雷达信号增强系统设计及开发_徐航.pdf

书书书DOI:1019392/jcnki1671-7341202318001雷达信号增强系统设计及开发徐 航1，2杨 涛1，2*于子良3刘 帅1，2李彧磊1，2叶 疆1，2余 杰1，21资源与生态环境地质湖北省重点实验室(湖北省地质局)湖北武汉430000;2湖北省地质环境总站湖北武汉430000;3中国地质大学(武汉)自动化学院湖北武汉430000摘要:合成孔径雷达干涉(Interferometric Synthetic Aperture adar，InSA)技术作为地质灾害变形监测的有力手段近年来逐渐被广泛应用。InSA 技术的实现离不开相干性好的地面控制点，以消除大气等环境因素和地形对干涉测量产生的误差。本文为满足 InSA 技术对地面控制点的定位精度要求，调研了不同波段哨兵卫星传感器发射电磁波的特性，研究开发了雷达信号增强系统，并开展了室内测试与室外验证工作，结果表明雷达信号增强系统可增强雷达后向反射信号，从而辅助雷达影像定标、配准。关键词:InSA;地面控制点;雷达信号增强系统;配准Design and Development of adar Signal Enhancement SystemXu Hang1，2Yang Tao1，2*Yu Ziliang3Liu Shuai1，2Li Yulei1，2*Ye Jiang1，2Yu Jie1，21Hubei Key Laboratory of esources and Eco-environment Geology(Hubei Geological Bureau)HubeiWuhan430000;2Hubei Geological Environment StationHubeiWuhan430000;3School of Automation，China University of GeosciencesHubeiWuhan430000Abstract:Interferometric Synthetic Aperture adar(InSA)technology has been widely used as a powerful means for geolog-ical disaster deformation monitoring in recent yearsThe realization of InSA technology is inseparable from the ground controlpoints with good coherence to eliminate the errors caused by environmental factors such as the atmosphere and terrain on interfer-ometryIn order to meet the positioning accuracy requirements of InSA technology for ground control points，this paper investigatesthe characteristics of electromagnetic waves emitted by sentinel satellite sensors in different bands，researches and develops radar sig-nal enhancement systems，and carries out indoor testing and outdoor verification，and the results show that the radar signal enhance-ment system can enhance the radar backward reflection signal，thereby assisting radar image calibration and registrationKeywords:InSA;ground ontrol points;radar signal enhancement system;egistrationInSA 技术1-4 作为大范围长时间序列周期性监测地质灾害变形的一项高新技术，在监测单体地质灾害变形特征及趋势、评价区域地质灾害活动强度等方面具有明显优势。利用 InSA 技术的前提是对合成孔径雷达(SyntheticAperture adar，SA)影像进行高精度的配准和定标。目前广泛采用的方法是寻找稳定散射点布设角反射器5-8，建立大量的人工控制点形成角反射器网，作为 SA 影像预处理的参考点。该方法的缺点在于角反射器的使用周期短，只能用于特定单一视角下的卫星，需要花费大量人力成本去维护。为了解决 SA 影像高精度配准和定标问题，节约建立地面控制点的成本，提高工作灵活性，建立智能化主动式雷达信号增强系统，取代传统人工控制点和角反射器十分有必要。1 系统设计设备的主要应用需求为野外作业，布设雷达信号增强系统网，实现特定波长电磁波的接收、发射，获取地面点定位、精度测量，满足雷达卫星影像二次定标的要求。11 功能设计雷达信号增强系统主要功能设计为通过接收天线接收雷达信号，滤波、放大之后，经过隔离器，通过发射天线将增强的 InSA 雷达信号发射出去，完成雷达信号的增强与转发。1科技风 2023 年 6 月科技创新图 1 雷达信号增强系统设计方案12 雷达信号增强系统设计根据硬件需要满足的环境指标、能源指标和性能指标，设计了腔体带通滤波器9、放大器10、隔离器11 和收发天线12 的功能参数，并进行了选型定制。121 腔体带通滤波器的设计接收卫星雷达的中心频率为 5405MHz，带宽为 100MHz，故设计腔体带通滤波器对应的中心频率为 5405MHz，带宽为 100MHz。中心插损满足要求小于 3dB，驻波比满足要求通常为 13 15，带外抑制当信号频率在 51GHz 和5.7GHz 之外时，衰减达到 70dBc，接口形式采用标准接口SMA-K，阻抗采用标准 50，工作温度和存储温度满足方案要求。122 微波放大器的设计射频性能指标中增益设计为 50dB。设计微波放大器的工作频率满足要求的通带频率为 53005500MHz，增益大于 50dB，增益平坦度在 05dB 之间，微波放大器带来的系统噪声小于 15dB，微波放大器在输出功率小于 20dBm的情况下，增益不变。驻波比设计小于 18，工作电压为5V 供电，容许 5%的波动。阻抗匹配满足行业标准，工作温度满足方案设计要求。123 隔离器的设计为了防止接收的信号和发射的信号相互干扰，需要设计隔离器将两路信号进行隔离。工作频率为 5300 5500MHz，信号正向通过的损耗为 035dB，信号反向通过的损耗为 20dB，成功地将信号进行隔离。通过功率和负载功率都为 20W，工作温度满足方案设计要求。124 角锥喇叭天线的设计设计一对角锥喇叭天线，对雷达信号进行接收和发射处理。接收和发射的信号频率设计为 53005500MHz，满足方案要求。增益为 15dB，波束 E 面 40，H 面 20，接头采用通用接头 N-50K。2 实验室系统模拟测试实验室系统模拟测试包括:(1)采用矢量网络分析仪分别测试滤波器、放大器、隔离器性能指标;(2)雷达信号增强系统连通性测试。21 滤波器、放大器、隔离器性能指标测试腔体带通滤波器的主要测试指标为中心频率、带宽和中心插损。对于中心频率，采用网分扫描相应频段，标记点标记，即可测试中心频率;采用网分扫描测试，即可测试带宽;采用网分测试滤波器正向传输系数，即可得到中心插损。经测试，滤波器满足设计要求。微波放大器的主要测试指标为工作频率和增益压缩1dB 时的最大输出功率。对于工作频率，采用网分扫描相应频段，用标记点标记，即可测试工作频率;对于 P1dB，采用网分扫描器件，将标记点标记在低于线性增益 1dB 的点，测试结果即是 1dB 压缩点功率。经测试，放大器满足设计要求。隔离器的主要测试指标为工作频率、正向损耗和反向损耗。采用网分扫描相应频段，用标记点标记，即可测试工作频率;采用网分测试正向传输系数，即可测试正向损耗;采用网分测试反向传输系数，即可测试反向损耗。经测试，隔离器满足设计要求。22 雷达信号增强系统连通性测试将滤波器、放大器、隔离器、角锥喇叭天线五个器件连接进行测试，设置输入信号为实际雷达信号到达地面的功率大小，测试输出信号的功率大小，图 2 为雷达信号增强系统示意图。图 2 雷达信号增强系统示意图采用信号源生成射频信号，连接到滤波器的前端，后端使用频谱仪测试功率大小。若输出功率过大，需要添加衰减器，防止损坏测试设备。图 3 为当接入五个器件时的波形图，信号功率为2科技创新科技风 2023 年 6 月563dBm。为了防止损坏测试仪器，这里对初始的信号功率设定为50dBm。综上，信号经过五个连接器件之后，指标满足要求。图 3 五个连接器件指标测试图3 室外实地验证在实验室模拟测试之后得到结果为仪器可以正常地接收和反射信号，随后进行了室外实地验证，以验证雷达信号增强系统是否能真正起到增强卫星信号的作用。室外实地验证地点为中国地质大学(武汉)操场中央区域，根据哨兵卫星的过境时间选择验证时间为 2022 年 4月 17 日。通过对比布设仪器前后的 SA 影像发现增强亮点，结果如图 4 所示，表明雷达信号增强系统增强了雷达后向反射信号，达到了预期效果。(a)2022 年 4 月 5 日(b)2022 年 4 月 17 日图 4 雷达强度影像处理结果图结语本文探讨了雷达信号增强系统的研发，从系统需求出发，详细设计了系统的功能模块，选用滤波器滤除杂波、选用隔离器将输入信号进行转换输出、选用放大器放大雷达信号，选用角锥喇叭天线对雷达信号进行接收和发射，并根据设计参数进行了选型定制。系统通过室内测试及室外验证，达到了预期效果。雷达信号增强系统能够增强雷达信号，满足数据精细化的要求，可作为地面控制点用于地质灾害隐患点的持续监测。参考文献:1 朱建军，李志伟，胡俊InSA 变形监测方法与研究进展 J 测绘学报，2017，46(10):1717-1733 2张艳梅，王萍，罗想，等 利用 Sentinel-1 数据和SBAS-InSA 技术监测西安地表沉降J 测绘通报，2017(04):93-97 3 周吕，郭际明，李昕，等基于 SBAS-InSA 的北京地区地表沉降监测与分析J 大地测量与地球动力学，2016，36(09):793-797 4 周立新，王志伟基于多视线向 D-InSA 技术的三维地表形变抗差解算方法J 大地测量与地球动力学，2020，40(12):1263-1267 5 史磊，杨杰，李平湘，等不依赖人工定标器的全极化SA 定标研究进展 J 遥感学报，2021，25(11):2211-2219 6 李郝亮，陈思伟，王雪松海面角反射器的极化旋转域特性研究J 系统工程与电子技术，2022，44(07):2065-2073 7 吴林罡，胡生亮，张俊，等双棱锥型角反射器 CS快速预估方法 J 战术导弹技术，2021(05):29-35 8 侯跃强InSA 角反射器在地质灾害监测中的制作与安装 J 江西测绘，2021(02):20-22+29 9 冯威，何子远，陈波，黄九荣C 波段腔体带通滤波器设计 C/2017 年全国微波毫米波会议论文集(下册)出版者不详，2017:60-63 10 郭斐，梁煜，张为，等一种 SiGe BiCMOS 宽带低噪声放大器设计 J/OL 西安电子科技大学学报:1-8 2022-10-19 11 周国，罗和平，廖龙忠，等一种基于新型片上变压器的数字隔离器设计J 半导体技术，2022，47(08):665-669 12 蔡如恒，杨德强，耿源基于蘑菇型电磁带隙结构的收发复用微带天线C/2021 年全国天线年会论文集，2021:57-