机载SAR系统设计
这个例子展示了如何设计一个合成孔径雷达(SAR)传感器在x波段操作,计算出传感器的参数。SAR使用雷达天线的运动对目标地区提供目标区域的图像。当创建一个合成孔径SAR平台在目标地区旅行,而脉冲雷达天线的传输和接收。
这个例子着重于设计一个SAR传感器满足一组性能参数。它概述了翻译的步骤的性能规格,如方位分辨率和检测的概率,为SAR系统参数,如天线尺寸和传输能量。模型设计参数stripmap和聚光灯的操作模式。stripmap操作相比,焦点模式可以提供更高的分辨率,更强的信号从现场的成本降低场景成像速率大小或区域。这个例子也方位线性调频信号的参数模型。
下图分类的各种系统和性能参数。这个例子包括函数选择系统参数满足性能参数。
设计规范
该机载SAR系统的目标是提供一个图像目标区域的距离10公里的距离和方位分辨率机载平台1 m。平台操作海拔5公里和100 m / s的速度移动。所需的性能指标检测的概率(Pd)和概率的假警报(Pfa)。Pd的值必须是0.9或更高版本。必须小于1 e-6 Pfa值。
slantrngres = 1;%需要倾斜距离分辨率(m)azres = 1;%需要方位分辨率(m)maxrng = 10 e3;%最大明确倾斜范围(米)pd = 0.9;%的概率检测pfa = 1 e-6;%的概率假警报v = 100;%的速度(米/秒)h = 5000;%雷达高度(米)
机载SAR系统设计
系统参数和合成孔径长度一样,积分时间,覆盖率,波束宽度stripmap以及焦点模式,和信号带宽是关键参数,定义了SAR系统的作战能力。这些参数确保SAR系统涵盖了感兴趣的区域宽梁计算的积分时间。计算信号的带宽满足所需的距离分辨率。
信号配置
计算SAR系统参数,首先必须知道传播信号的波长,这是逆相关系统的工作频率。对于这个示例,将工作频率设置为10 GHz也就是典型的机载SAR系统。
使用freq2wavelen函数来计算传播信号的波长。
频率= 10 e9;%在x波段雷达频率(赫兹)λ= freq2wavelen(频率)%波长(m)
λ= 0.0300
信号带宽地图斜距离分辨率的SAR斜距离分辨率是区分两个目标所需的因素隔开一段距离。倾斜范围解析给你所需的最小范围差异区分两个目标。使用rangeres2bw计算信号带宽的函数,它是由倾斜范围决定的决议。
pulse_bw = rangeres2bw (slantrngres)%脉冲带宽(赫兹)
pulse_bw = 149896229
Stripmap SAR模式
Stripmap SAR模式假设一个固定的雷达天线的指向方向相对运动的方向的平台。本例中的天线指向侧向方向。
天线方向
俯角通常用来定义天线指向方向立面图。这个例子假定地球是平的,这样俯视角是一样的掠射角。
使用grazingang函数计算入射余角的视线范围内。
grazang = grazingang (h, maxrng,“平”)%掠射角(度)
grazang = 30.0000
天线方位尺寸
接下来,使用sarlen和sarazres函数来分析和计算合成孔径长度及其选择天线方位角的方位分辨率维度。情节合成长度作为横向距离分辨率的函数。情节天线方位维的函数合成长度。
dazv = [1 1.5 - 2 2.5 - 3];%天线方位尺寸(米)striplenv = 0(1,元素个数(dazv));stripazresv = 0(1,元素个数(dazv));为i = 1:元素个数(dazv) striplenv (i) = sarlen(λ,maxrng dazv(我));stripazresv (i) = sarazres(λ,maxrng striplenv(我));结束helperPlotStripmapMode (stripazresv striplenv、dazv azres)
数据显示,149.9的合成孔径长度stripmap模式是一个很好的价值以满足所需的方位分辨率1 m。最小的天线方位尺寸您可以使用stripmap模式在这种情况下是2米。降低天线方位尺寸获得方位分辨率比1 m stripmap模式。
设定合成孔径长度为149.9 m stripmap模式和天线方位尺寸2米。
戴兹= 2
戴兹= 2
striplen = 149.9
striplen = 149.9000
天线高度尺寸
接下来,确定所需的天线仰角维度基于片长度。对于这个示例,假设所需的片长度2.4公里。
使用aperture2swath函数来分析片长度选择天线仰角维度。
rngswath = 2400;delv = (0.15 0.2 - 0.25 0.3 - 0.35);%标高尺寸(米)rangeswathv = 0(1,元素个数(delv));为i = 1:元素个数(delv) [rangeswathv(我),crngswath] = aperture2swath(λ,maxrng [delv(我)戴兹],grazang);结束clf情节(rangeswathv delv)网格在参照线(rngswath“-”。,{[num2str(圆(rngswath, 2)),“米”]});%选择地带包含(“片长度(m)”)ylabel (“天线仰角维度(m)”)
图表明,天线高度尺寸0.25是合适的给一片的长度2400米。
将天线高度尺寸设置为0.25。
德尔= 0.25
德尔= 0.2500
真正的天线波束宽度和增益
使用ap2beamwidth函数来计算实际天线波束宽度。
realAntBeamwidth = ap2beamwidth(戴兹德尔,λ)% (Az El)(度)
realAntBeamwidth =2×10.8588 - 6.8707
使用aperture2gain函数来计算天线增益。
antGain = aperture2gain(戴兹*▽,λ)% dBi
antGain = 38.4454
合成波束宽度、处理时间和约束
接下来,使用sarbeamwidth,sarinttime,sarmaxcovrate,sarmaxswath函数计算合成波束宽度、积分时间区域覆盖率,长度和最大区域。请注意,SAR系统的方位波束宽度远小于真实孔径雷达的方位波束宽度。
stripsynbw = sarbeamwidth(λ,striplen);%合成波束宽度(度)stripinttime = sarinttime (v, striplen);%的集成时间(年代)stripcovrate = sarmaxcovrate (azres grazang);%上限覆盖率(m ^ 2 /秒)stripswlen = sarmaxswath (v, azres grazang);%上限片长度(米)RealAntenna = [realAntBeamwidth (1);南;南;南);参数= [“合成波束宽度”;“集成”;“区域覆盖率上限”;…“片长度上限”];StripmapSAR = [stripsynbw; stripinttime;轮(stripcovrate / 1 e6, 1);轮(stripswlen / 1 e3)];单位= [“度”;“s”;“公里^ 2 / s”;“公里”];sarparams =表(参数、RealAntenna StripmapSAR、单位)
sarparams =4×4表参数RealAntenna StripmapSAR单位___________________________________ ___________ ___________ _____”合成波束宽度0.85884 - 0.0057294“度”“集成”南1.499“s”“上限区域覆盖率”南173.1公里^ 2 / s”“片长度上限”南1731公里”
最大程度的使用SAR方位分辨率在这种情况下是1米。然而,为了实现这一性能,脉冲需要集成了1.5秒。区域覆盖率上的上限是173 / s。最大片长度的上限是1731公里。
Spotlight SAR模式
聚光灯下SAR能够延长SAR成像能力显著高分辨率成像。这是可能的,因为聚光灯下模式确保了雷达天线斜眼瞬间在该地区被成像从而照亮目标地区长期相比stripmap模式。
连贯的整合角度
的方位分辨率stripmap模式在本例中是1米。聚光灯下的分辨率模式通常是表达的连贯的整合角度雷达孔径向量作为平台的遍历合成孔径长度。
使用sarintang和sarlen函数计算相干集成角度和合成孔径长度。
azres ciang = sarintang(λ)%(度)
ciang = 0.8589
len = sarlen (maxrng,“CoherentIntegrationAngle”ciang)% (m)
len = 149.8976
最好的方位分辨率stripmap模式是1米的天线方位尺寸2米。使用相同的天线方位尺寸2米获得更好的方位分辨率0.5年的焦点模式。在聚光灯下模式,引导雷达波束的目标,从而形成一个较长的时间内再合成孔径。
接下来,使用sarlen和sarazres功能分析合成孔径长度和角度对不同的方位分辨率一致的集成。
spotazres = 0.5;%在聚光灯下SAR方位分辨率(m)intangv = 1:0.01:2.5;%的集成角度(度)spotlenv = 0(1,元素个数(intangv));spotazresv = 0(1,元素个数(intangv));为i = 1:元素个数(intangv) spotlenv (i) = sarlen (maxrng,“CoherentIntegrationAngle”intangv(我));spotazresv (i) = sarazres(λ,maxrng spotlenv(我));结束helperPlotSpotlightMode (spotazresv spotlenv、intangv spotazres)
图表明在聚光灯下SAR模式下,合成孔径长度300米的焦点模式对应的方位分辨率0.5米。为一个连贯的集成角1.71度,聚光灯下的方位分辨率模式是0.5米。重要的是要注意,减少天线方位尺寸获得类似的方位分辨率stripmap模式。
设定合成孔径长度为300米,聚光灯下的相干集成角度1.71度模式。
spotlen = 300
spotlen = 300
intang = 1.71
intang = 1.7100
合成波束宽度、处理时间和约束
stripmap模式相比,焦点模式可以提供更高的分辨率,更强的信号从现场的成本降低场景成像速率大小或区域。
使用sarbeamwidth,sarinttime,sarmaxcovrate,sarmaxswath函数计算合成波束宽度、积分时间区域覆盖率,长度和最大区域。注意到区域覆盖率和聚光灯下SAR系统最大片长度远小于stripmap模式。
spotsynbw = sarbeamwidth(λ,spotlen);%合成波束宽度(度)spotinttime = sarinttime (v, spotlen);%的集成时间(年代)spotcovrate = sarmaxcovrate (spotazres grazang);%上限覆盖率(m ^ 2 /秒)spotswlen = sarmaxswath (v, spotazres grazang);%上限片长度(米)SpotlightSAR = [spotsynbw; spotinttime;轮(spotcovrate / 1 e6, 1);轮(spotswlen / 1 e3)];sar =表(参数、StripmapSAR SpotlightSAR、单位)
sar =4×4表参数StripmapSAR SpotlightSAR单位___________________________________ ___________ _______ _____”合成波束宽度0.0057294 - 0.0028628“度”“集成”1.499 - 3“s”“上限区域覆盖率”173.1 - 86.5公里^ 2 / s”“片长度上限”1731 865“公里”
方位线性调频信号参数
确定方位的线性调频信号参数的方位啁啾率、多普勒带宽,光束压缩比和方位dechirp后带宽。你可以推导出方位时间带宽积。这些都是重要的设计方位的精确合成孔径处理机制。
使用sarchirprate函数计算方位啁啾率、方位信号变化频率的速度传感器照亮一个散射体。
azchirp = sarchirprate (maxrngλ,v);% (Hz / s)
分析方位啁啾率敏感性和多普勒锥角变化范围。情节表明增加雷达的明确范围减少了方位啁啾率。
dcang = 60:1:120;%多普勒锥角(度)rngv = 1 e3:100: maxrng;azchirpv = 0(长度(dcang), (rngv));为i = 1:长度(dcang) azchirpv(我:)= sarchirprate (rngv,λ,v, dcang(我));结束clf网(rngv / 1 e3, dcang azchirpv)包含(的距离(公里))ylabel (“多普勒锥角(度))zlabel (“方位啁啾率(Hz / s)”)视图(45 [45]);
使用sarscenedopbw函数计算方位距离后现场带宽。假设一个场景的大小916米。
佤邦= 916;bwdechirp = sarscenedopbw (maxrng,λ,v, Wa);%(赫兹)
分析现场对多普勒带宽敏感锥角的变化。
bwdechirpv = 0(长度(dcang), 1);为i = 1:长度(dcang) bwdechirpv(我:)= sarscenedopbw (maxrngλ,v,佤邦,dcang(我));结束clf情节(dcang bwdechirpv)网格在包含(“多普勒锥角(度))ylabel (“方位带宽Dechirp(赫兹))
接下来,使用sarpointdopbw和sarbeamcompratio函数来计算接收信号的多普勒带宽从一个点散射体和光束压缩比。注意,多普勒带宽,和梁压缩比spotlight SAR模式远比stripmap SAR模式。
% Stripmap SAR模式stripbwchirp = sarpointdopbw (v, azres);%(赫兹)striptbwaz = bwdechirp * stripinttime;%无单位stripbcr = sarbeamcompratio (maxrng,λ,striplen Wa);%无单位% Spotlight SAR模式spotbwchirp = sarpointdopbw (v, spotazres);%(赫兹)spottbwaz = bwdechirp * spotinttime;%无单位spotbcr = sarbeamcompratio (maxrng,λ,spotlen Wa);%无单位参数= [“点散射体的多普勒带宽”;“方位时间带宽产品”;…“梁压缩比”;“方位啁啾率”;“Dechirp后方位带宽”];StripmapSAR = [stripbwchirp; striptbwaz; stripbcr;轮(azchirp); bwdechirp);SpotlightSAR = [spotbwchirp;轮(spottbwaz);轮(spotbcr);轮(azchirp); bwdechirp);单位= [“赫兹”;“无单位”;“无单位”;“赫兹/ s”;“赫兹”];r =表(参数、StripmapSAR SpotlightSAR、单位)
r =5×4表参数StripmapSAR SpotlightSAR单位________________________________________ ___________ _______ __________“点散射体的多普勒带宽”100 200“赫兹”916.02“方位时间带宽产品”1833“无单位”“梁压缩比916.02 1833 67年“无单位”“方位啁啾率”67“Hz / s”“Dechirp后方位带宽”611.09 - 611.09“赫兹”
SAR功率计算
估计的峰值功率必须使用的权力形式传输雷达方程stripmap SAR模式。所需的峰值功率取决于许多因素,包括最大的明确的范围,在接收机所需的信噪比,和波形的脉冲宽度。在这些因素中,在接收机所需的信噪比是由Pd和Pfa的设计目标。模型和估计目标RCS,脉冲重复频率,不同来源的得失雷达系统和它的环境。
接收信噪比
首先,计算在接收机所需的信噪比。Pd的关系、Pfa和信噪比可以最好由接收机工作特性曲线(ROC)。
snr_db =[负0、3、10、13);rocsnr (snr_db);
中华民国曲线表明,满足设计目标的Pfa = 1 e-6 Pd = 0.9,接收信号的信噪比必须超过13分贝。你可以猜测信噪比的值通过观察情节,但只计算所需的值更简单。使用albersheim函数,得到所需的信噪比。
pfa snr_min = albersheim (pd)
snr_min = 13.1145
目标RCS
使用landreflectivity函数计算反射率,规范化的雷达截面(nrc)对于一个给定的掠射角和操作频率。然后计算出目标RCS在地面图像平面上使用sarSurfaceRCS函数,考虑到雷达分辨率。
landType =“顺利”;nrc = landreflectivity (landType grazang频率);%计算光滑的土地没有植被的规范化的RCStgtrcs = sarSurfaceRCS (nrc, [slantrngres azres], grazang);
上、下脉冲重复频率范围
使用sarprfbounds函数来确定最小和最大脉冲重复频率值范围片和方位分辨率雷达速度和掠射角。
[prfminv, prfmax] = sarprfbounds (v, azres、rngswath grazang)
prfminv = 100
prfmax = 6.7268 e + 04
脉冲重复频率的选择
PRF通常是可编程的,可以为每个应用程序进行了优化。使用sarprf函数来计算基于雷达的雷达脉冲重复频率的速度和真正的天线尺寸沿方位。指定一个常数碾轧因素作为一个安全裕度,以防止mainlobe返回脉冲重复频率混叠的间隔。如果PRF设置太低,雷达光栅叶和多普勒模糊。如果PRF设置过高,测量范围将是模棱两可的。
脉冲重复频率= sarprf (v,戴兹,的滚边,1.5)
脉冲重复频率= 150
选中的脉冲重复频率脉冲重复频率范围内。
处理收益
使用matchinggain函数计算处理增益范围由于噪声带宽减少匹配滤波器。
d = 0.05;% 5%工作周期pw =(1 /脉冲重复频率)* d;%有效脉冲宽度(s)pulse_bw rnggain = matchinggain (pw)%范围处理增益(dB)
rnggain = 46.9867
使用sarazgain函数计算方位处理增益由于相干脉冲的集成。
azgain = sarazgain (azres maxrngλ,v,脉冲重复频率);% Az处理增益(dB)
损失和噪声系数
使用noisefigure函数来估计噪声的级联接收器阶段。假设七阶段以下值:
第一阶段采用:图= 1.0分贝噪音,获得= 15.0
第二阶段射频滤波器:图= 0.5分贝噪音,获得= -0.5
第三阶段混合器:图= 5.0分贝噪音,获得= -7.0
第四阶段如果过滤器:图= 1.0分贝噪音,获得= -1.0
第五阶段如果前置放大器:图= 0.6分贝噪音,获得= 15.0
阶段6如果阶段:图= 1.0分贝噪音,获得= 20.0
阶段7阶段探测器:图= 6.0分贝噪音,获得= -5.0
nf = (1.0, 0.5, 5.0, 1.0, 0.6, 1.0, 6.0);% dBg = (15.0, -0.5, -7.0, -1.0, 15.0, 20.0, -5.0);% dBcnf = noisefigure (nf, g)
cnf = 1.5252
使用radarpropfactor函数计算单向雷达传播因素在光滑的土地。
[hgtsd, beta0 vegType] = landroughness (“顺利”);tgtheight = hgtsd;Re = effearthradius (maxrng h, tgtheight);propf = radarpropfactor (maxrng、频率、h、tgtheight“EffectiveEarthradius”再保险,“TiltAngle”grazang,…“ElevationBeamwidth”realAntBeamwidth (2)“SurfaceHeightStandardDeviation”hgtsd,“SurfaceSlope”beta0,…“VegetationType”vegType)
propf = -0.0042
使用tropopl函数来计算大气气体吸收损失。
atmoLoss = tropopl (maxrng频率、tgtheight grazang)
atmoLoss = 0.0731
传输能量
使用radareqsarpow函数计算峰值功率与SAR雷达方程。您还可以指定额外的损失和因素,包括方位波束形状损失,窗口损失,传输损耗,和接收线损失。估计的光束形状的损失beamloss功能,使用5 dB为所有其他固定损失的总和。对于这一分析,指定landType为“光滑的“用最弱的土地的目标。一个有限的数据收集时间限制总能量收集,和增加信号处理在雷达SAR图像的信噪比两个主要因素。第一是由于脉冲压缩,第二个是由于相干脉冲的集成。
imgsnr = snr_min + rnggain + azgain;% (dB)磅= beamloss;customLoss = 5;% dBsntemp = systemp (cnf);%噪声温度Pt = radareqsarpow (maxrng,λ,imgsnr pw, rnggain azgain,“获得”antGain,RCS的tgtrcs,…“AtmosphericLoss”atmoLoss,“损失”cnf,“PropagationFactor”propf,…“t”sntemp,“CustomFactor”-Lb-customLoss)
Pt = 535.0561
总结
这个例子显示了计算方面,必须设计一个x波段SAR系统,可以在stripmap和聚光灯下运行模式。这个例子表明,相同的SAR系统可以在stripmap以及关注经营模式,实现不同级别的分辨率取决于需求的其他参数。首先,你分析并选择天线尺寸,以满足所需的决议。金宝搏官方网站那么你估计天线增益,处理时间,约束和方位线性调频信号的参数。然后估计所需的信噪比,目标RCS,脉冲重复频率、加工雷达及其环境损益。最后,您使用SAR方程计算峰值传输能量。
参数= [“天线在方位维”;“高度的天线尺寸”;“合成孔径长度”;…“方位分辨率”;“合成波束宽度”;“集成”;“区域覆盖率上限”;…“片长度上限”;“连贯的整合角度”;“点散射体的多普勒带宽”;…“方位时间带宽产品”;“梁压缩比”;“方位啁啾率”;“Dechirp后方位带宽”];Stripmap =[戴兹;德尔;striplen azres; stripsynbw; stripinttime;轮(stripcovrate / 1 e6, 1);轮(stripswlen / 1 e3);…南;stripbwchirp striptbwaz; stripbcr;轮(azchirp); bwdechirp];聚光灯=[戴兹;德尔;spotlen spotazres; spotsynbw; spotinttime;轮(spotcovrate / 1 e6, 1);轮(spotswlen / 1 e3);…intang; spotbwchirp;轮(spottbwaz);轮(spotbcr);轮(azchirp); bwdechirp];单位= [“m”;“m”;“m”;“m”;“度”;“s”;“公里^ 2 / s”;“公里”;“度”;“赫兹”;“无单位”;…“无单位”;“赫兹/ s”;“赫兹”];T =表(参数、Stripmap聚光灯,单位)
T =14×4表参数Stripmap聚光灯替__________单位________________________________________“天线在方位维”2 2“m”“高度的天线尺寸”0.25 - 0.25“m”149.9“合成孔径长度”300“m”“方位分辨率”0.5“m”“合成波束宽度0.0057294 - 0.0028628“度”“集成”1.499 - 3“s”“上限区域覆盖率”173.1 - 86.5公里^ 2 / s”“片长度上限”1731 865“公里”“连贯的整合角度”南1.71“度”“点散射体的多普勒带宽”100 200 1833年“赫兹”“方位时间带宽积”916.02“无单位”“梁压缩比916.02 1833 67年“无单位”“方位啁啾率”67“Hz / s”“Dechirp后方位带宽”611.09 - 611.09“赫兹”
引用
[1]卡拉拉,沃尔特·G。,Ronald M. Majewski, and Ron S. Goodman. Spotlight Synthetic Aperture Radar: Signal Processing Algorithms. Boston: Artech House, 1995.
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helperPlotStripmapMode
函数helperPlotStripmapMode (stripazresv striplenv、dazv azres)%的阴谋方位分辨率与合成孔径长度次要情节(1、2、1)情节(stripazresv striplenv)网格在参照线(azres“-”。,{[num2str(圆(azres)),“米”]});%选择方位分辨率包含(“方位或横向距离分辨率(m)”)ylabel (“合成长度(米))stripidx =找到(abs (striplenv - 150) < 1);%指数对应需要的方位分辨率%情节合成孔径长度与天线方位尺寸次要情节(1、2、2)情节(striplenv dazv)网格在参照线(striplenv (stripidx),“-”。,{[num2str(圆(striplenv (stripidx), 2)),“米”]});%选择合成长度包含(“合成长度(米))ylabel (“天线方位维度(m)”)结束
helperPlotSpotlightMode
函数helperPlotSpotlightMode (spotazresv spotlenv、intangv spotazres)%的阴谋方位分辨率与合成孔径长度次要情节(1、2、1)情节(spotazresv spotlenv)网格在参照线(0.5,“-”。,{[num2str(圆(spotazres, 2)),“米”]});%选择方位分辨率包含(“方位或横向距离分辨率(m)”)ylabel (“合成长度(米))spotidx =找到(abs (spotlenv - 300) < 1);%指数对应0.5 m方位分辨率%情节合成孔径长度和连贯的整合角度次要情节(1、2、2)情节(spotlenv intangv)网格在参照线(spotlenv (spotidx),“-”。,{[num2str(圆(spotlenv (spotidx))),“米”]});%选择合成长度包含(“合成长度(米))ylabel (的相干集成角度(度))结束
