雷达校准的方法、校准器、雷达装置及系统与流程

本发明涉及遥感领域，尤其涉及雷达校准的方法、校准器、雷达装置及系统。

背景技术：

在遥感中使用微波最基本的原因是它们可以提供不同信息。利用电磁波(em)谱的微波区域，我们可以获得和光学遥感互补的信息——总的来说，影响目标和微波相互作用结果的物理参数及其特性与其他电磁波是不同的。除此之外，微波还有很多优点：有些波长可以穿透云层甚至于干土、砂的表层(有时穿透深度可达数米)。而且除了能从被动微波遥感影像中获取热辐射信息，同时，用户也可以通过提供信号源来获得主动模式影像。这种测量可以在任何时候获得，不必依靠背景源(如太阳)。在大气遥感中，微波相对于其他波段(如红外)还有其他优点，即可通过微波波长的选择，使得观测介质周围其他颗粒、微粒的效应可以忽略不计。

雷达已经以诸如成像、导航、遥感和全球定位的各式各样的应用被长期用于军事和非军事目的。合成孔径雷达(“sar”)是主要相干航空或卫星侧查看雷达系统(“slar”)，该雷达系统利用sar位于其上的移动平台(即，运载工具，诸如飞机或卫星)的飞行路径来电子地模拟极大天线或孔径，而且生成高分辨率遥感图像。目前，现有的雷达系统在图像校正方面还有待提高。

因此，本发明提出了一种新的雷达校准方案。

技术实现要素：

为此，本发明提供一种的雷达校准方案，有效的解决了上述中至少一个问题。

根据本发明的一个方面，提供一种雷达校准器，包括：接收天线，适于接收雷达的脉冲信号srx；解调单元，适于从srx中提取中频信号sdc；信号处理单元，适于基于中频信号sdc生成频移信号和时延信号；发射单元，适于对频移信号和时延信号进行混频和放大操作，以生成待发射的发射时延和频移信号；发射天线，适于发射时延和频移信号，以便雷达接收该信号。

可选地，在根据本发明的校准器中，解调单元适于根据下述方式从srx中过滤载波信号，以提取出包含雷达与校准器距离的中频信号sdc：

可选地，在根据本发明的校准器中，所述信号处理单元包括：频移单元，适于生成对应雷达所生成的雷达图像中方位向的亮点的频移信号；时延单元，适于生成对应雷达所生成的雷达图像中距离向的亮点的时延信号。

根据本发明的又一个方面，提供一种雷达装置，包括：接收天线，适于接收来自雷达校准器的时延和频移信号；滤波器，适于基于wigner-ville分布和hankel消除时延和频移信号中时频信号的互相干扰；几何校正单元，适于根据时延和频移信号生成雷达图像，并根据雷达图像中校准点的坐标对该雷达图像进行几何校正；辐射校正单元，适于根据时延和频移信号的能量计算辐射校正系数，并对雷达图像中像素点进行辐射校正。

可选地，在根据本发明的雷达装置中，所接收的时延和频移信号适于通过下述方式表示：

其中，σ：目标物的雷达截面积(rcs)

λ：雷达波长

η：雷达沿着方位向的移动时间

t为快速时间，也就是信号传播时间。斜距r是一个关于雷达装置在速度u下移动时的缓慢时间的函数。

可选地，在根据本发明的雷达装置中，几何校正单元适于根据下述方式对雷达图像进行几何校正：根据所述频移单元和所述时延单元产生在雷达图像亮点的预设间距作为精密参考控制点进行几何校正，其中预设间距通过设定雷达校准器的频移量和时延量来确定。

可选地，在根据本发明的雷达装置中，辐射校正单元适于根据下述方式来根据时延和频移信号的能量计算辐射校正系数k：

σi，j＝k·dni，j

其中σi，j：像元ij的背向散射系，dij：像元ij的灰阶度值，

k：合成孔径雷达影像的背向散射转换系数(辐射校正系数)；

辐射校正系数k根据下式计算，

其中，prt为校准器产生亮点目标的反射功率，ρrg、ρaz分别为影像的斜距和方位分辨率，σt为目标物的雷达截面积，α为雷达入射角。

可选地，在根据本发明的雷达装置中，滤波器适于根据下述方式来基于wigner-ville分布和hankel消除时频信号的相互干扰：

利用wvd输出的相关函数的最大值对应的多普勒频率相对于移动点的移动距离，产生同时在时延和频移上的高分辨率；

利用hankel转换来拆解多重讯号，将每一个单一讯号个别的分开，再输入至wvd中，以便消除时频信号的相互干扰，且保留信号中的线性调频特性。

根据本发明的又一个方面，提供一种雷达系统，包括根据本发明的雷达校准器和雷达装置。

根据本发明的又一个方面，提供一种雷达校准方法，适于在雷达校准器中执行。该方法包括：接收雷达的脉冲信号srx；从srx中提取中频信号sdc；基于中频信号sdc，生成频移信号和时延信号；对频移信号和时延信号进行混频和放大操作，以生成待发射的时延和频移信号；发射时延和频移信号，以便雷达接收该时延和频移信号。

根据本发明的又一个方面，提供一种雷达装置执行的方法，包括：接收来自雷达校准器的时延和频移信号；基于wigner-ville分布和hankel消除时延和频移信号中时频信号的互相干扰；根据时延和频移信号生成雷达图像，并根据雷达图像中校准点的坐标对该雷达图像进行几何校正；辐射校正单元，适于根据时延和频移信号的能量计算辐射校正系数，并对雷达图像中像素点进行辐射校正。

根据本发明的雷达校准技术，通过雷达校准器可以沿距离方向对所接收到的雷达脉冲信号进行时延操作，并且沿方位方向对雷达脉冲信号进行频移操作。这样，雷达装置根据时延和频移信号所生成的原始图像可以包括二维网状的校准点。每个校准点是基于频移操作和时延操作而出现的结果。在此基础上，雷达装置可以根据网状的校准点来提高辐射校正和几何校正的精度。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了根据本发明一些实施例的雷达系统100的应用场景示意图；

图2示出了根据本发明一些实施例的雷达校准器200的示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的解调单元220的示意图；

图4示出了根据本发明一些实施例的雷达装置400的示意图；以及

图5示出了根据本发明一个实施例的雷达图像的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明一些实施例的雷达系统100的应用场景示意图。

如图1所示，雷达装置110(rader)部署在例如卫星、飞机等飞行器(未示出)上。典型地，雷达装置110例如为合成孔径雷达(sar)。基于图1中示出的三维坐标系(x，y，z)，雷达装置相对于地面的飞行高度为h。雷达装置以速度u沿x轴正向移动，并以入射角α并沿距离方向发射脉冲信号。这里的脉冲信号例如为线性调频脉冲信号。线性调频脉冲(linearfrequencymodulation，lfm)为一个频率随着时间改变的信号，也可以称为鸟鸣通讯信号(chirpsignal)。信号的频率会在调变过程中随着时间上升(upchirp)或下降(downchirp)且呈线性变化。在一个实施例中，信号频率变化的方式如下：

ft＝f0+att

f0代表起始频率、at代表频率的变化率(chirprate)。

根据本发明一个实施例，lfm脉冲信号的数学表达式为：

s(t)＝exp(jπart²)

雷达装置110的扫描区域(swath)包括位置点p。p位置点适于布置根据本发明的雷达校准器120(tf-irc)。这里，雷达校准器120的位置坐标(经纬度)确定。雷达校准器120可以沿距离方向对所接收到的雷达脉冲信号进行时延操作，并且沿方位方向对雷达脉冲信号进行频移操作。这样，雷达装置110根据时延和频移信号所生成的原始图像可以包括二维网状的校准点。每个校准点是基于频移操作和时延操作而出现的结果。在此基础上，雷达装置110可以根据网状的校准点来提高辐射校正和几何校正的精度。下面结合图2对根据本发明的雷达校准器进行示例性说明。

图2示出了根据本发明一些实施例的雷达校准器200的示意图。

如图2所示，雷达校准器200包括接收天线210、解调单元220、信号处理单元230、发射单元240和发射天线250。这里，接收天线210既可以是分立的，也可以是复用的，本发明对此不做过多限制。在接收天线210接收到雷达脉冲信号srx后，解调单元220适于从srx中提取中频信号sdc。信号处理单元230可以基于sdc生成两路信号。其中，一路为经过时延操作的信号st，另一路为经过频移操作的信号sp。根据本发明一个实施例，信号处理单元230被配置为包括频移单元和时延单元。频移单元适于生成对应雷达所生成的雷达图像中方位向的亮点的频移信号。时延单元适于生成对应雷达所生成的雷达图像中距离向的亮点的时延信号。这里，信号处理单元230可以是专用集成电路(asic)，也可以基于fpga芯片来实现，这里不再赘述。例如，通过可编程化的fpga，雷达系统100得以产生不同频移及时移距离的校正点。由于产生的频移及时移距离可自行调整，对于影像上的几何校正有很大的帮助。同时雷达校准器200基于数字信号传输不易衰减的特性，使得频移和时移点的输出功率较为稳定。

发射单元240适于将st和sp进行混频和放大操作，然后通过发射天线250发射返回到雷达装置的信号。

图3示出了根据本发明一个实施例的解调单元220的示意图。解调单元220在下述公式进行信号处理。

图4示出了根据本发明一些实施例的雷达装置400的示意图。如图4所示，雷达装置400包括接收天线410、滤波器420、几何校正单元430和辐射校正单元440。接收天线410，适于接收来自雷达校准器的时延和频移信号。滤波器420适于基于wigner-ville分布和hankel消除时延和频移信号中时频信号的互相干扰。几何校正单元430适于根据时延和频移信号生成雷达图像，并根据雷达图像中校准点的坐标对该雷达图像进行几何校正。辐射校正单元440适于根据时延和频移信号的能量计算辐射校正系数，并对雷达图像中像素点进行辐射校正。

图5示出了根据本发明一个实施例的雷达图像示意图。如图5所示，图中包括多个亮点。每个亮点代表一个校准点(例如由图2所示的校准器进行频移和时延操作而产生)，即确定地点的雷达截面积(radarcrosssection，rcs)。这样，尽管图5的雷达图像不是较完整的地表图像(换言之，雷达无法快速获取到整个雷达图像的坐标)，雷达装置可以通过校准点(其灰度值和坐标确定)来对整张雷达图像进行辐射校正和几何校正。其中，几何校正的操作主要是基于校准点的坐标值，根据校准点的信号延迟时间，对整张雷达图像做经纬度套合处理来实现。

下面结合图1、4和5，对几何和辐射校正操作进行示例性说明。

首先需要说明的是，雷达装置的所接收的时延和频移信号如下：

其中，σ：目标物的雷达截面积(rcs)

λ：雷达波长

η：雷达沿着方位向的移动时间

t为快速时间，也就是信号传播时间。斜距r是一个关于雷达装置100在速度u下移动时的缓慢时间的函数。

其中方位向的相位就是距离向的相位是是方位调频速率。

在根据本发明一个实施例中，几何校正单元430具体根据下述方式对雷达图像进行几何校正：根据频移单元和时延单元产生在雷达图像(图5)亮点的预设间距作为精密参考控制点进行几何校正。其中，预设间距通过设定雷达校准器的频移量和时延量来确定。

另外，由上述雷达方程式可推得雷达装置400接收到的回波能量数学公式：

其中，

pr：sar系统收到的回波功率

pt：sar系统发射的功率

g：天线的增益

λ：雷达波的波长

g：天线与目标物的距离

ls：传输过程中大气的损耗

σ：目标物的雷达截面积(rcs)

对一片均质地物的区域(homogeneousregion)而言，rcs可写成：

α：入射波对目标物的入射角

ρrg：斜距方向分辨率

ρaz：方位方向分辨率

σ0：背向散射系数

由此，可以回波能量方程式如下：

计算均匀区域的背向散射系数的方法如下。在一个均质的区域放上已知雷达截面积为σt的目标物，而目标物的影像能量为prt，而均质面积为ah的同质区域，所接收到的能量为prh。则此均匀区域的背向散射系数可如此得到

为均质面积ah

k：合成孔径雷达影像的背向散射转换系数(辐射校正系数)。同质区域和已知雷达截面积σt的目标物到雷达天线的距离必须要相近或相等，才能得到相近、正确的校正系数k，如果影像上斜距差距过大、可能要沿着斜距方向架设多个已知rcs值来计算目标物，最终获得多个不同斜距的校正系数。

由上述公式，我们可以得到雷达影像背向散射转换系数：

prt：目标物的反射功率

ρrg：斜距方向分辨率

ρaz：方位方向分辨率

σt：目标物的雷达截面积

α：入射波对目标物的雷达入射角

计算k值方式如下：数字合成孔径雷达的图像包括均质地区和目标物的成像情况。先从影像上切出一块面积为ah的均质区域。该均质区域里包含了nh个像元，并且确保此均质区域里无其他的目标物。此时，该均质区域的反射总功率表示式为：

αij：影像上的量化值(digitalnumber)

功率密度表示式为：

接着从影像上切出另一块含有目标物及背景的区域，此区域里包含了np个像元，而包含了目标物及背景的反射总功率表示式为：

最后可算出只含有目标物的反射功率为：

由上式可以算出目标物的总功率为prt，加上ρrg、ρaz可以在影像得知，而目标物的雷达截面积σt及入射角α已知，因此校正系数k即可算出。

在根据本发明一个实施例中，辐射校正单元440适于根据下述方式来根据时延和频移信号的能量计算辐射校正系数k：

σi，j＝k·dni，j

其中σi，j：像元ij的背向散射系，dij：像元ij的灰阶度值，

k：合成孔径雷达影像的背向散射转换系数(辐射校正系数)；

辐射校正系数k根据下式计算，

其中，prt为校准器产生亮点目标的反射功率，ρrg、ρaz分别为影像的斜距和方位分辨率，σt为目标物的雷达截面积，α为雷达入射角。

wigner-ville(wvd)分布可以在时间和频率上都达到高分辨率。但是对于合成孔径雷达来说，时延和频移信号是在雷达波束范围内从每个个体目标返回的相干和。这就会在多个信号之间形成干扰。幸运的是，傅里叶贝塞尔展开式相较于wvd分析可以更好地分解这些多重信号。

雷达装置400还包括基于wigner-ville分布和hankel变换的新型滤波器用来消除时频信号的干扰。

滤波器的工作原理说明如下：

叙述一个时域通讯信号s(t)的功率频谱p(ω)为这个通讯信号本身的自相关函数的傅立叶变换，其表示式如下：

其中r(τ)为时域通讯信号s(t)与时间独立的自相关函数，表示如下：

然而，这个功率频谱只显示出通讯信号在这个时间范围中频率的成分，而无法显示出频率的成分是如何分布在这个时间范围内，也就是频率是如何随着时间而变化。因此重新定义与时间相关的自相关函数r(t，τ)其表示式如下：

将(1)式的r(τ)以(3)式的r(t，τ)式代换，可得到下式

经过自相关函数的代换之后，功率频谱已变成与时间相关的函数，再经过整理，可定义wvd如下：

则lfm通讯信号的数学表达式为：

s(t)＝exp(jπart²)(6)

则wvd为：

而加入多普勒频率的时延和频移信号可写成下式：

其中fdoppler为多普勒频率

利用(9)式与(10)式子作相关性输出推导如下式：

其中ta为合成时间

由(11)式可以知道scorr(toffset)最大值必须在toffset偏移时间(offsettime)为时有最大值，因此我们可以知道多普勒频率相对于移动点的移动距离的式子如下式所示：

在根据本发明一个实施例中，滤波器420基于wigner-ville分布和hankel消除时频信号的相互干扰的工作过程如下。利用wvd输出的相关函数的最大值对应的多普勒频率相对于移动点的移动距离，产生同时在时延和频移上的高分辨率。利用hankel转换来拆解多重讯号，将每一个单一讯号个别的分开，再输入至wvd中，以便消除时频信号的相互干扰，且保留信号中的线性调频特性。

利用wvd输出的相关函数的最大值对应的多普勒频率相对于移动点的移动距离，即可同时在时延和频移上产生非常高的分辨率。由于校准器信号为多重信号，即多个时延点与多频移点，在wvd时间和频率会相互干扰。时频信号的干扰可以利用hankel转换来拆解多重讯号，将每一个单一讯号个别的分开，再输入至wvd中，即可以解决干扰项的问题，而且讯号中的线性调频特性也可以完整保留。

另外，根据本发明的雷达校正器的放大功率所提供最大的雷达截面积(rcs)能满足雷达系统能接收到最大的rcs。因此假设雷达系统能侦测最大的动态范围为背向散射系数ρ⁰max，雷达系统分辨率为a，则雷达系统能侦测的最大雷达截面积为：

σdr_max＝ρ⁰max×a(13)

主动式雷达校正器的雷达截面积可表示为：

当主动式雷达校正器的截面积等于可侦测到的最大雷达截面积时，我们可以评估主动式雷达校正器的放大增益gamp为：

衰减范围：

设计系统可程控衰减器的衰减范围，是依据雷达系统上能侦测到的动态范围。

最大输出功率：

在设计主动式雷达校正器时，必须要考虑它的最大输出功率，以避免内部组件的超出工作范围，所以首先先了解主动式雷达校正器接收到最大的通讯信号强度，关系如下：

上式中的pt是sar系统的发射功率，g是sar系统发射天线的增益，rnear是机载到地表近距点的距离。有了接收通讯信号的大小，我们结合1.25与1.26式可以得知我们最大的输出功率为：

因此，本发明的雷达校正器的组件所能承受的功率，都要在最大输出功率以上，这样才能确保组件运作正常。

时间延迟

在sar的幅寬内，时间上的延迟也有着限制。如果延迟太大超过涵盖范围，那在影像上也显现不出来，所以我们时间延迟的范围不超过近距点到远距点的时间差τ1，如下式所示：

雷达系统回波通讯信号仿真器：

雷达系统回波通讯信号仿真器跟之前主动式雷达校正器最大的不同点是，仿真器在室内给雷达系统做回波仿真时，没有经由天线而是直接连接内部的回路，因为雷达系统出来的通讯信号供率很高，所以通讯信号必须先经过高功率衰减器，衰减到可以仿真器工作的范围。衰减值如下：

衰减范围也是根据雷达系统的动态范围作为依据，时间延迟的部分，因为是回波仿真器，所以是仿真通讯信号从近距点到远距点之间的回波通讯信号，所以时间延迟τ2如下：

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。