雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開發(fā)

徐航 楊濤 于子良 劉帥 李彧磊 葉疆 余杰

摘?要：合成孔徑雷達(dá)干涉（Interferometric?Synthetic?Aperture?Radar，InSAR）技術(shù)作為地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測的有力手段近年來逐漸被廣泛應(yīng)用。InSAR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開相干性好的地面控制點(diǎn)，以消除大氣等環(huán)境因素和地形對干涉測量產(chǎn)生的誤差。本文為滿足InSAR技術(shù)對地面控制點(diǎn)的定位精度要求，調(diào)研了不同波段哨兵衛(wèi)星傳感器發(fā)射電磁波的特性，研究開發(fā)了雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)，并開展了室內(nèi)測試與室外驗(yàn)證工作，結(jié)果表明雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)可增強(qiáng)雷達(dá)后向反射信號(hào)，從而輔助雷達(dá)影像定標(biāo)、配準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：InSAR；地面控制點(diǎn)；雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)；配準(zhǔn)

Design?and?Development?of?Radar?Signal?Enhancement?System

Xu?Hang1，2?Yang?Tao1，2*?Yu?Ziliang3?Liu?Shuai1，2?Li?Yulei1，2*?Ye?Jiang1，2?Yu?Jie1，2

1.Hubei?Key?Laboratory?of?Resources?and?Ecoenvironment?Geology（Hubei?Geological?Bureau）

HubeiWuhan?430000；

2.Hubei?Geological?Environment?Station?HubeiWuhan?430000；

3.School?of?Automation，China?University?of?Geosciences?HubeiWuhan?430000

Abstract：Interferometric?Synthetic?Aperture?Radar（InSAR）technology?has?been?widely?used?as?a?powerful?means?for?geological?disaster?deformation?monitoring?in?recent?years.The?realization?of?InSAR?technology?is?inseparable?from?the?ground?control?points?with?good?coherence?to?eliminate?the?errors?caused?by?environmental?factors?such?as?the?atmosphere?and?terrain?on?interferometry.In?order?to?meet?the?positioning?accuracy?requirements?of?InSAR?technology?for?ground?control?points，this?paper?investigates?the?characteristics?of?electromagnetic?waves?emitted?by?sentinel?satellite?sensors?in?different?bands，researches?and?develops?radar?signal?enhancement?systems，and?carries?out?indoor?testing?and?outdoor?verification，and?the?results?show?that?the?radar?signal?enhancement?system?can?enhance?the?radar?backward?reflection?signal，thereby?assisting?radar?image?calibration?and?registration.

Keywords：InSAR；ground?ontrol?points；radar?signal?enhancement?system；Registration

InSAR技術(shù)［14］作為大范圍長時(shí)間序列周期性監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害變形的一項(xiàng)高新技術(shù)，在監(jiān)測單體地質(zhì)災(zāi)害變形特征及趨勢、評價(jià)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)強(qiáng)度等方面具有明顯優(yōu)勢。利用InSAR技術(shù)的前提是對合成孔徑雷達(dá)（Synthetic?Aperture?Radar，SAR）影像進(jìn)行高精度的配準(zhǔn)和定標(biāo)。目前廣泛采用的方法是尋找穩(wěn)定散射點(diǎn)布設(shè)角反射器［58］，建立大量的人工控制點(diǎn)形成角反射器網(wǎng)，作為SAR影像預(yù)處理的參考點(diǎn)。該方法的缺點(diǎn)在于角反射器的使用周期短，只能用于特定單一視角下的衛(wèi)星，需要花費(fèi)大量人力成本去維護(hù)。為了解決SAR影像高精度配準(zhǔn)和定標(biāo)問題，節(jié)約建立地面控制點(diǎn)的成本，提高工作靈活性，建立智能化主動(dòng)式雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)人工控制點(diǎn)和角反射器十分有必要。

1?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備的主要應(yīng)用需求為野外作業(yè)，布設(shè)雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)特定波長電磁波的接收、發(fā)射，獲取地面點(diǎn)定位、精度測量，滿足雷達(dá)衛(wèi)星影像二次定標(biāo)的要求。

1.1?功能設(shè)計(jì)

雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)為通過接收天線接收雷達(dá)信號(hào)，濾波、放大之后，經(jīng)過隔離器，通過發(fā)射天線將增強(qiáng)的InSAR雷達(dá)信號(hào)發(fā)射出去，完成雷達(dá)信號(hào)的增強(qiáng)與轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2?雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件需要滿足的環(huán)境指標(biāo)、能源指標(biāo)和性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了腔體帶通濾波器［9］、放大器［10］、隔離器［11］和收發(fā)天線［12］的功能參數(shù)，并進(jìn)行了選型定制。

1.2.1?腔體帶通濾波器的設(shè)計(jì)

接收衛(wèi)星雷達(dá)的中心頻率為5405MHz，帶寬為100MHz，故設(shè)計(jì)腔體帶通濾波器對應(yīng)的中心頻率為5405MHz，帶寬為100MHz。中心插損滿足要求小于3dB，駐波比滿足要求通常為1.3～1.5，帶外抑制當(dāng)信號(hào)頻率在5.1GHz和57GHz之外時(shí)，衰減達(dá)到70dBc，接口形式采用標(biāo)準(zhǔn)接口SMAK，阻抗采用標(biāo)準(zhǔn)50Ω，工作溫度和存儲(chǔ)溫度滿足方案要求。

1.2.2?微波放大器的設(shè)計(jì)

射頻性能指標(biāo)中增益設(shè)計(jì)為50dB。設(shè)計(jì)微波放大器的工作頻率滿足要求的通帶頻率為5300～5500MHz，增益大于50dB，增益平坦度在0.5dB之間，微波放大器帶來的系統(tǒng)噪聲小于1.5dB，微波放大器在輸出功率小于20dBm的情況下，增益不變。駐波比設(shè)計(jì)小于1.8，工作電壓為5V供電，容許5%的波動(dòng)。阻抗匹配滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，工作溫度滿足方案設(shè)計(jì)要求。

1.2.3?隔離器的設(shè)計(jì)

為了防止接收的信號(hào)和發(fā)射的信號(hào)相互干擾，需要設(shè)計(jì)隔離器將兩路信號(hào)進(jìn)行隔離。工作頻率為5300～5500MHz，信號(hào)正向通過的損耗為0.35dB，信號(hào)反向通過的損耗為20dB，成功地將信號(hào)進(jìn)行隔離。通過功率和負(fù)載功率都為20W，工作溫度滿足方案設(shè)計(jì)要求。

1.2.4?角錐喇叭天線的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一對角錐喇叭天線，對雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行接收和發(fā)射處理。接收和發(fā)射的信號(hào)頻率設(shè)計(jì)為5300～5500MHz，滿足方案要求。增益為15dB，波束E面40°，H面20°，接頭采用通用接頭N50K。

2?實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)模擬測試

實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)模擬測試包括：（1）采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測試濾波器、放大器、隔離器性能指標(biāo)；（2）雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)連通性測試。

2.1?濾波器、放大器、隔離器性能指標(biāo)測試

腔體帶通濾波器的主要測試指標(biāo)為中心頻率、帶寬和中心插損。對于中心頻率，采用網(wǎng)分掃描相應(yīng)頻段，標(biāo)記點(diǎn)標(biāo)記，即可測試中心頻率；采用網(wǎng)分掃描測試，即可測試帶寬；采用網(wǎng)分測試濾波器正向傳輸系數(shù)，即可得到中心插損。經(jīng)測試，濾波器滿足設(shè)計(jì)要求。

微波放大器的主要測試指標(biāo)為工作頻率和增益壓縮1dB時(shí)的最大輸出功率。對于工作頻率，采用網(wǎng)分掃描相應(yīng)頻段，用標(biāo)記點(diǎn)標(biāo)記，即可測試工作頻率；對于P-1dB，采用網(wǎng)分掃描器件，將標(biāo)記點(diǎn)標(biāo)記在低于線性增益1dB的點(diǎn)，測試結(jié)果即是1dB壓縮點(diǎn)功率。經(jīng)測試，放大器滿足設(shè)計(jì)要求。

隔離器的主要測試指標(biāo)為工作頻率、正向損耗和反向損耗。采用網(wǎng)分掃描相應(yīng)頻段，用標(biāo)記點(diǎn)標(biāo)記，即可測試工作頻率；采用網(wǎng)分測試正向傳輸系數(shù)，即可測試正向損耗；采用網(wǎng)分測試反向傳輸系數(shù)，即可測試反向損耗。經(jīng)測試，隔離器滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2?雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)連通性測試

將濾波器、放大器、隔離器、角錐喇叭天線五個(gè)器件連接進(jìn)行測試，設(shè)置輸入信號(hào)為實(shí)際雷達(dá)信號(hào)到達(dá)地面的功率大小，測試輸出信號(hào)的功率大小，圖2為雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)示意圖。

采用信號(hào)源生成射頻信號(hào)，連接到濾波器的前端，后端使用頻譜儀測試功率大小。若輸出功率過大，需要添加衰減器，防止損壞測試設(shè)備。

圖3為當(dāng)接入五個(gè)器件時(shí)的波形圖，信號(hào)功率為-5.63dBm。為了防止損壞測試儀器，這里對初始的信號(hào)功率設(shè)定為-50dBm。綜上，信號(hào)經(jīng)過五個(gè)連接器件之后，指標(biāo)滿足要求。

3?室外實(shí)地驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室模擬測試之后得到結(jié)果為儀器可以正常地接收和反射信號(hào)，隨后進(jìn)行了室外實(shí)地驗(yàn)證，以驗(yàn)證雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)是否能真正起到增強(qiáng)衛(wèi)星信號(hào)的作用。

室外實(shí)地驗(yàn)證地點(diǎn)為中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）操場中央?yún)^(qū)域，根據(jù)哨兵衛(wèi)星的過境時(shí)間選擇驗(yàn)證時(shí)間為2022年4月17日。

通過對比布設(shè)儀器前后的SAR影像發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)亮點(diǎn)，結(jié)果如圖4所示，表明雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)增強(qiáng)了雷達(dá)后向反射信號(hào)，達(dá)到了預(yù)期效果。

結(jié)語

本文探討了雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)的研發(fā)，從系統(tǒng)需求出發(fā)，詳細(xì)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的功能模塊，選用濾波器濾除雜波、選用隔離器將輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出、選用放大器放大雷達(dá)信號(hào)，選用角錐喇叭天線對雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行接收和發(fā)射，并根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了選型定制。

系統(tǒng)通過室內(nèi)測試及室外驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期效果。雷達(dá)信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)能夠增強(qiáng)雷達(dá)信號(hào)，滿足數(shù)據(jù)精細(xì)化的要求，可作為地面控制點(diǎn)用于地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的持續(xù)監(jiān)測。

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基金項(xiàng)目：湖北省科學(xué)技術(shù)廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“基于InSAR的地質(zhì)災(zāi)害精準(zhǔn)監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)——地基數(shù)字增強(qiáng)系統(tǒng)研究及示范應(yīng)用”（2020BCB080）

作者簡介：徐航（1995—?），女，漢族，湖北十堰人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：遙感地質(zhì)。

*通訊作者：楊濤（1976—?），男，漢族，湖北武漢人，本科，正高職高級工程師，研究方向：地質(zhì)災(zāi)害防治。