一种基于轻小型无人机载SAR的实时成像处理系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于轻小型无人机载SAR的实时成像处理系统，采用第一本振信号和第二本振信号组对中频激励信号进行二次上变频，其中，第二本振信号具有多个中心频率，则可以得到不同中心频率的射频激励信号，由于中心频率不同，但是目标与SAR载荷距离相同，接收到的射频信号经过变频后得到相位不同的中频回波信号组，而每个回波信号又对应一个子带频谱；因此，本发明专利技术可以通过中频信号组获得多个子带频谱，进而得到所需带宽的宽带信号，从而获得高分辨雷达图像；另外在对电子抗条件下，第二本振信号的中心频率可随机取值，可以灵活调整跳频顺序，使得射频激励信号在所需带宽范围内跳变，加大干扰设备侦收我方发出信号的难度，提高SAR抗干扰能力。

A real time imaging processing system based on light and small UAV SAR

【技术实现步骤摘要】
一种基于轻小型无人机载SAR的实时成像处理系统
本专利技术属于无人机机载SAR成像
，尤其涉及一种基于轻小型无人机载SAR的实时成像处理系统。
技术介绍
小型无人机平台具有体积小、飞行高度低和飞行速度慢的特点，容易受到气流扰动的影响，小型无人机稳定性比大型无人机差。同时，由于无人机飞行速度慢，方位向合成孔径时间长，从而引起合成孔径时间内的误差急剧增大，导致SAR成像结果的严重散焦。传统SAR运动误差估计方法都假设运动误差频率低、幅度小，且合成孔径时间不长。在这种情况下，由运动误差导致的距离徙动误差基本可以忽略，运动误差主要影响方位向的散焦。然而，微小无人机平台稳定性比大型平台(有人机等)差，导致无人机运动误差表现出幅度较大、频率较高的特点，甚至可能出现正弦型运动误差。因此需要利用更复杂、运算量更大，存储量更大的补偿算法进行处理，其需要高计算性能的处理器平台来支持。轻小型无人机体积小，雷达载荷安装在无人机机腹或者机舱内部，因此雷达载荷的体积有严格限制，要求SAR载荷的体积越小越好。同时轻小型无人机供电能力有限，同时要考虑给其他设备供电，因此要求雷达载荷器件选择低功耗的器件，选择最简化的系统。实现雷达载荷低功耗，满足无人机的对功耗的要求。另外无人机除了任务载荷以及其他机载设备，还需要携带电池或者燃油，SAR载荷重量轻，就可以多带燃油或者更大容量的电池，提高无人机的滞空时间，增加无人机的作业时间，可完成更多的任务。中科九度空间信息技术有限责任公司的王军峰和邓豪提出采用在SAR载荷中配备海量数据存储设备，在无人机飞行过程中采集的回波信号存入存储器中，无人机降落后通过专用软件导出数据进行处理获得雷达图像；回波数据量大，同时现有存储器存储容量有限，无人机作业时间受到严重研制，同时图像处理时间较长，无法满足实时获取图像的需求。中国科学院电子学研究所的丁满来、曲佳萌、汪丙南提出一种无人机SAR成像方法和装置，采用预处理端+精处理端方式实现。预处理端位于无人机上；精处理端设置在地面；预处理端首先判断回波信号进行抽取的比例，然后进行距离向滤波抽取，紧接着进行脉冲压缩并积累多个脉冲，最后进行方位向FFT，获得预处理数据。精处理主要是对预处理数据进行成像处理，生成高分辨雷达图像。相对上一种处理方式采用大数据带宽的图传电台，实现预处理数据下传，可实现图像快速处理，同时降低无人机载荷的重量和功耗。由此可见，基于轻小型无人机载SAR系统大部分采用采集原始数据模式+地面人工处理方式，其不能实时获取相关区域的高分辨雷达图像，因此不能应用在对实时获取图像要求的场合，严重制约无人机载SAR系统应用。为了解决这个问题，中科院团队提出采用机上预处理+地面实时处理方式实现，能缩短获取图像的延迟，因为机上预处理后数据量比较大，通过图传设备下传至地面在进行处理，图传电台首先很低的误码率将数据传送至地面站，其次图传电台传送带宽很大(传送速度要求达到几十兆比特每秒，甚至要求上百兆比特每秒)，才能将数据传下来，避免出现数据堆积现象。这种方案给图传设备带来巨大压力，在为了保障传送速率和误码率要求下，图传电台的重量体积功耗急剧增加，从而减小无人机航程，甚至无法满足无人机对图传的要求。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种基于轻小型无人机载SAR的实时成像处理系统，在非常有限空间和严格重量以及功耗约束下实现基于轻小型无人机机载SAR的实时成像系统，急剧减小SAR载荷图像下传压力，为地面站实时显示图像提供必要条件。一种基于轻小型无人机载SAR的实时成像处理系统，包括雷达载荷与地面控制站，其中，所述雷达载荷包括组合导航分机、信号处理分机、射频分机以及伺服分机，射频分机包括天线、前端单元、中频单元以及频综单元；所述组合导航分机用于获取无人机的姿态信息和位置信息，然后将姿态信息和位置信息通过信号处理分机转发至伺服分机；所述伺服分机用于根据无人机的姿态信息和位置信息控制天线转动，使得天线波束指向目标；所述信号处理分机用于在频综单元设定的时钟基准下生成中频激励信号；所述频综单元用于生成第一本振信号和第二本振信号组，其中，第二本振信号组内的各第二本振信号的中心频率按设定步长遍历所需带宽；所述中频单元用于根据第一本振信号将中频激励信号上变频为S波段的激励信号，然后再根据任意一个频点的第二本振信号将S波段的激励信号上变频为Ku波段的射频激励信号，其中，在根据第二本振信号进行上变频时，相邻两次上变频所采用的第二本振信号的中心频率在所需带宽内随机跳变；所述天线用于辐射经由前端单元放大和滤波后的所述射频激励信号，还用于接收目标反射回来的射频回波信号；所述射频回波信号经由前端单元放大和滤波后，再由中频单元根据对应的第二本振信号和第一本振信号将其下变频为中频回波信号，其中，不同中心频率的射频回波信号对应的不同相位的中频回波信号，从而得到相位不同的中频回波信号组；所述信号处理分机还用于根据中频回波信号组获得雷达图像，然后将雷达图像传送至地面控制站进行显示。进一步地，所述信号处理分机包括采集控制模块，图像生成模块以及数据存储模块；所述采集控制模块用于在频综单元设定的时钟基准下生成中频激励信号，还用于分别对中频回波信号组内的各中频回波信号进行预处理，所述处理包括：采用事先存储的数字本振信号对中频回波信号进行正交下变频，其中，所述数字本振信号为正弦信号，经过合理设计中频频点和采样率可实现本振信号值为1，0，-1；按照设定的抽取倍数，分别将正交下变频后的中频回波信号进行距离向降采样；分别将距离向降采样后的中频回波信号变换至频域，然后与设定的匹配滤波函数相乘，得到匹配滤波信号；截取同属一组的各匹配滤波信号的指定段，得到子带频谱；按照时钟基准拼接同属一组的子带频谱，得到所需带宽的宽带信号；将所述宽带信号进行IFFT变换，得到距离向宽带合成时域信号；采用FIR滤波器对距离向宽带合成时域信号进行时域滤波，然后按照设定的抽取倍数对时域滤波结果进行抽取，完成预滤波处理；所述数据存储模块用于存储预滤波处理后的回波数据；所述图像生成模块用于处理数据存储模块中存储的回波数据，获得高分辨雷达图像，然后将得到雷达图像传送至地面控制站进行显示。进一步地，所述采集控制模块采用FPGA实现，图像生成模块采用GPU实现，数据存储模块采用mSATA实现。进一步地，所述雷达载荷还包括二次电源分机；所述二次电源分机用于将外部输入的电源电压转换为组合导航分机、信号处理分机、射频分机以及伺服分机所需的电压。进一步地，一种基于轻小型无人机载SAR的实时成像处理系统，还包括无人机辅助设备与地面图传电台，其中，所述无人机辅助设备包括机载图传电台，所述地面控制站包括地面雷达控制站；所述信号处理分机将雷达图像依次经由机载图传电台和地面图传电台传送至地面雷达控制站进行显示。进一步地，一种基于轻小型无人机载SAR的实时成像处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于轻小型无人机载SAR的实时成像处理系统，其特征在于，包括雷达载荷与地面控制站，其中，所述雷达载荷包括组合导航分机、信号处理分机、射频分机、伺服分机，射频分机包括天线、前端单元、中频单元以及频综单元；/n所述组合导航分机用于获取无人机的姿态信息和位置信息，然后将姿态信息和位置信息通过信号处理分机转发至伺服分机；/n所述伺服分机用于根据无人机的姿态信息和位置信息控制天线转动，使得天线波束指向目标；/n所述信号处理分机用于在频综单元设定的时钟基准下生成中频激励信号；/n所述频综单元用于生成第一本振信号和第二本振信号组，其中，第二本振信号组内的各第二本振信号的中心频率按设定步长遍历所需带宽；/n所述中频单元用于根据第一本振信号将中频激励信号上变频为S波段的激励信号，然后再根据任意一个频点的第二本振信号将S波段的激励信号上变频为Ku波段的射频激励信号，其中，在根据第二本振信号进行上变频时，相邻两次上变频所采用的第二本振信号的中心频率在所需带宽内可随机跳变；/n所述天线用于辐射经由前端单元放大和滤波后的所述射频激励信号，还用于接收目标反射回来的射频回波信号；/n所述射频回波信号经由前端单元放大和滤波后，再由中频单元根据对应的第二本振信号和第一本振信号将其下变频为中频回波信号，其中，不同中心频率的射频回波信号对应的不同相位的中频回波信号，从而得到相位不同的中频回波信号组；/n所述信号处理分机还用于根据中频回波信号组获得雷达图像，然后将雷达图像传送至地面控制站进行显示。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于轻小型无人机载SAR的实时成像处理系统，其特征在于，包括雷达载荷与地面控制站，其中，所述雷达载荷包括组合导航分机、信号处理分机、射频分机、伺服分机，射频分机包括天线、前端单元、中频单元以及频综单元；
所述组合导航分机用于获取无人机的姿态信息和位置信息，然后将姿态信息和位置信息通过信号处理分机转发至伺服分机；
所述伺服分机用于根据无人机的姿态信息和位置信息控制天线转动，使得天线波束指向目标；
所述信号处理分机用于在频综单元设定的时钟基准下生成中频激励信号；
所述频综单元用于生成第一本振信号和第二本振信号组，其中，第二本振信号组内的各第二本振信号的中心频率按设定步长遍历所需带宽；
所述中频单元用于根据第一本振信号将中频激励信号上变频为S波段的激励信号，然后再根据任意一个频点的第二本振信号将S波段的激励信号上变频为Ku波段的射频激励信号，其中，在根据第二本振信号进行上变频时，相邻两次上变频所采用的第二本振信号的中心频率在所需带宽内可随机跳变；
所述天线用于辐射经由前端单元放大和滤波后的所述射频激励信号，还用于接收目标反射回来的射频回波信号；
所述射频回波信号经由前端单元放大和滤波后，再由中频单元根据对应的第二本振信号和第一本振信号将其下变频为中频回波信号，其中，不同中心频率的射频回波信号对应的不同相位的中频回波信号，从而得到相位不同的中频回波信号组；
所述信号处理分机还用于根据中频回波信号组获得雷达图像，然后将雷达图像传送至地面控制站进行显示。


2.如权利要求1所述的一种基于轻小型无人机载SAR的实时成像处理系统，其特征在于，所述信号处理分机包括采集控制模块，图像生成模块以及数据存储模块；
所述采集控制模块用于在频综单元设定的时钟基准下生成中频激励信号，还用于分别对中频回波信号组内的各中频回波信号进行预处理，所述处理包括：
采用预先设定的数字本振信号对中频回波信号进行正交下变频，其中，所述数字本振信号为正弦信号，本振信号值仅为1，0，-1；
按照设定的抽取倍数，分别将正交下变频后的中频回波信号进行距离向降采样；
分别将距离向降采样后的中频回波...

【专利技术属性】
技术研发人员：张守钰，姚迪，王宏宇，江志远，
申请(专利权)人：苏州理工雷科传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32