專利名稱：一種前視線陣三維合成孔徑雷達系統構建方法
技術領域：
本技術發明屬于雷達技術領域，它特別涉及了合成孔徑雷達(SAR)成像技 術領域。
背景技術：
合成孔徑雷達(SAR)是一種高分辨率的微波成像系統，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縱向 高分辨率，而三維SAR是基于常規SAR橫向維和縱向維的基礎之上外加切橫向維，
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區別于其他遙感成像系統的重要特征，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--"用于視景增強 的新型區域成像雷達(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。 在相關文獻中對這個系統做了系統分析和描述。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結合了三維SAR和前視SAR的優點，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。
發明內容
本發明的目的是為了克服現有合成孔徑雷達系統(簡稱SAR系統)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 (SAR系統)的構建方法。該系統采用線陣系統單陣元激勵方式，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。為了方便描述本發明的內容，首先作以下術語定義 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。 定義2、單激勵方式
在一個飛行孔徑內，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，利用控制開關打開線陣天線中特定的某一個陣元來發射信號
或者是接收回波。詳細內容可參考文獻"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三維合成孔徑雷達系統參數，包括發 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"，Frank H. Wong 等編著,電子工業出版社出版。
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、發射/接收天線相位中心軌跡
發射/接收天線相位中心軌跡是指不同脈沖重復周期內，前視線陣三維成像 合成孔徑雷達打開的發射/接收天線陣元位置所構成的軌跡，可看作服從某種分 布的隨機變量；
定義7、合成孔徑雷達發射機
合成孔徑雷達發射機是指目前合成孔徑雷達采用的向觀測區域發射電磁信 號的系統，主要包括信號發生器、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域回波的系 統，主要包括混頻器、放大器、模/數轉換器、存儲設備等。 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的飛行孔徑是指對于測繪場景中的一個散 射點從收發波束共同照射到開始到發射波束或接收波束任意一個照射不到結束 收發波束中心所走過的距離。
雙站線陣三維合成孔徑雷達系統的慢時間是指收發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為一個飛行孔徑內慢時間的離散
個數，7;為重復周期。
本發明提供一種前視線陣三維合成孔徑雷達系統的構建方法，它包括如下步
驟
步驟l:發射系統和接收系統構建
發射系統和接收系統包括 一臺發射機， 一臺接收機， 一個T/R轉換開關， 一個饋元控制開關，M條饋線和M個線陣饋元；M是自然數，M的大小由前
視線陣三維合成孔徑雷達系統在一個飛行孔徑內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， 丄為線陣天線長度；發射機和接收機與控制開關之間用一個T/R轉換開關相連， T/R轉換開關的一邊與控制開關相連，另一邊分別與發射機和接收機相連，如圖 1所示；控制開關通過似條饋線和M個線陣饋元相連構成一個線陣天線，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載波頻率，
^為系統分辨率；發射機和接收機共用一個線陣天線，使用一個T/R轉換開關控
制發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，當"=1，控制開關按照三角周 期函數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成的隨機變量服從均勻 分布。
步驟3:發射/接收平臺構建
前視線陣三維合成孔徑雷達系統發射/接收平臺是將步驟1中的線陣發射系 統/接收系統安置于運動平臺上，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:發射系統和接收系統同步
在前視線陣三維成像合成孔徑雷達進行三維成像過程中，在發射系統發射電
磁信號后固定的延時時刻r，轉換T/R開關，讓接收系統接收場景回波，以實現
發射系統和接收系統的時間同步，其中，固定的延時時刻r由觀測區域到線陣天
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單激勵發射/接收平臺工作 通過T/R轉換開關使線陣發射機和接收機按步驟2中的構建的天線相位中心
軌跡對測繪場景不斷的發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的采集數據。
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的構建，本發 明流程圖如圖6所示。 需要說明的是，
采用現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 統步驟4所采集數據實現對觀測區域的三維散射系數重建；
步驟2中所述的控制開關按照三角周期函數打開線陣天線中任意一個線陣 饋元，所述的控制開關也可以按照高斯函數、拋物線函數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 數分布或高斯函數分布或拋物線函數分布等，不影響本發明所構建前視線陣三維 成像合成孔徑雷達系統的有效性。
本發明的創新點在于該系統利用合成孔徑雷達原理，結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有前視合成孔徑雷達系統能夠提前獲 取前方地形信息，來實現實時的得知前方測繪地形的三維信息，可以實現飛行器 的導航與盲降。
本發明的基本原理本發明是利用合成孔徑雷達原理，結合單激勵線陣三維 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系統和前視SAR系 統相結合的模式，使單激勵線陣三維SAR的波束前視照射。然后實時的對接收 到的回波數據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域的三維成像結果。
本發明解決的技術問題:本發明提出的前視線陣三維合成孔徑雷達系統主要 是針對現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 統結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 雷達系統能夠提前獲取前方地形信息的優點，用線陣系統單陣元激勵方式，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。
本發明的優點在于采用了單激勵線陣三維SAR和前視SAR相結合的特點， 利用較低的硬件成本，實現了小數據處理量的前視線陣三維合成孔徑雷達成像， 最主要的就是實現了飛行器前方測繪區域的三維成像，可以提前并實時的獲取飛 行器前方的三維地形信息。
圖1是本發明發射系統/接收系統結構框圖
圖2是本發明發射機/接收機的線陣天線結構框圖
圖3是本發明采用的前視線陣三維成像合成孔徑雷達運動幾何結構圖
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是本發明具體實施例對三維點目標的成像結果圖
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是本發明具體實施例仿真時用的參數表 圖6是本發明的流程圖
具體實施例方式
本發明主要采用仿真實驗的方法進行驗證該系統模型的可行性，所有步驟、 結論都在VC十+ 、 MATLAB7.0上驗證正確。具體實施步驟如下 步驟l:線陣發射/接收系統構建
前視線陣三維合成孔徑雷達系統運動平臺上的線陣發射機/接收機包括以下 部分 一臺發射機， 一臺接收機， 一個T/R轉換開關， 一個饋元控制開關，800 條饋線和800個線陣饋元，其系統框圖如附圖1所示，發射機和接收機與控制開 關之間用一個T/R轉換開關相連，發射機和接收機分別與T/R轉換開關相連控 制開關和接收機相連，控制開關通過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，T/R轉換開關控制發射機與接收機之間的切換， 控制開關控制每一個慢時間"，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，利用控制開關按照三角周期函數來選擇單激勵陣列天線中的任 意一個饋元來發射和接收信號，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:發射/接收運動平臺構建
前視線陣三維合成孔徑雷達系統發射/接受運動平臺是將步驟1中的線陣發 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轉換開關使線陣發射機和接收機按步驟2中的構建的天線相位中心 軌跡對測繪場景不斷的發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構圖見附圖3。 本具體實施方式
所采用的系統參數詳見圖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。
通過本發明具體實施方式
的仿真及測試，本發明所提供的前視線陣三維合成 孔徑雷達系統能夠實現了前視線陣三維成像合成孔徑雷達成像，與現有的三維合 成孔徑雷達系統相比，本發明在克服現有系統缺點，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
權利要求
1、一種前視線陣三維合成孔徑雷達系統的構建方法，其特征是它包括如下步驟步驟1單激勵發射系統和接收系統構建發射系統和接收系統包括一臺發射機，一臺接收機，一個T/R轉換開關，一個饋元控制開關，M條饋線和M個線陣饋元；M是自然數，M的大小由前視線陣三維合成孔徑雷達系統在一個飛行孔徑內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，L為線陣天線長度；發射機和接收機與控制開關之間用一個T/R轉換開關相連，T/R轉換開關的一邊與控制開關相連，另一邊分別與發射機和接收機相連，控制開關通過M條饋線和M個線陣饋元相連構成一個線陣天線，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載波頻率，ρ為系統分辨率；發射機和接收機共用一個線陣天線，使用一個T/R轉換開關控制發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，當n＝1，控制開關按照三角周期函數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成的隨機變量服從均勻分布；步驟3發射/接收平臺構建前視線陣三維合成孔徑雷達系統發射/接收平臺是將步驟1中的線陣發射系統/接收系統安置于運動平臺上，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發射系統和接收系統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，在發射系統發射電磁信號后固定的延時時刻τ，轉換T/R開關，讓接收系統接收場景回波，以實現發射系統和接收系統的時間同步，其中，固定的延時時刻τ由觀測區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單激勵發射/接收平臺工作通過T/R轉換開關使線陣發射機和接收機按步驟2中的構建的天線相位中心軌跡對測繪場景不斷的發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的采集數據。
2、根據權利要求1所述的一種前視線陣三維合成孔徑雷達系統的構建方法，其特征是 步驟2中所述的控制開關按照三角周期函數打開線陣天線中任意一個線陣饋元，所述 的三角周期函數采用高斯函數或拋物線函數替換，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分布或拋物線函數分布。
全文摘要
本發明公開了一種前視線陣三維合成孔徑雷達系統的構建方法，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系統和前視SAR系統相結合的模式，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據我們采用標準的后向投影算法進行處理，得到前方測繪區域的三維成像結果。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 優先權日2009年4月29日
發明者君 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