一种基于双波束SAR的海流矢量遥感测量雷达系统

本发明属于微波遥感，涉及一种基于双波束sar的海流矢量遥感测量雷达系统，特别涉及一种同时双收发波束产生与信号分离技术。

背景技术：

1、海流是海洋最重要的动力要素之一，卫星遥感能够获取全球大洋流场。常用的卫星遥感测流方法有卫星高度计、小入射角的多普勒雷达设备、中等入射角的多普勒散射计与合成孔径雷达测流系统。相比于其他卫星遥感测流方法，合成孔径雷达(syntheticaperture radar,sar)测流系统具有全天候、全天时、高分辨、宽刈幅、高重访率、全球范围观测等特点，且能够探测海面流场、风场、海浪等多种海洋环境要素，在海洋遥感探测方面具有广阔的应用前景。

2、sar系统通过发射宽带脉冲信号实现距离向高分辨率，而通过雷达与场景之间的相对运动产生一个较宽的多普勒带宽并进行多个脉冲的相干积累而实现方位向高分辨率。一方面，许多海洋现象调制bragg散射波，通过对sar回波数据进行信号处理可形成sar图像，而sar图像中能够显示出这些海洋现象。另一方面，海面运动可以直接通过多普勒效应进入sar数据，通过分析sar信号的多普勒速度即可测量海面的运动信息。目前，sar测流方法主要有基于双天线的顺轨干涉法(along-track interferometry,ati)与基于单天线的多普勒中心偏移法，其中多普勒中心偏移法根据由卫星轨道和姿态测量数据计算得到的多普勒中心频率与由回波数据估计得到的多普勒中心频率存在特定的偏差反演海流速度。然而，传统的单通道sar系统通常只能测量海流速度的径向(即雷达波束视线方向)速度，而较难获取海流的完整二维速度矢量。获取海流二维速度矢量的方法是从两个不同的方位角度分别对海面场景进行观测，测量得到海流矢量的两个不同的径向速度分量，然后将这两个径向速度分量加以联立结合即可求解海流速度的二维矢量。因此，海流矢量测量的关键是产生两个具有不同方位指向(或称为斜视角)的雷达波束，从而构成所谓的双波束sar系统。

3、目前，sar系统产生双波束的方式有三种。第一种方式使用两套独立的天线、雷达信号发射机、雷达接收机系统分别产生前向、后向波束，从而构成双波束sar系统。两套独立的雷达系统将具有较大的重量、占据较大空间、消耗较多的电力能源，这给雷达系统的安装以及雷达系统的飞行平台均带来较大的麻烦和挑战，特别是不利于今后的星载应用。同时，这种方式也缺乏不同sar工作模式之间转换的灵活性。第二种方式使用同一个雷达系统产生脉间分时双波束，即在相邻两个脉冲交替发射前向、后向波束，并交替接收雷达回波信号。对于第二种方式，为了避免发生方位模糊，需要对sar的脉冲重复频率(pulserepetition frequency,prf)加倍，这会导致非模糊距离刈幅宽度缩小为原来数值的二分之一(非模糊距离刈幅宽度反比于prf)。换言之，双波束的形成是以缩短刈幅宽度为代价换取的。第三种方式使用同一个雷达系统产生脉组分时双波束，即在相邻两个脉冲组交替发射前向、后向波束，并交替接收雷达回波信号，即burst模式。对于第三种双波束产生方式，使用burst模式的直接后果就是由sar数据缺失所产生的所谓的扇贝效应，使得sar图像的幅度在方位向上产生周期性的变化，而这种图像非均匀化不仅会使海流反演的测速不确定度产生空间上的不一致性，而且会产生一种额外的测速均值偏差，甚至造成海面某些区域测速数据的缺失。此外，burst模式还会使得前向、后向波束对应的sar数据产生一定的差异性，从而对海流速度矢量反演带来负面的影响。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：针对单波束sar数据只能得到海流速度的径向速度分量而无法得到海流速度的二维矢量这一缺陷，提出了一种基于双波束sar的海流矢量遥感测量雷达系统；在保证宽刈幅、高分辨率、高测量精度的前提下，为实现由一部雷达同时一体化地产生大可变斜视角发射与接收双波束，采用可变大斜视宽刈幅一体化测流sar双收发波束产生与信号分离技术解决由于一体化而导致的双接收波束回波信号时间重叠后的信号分离问题。

2、本发明的技术方案是：一种基于双波束sar的海流矢量遥感测量雷达系统，该系统包括：相控阵天线阵列、t/r阵列、收发双波束形成网络、上变频链路、时频调制数字信号产生模块、下变频链路、时频解调数字信号处理模块、综合信息处理模块、波控模块；

3、所述相控阵天线阵列对应连接t/r阵列，天线阵列由沿雷达飞行方向放置的有源相控阵天线组成，t/r阵列由t/r组件组成；t/r阵列连接收发双波束形成网络；收发双波束形成网络输出双波束信号依次经过下变频链路、时频解调数字信号处理模块到达综合信息处理模块；综合信息处理模块输出信号给时频调制数字信号产生模块和波控模块，时频调制数字信号产生模块输出信号经过上变频链路后传输给收发双波束形成网络；波控模块产生信号给收发双波束形成网络；

4、所述相控阵天线阵列上设有若干辐射阵元，各辐射阵元上分别连接有发射/接收组件，即t/r组件，每个t/r组件都包括一个发射支路和两个接收支路；

5、还包括用于产生与接收前向波束和后向波束的收发双波束形成网络，收发双波束形成网络包括一个发射支路和两个接收支路，与t/r组件对应的一个发射支路和两个接收支路级联；

6、所述t/r组件还包括一个环形器，一端口与发射支路相连，二端口与辐射阵元相连，三端口与接收支路相连，实现通路的选择和开关；

7、所述t/r组件的一个发射支路包括：移相器、高功率发射放大器；

8、雷达处于发射信号状态时，由收发双波束形成网络发射支路产生的双波束发射射频信号被送至t/r组件发射支路，由移相器进行移相，实现雷达发射波束指向的改变；移相后的双波束发射射频信号由高功率发射放大器进行功率放大；放大后的双波束发射射频信号通过环形器送至相控阵天线辐射阵元，形成发射双波束；

9、所述t/r组件的两个接收支路各包括：移相器、衰减器、低噪声接收放大器；

10、雷达处于接收信号状态时，t/r组件的两个接收支路分别对应前、后波束，接收双波束由相控阵天线辐射阵元接收，经环形器送至t/r组件的对应接收支路；每个接收支路对应的接收信号由低噪声接收放大器进行放大；放大后的接收信号由移相器进行移相，实现雷达接收波束指向的改变；移相后的接收信号由衰减器控制衰减，对各路t/r组件的信号幅度进行加权，实现雷达接收波束形状的改变；由对应接收支路形成的两路接收信号被送至收发双波束形成网络，得到接收双波束信号；

11、更进一步地，辐射阵元和t/r组件的个数应不少于n：

12、

13、上式中，l为天线方位向总的孔径长度，λ为雷达波长，θsq为波束斜视角。

14、进一步地，相控阵天线资源调度方法，该方法中包括：上变频链路、时频调制数字信号产生模块、综合信号处理模块、视频调制干扰抑制、双通道adc、下变频链路、波控模块；包括如下步骤：

15、s10：相控阵天线处于发射状态时，

16、对相控阵列的每个发射通道的发射信号采用前后双子脉冲，发射信号为前向子脉冲和后向子脉冲；由综合信息处理模块控制时频调制数字信号产生模块，产生时频调制的双脉冲中频信号，经上变频链路变为射频信号；

17、s20：射频信号由收发双波束形成网络分配到各t/r组件，由t/r组件对信号进行功率放大，并在波控模块的指令下进行空间相位调制，最后由天线阵列发射形成发射同时双波束；

18、s30：雷达处于接收状态时，

19、s40：同时双波束回波信号由天线阵列接收，由t/r组件进行低噪声放大，并在波控模块的指令下进行空间解调，预形成接收同时双波束；

20、s50：该预形成的同时双波束回波信号，经下变频链路变为中频信号，然后采用双通道adc进行采样，再由时频解调数字信号处理模块对双波束回波信号进行时频解调，彻底抑制信号中的相互干扰，实现双波束信号的完全分离。

21、进一步地，利用该测流系统进行海流矢量反演的方法包括如下步骤：

22、s'10:由综合信息处理单元对双波束回波信号进行处理，采用sar成像算法形成双波束对应的前后视场的sar图像；

23、s'20:进行数据配准以确保包含在相同分辨率单元位置的前向sar数据和后向sar数据对应于海洋表面的相同区域；

24、s'30:对sar数据进行多普勒中心估计，包括基带多普勒中心和多普勒模糊数的估计；

25、s'40:由于后向散射系数沿方位向的变化和天线的误指向角存在，估计得到的多普勒中心和几何预测的多普勒频率可能存在一定的偏差；采用一种偏差校正方法，利用参考sar数据，假设多普勒中心异常为零；利用建立的数值模型，可以实现对海洋运动理论贡献的测量多普勒速度的校正；

26、s'50:经多普勒频移校正，风速和海浪贡献校正后，根据几何关系，将前向波束对应的海流径向速度和后向波束对应的海流径向速度合成为海流速度二维矢量。

27、进一步的，采用基于时空频调制的同时双波束发射技术产生双波束发射信号，使发射信号的前向波束与后向波束在时域、频域、空域相互分离；采用基于时空频调制的同时双波束接收技术接收双波束回波信号，使接收信号的前向波束与后向波束在频域、空域相互分离。

28、综上所述,本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

29、1、与现有使用多普勒中心偏移法测流的sar系统只能得到海流径向速度相比，本发明提出的基于双波束sar的海流矢量遥感测量雷达系统能够提供宽刈幅、高分辨率、高测量精度的海流二维矢量；

30、2、与现有使用两套独立的天线、雷达信号发射机、雷达接收机系统的双波束产生方案相比，本发明采用的一体化双波束产生方案仅需一个天线、一个雷达物理发射通道、两个雷达物理接收通道，雷达系统设计简洁，有利于雷达载荷的放置；

31、3、与现有脉间分时双波束方案相比，本发明采用的时频调制同时双波束产生方案无需对prf加倍，能够充分利用雷达天线方位向孔径，实现较大的距离向刈幅宽度；

32、4、与现有脉组分时双波束方案相比，本发明采用的时频调制同时双波束产生方案能够采集到完整的sar数据，实现高分辨率、高精度测流；

33、5、与固定斜视角sar测流系统相比，本发明能够实现可变大斜视波束的调节，能够选择最佳斜视角；

34、6、本发明能够实现双波束接收信号的完全分离；本发明采用了时空频解调技术，能够同时进行时空频解调，从多个维度实现双波束接收信号时间重叠的信号的分离与相互干扰抑制；