一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，所述系统包括：信号发射模块、2个天线、信号接收模块、信号采集模块和信号处理模块；所述信号发射模块，用于产生线性调频脉冲信号，进行处理后传给天线，还用于向信号采集模块发送高电平；所述天线，采用单发双收工作模式，用于通过脉间交替发射水平极化和垂直极化的脉冲信号；并将接收到的回波数据传输给信号接收模块；所述信号接收模块，用于对回波数据进行解调处理得到同相、正交两路基带中频信号；所述信号采集模块，用于对基带中频信号进行采样得到全极化数据，发送到信号处理模块；所述信号处理模块，用于对全极化数据进行处理得到压缩后的复图像。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统
本专利技术属于合成孔径雷达
，具体涉及一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统。
技术介绍
无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。上世纪80年代以来，伴随着航空、电子、信息以及材料等技术的发展，无人机技术得到了长足进步。无人机的蓬勃发展和广泛应用取决于其自身所具备的显著优势：一是无需考虑飞行员因素，从而可以节省大量人员成本且无人员伤亡风险。无人机可以完成许多困难、复杂的任务，并且生产、使用和日常维护成本较低，性价比优势突出；二是机动性能好、生存能力强，相对于有人载具而言，无人机重量轻、体积小，机动飞行能力强、使用方便，对使用环境、起降场地要求较低；三是应用领域广泛，无人机在战场侦察、对抗、攻击等军事应用中确立了其特有的地位，在突发灾害和应急事件的监测中发挥了重要作用，在航空摄影、地图测绘、环境监测、矿产资源勘查、动物保护以及农业、林业等诸多民用领域的应用日趋广泛。合成孔径雷达作为一种工作于主动探测方式的微波成像遥感技术，自上世纪50年代出现以来，一直是雷达遥感领域的发展热点，是实现对地观测不可或缺的重要手段。合成孔径雷达与无人机相结合有利于无人机遥感系统整体性能的发挥。无人机载合成孔径雷达升空时间短、操作简单、可以迅速到达观测区进行飞行，特别适合对近距和带状地区(深林、河道、山丘等)成像，大大增强了无人机的探测能力。地面目标对不同极化方式的电磁波后向散射特性不同，主要和目标的几何形状、尺寸和物理特性有关。传统的合成孔径雷达只能在某一种极化的发射和接收天线下利用目标回波功率进行成像，在相当大程度上损失了回波中所包含的目标极化信息。极化合成孔径雷达信息处理的一个主要研究目的就是根据目标散射回波提取目标特征，在此基础上分析目标特性，从而对不同类型目标进行区分。因此，极化合成孔径雷达系统可以显著改善成像的可靠性，全面地定量分析地面目标的雷达散射特性。此外，传统合成孔径雷达只能对地球表面的目标产生二维的雷达图像，无法获得目标的高度信息。而干涉合成孔径雷达能实现对观测目标的三维成像，即能够获取目标的三维坐标。其原理是通过两副天线同时观测(或一副天线重复飞行观测)，获得同一区域的重复观测数据(复数影像对)，提取同一目标对应的两个回波信号之间的相位差，结合雷达平台的轨道参数等提取高程信息，获得数字地表模型。极化干涉合成孔径雷达是将雷达干涉测量与极化测量进行结合，极化干涉技术能够充分发挥极化测量的优势，有效解决散射机制存在的局限性问题，从而提高干涉测量的精确度，得到准确的测量结果。随着新型复合材料技术、微电子技术、通信技术的高速发展，小型化无人机逐渐应用于在民用和军用诸多领域，美国、欧洲等先进国家也都竞相发展低于5kg的微型无人机载合成孔径雷达系统。具有代表性的微型无人机载合成孔径雷达系统主要有德国的MiSAR、荷兰的AMBER、波兰的SARENKA以及美国的NanoSAR、microSAR和NuSAR等。这些雷达系统的距地工作高度在500米至10公里之间，且无多极化及干涉功能。随着行业应用不断深化，森林监测、林业及资源勘探等领域对距地工作高度在200米以下的近距离微型极化干涉合成孔径雷达的需求愈发强烈，而这方面的研究才刚刚起步，尚缺乏能够满足实际需求的成熟系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统。本专利技术采用的技术方案为：一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，所述系统包括：信号发射模块、2个天线、信号接收模块、信号采集模块和信号处理模块；所述信号发射模块，用于产生线性调频脉冲信号，进行处理后传给天线，还用于向信号采集模块发送高电平；所述天线，采用单发双收工作模式，用于通过脉间交替发射水平极化和垂直极化的脉冲信号；并将接收到的回波数据传输给信号接收模块；所述信号接收模块，用于对回波数据进行解调处理得到同相、正交两路基带中频信号；所述信号采集模块，用于对基带中频信号进行采样得到全极化数据，发送到信号处理模块；所述信号处理模块，用于对全极化数据进行处理得到压缩后的复图像。作为上述系统的一种改进，所述信号发射模块包括依次连接的：微控制器、数字频率合成器、中频放大器、上变频器、滤波器、推动级放大器和末级放大器；所述微控制器，用于控制数字频率合成器；所述数字频率合成器，用于产生线性调频脉冲信号作为发射脉冲，所述线性调频脉冲信号spul(τ)为：spul(τ)＝ωr(τ)cos{2πf0τ+πKrτ2}其中，Kr为距离向的脉冲调频率，f0为中心频率，ωr(τ)为脉冲包络，τ为延时；所述发射脉冲的长度Tr＝3us。作为上述系统的一种改进，所述系统的信号带宽为160MHz；所述系统的多普勒带宽为44Hz，脉冲重复频率为500Hz；所述系统的噪声等效后向散射系数为-30dB，对应的平均发射功率为1.75mw，占空比为0.15％，峰值功率为1.16W。作为上述系统的一种改进，所述天线为双极化微带阵列天线；所述双极化微带阵列天线有水平极化和垂直极化两个端口，当信号从水平极化端口馈入时，辐射水平极化电磁波；当信号从垂直极化端口馈入时，辐射垂直极化电磁波。作为上述系统的一种改进，所述天线的俯仰波束宽度为5.5°，所述天线的方位向波束宽度为6.68°。作为上述系统的一种改进，所述信号接收模块包括依次连接的限幅器、低噪声放大器、下变频器、中频放大器和低通滤波器。作为上述系统的一种改进，所述信号采集模块包括：FPGA以及与其连接的4个AD采样芯片、2个DDR3存储芯片6片Flash芯片和千兆网口。作为上述系统的一种改进，所述信号处理模块包括：距离压缩单元、方位FFT单元、距离徙动校正单元、方位压缩单元和方位IFFT单元；所述距离压缩单元，用于对方位时域的全极化数据进行快速卷积，然后进行距离FFT、距离向匹配滤波，再进行距离IFFT实现距离压缩；所述方位FFT单元，用于通过方位FFT将距离压缩后的数据变换至距离多普勒域；所述距离徙动校正单元，用于在距离多普勒域进行随距离时间及方位频率变化的距离徙动校正；所述方位压缩单元，用于通过每一距离门上的频域匹配滤波实现方位压缩；所述方位IFFT单元，用于通过方位IFFT将方位压缩后的数据变换为时域，输出压缩后的复图像。本专利技术的优势在于：1、本专利技术的雷达系统采用一发双收模式实现干涉，一个天线交替水平极化和垂直极化电磁波，两个天线同时接收，得到2组全极化数据。解决了单发单收重复飞行轨道有偏差、存在时间间隔、地面信息改变等问题，提高了系统的可靠性和精度；2、通过本专利技术的雷达系统获取的极化干涉合成孔径雷达数据可以根据目标散射回波提取目标特征，利用不同的极化可以对目标进行分类，并且可以通过干涉处理可以得到地表的数字高程信息；3、本专利技术的雷达系统最终硬件重量在2.5kg以内，能够应用于距地工作高度在200米以下的小型无人机平台，本专利技术获得的全极化干涉合成孔径雷达数据可应用于深林检测，农业估产，资源规划，也可应用于地形测绘和地表形变检测等领域。附图说明图1为本专利技术的无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统的组成图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，其特征在于，所述系统包括：信号发射模块、2个天线、信号接收模块、信号采集模块和信号处理模块；所述信号发射模块，用于产生线性调频脉冲信号，进行处理后传给天线，还用于向信号采集模块发送高电平；所述天线，采用单发双收工作模式，用于通过脉间交替发射水平极化和垂直极化的脉冲信号；并将接收到的回波数据传输给信号接收模块；所述信号接收模块，用于对回波数据进行解调处理得到同相、正交两路基带中频信号；所述信号采集模块，用于对基带中频信号进行采样得到全极化数据，发送到信号处理模块；所述信号处理模块，用于对全极化数据进行处理得到压缩后的复图像。

【技术特征摘要】
1.一种无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，其特征在于，所述系统包括：信号发射模块、2个天线、信号接收模块、信号采集模块和信号处理模块；所述信号发射模块，用于产生线性调频脉冲信号，进行处理后传给天线，还用于向信号采集模块发送高电平；所述天线，采用单发双收工作模式，用于通过脉间交替发射水平极化和垂直极化的脉冲信号；并将接收到的回波数据传输给信号接收模块；所述信号接收模块，用于对回波数据进行解调处理得到同相、正交两路基带中频信号；所述信号采集模块，用于对基带中频信号进行采样得到全极化数据，发送到信号处理模块；所述信号处理模块，用于对全极化数据进行处理得到压缩后的复图像。2.根据权利要求1所述的无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，其特征在于，所述信号发射模块包括依次连接的：微控制器、数字频率合成器、中频放大器、上变频器、滤波器、推动级放大器和末级放大器；所述微控制器，用于控制数字频率合成器；所述数字频率合成器，用于产生线性调频脉冲信号作为发射脉冲，所述线性调频脉冲信号spul(τ)为：spul(τ)＝ωr(τ)cos{2πf0τ+πKrτ2}其中，Kr为距离向的脉冲调频率，f0为中心频率，ωr(τ)为脉冲包络，τ为延时；所述发射脉冲的长度Tr＝3us。3.根据权利要求2所述的无人机载微型近距极化干涉合成孔径雷达系统，其特征在于，所述系统的信号带宽为160MHz；所述系统的多普勒带宽为44Hz，脉冲重复频率为500Hz；所述系统的噪声等效后向散射系数为-30dB，对应的平均发射功率为1.75mw，占空比为0.15％，峰值功率为1.16W。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鹏，李松斌，李海泉，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所南海研究站，
类型：发明
国别省市：海南,46