基于gps多星照射、地面單站接收的無(wú)源成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波無(wú)源成像領(lǐng)域，具體為一種基于多顆GI^S衛(wèi)星照射、單個(gè)地面固 定站接收的無(wú)源成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波遙感成像技術(shù)具有全天候、全天時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，一直是對(duì)地觀(guān)測(cè)成像的重要手段。 隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷提升，近十年來(lái)，出現(xiàn)了多種新穎的成像體制， 基于衛(wèi)星照射、地面站接收的Space-Su;rface SAR(SS-SAR)就是其中之一。SS-SAR屬于無(wú) 源雷達(dá)，具有良好的隱蔽性和抗干擾能力，SS-SAR的該些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使得它成為當(dāng)前成像雷 達(dá)發(fā)展的一個(gè)新興方向。全球定位系統(tǒng)（Global化sitioning System, GP巧的衛(wèi)星數(shù)量多， 軌道高度高，覆蓋范圍廣，重訪(fǎng)周期很短（GI^S衛(wèi)星的重復(fù)周期約為24小時(shí)），可實(shí)現(xiàn)非常 頻繁的監(jiān)測(cè)，并且GI^S還具有發(fā)射頻率穩(wěn)定，授時(shí)精確易于同步，直達(dá)波容易恢復(fù)等特點(diǎn)， 因此，它非常適合作為對(duì)地探測(cè)與成像的照射源。早在上世紀(jì)90年代GI^S就被選作對(duì)海無(wú) 源遙感探測(cè)的照射源，用于獲取海面風(fēng)場(chǎng)、海冰、海面油污等信息。近年來(lái)，基于GI^S照射的 無(wú)源遙感技術(shù)開(kāi)始從探測(cè)向成像發(fā)展，英國(guó)Mi化ail化erniakov等人開(kāi)展了基于單顆衛(wèi)星 照射的成像研究，并成功進(jìn)行了 W單個(gè)化0NASS衛(wèi)星為照射源的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（Antoniou，M.; Zeng, Z. ；Feifeng, L. ；Cherniakov, M. ;"Experimental Demonstration of Passive BSAR Imaging Using Navigation Satellites and a Fixed Receiver, "IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, vol. 9, no. 3, pp. 477-481, May 2012.)。國(guó)內(nèi)曾濤等人開(kāi)展了基 于單個(gè)GI^S衛(wèi)星照射的無(wú)源成像研究（田衛(wèi)明，曾濤，胡程等."基于導(dǎo)航信號(hào)的BiSAR成 像技術(shù)，"雷達(dá)學(xué)報(bào)，2013, no. 1，PP. 39-45.)。YE Ji化i等人則論證了基于北斗導(dǎo)航信號(hào)的 無(wú)源成像（Ye Jihai ；Jiang Yuesong ；Zhao Jizhi ;GuoJingping ;"Study of SAR imaging with COMPASS signal, "Science China:Physics, Mechanics and Astronomy, vol. 54, no .6, pp. 1051-1058,化ne 2011.)。GPS衛(wèi)星高精度的軌道參數(shù)（例如KIS提供的GPS星歷 軌道精度可達(dá)5cm)保證它能夠合成較大的穩(wěn)定孔徑，因此方位分辨率將很高，例如，曾濤 的實(shí)測(cè)結(jié)果表明：W GPS衛(wèi)星為照射源時(shí)方位向分辨率可達(dá)4. 8m ;Mi化ail化erniakov 的實(shí)測(cè)結(jié)果表明：W化ONASS衛(wèi)星為照射源時(shí)方位向分辨率可達(dá)3. 4m。收發(fā)分置式雷達(dá) 的距離向分辨率主要決定于發(fā)射信號(hào)帶寬及成像張角，因?qū)Ш叫盘?hào)帶寬普遍較窄，因此其 距離向分辨率非常有限，Mi化ail化erniakov實(shí)測(cè)的距離向分辨率只有56m(Saini，R.; RuiZuo ；Cherniakov, M. /'Development of space-surface bistatic synthetic aperture radar with GNSS trasmnitter of opportunity, "Radar Conference, 2008. RADAR' 08. I邸E，卵.1-6, 26-30May 2008.)，與方位向分辨率相差16倍。
[0003] 受限于發(fā)射信號(hào)的帶寬，基于GI^S照射的無(wú)源成像系統(tǒng)的距離分辨率較低，很多 時(shí)候難W滿(mǎn)足對(duì)地觀(guān)測(cè)成像的應(yīng)用需求。根據(jù)近期無(wú)源成像的研究發(fā)現(xiàn)，分布式成像雷達(dá) 可利用不同方向上的多個(gè)孔徑獲得分辨率突破發(fā)射信號(hào)帶寬的成像效果。當(dāng)前可供使用的 GI^S衛(wèi)星多達(dá)數(shù)十顆，利用該些衛(wèi)星可形成多個(gè)方向的大孔徑，因此完全有可能構(gòu)造基于多 星照射和單個(gè)地面站接收的多通道系統(tǒng)來(lái)提高GI^S無(wú)源雷達(dá)的成像分辨率，本發(fā)明公布一 種基于多顆GI^S衛(wèi)星照射、單個(gè)地面站接收的無(wú)源成像系統(tǒng)。GI^S衛(wèi)星信號(hào)覆蓋廣，重訪(fǎng)周 期短，可用衛(wèi)星數(shù)量多，無(wú)源雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用限制少，構(gòu)成多通道系統(tǒng)后成像分辨 率將大幅提高，因此很適合用于高?；麦w、冰川、積雪的頻繁成像監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)SAR等傳統(tǒng) 遙感成像方式重訪(fǎng)周期長(zhǎng)、成本高的不足，為山體滑坡、冰川泥石流、雪崩等自然災(zāi)害提供 即時(shí)預(yù)警，有效保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是公開(kāi)一種基于多顆GI^S衛(wèi)星照射、單個(gè)地面固定站接收的微波無(wú)源 成像系統(tǒng)，通過(guò)增加衛(wèi)星照射源的數(shù)量，提高成像分辨率，W解決窄帶系統(tǒng)中，距離向分辨 率受限的問(wèn)題。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種基于多顆GI^S衛(wèi)星照射、單個(gè)地面固定站接收的無(wú)源成像系統(tǒng)，其特征在于， 多顆GI^S衛(wèi)星作為非合作照射源，固定于地面的單個(gè)接收站同時(shí)接收多顆GI^S衛(wèi)星的直達(dá) 波信號(hào)和經(jīng)目標(biāo)反射后的反射波信號(hào)，然后利用匹配濾波法反演目標(biāo)圖像。所述的接收站 由直達(dá)波天線(xiàn)、直達(dá)波接收機(jī)、反射波天線(xiàn)、反射波接收機(jī)、圖像反演模塊5個(gè)部分構(gòu)成，其 中直達(dá)波天線(xiàn)可W同時(shí)接收多顆GI^S衛(wèi)星的直達(dá)波信號(hào)，直達(dá)波接收機(jī)用于將直達(dá)波天線(xiàn) 接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和變頻后轉(zhuǎn)換為直達(dá)波基帶信號(hào)，反射波天線(xiàn)的天線(xiàn)波束對(duì)準(zhǔn)被觀(guān) 測(cè)區(qū)域，GI^S衛(wèi)星的發(fā)射信號(hào)照射到被觀(guān)測(cè)區(qū)域后，會(huì)產(chǎn)生微弱的反射信號(hào)，該反射信號(hào)能 被反射波天線(xiàn)接收，反射波接收機(jī)用于將反射波天線(xiàn)接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和變頻后轉(zhuǎn)換 為反射波基帶信號(hào)，直達(dá)波接收機(jī)和反射波接收機(jī)共用參考時(shí)鐘，兩接收機(jī)構(gòu)成了相參系 統(tǒng)，使得直達(dá)波信號(hào)和反射波信號(hào)能夠進(jìn)行相干處理，直達(dá)波基帶信號(hào)和反射波基帶信號(hào) 被輸入到圖像反演模塊中，通過(guò)匹配濾波算法重構(gòu)目標(biāo)圖像。
[0007] 所述的基于多顆GI^S衛(wèi)星照射、單個(gè)地面固定站接收的無(wú)源成像系統(tǒng)，其特征在 于，所述的直達(dá)波天線(xiàn)采用低增益右旋圓極化天線(xiàn)，W便于接收多顆GI^S衛(wèi)星的直達(dá)波信 號(hào)。
[0008] 所述的基于多顆GI^S衛(wèi)星照射、單個(gè)地面固定站接收的無(wú)源成像系統(tǒng)，其特征在 于，所述的反射波天線(xiàn)采用高增益左旋圓極化天線(xiàn)，W便接收目標(biāo)反射的微弱信號(hào)。
[0009] 所述的基于多顆GI^S衛(wèi)星照射、單個(gè)地面固定站接收的無(wú)源成像系統(tǒng)，其特征在 于，所述的匹配濾波算法是將波數(shù)域內(nèi)的積分操作轉(zhuǎn)換為對(duì)頻率、衛(wèi)星仰角、衛(wèi)星方位角的 積分操作，從而降低算法的計(jì)算復(fù)雜度，提高計(jì)算效率。
[0010] 本發(fā)明在匹配濾波過(guò)程中，將波數(shù)域內(nèi)的積分操作轉(zhuǎn)換為對(duì)頻率、衛(wèi)星仰角、衛(wèi)星 方位角的積分操作，從而降低了算法的計(jì)算復(fù)雜度，提高計(jì)算效率。
[0011] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0012] 本發(fā)明僅需單個(gè)地面固定接收站即可完成觀(guān)測(cè)成像，相對(duì)于星載或機(jī)載SAR，其觀(guān) 測(cè)成本極低，并且基于匹配濾波的圖像反演過(guò)程中保留了完整的相位信息，可通過(guò)干涉處 理提取地形形變信息，因此本發(fā)明適宜作為SAR等傳統(tǒng)對(duì)地成像方式的補(bǔ)充，可大規(guī)模應(yīng) 用于滑坡體、泥石流、雪崩等高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的低成本監(jiān)測(cè)和預(yù)警。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為本發(fā)明的成像方案示意圖。
[0014] 圖2為本發(fā)明的成像系統(tǒng)幾何構(gòu)型。
[0015] 圖3為本發(fā)明的仿真幾何構(gòu)型。
[0016] 圖4為本發(fā)明的目標(biāo)原型示意圖。
[0017] 圖5為本發(fā)明的仿真成像結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 一種基于多顆GI^S衛(wèi)星照射、單個(gè)地面固定站接收的無(wú)源成像系統(tǒng)，多顆GI^S衛(wèi)星 作為非合作照射源，固定于地面的單個(gè)接收站同時(shí)接收多顆GI^S衛(wèi)星的直達(dá)波信號(hào)和經(jīng)目 標(biāo)反射后的反射波信號(hào)，然后利用匹配濾波法反演目標(biāo)圖像；如圖1所示，接收站由直達(dá)波 天線(xiàn)1、直達(dá)波接收機(jī)2、反射波天線(xiàn)3、反射波接收機(jī)4、圖像反演模塊5五個(gè)部分構(gòu)成，其 中直達(dá)波天線(xiàn)1可W同時(shí)接收多顆GI^S衛(wèi)星的直達(dá)波信號(hào)，直達(dá)波接收機(jī)2用于將直達(dá)波 天線(xiàn)接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和變頻后轉(zhuǎn)換為直達(dá)波基帶信號(hào)，反射波天線(xiàn)3的天線(xiàn)波束對(duì) 準(zhǔn)被觀(guān)測(cè)區(qū)域，GI^S衛(wèi)星的發(fā)射信號(hào)照射到被觀(guān)測(cè)區(qū)域后，會(huì)產(chǎn)生微弱的反射信號(hào)，該反射 信號(hào)能被反射波天線(xiàn)接收，反射波接收機(jī)4用于將反射波天線(xiàn)接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和變 頻后轉(zhuǎn)換為反射波基帶信號(hào)，直達(dá)波接收機(jī)2和反射波接收機(jī)4共用參考時(shí)鐘，兩接收機(jī)構(gòu) 成了相參系統(tǒng)，使得直達(dá)波信號(hào)和反射波信號(hào)能夠進(jìn)行相干處理，直達(dá)波基帶信號(hào)和反射 波基帶信號(hào)被輸入到圖像反演模塊5中，通過(guò)匹配濾波算法重構(gòu)目標(biāo)圖像，具體過(guò)程如下：
[0019] 基于GPS信號(hào)的無(wú)源成像系統(tǒng)幾何構(gòu)型如圖2所示，（r。0。和（r" 0 " 分別表示第i個(gè)衛(wèi)星和接收站位置的球坐標(biāo)。GI^S導(dǎo)航信號(hào)屬于窄帶信號(hào)，所W第i個(gè)衛(wèi)星 的發(fā)射信號(hào)可W寫(xiě)成如下形式：
[0020]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于多顆GPS衛(wèi)星照射、單個(gè)地面固定站接收的無(wú)源成像系統(tǒng)，其特征在于，多 顆GPS衛(wèi)星作為非合作照射源，固定于地面的單個(gè)接收站同時(shí)接收多顆GPS衛(wèi)星的直達(dá)波 信號(hào)和經(jīng)目標(biāo)反射后的反射波信號(hào)，然后利用匹配濾波法反演目標(biāo)圖像；所述的接收站由 直達(dá)波天線(xiàn)、直達(dá)波接收機(jī)、反射波天線(xiàn)、反射波接收機(jī)、圖像反演模塊5個(gè)部分構(gòu)成，其中 直達(dá)波天線(xiàn)可以同時(shí)接收多顆GPS衛(wèi)星的直達(dá)波信號(hào)，直達(dá)波接收機(jī)用于將直達(dá)波天線(xiàn)接 收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和變頻后轉(zhuǎn)換為直達(dá)波基帶信號(hào)，反射波天線(xiàn)的天線(xiàn)波束對(duì)準(zhǔn)被觀(guān)測(cè) 區(qū)域，GPS衛(wèi)星的發(fā)射信號(hào)照射到被觀(guān)測(cè)區(qū)域后，會(huì)產(chǎn)生微弱的反射信號(hào)，該反射信號(hào)能被 反射波天線(xiàn)接收，反射波接收機(jī)用于將反射波天線(xiàn)接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和變頻后轉(zhuǎn)換為 反射波基帶信號(hào)，直達(dá)波接收機(jī)和反射波接收機(jī)共用參考時(shí)鐘，兩接收機(jī)構(gòu)成了相參系統(tǒng)， 使得直達(dá)波信號(hào)和反射波信號(hào)能夠進(jìn)行相干處理，直達(dá)波基帶信號(hào)和反射波基帶信號(hào)被輸 入到圖像反演模塊中，通過(guò)匹配濾波算法重構(gòu)目標(biāo)圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多顆GPS衛(wèi)星照射、單個(gè)地面固定站接收的無(wú)源成像系 統(tǒng)，其特征在于，所述的直達(dá)波天線(xiàn)采用低增益右旋圓極化天線(xiàn)，以便于接收多顆GPS衛(wèi)星 的直達(dá)波信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多顆GPS衛(wèi)星照射、單個(gè)地面固定站接收的無(wú)源成像系 統(tǒng)，其特征在于，所述的反射波天線(xiàn)采用高增益左旋圓極化天線(xiàn)，以便接收目標(biāo)反射的微弱 信號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多顆GPS衛(wèi)星照射、單個(gè)地面固定站接收的無(wú)源成像系 統(tǒng)，其特征在于，所述的匹配濾波算法是將波數(shù)域內(nèi)的積分操作轉(zhuǎn)換為對(duì)頻率、衛(wèi)星仰角、 衛(wèi)星方位角的積分操作。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于多顆GPS衛(wèi)星照射、單個(gè)地面固定站接收的微波無(wú)源成像系統(tǒng)，多顆GPS衛(wèi)星作為非合作照射源，固定于地面的單個(gè)接收站同時(shí)接收多顆GPS衛(wèi)星的直達(dá)波信號(hào)和經(jīng)目標(biāo)反射后的反射波信號(hào)，然后對(duì)直達(dá)波和反射波進(jìn)行相干處理，利用匹配濾波法反演目標(biāo)圖像。本發(fā)明僅需單個(gè)地面固定接收站即可完成觀(guān)測(cè)成像，成本極低，并且基于匹配濾波的圖像反演過(guò)程中保留了完整的相位信息，可通過(guò)干涉處理提取地形形變信息，因此本發(fā)明適宜作為SAR等傳統(tǒng)對(duì)地成像方式的補(bǔ)充，可大規(guī)模應(yīng)用于滑坡體、泥石流、雪崩等高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的低成本監(jiān)測(cè)和預(yù)警。
【IPC分類(lèi)】G01S13-89
【公開(kāi)號(hào)】CN104569968
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410756905
【發(fā)明人】尹治平, 楊軍, 戚仁濤
【申請(qǐng)人】合肥工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月10日