雷达信号增强系统设计及开发

徐航 杨涛 于子良 刘帅 李彧磊 叶疆 余杰

摘 要：合成孔徑雷达干涉（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技术作为地质灾害变形监测的有力手段近年来逐渐被广泛应用。InSAR技术的实现离不开相干性好的地面控制点，以消除大气等环境因素和地形对干涉测量产生的误差。本文为满足InSAR技术对地面控制点的定位精度要求，调研了不同波段哨兵卫星传感器发射电磁波的特性，研究开发了雷达信号增强系统，并开展了室内测试与室外验证工作，结果表明雷达信号增强系统可增强雷达后向反射信号，从而辅助雷达影像定标、配准。

关键词：InSAR；地面控制点；雷达信号增强系统；配准

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技术［14］作为大范围长时间序列周期性监测地质灾害变形的一项高新技术，在监测单体地质灾害变形特征及趋势、评价区域地质灾害活动强度等方面具有明显优势。利用InSAR技术的前提是对合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）影像进行高精度的配准和定标。目前广泛采用的方法是寻找稳定散射点布设角反射器［58］，建立大量的人工控制点形成角反射器网，作为SAR影像预处理的参考点。该方法的缺点在于角反射器的使用周期短，只能用于特定单一视角下的卫星，需要花费大量人力成本去维护。为了解决SAR影像高精度配准和定标问题，节约建立地面控制点的成本，提高工作灵活性，建立智能化主动式雷达信号增强系统，取代传统人工控制点和角反射器十分有必要。

1 系统设计

设备的主要应用需求为野外作业，布设雷达信号增强系统网，实现特定波长电磁波的接收、发射，获取地面点定位、精度测量，满足雷达卫星影像二次定标的要求。

1.1 功能设计

雷达信号增强系统主要功能设计为通过接收天线接收雷达信号，滤波、放大之后，经过隔离器，通过发射天线将增强的InSAR雷达信号发射出去，完成雷达信号的增强与转发。

1.2 雷达信号增强系统设计

根据硬件需要满足的环境指标、能源指标和性能指标，设计了腔体带通滤波器［9］、放大器［10］、隔离器［11］和收发天线［12］的功能参数，并进行了选型定制。

1.2.1 腔体带通滤波器的设计

接收卫星雷达的中心频率为5405MHz，带宽为100MHz，故设计腔体带通滤波器对应的中心频率为5405MHz，帶宽为100MHz。中心插损满足要求小于3dB，驻波比满足要求通常为1.3～1.5，带外抑制当信号频率在5.1GHz和57GHz之外时，衰减达到70dBc，接口形式采用标准接口SMAK，阻抗采用标准50Ω，工作温度和存储温度满足方案要求。

1.2.2 微波放大器的设计

射频性能指标中增益设计为50dB。设计微波放大器的工作频率满足要求的通带频率为5300～5500MHz，增益大于50dB，增益平坦度在0.5dB之间，微波放大器带来的系统噪声小于1.5dB，微波放大器在输出功率小于20dBm的情况下，增益不变。驻波比设计小于1.8，工作电压为5V供电，容许5%的波动。阻抗匹配满足行业标准，工作温度满足方案设计要求。

1.2.3 隔离器的设计

为了防止接收的信号和发射的信号相互干扰，需要设计隔离器将两路信号进行隔离。工作频率为5300～5500MHz，信号正向通过的损耗为0.35dB，信号反向通过的损耗为20dB，成功地将信号进行隔离。通过功率和负载功率都为20W，工作温度满足方案设计要求。

1.2.4 角锥喇叭天线的设计

设计一对角锥喇叭天线，对雷达信号进行接收和发射处理。接收和发射的信号频率设计为5300～5500MHz，满足方案要求。增益为15dB，波束E面40°，H面20°，接头采用通用接头N50K。

2 实验室系统模拟测试

实验室系统模拟测试包括：（1）采用矢量网络分析仪分别测试滤波器、放大器、隔离器性能指标；（2）雷达信号增强系统连通性测试。

2.1 滤波器、放大器、隔离器性能指标测试

腔体带通滤波器的主要测试指标为中心频率、带宽和中心插损。对于中心频率，采用网分扫描相应频段，标记点标记，即可测试中心频率；采用网分扫描测试，即可测试带宽；采用网分测试滤波器正向传输系数，即可得到中心插损。经测试，滤波器满足设计要求。

微波放大器的主要测试指标为工作频率和增益压缩1dB时的最大输出功率。对于工作频率，采用网分扫描相应频段，用标记点标记，即可测试工作频率；对于P-1dB，采用网分扫描器件，将标记点标记在低于线性增益1dB的点，测试结果即是1dB压缩点功率。经测试，放大器满足设计要求。

隔离器的主要测试指标为工作频率、正向损耗和反向损耗。采用网分扫描相应频段，用标记点标记，即可测试工作频率；采用网分测试正向传输系数，即可测试正向损耗；采用网分测试反向传输系数，即可测试反向损耗。经测试，隔离器满足设计要求。

2.2 雷达信号增强系统连通性测试

将滤波器、放大器、隔离器、角锥喇叭天线五个器件连接进行测试，设置输入信号为实际雷达信号到达地面的功率大小，测试输出信号的功率大小，图2为雷达信号增强系统示意图。

采用信号源生成射频信号，连接到滤波器的前端，后端使用频谱仪测试功率大小。若输出功率过大，需要添加衰减器，防止损坏测试设备。

图3为当接入五个器件时的波形图，信号功率为-5.63dBm。为了防止损坏测试仪器，这里对初始的信号功率设定为-50dBm。综上，信号经过五个连接器件之后，指标满足要求。

3 室外实地验证

在实验室模拟测试之后得到结果为仪器可以正常地接收和反射信号，随后进行了室外实地验证，以验证雷达信号增强系统是否能真正起到增强卫星信号的作用。

室外实地验证地点为中国地质大学（武汉）操场中央区域，根据哨兵卫星的过境时间选择验证时间为2022年4月17日。

通过对比布设仪器前后的SAR影像发现增强亮点，结果如图4所示，表明雷达信号增强系统增强了雷达后向反射信号，达到了预期效果。

结语

本文探讨了雷达信号增强系统的研发，从系统需求出发，详细设计了系统的功能模块，选用滤波器滤除杂波、选用隔离器将输入信号进行转换输出、选用放大器放大雷达信号，选用角锥喇叭天线对雷达信号进行接收和发射，并根据设计参数进行了选型定制。

系统通过室内测试及室外验证，达到了预期效果。雷达信号增强系统能够增强雷达信号，满足数据精细化的要求，可作为地面控制点用于地质灾害隐患点的持续监测。

参考文献：

［1］朱建军，李志伟，胡俊.InSAR变形监测方法与研究进展［J］.测绘学报，2017，46（10）：17171733.

［2］张艳梅，王萍，罗想，等.利用Sentinel1数据和SBASInSAR技术监测西安地表沉降［J］.测绘通报，2017（04）：9397.

［3］周吕，郭际明，李昕，等.基于SBASInSAR的北京地区地表沉降监测与分析［J］.大地测量与地球动力学，2016，36（09）：793797.

［4］周立新，王志伟.基于多视线向DInSAR技术的三维地表形变抗差解算方法［J］.大地测量与地球动力学，2020，40（12）：12631267.

［5］史磊，杨杰，李平湘，等.不依赖人工定标器的全极化SAR定标研究进展［J］.遥感学报，2021，25（11）：22112219.

［6］李郝亮，陈思伟，王雪松.海面角反射器的极化旋转域特性研究［J］.系统工程与电子技术，2022，44（07）：20652073.

［7］吴林罡，胡生亮，张俊，等.双棱锥型角反射器RCS快速预估方法［J］.战术导弹技术，2021（05）：2935.

［8］侯跃强.InSAR角反射器在地质灾害监测中的制作与安装［J］.江西测绘，2021（02）：2022+29.

［9］冯威，何子远，陈波，黄九荣.C波段腔体带通滤波器设计［C］//.2017年全国微波毫米波会议论文集（下册）.［出版者不详］，2017：6063.

［10］郭斐，梁煜，张为，等.一种SiGe BiCMOS寬带低噪声放大器设计［J/OL］.西安电子科技大学学报：18［20221019］.

［11］周国，罗和平，廖龙忠，等.一种基于新型片上变压器的数字隔离器设计［J］.半导体技术，2022，47（08）：665669.

［12］蔡如恒，杨德强，耿源.基于蘑菇型电磁带隙结构的收发复用微带天线［C］//.2021年全国天线年会论文集，2021：5759.

基金项目：湖北省科学技术厅重点研发计划项目“基于InSAR的地质灾害精准监测关键技术——地基数字增强系统研究及示范应用”（2020BCB080）

作者简介：徐航（1995— ），女，汉族，湖北十堰人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：遥感地质。

*通讯作者：杨涛（1976— ），男，汉族，湖北武汉人，本科，正高职高级工程师，研究方向：地质灾害防治。