技术领域本发明涉及一种基于GNSS信号的雷达测高系统及其使用方法，具体涉及一种采用GNSS信号进行目标区域的雷达成像，进而使用雷达图像进行地面高度测量的系统及其使用方法，属于雷达技术领域。
背景技术：
近年来，高分辨对地观测遥感领域一直是国际雷达界关注的热点，研究人员均希望获得高效，精确的地面数字高度图。数字高度图使用十分广泛，在军事方面，数字高度图能够提供非常丰富的战场信息，协助指挥员参与战术的制定和决策。在国民经济建设方面，数字高度图能够用于大型建设项目如水库，电厂等选址规划。在科学研究方面，数字高度图能够为地质学，地理物理学，气象学，环境保护，火山冰川等学科的研究领域提供新的观测手段。星载干涉合成孔径雷达系统是当前常用的高度图重建系统，该系统的测高原理是：雷达传感器搭载在低轨卫星上，分别两次在轨道相邻位置对目标区域进行观测，获得两幅图像，然后对它们进行干涉处理，进而获得目标区域的高度图。星载干涉合成孔径雷达系统能够进行高效，精确的高度图重建，然而，该系统存在以下四点显著技术限制：1）观测角度单一：星载雷达卫星数量通常只有一至两枚，只能提供单一角度的观测。2）观测时间分辨率低：星载雷达卫星重访周期通常较长，导致时间分辨率较低。3）系统稳定性不足：星载雷达卫星发展历史较短，其稳定性以及实际性能需要时间加以验证。4）使用代价高：星载雷达卫星为主动式雷达，造价，发射与维护费用及其昂贵。有鉴于此，有必要提供一种基于GNSS信号的雷达测高系统及其使用方法，以解决上述问题。
技术实现要素：
本发明的目的是：为解决上述四个问题，本发明提出了一种采用GNSS合成孔径雷达图像来进行高度测量的全新系统以及使用方法。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于GNSS信号的雷达测高系统，其特征在于，主要包括信号硬件接收机和服务器；其中：信号硬件接收机配备三副通道，分别命名为GNSS通道、主雷达通道、辅雷达通道；GNSS通道直接接收GNSS卫星信号，以作同步功能；主、辅雷达通道接收由观测区域发射回来的电磁波，以作成像功能；三副通道共用同一时钟源，并且除了天线极化方向不同，其它电路结构完全一致；每副通道按照信号流向依次包括天线组件、低噪放大器组件、混频器组件、一级微波信号源组件、带通滤波器组件、功率放大器组件、二级微波信号源组件、低通滤波器组件，正交解调器组件、模数转换器组件；三副通道的信号通过模数转换器组件后，共同进入数据采集器组件；其中：天线组件用于接受GNSS卫星信号或者从观测目标反射的雷达信号；低噪放大器组件用于放大接收信号，提高信噪比；混频器组件用于把射频信号下变频到中频信号或者把中频信号下变频到基带信号；一级、二级微波信号源组件用于产生一定频率的信号，作为混频器组件的输入；带通滤波器组件用于去除混频后的高频信号；低通滤波器组件用于去除混频后的高频信号；功率放大器组件用于提高中频信号的幅度，以满足模数转换器组件的动态范围；正交解调器组件用于把基带信号转换为正交信号；模数转换器组件用于把模拟信号转换为数字信号；数据采集器组件用于采集通过模数转换器组件的三通道数字信号；服务器上加载数据采集控制软件模块、信号预处理软件模块、二维成像软件模块、相干处理软件模块；信号硬件接收机的数据采集器组件采集的信号，通过串口传至服务器储存；接下来数据依次通过服务器上加载的信号预处理软件模块、二维成像软件模块以及相干处理软件模块，进而得到观测区域的高度图；其中：数据采集控制软件模块用于控制数据采集器组件的工作状态，并控制数据采集器组件将采集的数据存入服务器；信号预处理软件模块用于对GNSS通道获取的信号进行同步处理，获取信号的时间、频率和相位的误差；二维成像软件模块用于对从主、辅雷达通道接收信号进行二维成像；相干处理软件模块使用二维图像进行相干处理形成三维数字高度图，实现测高。进一步地，上述技术方案中所述GNSS通道使用全向GNSS天线组件；所述主、辅雷达通道均使用雷达天线组件，其波束宽度为30度*30度，增益为15dBi。进一步地，上述技术方案中所述低噪放大器组件采用35dB增益、相位噪声1.5。进一步地，上述技术方案中所述带通滤波器组件工作频率为140MHz、带宽为10MHz。进一步地，上述技术方案中所述功率放大器组件采用20dB增益。进一步地，上述技术方案中所述低通滤波器组件带宽为10MHz。进一步地，上述技术方案中所述信号硬件接收机的组件间均使用同轴电缆相连接；信号硬件接收机与服务器间使用RS232串口连接。一种基于GNSS信号的雷达测高系统的使用方法，采用如上所述的基于GNSS信号的雷达测高系统，其特征在于，包括如下步骤：(1)信号硬件接收机上电，随后服务器上电；(2)根据具体GNSS卫星设置一级微波信号源组件输出信号的工作频率；(3)开启服务器中数据采集控制软件模块的采集功能，信号硬件接收机开始采集GNSS信号和两路雷达回波信号，并存入服务器；(4)采集信号时长为10分钟，然后关闭信号采集功能，信号硬件接收机停止采集，信号停止存储；(5)获取GNSS卫星的坐标位置与信号硬件接收机的坐标位置；(6)将存储的GNSS信号与步骤(5)中得到的GNSS卫星、信号硬件接收机坐标一并通过信号预处理软件模块，得到时间误差、频率误差、相位误差和导航信息；(7)将存储的两路雷达回波信号，GNSS卫星、信号硬件接收机坐标和步骤(6)中得到的结果一并通过二维成像软件模块，得到两幅图像；(8)将步骤(7)得到的两幅图像通过相干处理软件模块得到观测区域的高度图。本发明的有益效果是：本发明的雷达测高系统能够解决当前主流方法存在的技术限制，具体有益效果如下：1）本发明的雷达测高系统能够提供多角度观测：在同一时刻同一地点至少有16颗GNSS卫星能够实现多方位无遮挡照射。2）本发明的雷达测高系统能够提供高时间分辨率的观测：GNSS卫星能够提供对同一地区的无缝观测，且同一卫星观测时间长，覆盖范围大。3）本发明的雷达测高系统能够提供稳定的观测：GNSS卫星使用历史久，其性能已被广泛验证。即使特定卫星处于维护状态，其它卫星也能保证随时随地有至少4颗正常工作。4）本发明的雷达测高系统成本低廉：本发明为被动式雷达，发射机为第三方设备，不需要使用者维护，而采用的接收机使用的组件均为常用器件，成本低廉。附图说明图1是本发明的基于GNSS信号的雷达测高系统示意图。图2是本发明的接收机硬件内部结构示意图。图3是本发明的服务器结构示意图。图4是本发明的信号预处理软件模块的结构示意图。图5是本发明的二维成像软件模块的结构图。图6是本发明的相干处理软件模块的结构图。图7为武汉大学主校区的卫星图像。附图中的符号说明：1.GNSS卫星，2.运行轨道，3.GNSS天线组件，4.主雷达天线组件，5.辅雷达天线组件，6.本地坐标原点，7.观测区域，8.待测目标高度，9.待测单点目标，10.低噪放大器组件，11.混频器组件，12.一级微波信号源组件，13.带通滤波器组件，14.放大器组件，15.二级微波信号源组件，16.低通滤波器组件，17.正交解调器组件，18.模数转换器组件，19.数据采集器组件，20.服务器，21.数据采集控制软件模块，22.信号预处理软件模块，23.二维成像软件模块，24.相干处理软件模块，25.GNSS接收信号，26.本地产生的GNSS信号，27.GNSS卫星、信号硬件接收机坐标，28.相关器，29.微分器，30.最小二乘器，31.时间误差、频率误差、相位误差和导航信息，32.雷达信号，33.乘加器，34.二维图像，35.乘法器，36.积分器，37.高度图。具体实施方式为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。如图1所示，本发明的基于GNSS信号的雷达测高系统的基本原理是：假设接收机和观测区域处在以本地坐标原点6为原点的三维本地坐标中，7是整个观测区域。待测单点目标9是整个观测区域7中的某一点目标，相对本地坐标地平面的高度为待测目标高度8。本发明通过获取GNSS卫星1在其卫星运行轨道2上飞行时向地面发射的信号来对观测区域7中的所有目标点进行整体测高。本发明的基于GNSS信号的雷达测高系统包括信号硬件接收机和服务器。信号硬件接收机的作用是接收GNSS信号和从观测区域7反射的雷达信号，并把信号转换成数字信号，采集起来。服务器首先将数据存储起来，然后对采集的信号进行一系列信号处理，得到高度图。信号存储是由服务器上加载的数据采集控制软件模块21完成的。信号处理是由服务器上加载的信号预处理软件模块22、二维成像软件模块23以及相干处理软件模块24完成的。下面首先对信号硬件接收机进行详细介绍。如图2所示，信号硬件接收机配备三副通道，分别命名为GNSS通道、主雷达通道、辅雷达通道。GNSS通道直接接收GNSS卫星信号，以作同步功能。主、辅雷达通道接收由观测区域7发射回来的电磁波，以作成像功能。每副通道包括天线组件、低噪放大器组件10、混频器组件11、一级微波信号源组件12、带通滤波器组件13、功率放大器组件14、二级微波信号源组件15、低通滤波器组件16，正交解调器组件17、模数转换器组件18。三通道共用同一时钟源，并且除了天线极化方向不同，其它电路结构完全一致。三副接收信号通过模数转换器组件18后，将共同进入数据采集器组件19。天线组件用来接受GNSS卫星信号或者从观测目标反射的雷达信号。系统包括三幅天线组件，分别是：GNSS天线组件3、主雷达天线组件4、辅雷达天线组件5，分别属于GNSS通道、主雷达通道、辅雷达通道。低噪放大器组件10用来放大接收信号，提高信噪比。混频器组件11用来把射频信号下变频到中频信号或者把中频信号下变频到基带信号。微波信号源组件（包括一级微波信号源组件12、二级微波信号源组件15）用来产生一定频率的信号，作为混频器组件11的输入。带通滤波器组件13用来去除混频后的高频信号。低通滤波器组件16用来去除混频后的高频信号。功率放大器组件14用来提高中频信号的幅度，以满足模数转换器组件18的动态范围。正交解调器组件17用来把基带信号转换为正交信号。模数转换器组件18用来把模拟信号转换为数字信号。数据采集器组件19用来采集通过模数转换器组件18的三通道数字信号。具体地，在本实施例中，以GNSS通道为例说明信号硬件接收机的构成，其硬件结构布局依次为：全向GNSS天线组件3、低噪放大器组件10（35dB增益、相位噪声1.5）、混频器组件11，带通滤波器组件13（工作频率为140MHz、带宽为10MHz）、功率放大器组件14（20dB增益）、混频器组件11、低通滤波器组件16（带宽为10MHz），正交解调器组件17、2位模数转换器组件18以及数据采集器组件19。而主、辅雷达通道则均使用雷达天线组件，其波束宽度为30度*30度，增益为15dBi。组件间均使用同轴电缆相连接。信号硬件接收机与服务器间使用RS232串口连接。此外，同两级混频器组件11相连接的第三端均为微波信号源组件，分别用于射频下变频到带通频率以及带通频率下变频到基带。其中一级微波信号源组件12输出的信号频率根据具体卫星信号工作频率而定，例如接收卫星信号为Galileo的E5b导航信号，其工作频率为1207.14MHz，为了使得带通部分工作频率为140MHz，一级微波信号源组件12输出信号拟工作在1347.14MHz(或1067.14MHz)。而二级微波信号源组件15恒定工作在140MHz。三路信号经过模数转换后成为六路I、Q信号，通过服务器上加载的数据采集控制软件模块21控制数据采集器组件19，存储在服务器中。如图3所示，服务器20上加载数据采集控制软件模块21、信号预处理软件模块22、二维成像软件模块23、相干处理软件模块24。数据采集器组件19采集信号，并通过串口传至服务器20。存储的GNSS信号以及主、辅雷达信号依次通过服务器上加载的信号预处理软件模块22、二维成像软件模块23以及相干处理软件模块24，进而得到观测区域7的高度图。数据采集控制软件模块21用来控制数据采集器组件19的工作状态，并控制数据采集器组件19将采集的数据存入服务器20。信号预处理软件模块22用来对GNSS通道获取的信号进行同步处理，获取信号的时间、频率和相位的误差。如图4所示，是信号预处理软件模块22的结构图。GNSS接收信号25与本地产生的GNSS信号26以及GNSS卫星、信号硬件接收机的坐标27依次经过相关器28、微分器29、最小二乘器30得到其时间误差、频率误差、相位误差以及导航信息31。二维成像软件模块23用来对从主、辅雷达通道接收信号进行二维成像。如图5所示，是二维成像软件模块23的结构图。以主雷达信号的二维成像过程为例进行说明。雷达信号32与本地产生的GNSS信号26以及信号预处理软件模块22得到的时间误差、频率误差、相位误差以及导航信息31通过相关器28进行互相关运算，对主雷达信号进行补偿，消除误差，然后与GNSS卫星、信号硬件接收机的坐标27经乘加器33进行乘加运算得出二维图像34。相干处理软件模块24使用二维图像进行相干处理形成三维数字高度图，实现测高。如图6所示，是相干处理软件模块24的结构图。主、辅雷达信号通过二维成像软件模块23得到主、辅两幅图像。这两幅图像通过相关器28、乘法器35与积分器36得到高度图37。在本实施例中，本系统的具体工作过程如下：系统开始工作后，GNSS信号，观测区域反射的回波雷达信号分别从GNSS天线组件3、主雷达天线组件4、辅雷达天线组件5接收。经过低噪放大器组件10，接收信号的信噪比得以大大增强。经过混频器组件11后，信号变为两个频段，分别为中心频率为140MHz的中频频段和中心频率为2.5GHz的高频频段。经过带通滤波器组件13后，高频信号被过滤掉，只剩下中心频率在140MHz的信号。经过功率放大器组件14后，信号的动态范围大大增加。经过第二个混频器组件11后，信号变为两个频段，分别是中心频率为280MHz的中频频段和基带信号。经过低通滤波器组件16后，中频信号被过滤掉，只剩下基带信号。经过正交解调器组件17后，信号变为I、Q两路。经过模数转换器组件18后，信号变为数字信号。然后，三通道数字信号均被采集到数据采集器组件19中，并通过串口存入服务器20。GNSS接收信号25在信号预处理软件模块22中与本地产生的GNSS信号26依次经过相关器28、微分器29、最小二乘器30得到其时间误差、频率误差、相位误差以及导航信息31。这些信息将被用在雷达信号32中进行补偿。主、辅雷达信号均需通过二维成像软件模块23得到观测区域的图像。以主雷达信号的二维成像过程为例进行说明。预处理产生的结果首先对主雷达信号进行补偿，消除主雷达信号的误差。然后，信号在距离向与本地产生的雷达信号通过相关器28进行互相关运算。结果与GNSS卫星、信号硬件接收机计算得到的相位历史经乘加器33进行乘加运算得出二维图像34。主、辅雷达信号通过二维成像软件模块23将得到主、辅两幅图像。这两幅图像将通过相关器28、乘法器35与积分器36得到高度图37。所述基于GNSS信号的雷达测高系统，其使用方法是，包括如下步骤：(1)信号硬件接收机上电，随后服务器20上电；(2)根据具体GNSS卫星设置一级微波信号源组件12输出信号的工作频率；(3)开启服务器20中数据采集控制软件模块21的采集功能，信号硬件接收机开始采集GNSS信号和两路雷达回波信号，并存入服务器20；(4)采集信号时长为10分钟，然后关闭信号采集功能，信号硬件接收机停止采集，信号停止存储；(5)获取GNSS卫星的坐标位置与信号硬件接收机的坐标位置；(6)将存储的GNSS信号与步骤(5)中得到的GNSS卫星、信号硬件接收机坐标一并通过信号预处理软件模块22，得到时间误差、频率误差、相位误差和导航信息；(7)将存储的两路雷达回波信号，GNSS卫星、信号硬件接收机坐标和步骤(6)中得到的结果一并通过二维成像软件模块23，得到两幅图像；(8)将步骤(7)得到的两幅图像通过相干处理软件模块24得到观测区域的高度图。应用举例拟使用本发明提出的测高系统对武汉大学主校区珞珈山以北的一片区域进行高程重建。图7为武汉大学主校区的卫星图像，珞珈山位于图像最底部，其海拔高度为武汉大学最高。拟成像区域为珞珈山以北的一片区域，地势相对较低，其主要建筑包括武汉大学研究生院、武汉大学马克思主义学院、武汉大学政治与公共管理学院、武汉大学历史学院、武汉大学新闻与传播学院以及武汉大学外国语语言文学学院等。在进行测高作业时，系统硬件接收机放置在珞珈山上，主、辅天线均正对观测区域（天线照射范围为两条箭头中间）。选择GNSS卫星作为发射机时，尽量挑选飞行轨迹在接收机位置以南的卫星，以获取最大的二维分辨率。硬件设备放置完成后，便可启动数据采集器，进行三通道数据的同步录取。录取时间长短灵活。录取的数据将在服务器中通过三个信号处理软件模块便可得到观测区域的高度图。最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。