RU2709623C1 - Method of obtaining a three-dimensional image in a side-scan radar with synthesizing an antenna aperture - Google Patents
Method of obtaining a three-dimensional image in a side-scan radar with synthesizing an antenna aperture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2709623C1 RU2709623C1 RU2019113712A RU2019113712A RU2709623C1 RU 2709623 C1 RU2709623 C1 RU 2709623C1 RU 2019113712 A RU2019113712 A RU 2019113712A RU 2019113712 A RU2019113712 A RU 2019113712A RU 2709623 C1 RU2709623 C1 RU 2709623C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- azimuth
- radar
- signal
- range
- elevation
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/06—Systems determining position data of a target
- G01S13/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
- G01S13/426—Scanning radar, e.g. 3D radar
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9004—SAR image acquisition techniques
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9004—SAR image acquisition techniques
- G01S13/9011—SAR image acquisition techniques with frequency domain processing of the SAR signals in azimuth
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9004—SAR image acquisition techniques
- G01S13/9017—SAR image acquisition techniques with time domain processing of the SAR signals in azimuth
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9021—SAR image post-processing techniques
- G01S13/9029—SAR image post-processing techniques specially adapted for moving target detection within a single SAR image or within multiple SAR images taken at the same time
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/28—Details of pulse systems
- G01S7/285—Receivers
- G01S7/292—Extracting wanted echo-signals
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/22—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation in accordance with variation of frequency of radiated wave
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к системам радиовидения и может быть использовано для получения трехмерного радиолокационного изображения объектов сцены при боковом обзоре с высокой разрешающей способностью, как по дальности, так и по углу азимута, независимо от метеоусловий и уровня освещенности. Получение высокого разрешения по дальности обеспечивается использованием широкополосных сигналов с линейно-частотной модуляцией. Получение высокого разрешения по азимуту реализуется с помощью синтезирования апертуры антенны во время движения радара при наблюдении за объектами сцены в течение продолжительного времени с разных ракурсов. Оценка высоты объектов осуществляется с помощью частотного сканирования лучом в вертикальной плоскости, что в итоге позволяет построить трехмерное радиолокационное изображение. В качестве платформы радара используется наземный транспорт либо низколетящие беспилотные аппараты. Объектами сцены являются окружающие транспорт объекты (тротуары, кусты, деревья, люди, здания, другие транспортные средства и т.д.).The invention relates to radio-vision systems and can be used to obtain a three-dimensional radar image of scene objects in a high-resolution side view, both in range and in azimuth angle, regardless of weather conditions and light level. Obtaining high resolution in range is provided by the use of broadband signals with linear frequency modulation. Obtaining high resolution in azimuth is realized by synthesizing the antenna aperture during the movement of the radar when observing scene objects for a long time from different angles. Assessing the height of objects is carried out using frequency scanning of the beam in a vertical plane, which ultimately allows you to build a three-dimensional radar image. As a radar platform, ground transport or low-flying unmanned vehicles are used. The objects of the scene are the objects surrounding the transport (sidewalks, bushes, trees, people, buildings, other vehicles, etc.).
В [1] известен способ построения радиолокационного изображения в устройстве автомобильного радара непрерывного излучения с синтезированием апертуры. Он ориентирован на обнаружение препятствий вокруг автомобиля и может быть использован для парковки. Однако при этом изображение строится на плоскости в координатах дальность-азимут, без возможности извлечения информации о высоте объекта, а значит восстановление трехмерной картины сцены не предусмотрено.In [1], a method is known for constructing a radar image in an automobile continuous-wave radar device with aperture synthesis. It is focused on detecting obstacles around the car and can be used for parking. However, in this case, the image is built on a plane in the range-azimuth coordinates, without the possibility of extracting information about the height of the object, which means that the restoration of a three-dimensional picture of the scene is not provided.
В статье [2] и патентах [3, 4] представлен способ частотного сканирования лучом диаграммы направленности антенны в миллиметровом радаре с непрерывным частотно-модулированным сигналом. Но при этом не затрагивается вопрос синтезирования апертуры и построения итогового трехмерного изображения высокого разрешения.In article [2] and patents [3, 4] a method for frequency scanning by a beam of an antenna radiation pattern in a millimeter radar with a continuous frequency-modulated signal is presented. But the issue of synthesizing the aperture and building the final high-resolution three-dimensional image is not addressed.
В [5] известен способ формирования трехмерного изображения в радаре с синтезированной апертурой. Он основан на том, что при синтезе используется несколько приемных антенных элементов, разнесенных по высоте. Недостаток этого метода в том, что при этом усложняется структура системы, увеличивается ее стоимость и габариты.In [5], a method for forming a three-dimensional image in a synthesized aperture radar is known. It is based on the fact that several receiving antenna elements spaced in height are used in the synthesis. The disadvantage of this method is that it complicates the structure of the system, increases its cost and dimensions.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ построения радиолокационного изображения, приведенный в описании изобретения под названием «Устройство радиолокационной станции с непрерывным линейно-частотно-модулированным сигналом и синтезом апертуры» [6] и заключающийся в использовании радиолокационных станций (РЛС) с непрерывным линейно-частотно-модулированным сигналом для повышения скрытности работы РЛС с одновременным упрощением процедуры компенсации миграции сигнала цели по дальности и фазе в алгоритме синтезирования апертуры антенны. Указанный результат (построение радиолокационного изображения) достигается за счет приема отраженного сигнала с получением сигнала биений отраженного сигнала с зондирующим, демодуляции сигнала биений с помощью эталонного опорного сигнала, компенсирующего миграцию сигналов сцены по дальности и фазе на интервале синтеза апертуры, после которой выполняются сжатие сигналов по дальности и селекция сигналов элементов сцены в равномерной сетке доплеровских частот. Недостатком прототипа является отсутствие варианта построения алгоритма обработки сигнала, предназначенного для формирования трехмерного радиолокационного изображения объектов сцены.Closest to the claimed invention is a method of constructing a radar image, described in the description of the invention under the name "Device radar station with a continuous linear frequency-modulated signal and aperture synthesis" [6] and which consists in the use of radar stations (RLS) with a continuous linear frequency -modulated signal to increase the stealth of the radar while simplifying the procedure for compensating the migration of the target signal in range and phase in the synthesis algorithm Ania aperture antenna. The specified result (building a radar image) is achieved by receiving a reflected signal to obtain a beat signal of the reflected signal with a probing signal, demodulating the beat signal using a reference reference signal that compensates for the migration of scene signals in range and phase over the aperture synthesis interval, after which the signals are compressed range and selection of signals of scene elements in a uniform grid of Doppler frequencies. The disadvantage of the prototype is the lack of options for constructing a signal processing algorithm designed to form a three-dimensional radar image of scene objects.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, - Увеличение информативности радиолокационного изображения путем построения высотного профиля окружающих объектов (осуществление трехмерного картографирования) с сохранением относительной простоты устройства радара, малых габаритов и дешевизны для возможности массового использования в автомобильных системах и на базе беспилотных летательных средств, где габариты и стоимость имеют важное значение.The task to which the proposed technical solution is directed is to increase the information content of the radar image by constructing a high-altitude profile of surrounding objects (performing three-dimensional mapping) while maintaining the relative simplicity of the radar device, small dimensions and low cost for the possibility of mass use in automotive systems and on the basis of unmanned aerial vehicles where dimensions and cost are important.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе построения радиолокационного изображения в радиолокационных системах с синтезированной апертурой антенны бокового обзора, заключающимся в том, что излучается широкополосный непрерывный сигнал с линейно частотной модуляцией, принимается отраженный сигнал от цели, он перемножается с опорным сигналом на смесителе, проходит полосовой фильтр для выделения сигнала биений, оцифровывается в аналого-цифровом преобразователе и поступает в блок цифровой обработки синтезирования апертуры антенны, дополнительно осуществляется разделение принятого сигнала на различные каналы по углу места согласно закону частотного сканирования лучом антенной системы в вертикальной плоскости. В каждом канале по углу места выполняется раздельная обработка сигнала: осуществляется наложение на сигнал оконной функции по дальности и азимуту, реализуется двумерное преобразование Фурье, осуществляется цифровое диаграммообразование по азимуту для бокового обзора. Затем полученные сигналы в каждом канале по углу места умножаются на соответствующую двумерную опорную функцию по азимуту, учитывающую нелинейное изменение дальности до цели путем разложения в ряд Тейлора и сохранения первых трех слагаемых, после этого выполняется обратное преобразование Фурье по азимуту для получения сфокусированного изображения в каждом канале по углу места. На завершающем этапе выполняется объединение каналов по углу места путем соответствующего проецирования полученных точек в единую декартовую систему координат. Для этого, зная наклонную дальность и положение цели по азимуту (координата Y), рассчитывается угол азимута на цель, затем путем умножения наклонной дальности на косинус угла места и косинус угла азимута оценивается дальность до цели вдоль поверхности Земли (координата X), умножением наклонной дальности на синус угла места оценивается высота объект (координата Z). В результате формируется трехмерное изображение окружающего пространства в координатах XYZ для наземных или низколетящих радиолокационных платформ, в котором интенсивность цвета изображения пропорциональна отражательной способности целей.The solution to this problem is achieved by the fact that in the method of constructing a radar image in radar systems with a synthesized aperture of the side-view antenna, which consists in the fact that a broadband continuous signal with linear frequency modulation is emitted, a reflected signal from the target is received, it is multiplied with a reference signal on the mixer, passes a band-pass filter to isolate the beat signal, is digitized in an analog-to-digital converter and enters the digital processing unit for synthesizing apertures rounds of the antenna, in addition, the received signal is divided into different channels according to the elevation angle according to the law of frequency scanning by the beam of the antenna system in the vertical plane. Separate signal processing is performed in each channel at an elevation angle: the window function is superimposed on the signal in range and azimuth, a two-dimensional Fourier transform is implemented, digital azimuth diagram formation is performed for side view. Then, the received signals in each channel in elevation are multiplied by the corresponding two-dimensional reference function in azimuth, which takes into account the nonlinear change in range to the target by expanding in the Taylor series and storing the first three terms, after which the inverse Fourier transform in azimuth is performed to obtain a focused image in each channel by the corner of the place. At the final stage, the channels are combined in elevation by correspondingly projecting the resulting points into a single Cartesian coordinate system. To do this, knowing the oblique range and the target position in azimuth (Y coordinate), the azimuth angle is calculated by the target, then by multiplying the oblique range by the cosine of the elevation angle and the cosine of the azimuth angle, the distance to the target along the Earth’s surface (X coordinate) is estimated by multiplying the oblique range the height of the object (Z coordinate) is estimated at the sine of the elevation angle. As a result, a three-dimensional image of the surrounding space is formed in XYZ coordinates for ground or low-flying radar platforms, in which the color intensity of the image is proportional to the reflectivity of the targets.
Структурная схема радара с частотным сканированием луча приведена на фиг. 1, на которой приняты следующие обозначения: 1 - передающая антенна (Пер); 2 - усилитель мощности (УМ); 3 - генератор сигнала с линейно-частотной модуляцией (Генератор ЛЧМ); 4 - приемная антенна (ПР); 5 - малошумящий усилитель мощности (МШУ); 6 - смеситель (СМ); 7 - полосовой фильтр (ПФ); 8 - усилитель с переменным усилением (УПУ); 9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 10 - Блок цифровой обработки сигнала (Блок обработки).A block diagram of a frequency scanning beam radar is shown in FIG. 1, on which the following notation is adopted: 1 - transmitting antenna (Per); 2 - power amplifier (PA); 3 - a signal generator with linear frequency modulation (LFM generator); 4 - receiving antenna (PR); 5 - low noise power amplifier (LNA); 6 - mixer (SM); 7 - band-pass filter (PF); 8 - amplifier with variable gain (UPA); 9 - analog-to-digital Converter (ADC); 10 - Digital Signal Processing Unit (Processing Unit).
Блок схема алгоритма обработки сигнала представлена на фиг. 2, на которой обозначено: 11 - формирование K каналов принятого сигнала по углу места; 12 - наложение на сигнал оконной функции по дальности и азимуту; 13 - двумерное преобразование Фурье по быстрому (вдоль дальности) и медленному (вдоль азимута) времени; 14 - цифровое диаграммообразование в азимутальной плоскости для бокового обзора; 15 - умножение сигнала на опорную функцию по азимуту; 16 - обратное преобразование Фурье по медленному времени; 17 - объединение каналов по углу места для формирования итогового трехмерного радиолокационного изображения.The block diagram of the signal processing algorithm is shown in FIG. 2, on which is indicated: 11 - the formation of K channels of the received signal by elevation; 12 - overlay on the signal window function in range and azimuth; 13 - two-dimensional Fourier transform for fast (along range) and slow (along azimuth) time; 14 is a digital azimuthal charting for a side view; 15 - multiplication of the signal by the reference function in azimuth; 16 is the inverse Fourier transform of slow time; 17 - the combination of channels in elevation to form the final three-dimensional radar image.
Подробное описание способа.Detailed description of the method.
В основе способа лежит идея извлечения информации о высоте объектов в радаре непрерывного излучения с синтезированной апертурой за счет частотного сканирования лучом (ЧКЛ) диаграммы направленности. Принцип ЧКЛ основан на том, что с изменением частоты опорного генератора эквивалентно изменяется электрическое расстояние между излучателями. Это приводит к изменению фазовых сдвигов между ними и, как следствие, к формированию определенного наклона фазового фронта антенной решетки. В результате главный лепесток ДН антенны отклоняется на заданный угол.The method is based on the idea of extracting information about the height of objects in a continuous-wave radar with a synthesized aperture due to the frequency beam scanning (ChKL) of the radiation pattern. The principle of CCL is based on the fact that with a change in the frequency of the reference oscillator, the electric distance between the emitters equivalently changes. This leads to a change in phase shifts between them and, as a result, to the formation of a certain slope of the phase front of the antenna array. As a result, the main lobe of the antenna beam is deflected by a predetermined angle.
Функциональная схема радара представлена на фиг. 1. Генератор сигнала с линейно-частотной модуляцией формирует непрерывный широкополосный сигнал малой длительности с периодическим линейным изменением частоты (односторонняя пила). Пройдя усилитель мощности (УМ) он излучается передающей антенной (Пер). Передающая антенна представляет собой антенную решетку, которая формирует узкий луч в вертикальной плоскости и широкий в горизонтальной. При этом за счет изменения частоты сигнала ЛЧМ луч передающей антенны меняет свою ориентацию в вертикальной плоскости, осуществляя сканирование в заданном секторе углов по вертикали. Излученный сигнал с периодом модуляции T и полосой Δƒ записывается в виде функции от времениA functional diagram of the radar is shown in FIG. 1. The signal generator with linear frequency modulation generates a continuous broadband signal of short duration with a periodic linear change in frequency (one-sided saw). Having passed the power amplifier (PA), it is radiated by a transmitting antenna (Per). The transmitting antenna is an antenna array that forms a narrow beam in the vertical plane and wide in the horizontal. In this case, due to a change in the frequency of the LFM signal, the beam of the transmitting antenna changes its orientation in the vertical plane, scanning in a given sector of angles vertically. The emitted signal with a modulation period T and a band Δƒ is recorded as a function of time
где k=Δƒ/T - крутизна ЛЧМ модуляции, ƒ0 - несущая частота.Where k = Δƒ / T is the slope of the LFM modulation, ƒ 0 is the carrier frequency.
Сигнал, отраженный от цели на дальности R0, поступает на вход приемной антенны (Пр) и описывается следующим выражением:The signal reflected from the target at a range of R 0 is fed to the input of the receiving antenna (Pr) and is described by the following expression:
где σ характеризует отражательные характеристики цели, - временная задержка сигнала.where σ characterizes the reflective characteristics of the target, - time delay of the signal.
Принятый сигнал проходит малошумящий усилитель мощности (МШУ) и поступает на смеситель (СМ). В смесителе осуществляется перемножение излученного и принятого сигналов, на выходе получается сигнал разностной и суммарных частот. С выхода смесителя сигнал поступает на полосовой фильтр (ПФ), который выполняет фильтрацию сигнала разностной частоты. Получаем сигнал биений:The received signal passes through a low-noise power amplifier (LNA) and enters the mixer (SM). In the mixer, the emitted and received signals are multiplied, the output signal is the difference and total frequencies. From the output of the mixer, the signal goes to a band-pass filter (PF), which performs filtering of the difference frequency signal. We get a beat signal:
где А - эквивалентный амплитудный множитель.where A is the equivalent amplitude factor.
Этот сигнал усиливается в усилителе с переменным усилением (УПУ), оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с частотой ƒ, и поступает в блок обработки. Отсчеты оцифрованного сигнала записываются в видеThis signal is amplified in a variable gain amplifier (VGA), digitized by an analog-to-digital converter (ADC) with a frequency of ƒ, and enters the processing unit. Samples of the digitized signal are recorded as
где Δt=1/ƒs - шаг дискретизации по времени.where Δt = 1 / ƒ s is the time discretization step.
Приемная антенная решетка в вертикальной плоскости формирует узкий луч, положение которого меняется по углу места с изменением частоты сигнала. В горизонтальной плоскости она имеет М каналов. Таким образом, в блок обработки поступает М сигналов биений, которые можно представить матрицей данных размером [М, N], где N - количество точек оцифрованного сигнала биений за один период модуляции сигнала. Следует отметить, что значение М обычно мало, поскольку по азимуту необходимо обеспечить широкую ДН для возможности синтезирования апертуры большого размера. В блоке обработки каждый период принятого сигнала биений делится на K временных отрезка. При этом получается, что каждый отрезок из Р=N/K точек соответствует определенному положению луча в вертикальной плоскости (по углу места). Выбор значения K зависит от компромисса между относительной постоянности положения луча по углу места за длительность одного парциального отрезка времени, равного τ=N/(K⋅ƒs), и желаемым сохранением приемлемого разрешения по дальности, которое равно δr≈K⋅c/(2Δƒ). В результате получаем трехмерную матрицу значений оцифрованного сигнала размерностью [М,Р,K]. На эту сигнальную матрицу накладывается оконная функция для снижения уровня боковых лепестков отклика сигнала. Далее в каждом из K каналов по углу места выполняется преобразование Фурье по времени (вдоль М строк сигнальной матрицы) и по азимуту (вдоль Р столбцов). В результате для каждого из K срезов по высоте (по углу места) получается радиолокационное изображение с хорошим разрешением по дальности и относительно плохим по азимуту.The receiving antenna array in the vertical plane forms a narrow beam, the position of which changes in elevation with a change in the signal frequency. In the horizontal plane, it has M channels. Thus, the processing unit receives M beat signals, which can be represented by a data matrix of size [M, N], where N is the number of points of the digitized beat signal for one period of signal modulation. It should be noted that the value of M is usually small, because in azimuth it is necessary to provide a wide MD for the possibility of synthesizing a large aperture. In the processing unit, each period of the received beat signal is divided into K time intervals. It turns out that each segment of P = N / K points corresponds to a certain position of the beam in the vertical plane (elevation angle). The choice of the K value depends on a compromise between the relative constancy of the beam position in elevation over the duration of one partial time interval equal to τ = N / (K) s ) and the desired preservation of an acceptable range resolution, which is equal to δr≈K⋅c / ( 2Δƒ). As a result, we obtain a three-dimensional matrix of values of the digitized signal with the dimension [M, P, K]. A window function is superimposed on this signal matrix to reduce the level of the side lobes of the signal response. Then, in each of the K channels, according to the elevation angle, the Fourier transform is performed in time (along M rows of the signal matrix) and in azimuth (along P columns). As a result, for each of K sections in height (in elevation), a radar image is obtained with good resolution in range and relatively poor in azimuth.
При получении пачки из S таких радиолокационных сигналов (изображений), с целью улучшения разрешения по азимуту, осуществляется синтез апертуры антенны для каждого канала по углу места. В качестве алгоритма синтезирования используется Range Doppler Algorithm (RDA). Поскольку при этом обрабатывается сразу пачка импульсов, то сигнал биений описывается двумерной функцией (1.1). Для упрощения математических выкладок огибающая сигнала по азимуту полагается прямоугольной формы с амплитудным уровнем равным единице.When receiving a pack of S of such radar signals (images), in order to improve the azimuth resolution, the antenna aperture is synthesized for each channel in elevation. The synthesis algorithm used is the Range Doppler Algorithm (RDA). Since a burst of pulses is processed immediately, the beat signal is described by the two-dimensional function (1.1). To simplify the mathematical calculations, the signal envelope in azimuth is assumed to be rectangular in shape with an amplitude level equal to unity.
где t - время по дальности (быстрое время), η - время по азимуту (медленное время), ηc - время наступления нулевого доплера; T a - время синтезирования.where t is the time in range (fast time), η is the time in azimuth (slow time), η c is the time of the onset of zero Doppler; T a is the synthesis time.
Задержка сигнала зависит от медленного времени и рассчитывается по формуле:The signal delay depends on the slow time and is calculated by the formula:
где R(η) - мгновенная наклонная дальность; R0 - кратчайшая дальность между радаром и целью ν - скорость радара.where R (η) is the instantaneous slant range; R 0 is the shortest distance between the radar and the target ν is the speed of the radar.
Геометрия системы представлена на фиг. 3.The geometry of the system is shown in FIG. 3.
Последняя экспонента в (1.1) известна как остаточная видеофаза (RVP). При малой ширине ДН по азимуту и малом угле скоса ею можно пренебречь, а в противном случае устранить. После устранения остаточной видеофазы получаем выражениеThe last exponent in (1.1) is known as the residual video phase (RVP). With a small beam width in azimuth and a small bevel angle, it can be neglected, and otherwise eliminated. After eliminating the residual video phase, we obtain the expression
В алгоритме RDA на первом шаге выполняется преобразование Фурье вдоль быстрого времени, получается сигнал видаIn the RDA algorithm, at the first step, the Fourier transform is performed along the fast time; a signal of the form
где Where
Затем выполняется преобразование Фурье вдоль медленного времени и получается двумерный сигнал в частотной областиThen the Fourier transform is performed along the slow time and a two-dimensional signal is obtained in the frequency domain
Из (1.2) видно, что изображение по дальности сжато, при этом пик функции Котельникова меняет свое положение от азимута (от азимутальной частоты ƒη). Зависимость сдвига по дальности от азимута называется миграцией по дальности (RCM - Range cell migration) и он равен:It is seen from (1.2) that the image is compressed in range, while the peak of the Kotelnikov function changes its position from the azimuth (from the azimuthal frequency ƒ η ). The dependence of the range shift on the azimuth is called Range Migration (RCM) and it is equal to:
При малой ширине ДН по азимуту и малом угле скоса миграцией можно пренебречь, а в противном случае устранить. Для сжатия сигнала по азимуту, его нужно пропустить через согласованный фильтр, который имеет следующую частотную характеристику:With a small beam width in azimuth and a small angle of inclination, migration can be neglected, otherwise eliminated. To compress the signal in azimuth, it must be passed through a matched filter, which has the following frequency response:
Опорная функция учитывает нелинейное изменение дальности до цели путем разложения в ряд Тейлора и сохранения первых трех слагаемых [7].The support function takes into account a nonlinear change in the range to the target by expanding into a Taylor series and preserving the first three terms [7].
В результате получаем сигнал вида:As a result, we obtain a signal of the form:
Обратное преобразование Фурье вдоль медленного времени дает итоговое изображение i-й точечной цели:The inverse Fourier transform along the slow time gives the final image of the i-th point target:
Выражение (1.3) характеризует двумерный отклик, который представляет собой произведение двух функций Котельникова. Положение максимума двумерной функции вдоль оси X пропорционально наклонной дальности до цели, а вдоль оси Y - положению, при котором фиксировался нулевой доплер (радар был напротив цели). Последняя экспонента имеет постоянную фазу, но она не влияет на абсолютное значение отклика.Expression (1.3) characterizes the two-dimensional response, which is the product of two Kotelnikov functions. The position of the maximum of the two-dimensional function along the X axis is proportional to the slant range to the target, and along the Y axis to the position at which zero Doppler was recorded (the radar was opposite the target). The last exponent has a constant phase, but it does not affect the absolute value of the response.
Получая набор двумерных изображений «дальность-азимут» для каждого положения ДН по углу места, формируется итоговое трехмерное изображение «дальность-азимут-высота». При этом проекция наклонной дальности осуществляется с учетом знаний о центральном угловом положении каждого луча, а высота отраженных объектов приравнивается высоте центра луча для каждой дальности:Obtaining a set of two-dimensional images "range-azimuth" for each position of the beam along the elevation angle, the resulting three-dimensional image "range-azimuth-height" is formed. In this case, the projection of the inclined range is carried out taking into account the knowledge of the central angular position of each beam, and the height of the reflected objects is equal to the height of the center of the beam for each range:
где R0 - оценка наклонной дальности до цели; Y - оценка положения цели по азимуту, полученная по сжатому после синтеза апертуры изображению; γ - центр оси ДН по углу места при текущей ориентации луча в вертикальной плоскости; Z - высота объекта.where R 0 is the estimate of the slant range to the target; Y is the target position estimate in azimuth obtained from the image compressed after the synthesis of the aperture; γ is the center of the axis of the beam along the elevation at the current orientation of the beam in the vertical plane; Z is the height of the object.
Геометрия расположения цели показана на фиг. 4.The geometry of the target location is shown in FIG. 4.
Таким образом, имея после синтеза апертуры оценки наклонной дальности R0 до цели и ее положения по азимуту Y, восстанавливается ее координата по оси X и высота Z. В результате от каждого отражателя получаем точку в трехмерном координатном пространстве XYZ, амплитуда которой пропорциональна отражательной характеристике объекта.Thus, having synthesized an aperture of estimated oblique range R 0 to the target and its position in azimuth Y, its coordinate along the X axis and height Z is restored. As a result, from each reflector we get a point in the three-dimensional coordinate space XYZ, the amplitude of which is proportional to the reflective characteristic of the object .
Предлагаемый способ увеличивает информативность радиолокационного изображения, по сравнению с системой, описанной в способе-прототипе, поскольку подразумевает применение антенн с частотным сканированием луча с последующей обработкой принятых сигналов, позволяющее извлечь информацию о высотном профиле окружающих объектов, а значит построить трехмерное изображение. Повышение информативности достигается за счет объединения парциальных сигналов, полученных при разных положениях ДН антенны по мере частотного сканирования луча и добавления к плоскому изображению азимут-дальность дополнительной оси по высоте по сравнению со способом-прототипом, который обеспечивает построение только в плоскости азимут-дальность.The proposed method increases the information content of the radar image, compared with the system described in the prototype method, since it involves the use of antennas with frequency scanning of the beam with subsequent processing of the received signals, which allows to extract information about the altitude profile of surrounding objects, and therefore build a three-dimensional image. An increase in information content is achieved by combining partial signals received at different positions of the antenna beam as the beam is frequency-scanned and the azimuth-distance of the additional axis in height is added to the flat image in comparison with the prototype method, which provides construction only in the azimuth-range plane.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Патент ЕС №3264131 А1, МПК G01S 13/34. A vehicle radar for environmental detection1. EU patent No. 3264131 A1,
2. Шишанов С.В., Мякиньков А.В. Возможности применения метода частотного качания луча диаграммы направленности антенны в автомобильном радаре // Информационные системы и технологии: доклады международной научно-технической конференции, 2014 г. - С. 42-43.2. Shishanov S.V., Myakinkov A.V. Possibilities of applying the method of frequency swing of the beam of the antenna radiation pattern in the automobile radar // Information systems and technologies: reports of the international scientific and technical conference, 2014 - P. 42-43.
3. Патент США №8362946, МПК G01S 13/89. Millimeter wave surface imaging radar system.3. US patent No. 8362946,
4. Патент США №7019682, МПК G01S 13/89. Imaging millimeter wave radar system.4. US patent No. 7019682,
5. Патент США №6741202, МПК G01S 13/90. Techniques for 3-dimensional synthetic aperture radar.5. US patent No. 6741202,
6. Патент РФ №266450, МПК G01S 13/90. Устройство радиолокационной станции с непрерывным линейно-частотно-модулированным сигналом и синтезом апертуры.6. RF patent No. 266450,
7. Авиационные системы радиовидения. Монография. / Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: «Радиотехника», 2015.7. Aircraft radio-vision systems. Monograph. / Ed. G.S. Kondratenkova. - M.: “Radio Engineering”, 2015.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019113712A RU2709623C1 (en) | 2019-04-30 | 2019-04-30 | Method of obtaining a three-dimensional image in a side-scan radar with synthesizing an antenna aperture |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019113712A RU2709623C1 (en) | 2019-04-30 | 2019-04-30 | Method of obtaining a three-dimensional image in a side-scan radar with synthesizing an antenna aperture |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2709623C1 true RU2709623C1 (en) | 2019-12-19 |
Family
ID=69006638
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019113712A RU2709623C1 (en) | 2019-04-30 | 2019-04-30 | Method of obtaining a three-dimensional image in a side-scan radar with synthesizing an antenna aperture |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2709623C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111223172A (en) * | 2020-01-10 | 2020-06-02 | 成都中科合迅科技有限公司 | Method, device and storage medium for drawing and fusing radar detection ranges |
CN114895303A (en) * | 2022-04-13 | 2022-08-12 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | High-precision synthetic angle measurement method for distributed radar |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0978730A2 (en) * | 1998-08-04 | 2000-02-09 | Japan Radio Co., Ltd | Three-dimensional radar apparatus and method for displaying three-dimensional radar image |
JP2007078398A (en) * | 2005-09-12 | 2007-03-29 | Toshiba Corp | Display for image of synthetic aperture radar |
WO2012120137A1 (en) * | 2011-03-10 | 2012-09-13 | Astrium Limited | Sar data processing |
US8362946B2 (en) * | 2008-10-03 | 2013-01-29 | Trex Enterprises Corp. | Millimeter wave surface imaging radar system |
RU2511216C1 (en) * | 2012-12-17 | 2014-04-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Method of generating image of surface in synthetic aperture radar station |
RU2569843C1 (en) * | 2014-11-25 | 2015-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Method of forming three-dimensional image of earth's surface in on-board doppler radar station with linear antenna array |
RU2632898C1 (en) * | 2016-02-08 | 2017-10-11 | Закрытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт современных телекоммуникационных технологий" | Method of forming radar image in radar station with synthesized antenna aperture |
RU2661941C1 (en) * | 2017-12-14 | 2018-07-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Method for radar imaging using the radar station with the synthesized aperture |
-
2019
- 2019-04-30 RU RU2019113712A patent/RU2709623C1/en active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0978730A2 (en) * | 1998-08-04 | 2000-02-09 | Japan Radio Co., Ltd | Three-dimensional radar apparatus and method for displaying three-dimensional radar image |
JP2007078398A (en) * | 2005-09-12 | 2007-03-29 | Toshiba Corp | Display for image of synthetic aperture radar |
US8362946B2 (en) * | 2008-10-03 | 2013-01-29 | Trex Enterprises Corp. | Millimeter wave surface imaging radar system |
WO2012120137A1 (en) * | 2011-03-10 | 2012-09-13 | Astrium Limited | Sar data processing |
RU2511216C1 (en) * | 2012-12-17 | 2014-04-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Method of generating image of surface in synthetic aperture radar station |
RU2569843C1 (en) * | 2014-11-25 | 2015-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Method of forming three-dimensional image of earth's surface in on-board doppler radar station with linear antenna array |
RU2632898C1 (en) * | 2016-02-08 | 2017-10-11 | Закрытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт современных телекоммуникационных технологий" | Method of forming radar image in radar station with synthesized antenna aperture |
RU2661941C1 (en) * | 2017-12-14 | 2018-07-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Method for radar imaging using the radar station with the synthesized aperture |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111223172A (en) * | 2020-01-10 | 2020-06-02 | 成都中科合迅科技有限公司 | Method, device and storage medium for drawing and fusing radar detection ranges |
CN111223172B (en) * | 2020-01-10 | 2023-06-30 | 成都中科合迅科技有限公司 | Radar detection range drawing and fusing method, equipment and storage medium |
CN114895303A (en) * | 2022-04-13 | 2022-08-12 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | High-precision synthetic angle measurement method for distributed radar |
CN114895303B (en) * | 2022-04-13 | 2024-05-07 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | High-precision synthetic angle measurement method for distributed radar |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5900833A (en) | Imaging radar suitable for material penetration | |
Krieger et al. | Sector imaging radar for enhanced vision | |
RU2709484C1 (en) | Method of obtaining three-dimensional image in radar of frontal-view with synthesis of antenna aperture | |
US20110006944A1 (en) | Computationally efficent radar processing method and sytem for sar and gmti on a slow moving platform | |
US20090079621A1 (en) | High-resolution synthetic aperture radar device and antenna for one such radar | |
Rouveure et al. | PELICAN: Panoramic millimeter-wave radar for perception in mobile robotics applications, Part 1: Principles of FMCW radar and of 2D image construction | |
RU2709623C1 (en) | Method of obtaining a three-dimensional image in a side-scan radar with synthesizing an antenna aperture | |
Davis et al. | Technical challenges in ultra-wideband radar development for target detection and terrain mapping | |
CN107192992B (en) | Radar calibration method, calibrator, radar device and system | |
Walterscheid et al. | Multistatic and multi-aspect SAR data acquisition to improve image interpretation | |
Jędrzejewski et al. | Experimental trials of space object detection using LOFAR radio telescope as a receiver in passive radar | |
US10705201B1 (en) | Radar beam sharpening system and method | |
Shoykhetbrod et al. | Concept for a fast tracking 60 GHz 3D-radar using frequency scanning antennas | |
US6650274B1 (en) | Radar imaging system and method | |
Doerry | Introduction to synthetic aperture radar | |
JP5035782B2 (en) | Split beam synthetic aperture radar | |
Hosseiny et al. | Range migration algorithm in the processing chain of signals of a ground-based sar sensor | |
RU2709483C1 (en) | Method of dynamic variation of capture band width in radar of continuous radiation with synthesis of antenna aperture | |
Tospann et al. | Multifunction 35-ghz fmcw radar with frequency scanning antenna for synthetic vision applications | |
RU2626012C1 (en) | Method of ground mapping by airborne radar | |
RU2640406C1 (en) | Method of ground mapping of onboard radar in front review sector | |
Brotzer et al. | Drone With Integrated Moving Baseline System and Time Domain Autofocus Algorithm for High Resolution SAR Images | |
McLinden et al. | Utilizing versatile transmission waveforms to mitigate pulse-compression range sidelobes with the HIWRAP radar | |
Cooper et al. | A W-band comet-jet Doppler radar prototype | |
Magnard et al. | High resolution MEMPHIS SAR data processing and applications |