基于gps多星照射、地面单站接收的无源成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波无源成像领域，具体为一种基于多颗GI^S卫星照射、单个地面固 定站接收的无源成像系统。
【背景技术】
[0002] 微波遥感成像技术具有全天候、全天时等优点，一直是对地观测成像的重要手段。 随着雷达技术的不断发展和应用需求的不断提升，近十年来，出现了多种新颖的成像体制， 基于卫星照射、地面站接收的Space-Su;rface SAR(SS-SAR)就是其中之一。SS-SAR属于无 源雷达，具有良好的隐蔽性和抗干扰能力，SS-SAR的该些独特优点使得它成为当前成像雷 达发展的一个新兴方向。全球定位系统（Global化sitioning System, GP巧的卫星数量多， 轨道高度高，覆盖范围广，重访周期很短（GI^S卫星的重复周期约为24小时），可实现非常 频繁的监测，并且GI^S还具有发射频率稳定，授时精确易于同步，直达波容易恢复等特点， 因此，它非常适合作为对地探测与成像的照射源。早在上世纪90年代GI^S就被选作对海无 源遥感探测的照射源，用于获取海面风场、海冰、海面油污等信息。近年来，基于GI^S照射的 无源遥感技术开始从探测向成像发展，英国Mi化ail化erniakov等人开展了基于单颗卫星 照射的成像研究，并成功进行了 W单个化0NASS卫星为照射源的实验验证（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.)。国内曾涛等人开展了基 于单个GI^S卫星照射的无源成像研究（田卫明，曾涛，胡程等."基于导航信号的BiSAR成 像技术，"雷达学报，2013, no. 1，PP. 39-45.)。YE Ji化i等人则论证了基于北斗导航信号的 无源成像（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卫星高精度的轨道参数（例如KIS提供的GPS星历 轨道精度可达5cm)保证它能够合成较大的稳定孔径，因此方位分辨率将很高，例如，曾涛 的实测结果表明：W GPS卫星为照射源时方位向分辨率可达4. 8m ;Mi化ail化erniakov 的实测结果表明：W化ONASS卫星为照射源时方位向分辨率可达3. 4m。收发分置式雷达 的距离向分辨率主要决定于发射信号带宽及成像张角，因导航信号带宽普遍较窄，因此其 距离向分辨率非常有限，Mi化ail化erniakov实测的距离向分辨率只有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.)，与方位向分辨率相差16倍。
[0003] 受限于发射信号的带宽，基于GI^S照射的无源成像系统的距离分辨率较低，很多 时候难W满足对地观测成像的应用需求。根据近期无源成像的研究发现，分布式成像雷达 可利用不同方向上的多个孔径获得分辨率突破发射信号带宽的成像效果。当前可供使用的 GI^S卫星多达数十颗，利用该些卫星可形成多个方向的大孔径，因此完全有可能构造基于多 星照射和单个地面站接收的多通道系统来提高GI^S无源雷达的成像分辨率，本发明公布一 种基于多颗GI^S卫星照射、单个地面站接收的无源成像系统。GI^S卫星信号覆盖广，重访周 期短，可用卫星数量多，无源雷达系统结构简单，使用限制少，构成多通道系统后成像分辨 率将大幅提高，因此很适合用于高危滑坡体、冰川、积雪的频繁成像监测，弥补SAR等传统 遥感成像方式重访周期长、成本高的不足，为山体滑坡、冰川泥石流、雪崩等自然灾害提供 即时预警，有效保护人们的生命财产安全。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是公开一种基于多颗GI^S卫星照射、单个地面固定站接收的微波无源 成像系统，通过增加卫星照射源的数量，提高成像分辨率，W解决窄带系统中，距离向分辨 率受限的问题。
[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0006] 一种基于多颗GI^S卫星照射、单个地面固定站接收的无源成像系统，其特征在于， 多颗GI^S卫星作为非合作照射源，固定于地面的单个接收站同时接收多颗GI^S卫星的直达 波信号和经目标反射后的反射波信号，然后利用匹配滤波法反演目标图像。所述的接收站 由直达波天线、直达波接收机、反射波天线、反射波接收机、图像反演模块5个部分构成，其 中直达波天线可W同时接收多颗GI^S卫星的直达波信号，直达波接收机用于将直达波天线 接收到的信号经过放大和变频后转换为直达波基带信号，反射波天线的天线波束对准被观 测区域，GI^S卫星的发射信号照射到被观测区域后，会产生微弱的反射信号，该反射信号能 被反射波天线接收，反射波接收机用于将反射波天线接收到的信号经过放大和变频后转换 为反射波基带信号，直达波接收机和反射波接收机共用参考时钟，两接收机构成了相参系 统，使得直达波信号和反射波信号能够进行相干处理，直达波基带信号和反射波基带信号 被输入到图像反演模块中，通过匹配滤波算法重构目标图像。
[0007] 所述的基于多颗GI^S卫星照射、单个地面固定站接收的无源成像系统，其特征在 于，所述的直达波天线采用低增益右旋圆极化天线，W便于接收多颗GI^S卫星的直达波信 号。
[0008] 所述的基于多颗GI^S卫星照射、单个地面固定站接收的无源成像系统，其特征在 于，所述的反射波天线采用高增益左旋圆极化天线，W便接收目标反射的微弱信号。
[0009] 所述的基于多颗GI^S卫星照射、单个地面固定站接收的无源成像系统，其特征在 于，所述的匹配滤波算法是将波数域内的积分操作转换为对频率、卫星仰角、卫星方位角的 积分操作，从而降低算法的计算复杂度，提高计算效率。
[0010] 本发明在匹配滤波过程中，将波数域内的积分操作转换为对频率、卫星仰角、卫星 方位角的积分操作，从而降低了算法的计算复杂度，提高计算效率。
[0011] 本发明的有益效果在于：
[0012] 本发明仅需单个地面固定接收站即可完成观测成像，相对于星载或机载SAR，其观 测成本极低，并且基于匹配滤波的图像反演过程中保留了完整的相位信息，可通过干涉处 理提取地形形变信息，因此本发明适宜作为SAR等传统对地成像方式的补充，可大规模应 用于滑坡体、泥石流、雪崩等高风险区域的低成本监测和预警。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的成像方案示意图。
[0014] 图2为本发明的成像系统几何构型。
[0015] 图3为本发明的仿真几何构型。
[0016] 图4为本发明的目标原型示意图。
[0017] 图5为本发明的仿真成像结果示意图。
【具体实施方式】
[0018] 一种基于多颗GI^S卫星照射、单个地面固定站接收的无源成像系统，多颗GI^S卫星 作为非合作照射源，固定于地面的单个接收站同时接收多颗GI^S卫星的直达波信号和经目 标反射后的反射波信号，然后利用匹配滤波法反演目标图像；如图1所示，接收站由直达波 天线1、直达波接收机2、反射波天线3、反射波接收机4、图像反演模块5五个部分构成，其 中直达波天线1可W同时接收多颗GI^S卫星的直达波信号，直达波接收机2用于将直达波 天线接收到的信号经过放大和变频后转换为直达波基带信号，反射波天线3的天线波束对 准被观测区域，GI^S卫星的发射信号照射到被观测区域后，会产生微弱的反射信号，该反射 信号能被反射波天线接收，反射波接收机4用于将反射波天线接收到的信号经过放大和变 频后转换为反射波基带信号，直达波接收机2和反射波接收机4共用参考时钟，两接收机构 成了相参系统，使得直达波信号和反射波信号能够进行相干处理，直达波基带信号和反射 波基带信号被输入到图像反演模块5中，通过匹配滤波算法重构目标图像，具体过程如下：
[0019] 基于GPS信号的无源成像系统几何构型如图2所示，（r。0。和（r" 0 " 分别表示第i个卫星和接收站位置的球坐标。GI^S导航信号属于窄带信号，所W第i个卫星 的发射信号可W写成如下形式：
[0020]
【主权项】
1. 一种基于多颗GPS卫星照射、单个地面固定站接收的无源成像系统，其特征在于，多 颗GPS卫星作为非合作照射源，固定于地面的单个接收站同时接收多颗GPS卫星的直达波 信号和经目标反射后的反射波信号，然后利用匹配滤波法反演目标图像；所述的接收站由 直达波天线、直达波接收机、反射波天线、反射波接收机、图像反演模块5个部分构成，其中 直达波天线可以同时接收多颗GPS卫星的直达波信号，直达波接收机用于将直达波天线接 收到的信号经过放大和变频后转换为直达波基带信号，反射波天线的天线波束对准被观测 区域，GPS卫星的发射信号照射到被观测区域后，会产生微弱的反射信号，该反射信号能被 反射波天线接收，反射波接收机用于将反射波天线接收到的信号经过放大和变频后转换为 反射波基带信号，直达波接收机和反射波接收机共用参考时钟，两接收机构成了相参系统， 使得直达波信号和反射波信号能够进行相干处理，直达波基带信号和反射波基带信号被输 入到图像反演模块中，通过匹配滤波算法重构目标图像。
2. 根据权利要求1所述的基于多颗GPS卫星照射、单个地面固定站接收的无源成像系 统，其特征在于，所述的直达波天线采用低增益右旋圆极化天线，以便于接收多颗GPS卫星 的直达波信号。
3. 根据权利要求1所述的基于多颗GPS卫星照射、单个地面固定站接收的无源成像系 统，其特征在于，所述的反射波天线采用高增益左旋圆极化天线，以便接收目标反射的微弱 信号。
4. 根据权利要求1所述的基于多颗GPS卫星照射、单个地面固定站接收的无源成像系 统，其特征在于，所述的匹配滤波算法是将波数域内的积分操作转换为对频率、卫星仰角、 卫星方位角的积分操作。
【专利摘要】本发明公开一种基于多颗GPS卫星照射、单个地面固定站接收的微波无源成像系统，多颗GPS卫星作为非合作照射源，固定于地面的单个接收站同时接收多颗GPS卫星的直达波信号和经目标反射后的反射波信号，然后对直达波和反射波进行相干处理，利用匹配滤波法反演目标图像。本发明仅需单个地面固定接收站即可完成观测成像，成本极低，并且基于匹配滤波的图像反演过程中保留了完整的相位信息，可通过干涉处理提取地形形变信息，因此本发明适宜作为SAR等传统对地成像方式的补充，可大规模应用于滑坡体、泥石流、雪崩等高风险区域的低成本监测和预警。
【IPC分类】G01S13-89
【公开号】CN104569968
【申请号】CN201410756905
【发明人】尹治平, 杨军, 戚仁涛
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月10日