徐航 楊濤 于子良 劉帥 李彧磊 葉疆 余杰

摘?要：合成孔徑雷達干涉（Interferometric?Synthetic?Aperture?Radar，InSAR）技術作為地質災害變形監(jiān)測的有力手段近年來逐漸被廣泛應用。InSAR技術的實現(xiàn)離不開相干性好的地面控制點，以消除大氣等環(huán)境因素和地形對干涉測量產生的誤差。本文為滿足InSAR技術對地面控制點的定位精度要求，調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)了雷達信號增強系統(tǒng)，并開展了室內測試與室外驗證工作，結果表明雷達信號增強系統(tǒng)可增強雷達后向反射信號，從而輔助雷達影像定標、配準。

關鍵詞：InSAR；地面控制點；雷達信號增強系統(tǒng)；配準

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［14］作為大范圍長時間序列周期性監(jiān)測地質災害變形的一項高新技術，在監(jiān)測單體地質災害變形特征及趨勢、評價區(qū)域地質災害活動強度等方面具有明顯優(yōu)勢。利用InSAR技術的前提是對合成孔徑雷達（Synthetic?Aperture?Radar，SAR）影像進行高精度的配準和定標。目前廣泛采用的方法是尋找穩(wěn)定散射點布設角反射器［58］，建立大量的人工控制點形成角反射器網，作為SAR影像預處理的參考點。該方法的缺點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，需要花費大量人力成本去維護。為了解決SAR影像高精度配準和定標問題，節(jié)約建立地面控制點的成本，提高工作靈活性，建立智能化主動式雷達信號增強系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)人工控制點和角反射器十分有必要。

1?系統(tǒng)設計

設備的主要應用需求為野外作業(yè)，布設雷達信號增強系統(tǒng)網，實現(xiàn)特定波長電磁波的接收、發(fā)射，獲取地面點定位、精度測量，滿足雷達衛(wèi)星影像二次定標的要求。

1.1?功能設計

雷達信號增強系統(tǒng)主要功能設計為通過接收天線接收雷達信號，濾波、放大之后，經過隔離器，通過發(fā)射天線將增強的InSAR雷達信號發(fā)射出去，完成雷達信號的增強與轉發(fā)。

1.2?雷達信號增強系統(tǒng)設計

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

1.2.1?腔體帶通濾波器的設計

接收衛(wèi)星雷達的中心頻率為5405MHz，帶寬為100MHz，故設計腔體帶通濾波器對應的中心頻率為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，帶外抑制當信號頻率在5.1GHz和57GHz之外時，衰減達到70dBc，接口形式采用標準接口SMAK，阻抗采用標準50Ω，工作溫度和存儲溫度滿足方案要求。

1.2.2?微波放大器的設計

射頻性能指標中增益設計為50dB。設計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。駐波比設計小于1.8，工作電壓為5V供電，容許5%的波動。阻抗匹配滿足行業(yè)標準，工作溫度滿足方案設計要求。

1.2.3?隔離器的設計

為了防止接收的信號和發(fā)射的信號相互干擾，需要設計隔離器將兩路信號進行隔離。工作頻率為5300～5500MHz，信號正向通過的損耗為0.35dB，信號反向通過的損耗為20dB，成功地將信號進行隔離。通過功率和負載功率都為20W，工作溫度滿足方案設計要求。

1.2.4?角錐喇叭天線的設計

設計一對角錐喇叭天線，對雷達信號進行接收和發(fā)射處理。接收和發(fā)射的信號頻率設計為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?實驗室系統(tǒng)模擬測試

實驗室系統(tǒng)模擬測試包括：（1）采用矢量網絡分析儀分別測試濾波器、放大器、隔離器性能指標；（2）雷達信號增強系統(tǒng)連通性測試。

2.1?濾波器、放大器、隔離器性能指標測試

腔體帶通濾波器的主要測試指標為中心頻率、帶寬和中心插損。對于中心頻率，采用網分掃描相應頻段，標記點標記，即可測試中心頻率；采用網分掃描測試，即可測試帶寬；采用網分測試濾波器正向傳輸系數(shù)，即可得到中心插損。經測試，濾波器滿足設計要求。

微波放大器的主要測試指標為工作頻率和增益壓縮1dB時的最大輸出功率。對于工作頻率，采用網分掃描相應頻段，用標記點標記，即可測試工作頻率；對于P-1dB，采用網分掃描器件，將標記點標記在低于線性增益1dB的點，測試結果即是1dB壓縮點功率。經測試，放大器滿足設計要求。

隔離器的主要測試指標為工作頻率、正向損耗和反向損耗。采用網分掃描相應頻段，用標記點標記，即可測試工作頻率；采用網分測試正向傳輸系數(shù)，即可測試正向損耗；采用網分測試反向傳輸系數(shù)，即可測試反向損耗。經測試，隔離器滿足設計要求。

2.2?雷達信號增強系統(tǒng)連通性測試

將濾波器、放大器、隔離器、角錐喇叭天線五個器件連接進行測試，設置輸入信號為實際雷達信號到達地面的功率大小，測試輸出信號的功率大小，圖2為雷達信號增強系統(tǒng)示意圖。

采用信號源生成射頻信號，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，防止損壞測試設備。

圖3為當接入五個器件時的波形圖，信號功率為-5.63dBm。為了防止損壞測試儀器，這里對初始的信號功率設定為-50dBm。綜上，信號經過五個連接器件之后，指標滿足要求。

3?室外實地驗證

在實驗室模擬測試之后得到結果為儀器可以正常地接收和反射信號，隨后進行了室外實地驗證，以驗證雷達信號增強系統(tǒng)是否能真正起到增強衛(wèi)星信號的作用。

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

通過對比布設儀器前后的SAR影像發(fā)現(xiàn)增強亮點，結果如圖4所示，表明雷達信號增強系統(tǒng)增強了雷達后向反射信號，達到了預期效果。

結語

本文探討了雷達信號增強系統(tǒng)的研發(fā)，從系統(tǒng)需求出發(fā)，詳細設計了系統(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進行轉換輸出、選用放大器放大雷達信號，選用角錐喇叭天線對雷達信號進行接收和發(fā)射，并根據(jù)設計參數(shù)進行了選型定制。

系統(tǒng)通過室內測試及室外驗證，達到了預期效果。雷達信號增強系統(tǒng)能夠增強雷達信號，滿足數(shù)據(jù)精細化的要求，可作為地面控制點用于地質災害隱患點的持續(xù)監(jiān)測。

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基金項目：湖北省科學技術廳重點研發(fā)計劃項目“基于InSAR的地質災害精準監(jiān)測關鍵技術——地基數(shù)字增強系統(tǒng)研究及示范應用”（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。

*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：地質災害防治。