一种宽带SAR信号的接收装置及接收方法

摘要

本发明公开了一种宽带SAR信号的接收装置及接收方法，装置包括接收模块、差频模块和采集模块，方法包括五个步骤，本发明对接收到的宽带SAR回波信号进行差频处理，使雷达回波信号带宽大幅度减小，后续的宽带SAR信号采集设备（A/D转换等）得以简化。使用雷达直达波信号作为对宽带SAR回波信号差频处理时所需的差频信号。相比于传统差频处理，本发明提出的宽带SAR信号接收方法在雷达发射的宽带SAR信号具体参数不能精准确定时（如非配合性的SAR平台），仍可以对接收到的雷达回波信号进行差频处理并完成SAR回波信号的采集。

权利要求

1.一种宽带SAR信号的接收方法，包括以下几个步骤：步骤一：宽带SAR发射线性调频信号，接收宽带SAR信号的直达波信号sdi与回波信号sre，对接收到的直达波信号sdi与回波信号sre进行限幅放大；

宽带SAR系统发射的线性调频信号为：

其中： 表示宽带SAR发射的线性调频信号，fc表示SAR载频，Tp表示脉冲宽度，γ表示信号调频斜率，T表示脉冲重复周期，发射时刻tm＝mT为慢时间，m＝0,1,2,…，以发射时刻为起点的时间为 为快时间，慢时间tm、快时间 与全时间t的关系为其中：宽带SAR系统发射的信号经长度为R1的传播路径，被第一天线单元直接接收后，其信号波形与宽带SAR系统发射的线性调频信号保持一致，仅存在信号幅度上的衰减及的时延；因此，由式(1)可知，第一天线单元接收的直达波信号经限幅放大后的直达波信号表示为：其中： 表示直达波信号经长度为R1的传播路径，被第一天线单元接收后引起的信号时延，C表示信号经过限幅放大器后的信号幅度；

接收的宽带SAR回波信号为宽带SAR信号照射区域内某一子区域的回波信号，记该子区域为回波信号接受区域；回波信号接受区域内各个点的回波信号经过的传播路径长度各不相同；设回波信号接收区域内某一点的回波信号经过的传播路径长度为R2，该点的回波信号被第二天线单元接收后，其信号波形与宽带SAR系统发射的线性调频信号保持一致，仅存在信号幅度上的衰减及 的时延；因此，由式(1)可知，第二天线单元接收到的该点的回波信号经限幅放大后的回波信号表示为：其中： 表示回波信号经长度为R2的传播路径，被第二天线单元接收后引起的信号时延，C表示信号经过限幅放大器后的信号幅度；

步骤二：直达波信号sdi作为差频模块的参考信号，直达波信号sdi与回波信号sre通过乘法器单元相乘，得到相乘后的信号；

具体为：

利用直达波信号sdi作为参考信号与回波信号sre相乘，相乘后的信号可以表示为：将式(2)、式(3)代入式(4)，当满足条件R2-R1≤Tpc时，式(5)中Tout＝Tp+R1-R2/c， 为直达波信号sdi的瞬时相位， 为回波信号sre的瞬时相位；

对式(5)进行变换有

式(6)中第一项的瞬时相位为直达波信号sdi与回波信号sre的瞬时相位差、第二项的瞬时相位为直达波信号sdi与回波信号sre的瞬时相位和；

步骤三：利用低通滤波器单元去除乘法器单元输出相乘后信号的高频部分，得到差频输出信号；

利用低通滤波器单元去除相乘后的信号 的高频部分后，差频输出信号表示为：将 展开后，得出差频输出信号的表达式为

式中， 与快时间 无关， RΔ＝R2-R1为直达波信号与回波信号传播路径长度差；

差频输出信号的带宽具体为：

在同一脉冲重复周期内，慢时间tm＝mT保持不变，m＝0,1,2,…，对于场景内某一点的回波信号，R2、R1、RΔ保持不变；由式(8)可知， 与快时间 无关；

此时，该点的回波信号为频率等于 的单频信号；

因此，来自于回拨信号接收区域的回波信号频率范围为 其中RΔ_n和RΔ_f分别为场景内的近端点与远端点的直达波信号与回波信号的传播路径长度差，差频输出信号的带宽为对式(9)做变换，有：

式(10)中Bw＝γTp表示宽带SAR发射的线性调频信号带宽；

RΔ_n和RΔ_f表示为：

其中：R21_n、R21_f为回波信号接受区域近端点与远端点的回波信号入射路径长度，R22_n、R22_f为回波信号接受区域近端点与远端点的回波信号反射路径长度；

接收装置在接收信号时，第一天线单元与第二天线单元处于同一位置，SAR平台的轨道高度H远大于接收天线的高度Hr，即H＞＞Hr；此时，|RΔ_n-RΔ_f|≈|R21_n-R21_f| (12)将式(12)代入式(10)，得到：

步骤四：利用正交解调单元对差频输出的信号sout进行正交混频得到I/Q基带信号；

步骤五：利用A/D转换单元对I/Q基带信号进行采样得到数字信号，并根据不同需求将得到的数字信号按不同顺序存储为不同格式的SAR回波数据。

说明书

一种宽带SAR信号的接收装置及接收方法

技术领域

[0001] 本发明涉及雷达技术领域，解决宽带SAR回波信号接收问题，具体涉及一种宽带星载合成孔径雷达（简称SAR）信号的接收装置及接收方法。

背景技术

[0002] 星载合成孔径雷达(synthetic aperture radar SAR)正在向着高分辨率、多极化、宽测绘带、多工作模式发展。随着SAR系统指标要求的不断提高，采用先进的数字系统结构已成为提高SAR系统性能的必然选择。其中，数字化接收系统是实现SAR系统数字化的关键环节。典型的星载SAR系统中频数字接收结构如图1所示，回波信号被天线接收后经低噪声放大器放大后由混频器下变频到中频，中频信号经过带通滤波器滤波后利用A/D转换器以大于信号带宽两倍的采样率fs直接进行采样得到中频数字信号s(n)，并通过数字正交解调得到I/Q两路基带信号交由后续数据处理系统处理。

[0003] 常规星载SAR系统往往硬件存储容量有限。但是，为了获得高分辨率，星载SAR系统发射的往往是宽带甚至是超宽带信号，每个脉冲重复周期内采样点多。此时，常规数字接收系统将面临数据采集困难、数据量过大的问题，从而影响整个SAR系统工作的精确性。

发明内容

[0004] 为解决传统SAR接收系统接收宽带信号时面临的数据采集困难与数据量过大的问题，本发明提出一种宽带SAR信号的接收装置及接收方法，其能够获取宽带SAR信号照射区域内任意子区域内的回波信号并以远低于宽带SAR系统发射信号带宽的采样率对回波信号进行采集，且采样率仅正比于子区域的大小。

[0005] 本发明实施形态的宽带SAR信号接收装置通过天线单元完成天线指向的调整，使得天线分别指向目标区域和SAR平台，通过两路接收通道完成对雷达直达波与回波信号的接收，并以直达波信号作为参考信号对两路雷达信号进行差频处理。完成差频处理后，通过信号采集模块根据差频模块输出信号的带宽完成回波信号的数据采集。

[0006] 一种宽带SAR信号的接收装置，包括接收模块、差频模块和采集模块；

[0007] 接收模块包括第一天线单元、第一低噪声放大器单元、第二天线单元和第二低噪声放大器单元；第一天线单元通过无线方式接收宽带SAR信号的直达波信号，第一天线单元通过电缆将直达波信号以模拟信号形式输出至第一低噪声放大器单元，第一低噪声放大器单元对直达波信号进行限幅放大，通过电缆将放大后的直达波信号以模拟信号形式，输出至差频模块的乘法器单元，直达波信号作为乘法器单元的参考信号；第二天线单元通过无线方式接收宽带SAR信号的回波信号，第二天线单元通过电缆将回波信号以模拟信号形式输出至第二低噪声放大器单元，第二低噪声放大器单元对回波信号进行限幅放大，通过电缆将放大后的回波信号以模拟信号形式，输出至差频模块的乘法器单元；

[0008] 差频模块包括乘法器单元与低通滤波器单元；乘法器单元对接收到的限幅放大后的直达波信号与回波信号进行相乘，并将相乘后的信号以模拟信号形式输出至低通滤波器单元，低通滤波器单元对接收到的上述相乘后的信号进行低通滤波，去除信号的高频部分得到差频输出信号，并将差频输出信号通过电缆以模拟信号形式输出至采集模块的正交解调单元；

[0009] 采集模块包括正交解调单元和A/D转换单元；正交解调单元对接收到的上述差频输出信号进行正交混频，得到I/Q基带信号，并将该I/Q基带信号通过电缆以模拟信号形式输出至A/D转换单元；A/D转换单元对所述的I/Q基带信号进行采样，得到I/Q基带信号的数字信号，并根据需求将得到的数字信号存储为不同数据格式的SAR回波数据。

[0010] 根据上述结构的宽带SAR信号接收装置，能够获取宽带SAR信号照射区域内任意子区域的回波信号并以远低于宽带SAR系统发射信号带宽的采样率对回波信号进行采集，采样率正比于子区域的大小。

[0011] 本发明的一种宽带SAR信号的接收方法，包括以下几个步骤：

[0012] 步骤一：宽带SAR发射的线性调频信号，接收宽带SAR信号的直达波信号sdi与回波信号sre，对接收到的直达波信号sdi与回波信号sre进行限幅放大；

[0013] 步骤二：直达波信号sdi作为差频模块的参考信号，直达波信号sdi与回波信号sre通过乘法器单元相乘，得到相乘后的信号；

[0014] 步骤三：利用低通滤波器单元去除乘法器单元输出相乘后信号的高频部分，得到差频输出信号；

[0015] 步骤四：利用正交解调单元对差频输出的信号sout进行正交混频得到I/Q基带信号；

[0016] 步骤五：利用A/D转换单元对I/Q基带信号进行采样得到数字信号，并根据不同需求将得到的数字信号按不同顺序存储为不同格式的SAR回波数据。

[0017] 本发明的优点在于：

[0018] （1）对接收到的宽带SAR回波信号进行差频处理，使雷达回波信号带宽大幅度减小，后续的宽带SAR信号采集设备（A/D转换等）得以简化。

[0019] （2）使用雷达直达波信号作为对宽带SAR回波信号差频处理时所需的差频信号。相比于传统差频处理，本发明提出的宽带SAR信号接收方法在雷达发射的宽带SAR信号具体参数不能精准确定时（如非配合性的SAR平台），仍可以对接收到的雷达回波信号进行差频处理并完成SAR回波信号的采集。

附图说明

[0020] 图1为现有技术中典型SAR中频数字接收机结构；

[0021] 图2为本发明宽带SAR信号接收装置的结构示意图；

[0022] 图3为本发明宽带SAR信号接收方法的处理流程图；

[0023] 图4为本发明实施案例几何关系示意图；

[0024] 图中：

[0025] 1-接收模块 2-差频模块 3-采集模块[0026] 101-第一天线单元 102-第一低噪声放大器单元 103-第二天线单元[0027] 104-第二低噪声放大器单元 201-乘法器单元 202-低通滤波器单元[0028] 301-正交解调单元 302-A/D转换单元

具体实施方式

[0029] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

[0030] 本发明的一种宽带SAR信号的接收装置，如图2所示，包括接收模块1、差频模块2和采集模块3。

[0031] 接收模块1包括第一天线单元101、第一低噪声放大器单元102、第二天线单元103和第二低噪声放大器单元104，接收模块1用于实现宽带SAR信号的直达波信号与回波信号的接收与限幅放大。

[0032] 第一天线单元101通过无线方式接收宽带SAR信号的直达波信号，第一天线单元101通过电缆将直达波信号以模拟信号形式输出至第一低噪声放大器单元102，第一低噪声放大器单元102对直达波信号进行限幅放大，通过电缆将放大后的直达波信号以模拟信号形式，输出至差频模块2的乘法器单元201，直达波信号作为乘法器单元201的参考信号；

[0033] 第二天线单元103通过无线方式接收宽带SA R信号的回波信号，第二天线单元103通过电缆将回波信号以模拟信号形式输出至第二低噪声放大器单元103，第二低噪声放大器单元103对回波信号进行限幅放大，通过电缆将放大后的回波信号以模拟信号形式，输出至差频模块2的乘法器单元201；

[0034] 差频模块2包括乘法器单元201与低通滤波器单元202，差频模块2用于对接收到的限幅放大后的直达波信号与回波信号进行差频处理，得到差频输出信号。

[0035] 乘法器单元201对接收到的限幅放大后的直达波信号与回波信号进行相乘，并将相乘后的信号以模拟信号形式输出至低通滤波器单元202，低通滤波器单元202对接收到的上述相乘后的信号进行低通滤波，去除信号的高频部分得到差频输出信号，并将差频输出信号通过电缆以模拟信号形式输出至采集模块3的正交解调单元301；

[0036] 采集模块3包括正交解调单元301和A/D转换单元302，采集模块3用于对所述的差频输出信号进行采样并按需求生成不同数据格式的SAR回波数据。

[0037] 正交解调单元301对接收到的上述差频输出信号进行正交混频，得到I/Q基带信号，并将该I/Q基带信号通过电缆以模拟信号形式输出至A/D转换单元302。A/D转换单元302对所述的I/Q基带信号进行采样，得到I/Q基带信号的数字信号，并根据需求将得到的数字信号存储为不同数据格式的SAR回波数据。

[0038] 本发明的一种宽带SAR信号的接收方法，流程如图3所示，包括以下几个步骤：

[0039] 步骤一：宽带SAR发射的线性调频信号，接收宽带SAR信号的直达波信号sdi与回波信号sre，对接收到的直达波信号sdi与回波信号sre进行限幅放大，使两路信号幅度保持一致，以保证后端差频模块2能够正常工作；

[0040] 宽带SAR系统发射的线性调频信号为：

[0041]

[0042] 其中： 表示宽带SAR发射的线性调频信号，fc表示SAR载频为，Tp表示脉冲宽度，γ表示信号调频斜率，T表示脉冲重复周期，发射时刻tm＝mT(m＝0,1,2,…)，为慢时间，以发射时刻为起点的时间为 为快时间，慢时间tm、快时间 与全时间t的关系为[0043] 其中：

[0044] 宽带SAR系统发射的信号经长度为R1的传播路径，被第一天线单元101直接接收后，其信号波形与宽带SAR系统发射的线性调频信号保持一致，仅存在信号幅度上的衰减及 的时延。因此，由式（1）可知，第一天线单元101接收的直达波信号经限幅放大后的直达波信号可以表示为：

[0045]

[0046] 其中： 表示直达波信号经长度为R1的传播路径，被第一天线单元101接收后引起的信号时延，C表示信号经过限幅放大器后的信号幅度，其余各字母的物理意义与式（1）相同；

[0047] 本发明接收的宽带SAR回波信号为宽带SAR信号照射区域内某一子区域的回波信号，记该子区域为回波信号接受区域。回波信号接受区域内各个点的回波信号经过的传播路径长度各不相同。设回波信号接收区域内某一点的回波信号经过的传播路径长度为R2，该点的回波信号被第二天线单元103接收后，其信号波形与宽带SAR系统发射的线性调频信号保持一致，仅存在信号幅度上的衰减及 的时延。因此，由式（1）可知，第二天线单元103接收到的该点的回波信号经限幅放大后的回波信号可以表示为：

[0048]

[0049] 其中： 表示回波信号经长度为R2的传播路径，被第二天线单元103接收后引起的信号时延，C表示信号经过限幅放大器后的信号幅度，其余各字母的物理意义与式（1）相同；

[0050] 步骤二：直达波信号sdi作为差频模块2的参考信号，直达波信号sdi与回波信号sre通过乘法器单元201相乘，得到相乘后的信号；

[0051] 具体为：

[0052] 利用直达波信号sdi作为参考信号与回波信号sre相乘，相乘后的信号可以表示为：

[0053]

[0054] 将式（2）、式（3）代入式（4），当满足条件R2-R1≤Tpc时，

[0055]

[0056] 式（5）中 为直达波信号sdi的瞬时相位， 为回波信号sre的瞬时相位。

[0057] 对式（5）进行变换有

[0058]

[0059]

[0060] 式（6）中第一项的瞬时相位为直达波信号sdi与回波信号sre的瞬时相位差、第二项的瞬时相位为直达波信号sdi与回波信号sre的瞬时相位和。

[0061] 步骤三：利用低通滤波器单元202去除乘法器单元201输出相乘后信号的高频部分，得到差频输出信号；

[0062] 利用低通滤波器单元202去除相乘后的信号 的高频部分后，差频输出信号可以表示为：

[0063]

[0064] 将 展开后，得出差频输出信号的表达式为

[0065]

[0066] 式中， 与快时间 无关， RΔ＝R2-R1为直达波信号与回波信号传播路径长度差。

[0067] 本发明中，差频输出信号的带宽具体为：

[0068] 在同一脉冲重复周期内，慢时间tm＝mT(m＝0,1,2,…)保持不变，对于场景内某一点的回波信号，R2、R1、RΔ保持不变。由式（8）可知， 与快时间无关。此时，该点的回波信号为频率等于 的单频信号。

[0069] 因此，来自于回拨信号接收区域的回波信号频率范围为 其中RΔ_n和RΔ_f分别为场景内的近端点与远端点的直达波信号与回波信号的传播路径长度差，差频输出信号的带宽为

[0070]

[0071] 对式（9）做变换，有：

[0072]

[0073] 式（10）中Bw＝γTp表示宽带SAR发射的线性调频信号带宽。

[0074] 由图3可知R21_n、R21_f为回波信号接受区域近端点与远端点的回波信号（反射波）入射路径长度，R22_n、R22_f为回波信号接受区域近端点与远端点的回波信号（反射波）反射路径长度。因此，RΔ_n和RΔ_f可以被表示为：

[0075]

[0076] 本发明的接收装置在接收信号时，第一天线单元与第二天线单元处于同一位置，SAR平台的轨道高度H远大于接收天线的高度Hr，即H＞＞Hr。此时，

[0077] |RΔ_n-RΔ_f≈R21_n-R21_f| （12）

[0078] 将式（12）代入式（10），得到：

[0079]

[0080] 本发明的接收装置在接收信号时仅获取宽带SAR信号照射区域内某一子区域的回波信号，脉冲宽度Tp一般在几十微秒以上，|R21_n-R21_f|一般只有几百米且正比于上述子区域场景范围大小。由式（13）可知差频输出信号的带宽Bout仅为宽带SAR系统发射的线性调频信号带宽Bw的几十分之一且正比于上述子区域场景范围大小。

[0081] 步骤四：利用正交解调单元301对差频输出的信号sout进行正交混频得到I/Q基带信号；

[0082] 步骤五：利用A/D转换单元302对I/Q基带信号进行采样得到数字信号，并根据不同需求将得到的数字信号按不同顺序存储为不同格式的SAR回波数据。

[0083] 本发明与典型的宽带SAR接收装置及接收方法相比具有以下优势：

[0084] 1）通过对回波信号差频处理使得信号带宽大幅度下降，后续的宽带SAR信号采集设备（A/D转换等）得以简化。

[0085] 2）传统SAR信号差频处理时需要精确的线性调频波信号参数（雷达载频fc，脉冲重复周期T，脉冲宽度Tp，信号调频斜率γ等）以提供差频处理所需的参考信号。本发明中所用的差频方法以天线接收到的直达波信号作为参考信号，即使在宽带SAR系统发射的线性调频波信号参数无法精确获知时，仍然可以完成差频处理。

[0086] 实施案例1：

[0087] 图4为本发明实施形态的宽带SAR信号接收装置的具体例。图4中，宽带SAR系统平台高度H为800km，场景中心视角αc为4.5°，场景范围大小200m，第一天线单元与第二天线单元位于场景外距离远端100m处，接收天线高度100m，雷达信号脉宽30us。图中：SAR卫星轨道高度H为800公里，场景中心视角αc为4.5°，场景大小200m，接收天线位于场景外距离远端100m处，接收天线高度Hr100m，R1表示雷达直达波被接收天线接收所经过的传播路径，R21表示从雷达平台到场景内某点的传播路径长度，R22表示该点到接收天线的传播路径长度。

[0088] 设宽带SAR发射的线性调频波信号为：

[0089]

[0090] 宽带SAR的直达波信号经长度为R1的传播路径，被第一天线单元101接收后，经限幅放大后的直达波信号可以表示为：

[0091]

[0092] 设回波信号接收区域内某一点的回波信号经过的传播路径长度为R2，该点的回波信号被第二天线单元103接收后，经限幅放大后的回波信号可以表示为：

[0093]

[0094] 图4中，R21表示从雷达平台到场景内某点的传播路径长度，R22表示该点到接收天线的传播路径长度：

[0095] R2＝R21+R22 （17）

[0096] 然后，以直达波信号为参考信号，由差频模块2对直达波信号与回波信号进行差频处理，差频输出信号为

[0097]

[0098] 差频输出后的信号带宽为：

[0099] 本实施例中：

[0100] |RΔ_n-RΔ_f|＝316.7m （19）

[0101]

[0102] 差频输出后的信号带宽仅为雷达发射的线性调频波带宽的3.5%。

[0103] 差频输出信号经由正交解调单元正交混频后得到I/Q基带信号，然后利用A/D转换单元以大于Bout的采样率对I/Q基带信号进行采样得到数字信号并根据不同需求按不同顺序存储为不同格式的SAR回波数据，从而完成宽带SAR信号回波数据的接收采集。

[0104] 通过上述处理，由式（20）可知，A/D转换单元302处理的信号带宽仅为雷达发射的信号带宽的3.5%。相较于传统的传统SAR接收系统，本发明提供的宽带SAR信号接收装置所采用的采样率将大幅下降，解决了常规数字接收系统面临数据采集困难、数据量过大的问题，实现了宽带SAR回波信号的精确采集。

[0105] 传统SAR信号处理领域中的差频处理技术多用于对接收完成后的SAR回波数据进行处理，且需要知道SAR系统发射信号的精确参数（SAR载频fc、信号调频斜率γ等）来提供差频处理所需的参考信号，该参考信号的载频、信号调频斜率应与SAR系统发射信号的参数保持一致，才能完成差频处理。本发明中，采用第一天线单元接收的直达波信号作为差频处理中所需的参考信号对第二天线单元接收的宽带SAR回波信号进行差频处理。由（14）至（20）的处理过程可知，在宽带SAR系统的发射信号参数（SAR载频fc、信号调频斜率γ等）无法精确获知时（例如非配合性的SAR平台），采用直达波信号作为参考信号仍然可以完成对回波信号的差频处理，使得回波信号的带宽大幅下降，降低后续数据采集的难度。

[0106] 本发明主要针对常规SAR接收系统接收宽带信号时面临的数据采集困难与数据量过大的问题，利用雷达直达波信号对宽带SAR回波信号进行差频处理，使雷达回波信号带宽大幅度减小，在此基础上以远小于宽带SAR系统发射信号带宽的采样率对差频输出的信号进行采样，解决了常规数字接收系统面临的数据采集困难、数据量过大的问题，实现一种能够精确完成宽带SAR信号接收的装置及接收方法，并通过实例分析，进一步详细描述了利用发明完成宽带SAR信号接收的实施过程。