[發明專利]一種寬帶SAR信號的接收裝置及接收方法

有效

• 申請號: 201310271845.X
• 申請日: 2013-07-01
• 公開（公告）號: CN103399301A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 陳杰;張豪杰;李景文;楊威;王鵬波
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01S7/292
• 分類號: G01S7/292;G01S13/90
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 趙文穎

1.一種寬帶SAR信號的接收裝置，包括接收模塊、差頻模塊和采集模塊；

接收模塊包括第一天線單元、第一低噪聲放大器單元、第二天線單元和第二低噪聲放大器單元；第一天線單元通過無線方式接收寬帶SAR信號的直達波信號，第一天線單元通過電纜將直達波信號以模擬信號形式輸出至第一低噪聲放大器單元，第一低噪聲放大器單元對直達波信號進行限幅放大，通過電纜將放大后的直達波信號以模擬信號形式，輸出至差頻模塊的乘法器單元，直達波信號作為乘法器單元的參考信號；第二天線單元通過無線方式接收寬帶SAR信號的回波信號，第二天線單元通過電纜將回波信號以模擬信號形式輸出至第二低噪聲放大器單元，第二低噪聲放大器單元對回波信號進行限幅放大，通過電纜將放大后的回波信號以模擬信號形式，輸出至差頻模塊的乘法器單元；

差頻模塊包括乘法器單元與低通濾波器單元；乘法器單元對接收到的限幅放大后的直達波信號與回波信號進行相乘，并將相乘后的信號以模擬信號形式輸出至低通濾波器單元，低通濾波器單元對接收到的上述相乘后的信號進行低通濾波，去除信號的高頻部分得到差頻輸出信號，并將差頻輸出信號通過電纜以模擬信號形式輸出至采集模塊的正交解調單元；

采集模塊包括正交解調單元和A/D轉換單元；正交解調單元對接收到的上述差頻輸出信號進行正交混頻，得到I/Q基帶信號，并將該I/Q基帶信號通過電纜以模擬信號形式輸出至A/D轉換單元；A/D轉換單元對所述的I/Q基帶信號進行采樣，得到I/Q基帶信號的數字信號，并根據需求將得到的數字信號存儲為不同數據格式的SAR回波數據。

2.本發明的一種寬帶SAR信號的接收方法，包括以下幾個步驟：

步驟一：寬帶SAR發射的線性調頻信號，接收寬帶SAR信號的直達波信號s_di與回波信號s_re，對接收到的直達波信號s_di與回波信號s_re進行限幅放大；

寬帶SAR系統發射的線性調頻信號為：

s(t^,tm)=rect(t^Tp)cos(2π(fct+12γt^2))---(1)]]>

其中：表示寬帶SAR發射的線性調頻信號，f_c表示SAR載頻為，T_p表示脈沖寬度，γ表示信號調頻斜率，T表示脈沖重復周期，發射時刻t_m＝mT為慢時間，m＝0,1,2,…，以發射時刻為起點的時間為為快時間，慢時間t_m、快時間與全時間t的關系為

其中：rect(u)1|u|≤120|u|>12]]>

寬帶SAR系統發射的信號經長度為R₁的傳播路徑，被第一天線單元直接接收后，其信號波形與寬帶SAR系統發射的線性調頻信號保持一致，僅存在信號幅度上的衰減及的時延；因此，由式（1）可知，第一天線單元接收的直達波信號經限幅放大后的直達波信號表示為：

sdi(t^,tm)=C·rect(t^-R1/cTp)cos(2π(fc(t-R1/c)+12γ(t^-R1/c)2))---(2)]]>

其中：表示直達波信號經長度為R₁的傳播路徑，被第一天線單元101接收后引起的信號時延，C表示信號經過限幅放大器后的信號幅度；

本發明接收的寬帶SAR回波信號為寬帶SAR信號照射區域內某一子區域的回波信號，記該子區域為回波信號接受區域；回波信號接受區域內各個點的回波信號經過的傳播路徑長度各不相同；設回波信號接收區域內某一點的回波信號經過的傳播路徑長度為R₂，該點的回波信號被第二天線單元接收后，其信號波形與寬帶SAR系統發射的線性調頻信號保持一致，僅存在信號幅度上的衰減及的時延；因此，由式（1）可知，第二天線單元接收到的該點的回波信號經限幅放大后的回波信號表示為：

sre(t^,tm)=C·rect(t^-R2/cTp)cos(2π(fc(t-R2/c)+12γ(t^-R2/c)2))---(3)]]>

其中：表示回波信號經長度為R₂的傳播路徑，被第二天線單元接收后引起的信號時延，C表示信號經過限幅放大器后的信號幅度；

步驟二：直達波信號s_di作為差頻模塊的參考信號，直達波信號s_di與回波信號s_re通過乘法器單元相乘，得到相乘后的信號；

具體為：

利用直達波信號s_di作為參考信號與回波信號s_re相乘，相乘后的信號可以表示為：

sout(t^,tm)=sre(t^,tm)*sdi(t^,tm)---(4)]]>

將式（2）、式（3）代入式（4），當滿足條件R₂-R₁≤T_pc時，

sout(t^,tm)=C2·rect(t^-(R1+R2)/cTout)cos(ω1(t^,tm))·cos(ω2(t^,tm))---(5)]]>

式（5）中Tout=Tp+R1-R2/c,ω1(t^,tm)=2π(fc(t-R1/c)+12γ(t^-R1/c)2)]]>為直達波信號s_di的瞬時相位，ω2(t^,tm)=2π(fc(t-R2/c)+12γ(t^-R2/c)2)]]>為回波信號s_re的瞬時相位；

對式（5）進行變換有

sout(t^,tm)=12C2·rect(t^-(R1+R2)/cTout)cos(ω1(t^,tm)-ω2(t^,tm))]]>

+12C2·rect(t^-(R1+R2)/cTout)cos(ω1(t^,tm)+ω2(t^,tm))---(6)]]>

式（6）中第一項的瞬時相位為直達波信號s_di與回波信號s_re的瞬時相位差、第二項的瞬時相位為直達波信號s_di與回波信號s_re的瞬時相位和；

步驟三：利用低通濾波器單元去除乘法器單元輸出相乘后信號的高頻部分，得到差頻輸出信號；

利用低通濾波器單元去除相乘后的信號的高頻部分后，差頻輸出信號表示為：

sout(t^,tm)=12C2·rect(t^-(R1+R2)/cTout)cos(ω1(t^,tm)-ω2(t^,tm))---(7)]]>

將展開后，得出差頻輸出信號的表達式為

式中，與快時間無關，R_Δ＝R₂-R₁為直達波信號與回波信號傳播路徑長度差；

差頻輸出信號的帶寬具體為：

在同一脈沖重復周期內，慢時間t_m＝mT保持不變，m＝0,1,2,…，對于場景內某一點的回波信號，R₂、R₁、R_Δ保持不變；由式（8）可知，與快時間無關；此時，該點的回波信號為頻率等于的單頻信號；

因此，來自于回撥信號接收區域的回波信號頻率范圍為其中R_{Δ_n}和R_{Δ_f}分別為場景內的近端點與遠端點的直達波信號與回波信號的傳播路徑長度差，差頻輸出信號的帶寬為

Bout=γc|RΔ_n-RΔ_f|---(9)]]>

對式（9）做變換，有：

Bout=|RΔ_n-RΔ_f|cTpBw---(10)]]>

式（10）中B_w＝γT_p表示寬帶SAR發射的線性調頻信號帶寬；

R_{Δ_n}和R_{Δ_f}表示為：

RΔ_n=R21_n+R22_n-R1RΔ_f=R21_f+R22_f-R1---(11)]]>

其中：R_{21_n}、R_{21_f}為回波信號接受區域近端點與遠端點的回波信號入射路徑長度，R_{22_n}、R_{22_f}為回波信號接受區域近端點與遠端點的回波信號反射路徑長度；

本發明的接收裝置在接收信號時，第一天線單元與第二天線單元處于同一位置，SAR平臺的軌道高度H遠大于接收天線的高度H_r，即H＞＞H_r；此時，

|R_{Δ_n}-R_{Δ_f}|≈|R_{21_n}-R_{21_f}|???（12）

將式（12）代入式（10），得到：

Bout≈|R21_n-R21_f|cTpBw---(13)]]>

步驟四：利用正交解調單元對差頻輸出的信號s_out進行正交混頻得到I/Q基帶信號；

步驟五：利用A/D轉換單元對I/Q基帶信號進行采樣得到數字信號，并根據不同需求將得到的數字信號按不同順序存儲為不同格式的SAR回波數據。