋元的標記，記下慢時間n＝1時工作的線陣饋元標記M1；當n＝2，控制開關(guān)打開線陣天線中一個線陣饋元M＝M2，M2≠M1，記下慢時間n＝1時工作的線陣饋元標記M2；當n＝3，控制開關(guān)打開線陣天線中一個線陣饋元M＝M3，M3≠M2≠M1，記下慢時間n＝1時工作的線陣饋元標記M2；……；依此類推，當n＝N時，控制開關(guān)打開線陣天線中一個線陣饋元M＝MN，M1，M2，M3，…，MN均不相同，記下慢時間n＝N時工作的線陣饋元標記MN；這樣，就得到慢時間和對應這個慢時間工作的線陣饋元標記的對應關(guān)系，即線陣天線相位中心軌跡，所述線陣天線相位中心軌跡構(gòu)成的隨機變量服從均勻分布；步驟3發(fā)射/接收平臺構(gòu)建前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)發(fā)射/接收平臺是將步驟1中的線陣發(fā)射系統(tǒng)/接收系統(tǒng)安置于運動平臺上，線陣天線中的饋元排列方向垂直于運動平臺的運動方向，運動平臺以恒矢量速度 id="icf0001" file="A2009100591260003C1.tif" wi="3" he="5" top= "53" left = "62" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>運動，運動平臺的初始化飛行高度為Ht0；步驟4發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)同步在前視線陣三維成像合成孔徑雷達進行三維成像過程中，在發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射電磁信號后固定的延時時刻τ，轉(zhuǎn)換T/R開關(guān)，讓接收系統(tǒng)接收場景回波，以實現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的時間同步，其中，固定的延時時刻τ由觀測區(qū)域到線陣天線的距離R決定，τ＝0.8×2R/C，其中，C為光速；步驟5前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)單激勵發(fā)射/接收平臺工作通過T/R轉(zhuǎn)換開關(guān)使線陣發(fā)射機和接收機按步驟2中的構(gòu)建的天線相位中心軌跡對測繪場景不斷的發(fā)射電磁波信號并接收回波信號，前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)采用單激勵工作方式，即在每一個慢時間只有一個饋元工作，在這個慢時間，發(fā)射機和接收機只能通過一個饋元工作；接收機在n個慢時間得到n個測繪場景的回波信號就是前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)的構(gòu)建方法，其特征是 步驟2中所述的控制開關(guān)按照三角周期函數(shù)打開線陣天線中任意一個線陣饋元，所述 的三角周期函數(shù)采用高斯函數(shù)或拋物線函數(shù)替換，替換后得到的天線相位中心運動軌 跡所服從的分布是高斯函數(shù)分布或拋物線函數(shù)分布。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種前視線陣三維合成孔徑雷達系統(tǒng)的構(gòu)建方法，它是利用單激勵線陣三維合成孔徑雷達天線相位中心控制精度高和前視合成孔徑雷達系統(tǒng)能夠提前獲取前方地形信息的特點，采用單激勵線陣三維SAR系統(tǒng)和前視SAR系統(tǒng)相結(jié)合的模式，使單激勵線陣三維SAR的波束前視照射。然后實時對接收到的回波數(shù)據(jù)我們采用標準的后向投影算法進行處理，得到前方測繪區(qū)域的三維成像結(jié)果。能夠可以提前并實時的獲取飛行器前方的三維地形信息，為精確制導以及飛行器的導航、進近著陸以及盲降提供了一種新方法。
文檔編號G01S13/00GK101551457SQ20091005912
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者君 師, 張曉玲, 李偉華, 王銀波, 郭少南, 錢忠清, 云 韓 申請人:電子科技大學