专利名称：多通道时延多普勒二维分割映射多星多时图像增强的成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于导航卫星反射信号的成像装置，更特别地说，是指一种具有多通道时延多普勒二维分割映射多星多时图像增强的成像装置
背景技术：
随着电子技术的发展，现代社会对军事和商业卫星成像的要求越来越高。传统的成像卫星主要有以下两类第一类是光学成像侦察卫星，目前主要是利用C⑶相机对地面目标进行可见光照相，原理和平时使用的数码相机相近。现在的光学成像侦察卫星往往也会携带红外相机用于夜间侦察，但它容易受到气象条件的制约。CCD相机在黑夜、下雨、下 雪、沙尘暴、多云等天候条件下均很难成像。第二类是雷达成像侦察卫星。它利用卫星携带的合成孔径雷达发射雷达波，接收地面目标的反射波之后成像。其图像虽不如光学成像侦察卫星那样直观、细腻、生动，且清晰度也稍低。但是这种卫星发射的雷达波束能够穿透黑夜、雨雪、浓雾、云层，甚至一定深度的干燥地表，所以具有全天候、二十四小时的侦察能力。但目前使用的雷达成像卫星多为单基地雷达，有很多局限性，其“四抗(抗反辐射导弹的生存能力，对低空目标探测能力，抗压制性噪声干扰能力和反隐身能力)”性能远不如双基地雷达。另外，现存的成像卫星，信号接收不方便，时间分辨率较低，而且设备较为昂贵，应用灵活性不足。现实环境中，存在着大量的人造卫星、广播电台、电视台等无线电信号源，为建立非合作式双基地雷达提供了方便的辐射源。其中，利用人造卫星作为照射源，接收机在地面的天地双基地雷达系统已经受到越来越多的关注。卫星导航系统可为用户提供高精度的定位、导航和授时信息，此外还提供了高度稳定、可长期使用、具有较高的安全性和全球性、可全天时、全天候工作的L波段微波信号资源。随着导航卫星系统的快速发展，空间中将有多个导航卫星系统并存，导航卫星信号资源日益丰富，利用双基地雷达接收目标物反射的导航卫星信号对目标成像的技术实施可行性与有效性越来越强。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于导航卫星反射信号的多通道接收处理多星多时综合增强的成像装置，该装置利用多通道接收机处理多组直射信号和反射信号，采用时延多普勒二维分割映射目标成像，并通过多星信号多时信号综合方式增强成像效果，以及空间区域图像组合扩大成像范围，最终得到目标的图像。本发明的一种多通道时延多普勒二维分割映射多星多时图像增强的成像装置，该装置采用多组可以智能调节角度的接收天线采集直射和反射信号，利用多通道接收机处理信号，利用时延多普勒二维分割映射对目标成像，并通过多星信号多时信号综合方式增强成像效果，通过空间区域图像组合扩大成像范围，得到最终图像；其特征在于某组天线接收到导航卫星ki的直射和反射信号按照通道给多通道GNSS-R接收机，多通道GNSS-R接收机对直射信号进行解算得到该通道基本信息( ￥以及卫星信号信息( /，对反射信号进行处理得到反射信号的正交值和同相值记为&,,.;接收机把该通道基本信息按照通道给多通道天线接收角度计算�？椋媚？榧扑愕玫较乱皇笨谈髯樘煜呓邮战嵌萫 i反馈到天线伺服�？椋煜咚欧？楦菔盏降慕嵌萫 ,调节对应的左旋天线；把该通道基本信息和卫星信号信息G,/以及反射信号相关值(^,'给多通道多星多时图像合成�？椋欢嗤ǖ繥NSS-R接收机各个通道均按照上述处理过程，将各通道基本信息提供给天线伺服�？榈鹘谄涠杂Φ淖笮煜呓嵌龋魍ǖ阑拘畔�、卫星信号信息和反射信号相关值提供给多通道多星多时图像合成�？椋淼玫剿讲馇虻耐枷�。本发明作为卫星反射信号成像装置，有以下几点优势I).对于同时照射到同一区域A上的多颗导航卫星信号进行累加，对不同时段照射到同一区域A的信号综合处理，增大信号强度，克服了反射信号强度低的缺点。
卫星ki，kj的信号在时间L内可以照射到某一区域A，对卫星ki，kj在时间L的反射信号相关功率进行累加。卫星kp，k,在时间段&内可以照射到区域A，将时间&内卫星I kj的反射信号相关功率与卫星kp，kq在时间段t2的反射信号相关功率累加。卫星kp kj信号在时间t3内再一次射到区域八，将t3时间内的信号和t2以及h时间的反射信号相关功率累加。2).灵活控制成像范围同区域累加，灵活选取测量范围由于GNSS卫星全球覆盖，因此，卫星可以照射到全球任何区域，对于某个成像区域S (包含A，B，C等区域)，可分别探测A，B，C等区域，再把结果合成，可以得到区域S的整体成像。3).由于导航卫星信号资源丰富，全天时，全球覆盖，所以利用本装置成像不受时间限制，时间分辨率高。4).本装置成本低，耗费�。梢允视糜谄胀ㄓ没В嘟嫌诖吵上裎佬墙邮丈璞赴汗笥泻艽蟮挠攀啤�5).左旋天线可以调整接收方向，通过导航卫星运动信息以及导航卫星与接收机之间的几何关系计算出目标物反射信号的入射方向，调整左旋天线接收方向以跟踪镜面反射点，实现目标成像，有效减小其他信号干扰。6).本装置采用双基地(多基地)雷达成像，其抗反辐射导弹的生存能力，对低空目标探测能力，抗压制性噪声干扰能力和反隐身能力远远高于单基地雷达。7).长时间的信号采集，提高了对物理区域中采用的镜面反射点的密集程度。8).本发明可用性强，发展空间大，应用时可以增加天线数目，同时跟踪多颗卫星进行成像；目前发明为二维成像，未来可期待利用反射信号实际相关功率峰值与镜面反射点处延迟T表现反射面粗糙程度，实现三维成像。
图I是传统导航卫星成像装置的结构框图。图IA是导航卫星成像装置的成像条带示意图。
图2是本发明的单通道成像处理流程图。图3是几何模型示意图。图4是本发明的多通道多星多时图像合成处理流程图。图5是本发明时延多普勒曲线计算坐标系与本地坐标系关系示意图。图6是等延迟线和等多普勒线示意图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种多通道接收处理导航卫星直射和反射信号的多星多时综合增强成像装置，该装置采用多组可以智能调节角度的接收天线采集直射和反射信号，利用多通道接收机处理信号，利用时延多普勒二维分割映射对目标成像，并通过多星信号多时信号综合方式增强成像效果，通过空间区域图像组合扩大成像范围，得到最终图像。参见图I所示，传统导航卫星成像装置包括有地面处理器、多通道GNSS-R接收机、接收天线；地面处理器与多通道GNSS-R接收机通过导线连接，接收天线安装在多通道GNSS-R接收机的信息接入端口上。所述的接收天线包括有p个右旋天线和p个左旋天线。所述的地面处理器是由一计算机、以及存储于计算机内的处理软件构成。在本发明中，运行于计算机内的处理软件包括有多通道天线接收角度计算�？�、多通道多星多时图像合成�？楹蚉个天线角度伺服模块和图像组合处理�？�(如图2所示)。多通道天线接收角度计算�？椤⒍嗤ǖ蓝嘈嵌嗍蓖枷窈铣赡？楹屯枷褡楹夏？椴捎肕icrosoft Visual C++语言编与。在本发明中，计算机最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘20GB ;操作系统为windows 2000以及以上版本。参见图IA所示，图中所示为导航卫星Ici、成像装置和地表反射面构成一个反射面成像系统。在时刻h，接收机第i组右旋天线接收到导航卫星Ici的直射信号，第i组左旋天线接收到卫星h的反射信号。随着卫星运动，导航卫星、接收机和反射面之间的几何关系发生改变。接收机天线跟踪镜面反射点，在时刻接收机第i组右旋天线接收到导航卫星h的直射信号，第i组左旋天线接收到导航卫星h的反射信号/；。以此类推，导航卫星h在接收机视域范围内时，对应的左旋天线跟踪该卫星信号的镜面反射点采集信号，信号采集区域形成一个条带。本发明可以在同一时刻跟踪到多颗卫星形成多个条带，跟踪各个导航卫星信号形成的条带有重叠区域，本装置对从该重叠区域所采集的各个卫星信号进行处理，利用反射信号所包含的反射面特征信息对条带区域进行成像。在实际应用中，某导航卫星h逸出其对应的接收天线视域范围后，或者遇到其他原因接收天线不可跟踪时，可以更改设置重新捕获跟踪其他可以照射到同一区域的卫星。参见图2所示，以单通道为例描述本发明成像装置处理过程为某组天线接收到导航卫星h的直射和反射信号按照通道给多通道GNSS-R接收机，多通道GNSS-R接收机对直射信号进行解算得到该通道基本信息<5^ (包括各组卫星的方位角、高度角、卫星到接收机右旋天线距离、接收机离地高度、卫星高度，电离层和对流层状态状态因子、卫星信号信噪比等信息)以及卫星信号信息Gt/ (包括信号多普勒和码相位信息)，对反射信号进行处理得到反射信号的正交值和同相值记为6,,。接收机把该通道基本信I ^ ,按照通道给多通道天线接收角度计算�？椋媚？榧扑愕玫较乱皇笨谈髯樘煜呓邮战嵌萫 i反馈到天线伺服�？椋煜咚欧？楦菔盏降慕嵌萫 i调节对应的左旋天线；把该通道基本信息Wa和卫星信号信息<^/以及反射信号相关值Cri给多通道多星多时图像合成�？椤６嗤ǖ繥NSS-R接收机各个通道均按照上述处理过程，将各通道基本信息提供给天线伺服�？榈鹘谄涠杂Φ淖笮煜呓嵌龋魍ǖ阑拘畔�、卫星信号信息和反射信号相关值提供给多通道多星多时图像合成�？椋淼玫剿讲馇虻耐枷瘛�
本发明多通道时延多普勒二维分割映射多星多时图像增强的成像装置中各个器件以及处理模块实现的功能如下所述(一 )右旋天线在本发明中，右旋天线用于接收导航卫星(以Ici为例)发射的导航信号，即直射信号f,,d，该直射信号/m经右旋天线的增益放大后形成右旋圆极化信号输出给多通道GNSS-R接收机。( 二)左旋天线在本发明中，左旋天线用于接收反射面反射的反射信号人i■亥反射信号/,经左旋天线的增益放大后形成左旋圆极化信号'人给多通道GNSS-R接收机。(三)多通道GNSS-R接收机在本发明中，多通道GNSS-R接收机的输入端上分别连接有p个右旋天线、P个左旋天线；多通道GNSS-R接收机的输出端上连接到地面处理器的计算机上。所述多通道GNSS-R接收机包括p个通道，每个通道与一组接收天线相对应，最多可同时对P组天线接收到的P颗卫星信号进行处理获得该卫星的基本信息、信号信息和直射与反射信号的同相(I路)和正交(Q路)值。以i通道为例说明多通道GNSS-R接收机工作过程多通道GNSS-R接收机i通道对i天线接收到的右旋圆极化信号、左旋圆极化信号的处理分为(A)对接收的右旋圆极化信号众《 0>进行处理，获得i通道基本信息( _和信号信息Gt/。并把基本信息G;,对应通道给多通道天线接收角度计算�？椋迅魍ǖ阑拘畔�
信号信息^"对应通道给多通道多星多时图像合成模块；(B)对接收的左旋圆极化信号进行处理获得左旋圆极化信号的同相和正交值Gv给多通道多星多时图像合成模块；在本发明中，选取的GNSS-R接收机的性能参数为I)两个输入端口 p个接右旋天线，P个接左旋天线；2) 一个输出端口 接计算机。3)反射信号测量精度 载波相位测量精度0. I周 码相位测量精度0. 01个码片 多普勒测量精度3赫兹4)数据更新率
反射信号观测量更新率3 I赫兹(可选)5)允许对主板进行开放环路控制6)使用条件 接收机灵敏度优于_175dBW ； 接收机动态性加速度10g，速度1000米/秒 工作时间全天候7)最大功耗<6瓦 (四)多通道天线接收角度计算�？楸痉⒚髦校嗤ǖ捞煜呓邮战嵌燃扑隳？槎越邮盏降拿恳豢盼佬俏恢眯畔⒑徒邮栈恢眯畔⒔屑扑愕玫较乱皇笨痰母梦佬嵌杂Φ淖笮煜呓邮战嵌龋扑愎倘缦滤鋈缤�3所示，i天线接收的导航卫星直射信号通过多通道GNSS-R接收机后可以得到i天线所对应的h号卫星的几何信息包括有卫星位置、卫星高度角&，卫星到接收机右旋天线距离^^，接收机离地高度\、卫星高度^^等。(A)当接收机高度较低，探测范围较小的时候，不考虑地球曲率。此时本发明中i天线所对应的h号卫星的几何信息关系为
权利要求
1.一种多通道时延多普勒二维分割映射多星多时图像增强的成像装置，该装置采用多组可以智能调节角度的接收天线采集直射和反射信号，利用多通道接收机处理信号，利用时延多普勒二维分割映射对目标成像，并通过多星信号多时信号综合方式增强成像效果，通过空间区域图像组合扩大成像范围，得到最终图像；其特征在于某组天线接收到导航卫星ki的直射和反射信号按照通道给多通道GNSS-R接收机，多通道GNSS-R接收机对直射信号进行解算得到该通道基本信息6_以及卫星信号信息Gm',对反射信号进行处理得到反射信号的正交值和同相值记为接收机把该通道基本信息( _按照通道给多通道天线接收角度计算�？椋媚？榧扑愕玫较乱皇笨谈髯樘煜呓邮战嵌萫 ,反馈到天线伺服�？椋煜咚欧？楦菔盏降慕嵌萫 i调节对应的左旋天线；把该通道基本信息^,,和卫星信号信皂以及反射信号相关值&给多通道多星多时图像合成�？椋欢嗤ǖ繥NSS-R接收机各个通道均按照上述处理过程，将各通道基本信息提供给天线伺服�？榈鹘谄涠杂Φ淖笮煜呓嵌龋魍ǖ阑拘畔�、卫星信号信息和反射信号相关值提供给多通道多星多时图像合成�？椋淼玫剿讲馇虻耐枷�。
2.根据权利要求I所述的多通道时延多普勒二维分割映射多星多时图像增强的成像装置，其特征在于多通道天线接收角度计算模块对接收到的每一颗卫星位置信息和接收机位置信息进行计算得到下一时刻的该卫星对应的左旋天线接收角度，计算过程如下所述 i天线接收的导航卫星直射信号通过多通道GNSS-R接收机后可以得到i天线所对应的h号卫星的几何信息包括有卫星位置、卫星高度角I，卫星到接收机右旋天线距离，接收机离地高度\、卫星高度#*,. 5 (A)当接收机高度较低，探测范围较小的时候，不考虑地球曲率；此时本发明中i天线所对应的h号卫星的几何信息关系为
3.根据权利要求I所述的多通道时延多普勒二维分割映射多星多时图像增强的成像装置，其特征在于多通道多星多时图像合成�？榘ǘ嗤ǖ佬藕懦上翊碜幽？�、多通道坐标映射子�？楹陀跋褡酆显銮孔幽？椋� 多通道信号成像处理子�？榻邮盏蕉嗤ǖ繥NSS-R接收机对应通道传来的各通道反射信号的正交值和同相值~到6^^并在各通道时延多普勒信息辅助下进行相关处理，得到各通道的时延多普勒二维图像P1 (fd，Tc)到化(4，Tc);并把时延多普勒二维图像信息对应通道给多通道坐标映射子模块，多通道坐标映射子�？橐勒胀ǖ澜毖佣嗥绽斩枷裼成涞绞导首晟希迅魍ǖ劳枷袷导首晖枷裥畔⒏跋褡酆显銮孔幽？椋跋褡酆显銮孔幽？榘迅魍ǖ劳枷裥畔⒔凶酆系玫蕉嘈亲酆贤枷瘢勒丈柚冒岩欢ㄊ倍文诘亩嘈亲酆贤枷窠写淼玫蕉嘈嵌嗍弊酆贤枷瘢� 多通道信号成像处理子�？榻毖佣嗥绽斩枷窈透魍ǖ阑拘畔�6,。按照通道给多通道坐标映射子�？椋欢嗤ǖ雷暧成渥幽？榘ù娲⒌ピ�、多通道等延迟线等多普勒线计算单元、多通道地图比对单元和多通道图像映射单元；存储单元存储各通道基本信息、时延多普勒二维图像、待测区域地图和根据所测地形具体情况而设置的适当的本地二维坐标系o-xy，其坐标平面为所测地面散射平面； 多通道等延迟线等多普勒线计算单元从存储单元调用各通道基本信息并在各通道建立各自的临时坐标系用以计算时延多普勒二维区域划分与实际区域映射关系；根据i左旋天线接收角度气和h号卫星方位角确定i通道信号镜面反射点"^,在坐标系o-xy的坐标；在坐标系^ 确定i通道信号的等延迟线
全文摘要
本发明公开了一种多通道时延多普勒二维分割映射多星多时图像增强的成像装置，其中导航卫星、成像装置和地表反射面构成一个反射面成像系统。接收机的右旋天线接收卫星直射信号，左旋天线接收卫星反射信号。当卫星在接收机视域范围内时，对应的左旋天线跟踪该卫星信号的镜面反射点采集信号，信号采集区域形成一个条带。本发明可以在同一时刻跟踪到多颗卫星形成多个条带，跟踪各个卫星信号形成的条带有重叠区域，本装置对从该重叠区域所采集的各个卫星信号进行处理，利用反射信号所包含的反射面特征信息对条带区域进行成像。
文档编号G01S13/89GK102721962SQ20121019004
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月8日 优先权日2012年6月8日
发明者张波, 李伟强, 李明里, 杨东凯, 杨尧 申请人:北京航空航天大学
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