用于mimo-sar成像的微波信號收發(fā)系統(tǒng)、方法及成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于MIMO-SAR成像的微波信號收發(fā)系統(tǒng)、方法及成像系統(tǒng)。該收發(fā)系統(tǒng)包括：MIMO收發(fā)模塊，產(chǎn)生并發(fā)送微波信號；弧形陣列天線，包括弧形發(fā)射陣列天線和弧形接收陣列天線；微波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，從MIMO收發(fā)模塊接收微波信號，從弧形發(fā)射陣列天線中選擇要輻射微波信號的獨立發(fā)射天線陣元，將該微波信號發(fā)送至所選擇的獨立發(fā)射天線陣元；微波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)還從弧形接收陣列天線中選擇要接收回波信號的獨立接收天線陣元，接收來自所選擇的獨立接收天線陣元的回波信號，將該回波信號傳送至MIMO收發(fā)模塊；MIMO收發(fā)模塊還接收回波信號，對該回波信號進行處理，以形成數(shù)字回波信號。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)大視場范圍成像觀測。
【專利說明】用于ΜIMO-SAR成像的微波信號收發(fā)系統(tǒng)、方法及成像系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波成像領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于MIM〇-SAR(多輸入多輸出-合成 孔徑雷達）成像的微波信號收發(fā)系統(tǒng)、方法及成像系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的目視、光學(xué)或紅外等措施的受地形、天氣和晝夜等因素的影響較大，不具備 全天候和全天時的工作能力。機載陣列天線前視成像系統(tǒng)不僅能夠穿透煙、霧、云層和浮塵 等，以及不受天氣和氣候影響，而且能夠?qū)︼w機前下方區(qū)域進行實時高分辨率成像，還能為 飛機的著陸、偵察、搜救和起飛提供真實的地面信息，增強飛機的導(dǎo)航和運輸救援能力。
[0003] 現(xiàn)有的機載陣列天線前視成像系統(tǒng)基于機載線性陣列天線前視成像機制，利用微 波開關(guān)切換實現(xiàn)線性陣列合成，對飛機飛行路線前下方區(qū)域進行高分辨成像。但由于采用 線性陣列天線和分時工作方式，使其存在較多問題需要進一步改善。一方面，其成像范圍主 要受限于單個天線的波束范圍，即不能實現(xiàn)大視場范圍觀測。由此，如果飛機想要觀測其周 圍區(qū)域，其需要移動至該區(qū)域附近，并使用機載線性陣列天線進行微波成像感知。如果飛機 在例如山區(qū)等較為復(fù)雜的環(huán)境中飛行，受障礙物限制，可能不能頻繁移動，并且移動存在危 險性。這樣，可能就無法對所需區(qū)域進行微波成像感知。另一方面，在線性陣列天線中，陣 列向分辨率隨著波束范圍增大而降低，也即分辨率隨目標空間位置變化。因此，不利于機載 平臺周圍的高分辨率成像觀測。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種能夠擴大微波成像區(qū)域范圍的用于MIM0-SAR成像的微 波信號收發(fā)系統(tǒng)、方法及成像系統(tǒng)。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于MM0-SAR成像的微波信號收發(fā)系統(tǒng)，該 系統(tǒng)包括:ΜΙΜΟ收發(fā)模塊，用于產(chǎn)生并發(fā)送微波信號；弧形陣列天線，包括用于輻射微波信 號的弧形發(fā)射陣列天線和用于接收回波信號的弧形接收陣列天線；微波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，用于從 所述ΜΙΜΟ收發(fā)模塊接收所述微波信號，從所述弧形發(fā)射陣列天線中選擇要輻射所述微波 信號的獨立發(fā)射天線陣元，并將該微波信號發(fā)送至所選擇的獨立發(fā)射天線陣元，以由該獨 立發(fā)射天線陣元輻射所述微波信號；所述微波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)還用于從所述弧形接收陣列天線中 選擇要接收回波信號的獨立接收天線陣元，并接收來自所選擇的獨立接收天線陣元的回波 信號，以及將該回波信號傳送至所述ΜΙΜΟ收發(fā)模塊；以及所述ΜΙΜΟ收發(fā)模塊還用于接收所 述回波信號，并對該回波信號進行處理，以形成數(shù)字回波信號。
[0006] 優(yōu)選地，所述弧形發(fā)射陣列天線中的每個獨立發(fā)射天線陣元沿弧形延伸方向排 列；所述弧形接收陣列天線中的每個獨立接收天線陣元沿弧形延伸方向排列；以及所述弧 形接收陣列天線與所述弧形發(fā)射陣列天線上下相鄰或內(nèi)外相鄰，并且所述每個獨立接收天 線陣元與所述每個獨立發(fā)射天線陣元依次交錯。
[0007] 優(yōu)選地，所選擇的接收天線陣元為與所選擇的發(fā)射天線陣元相鄰交錯的接收天線 陣元。
[0008] 優(yōu)選地，所述ΜΜ0收發(fā)模塊包括：微波信號產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生所述微波信號，并 向所述微波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和功分器發(fā)送所述微波信號；所述功分器，該功分器具有一個輸入端 和多個輸出端，用于經(jīng)由所述輸入端接收所述微波信號，并將該微波信號分成多路子微波 信號，以及經(jīng)由所述多個輸出端來一一對應(yīng)發(fā)送所述多路子微波信號；多個接收單元，每個 接收單元用于接收來自一個所選擇的接收天線陣元的回波信號；以及多個處理單元，每個 處理單元與所述功分器的每個輸出端一一對應(yīng)連接，以及與每個接收單元一一對應(yīng)連接， 用于從對應(yīng)的接收單元接收所述回波信號，從對應(yīng)的輸出端接收所述子微波信號，以及基 于所接收到的子微波信號對所接收到的回波信號進行處理，以形成所述數(shù)字回波信號。
[0009] 優(yōu)選地，所述多個處理單元中的每個處理單元包括：混頻器，用于從對應(yīng)的接收單 元接收所述回波信號，從對應(yīng)的輸出端接收所述子微波信號，并基于所接收到的子微波信 號對所接收到的回波信號進行下變頻處理；濾波器和放大器，分別用于對經(jīng)下變頻處理之 后得到的信號進行濾波和放大處理；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于對經(jīng)所述濾波和放大處理之后 得到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以形成所述數(shù)字回波信號。
[0010] 本發(fā)明還提供一種MM0-SAR成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)包括：根據(jù)本發(fā)明提供的所述 微波信號收發(fā)系統(tǒng)；成像處理器，用于基于由所述ΜΜ0收發(fā)模塊輸出的所述數(shù)字回波信號 生成圖像信息；以及顯示處理模塊，用于顯示所述圖像信息。
[0011] 本發(fā)明還提供一種用于MIM0-SAR成像的微波信號收發(fā)方法，該方法包括：產(chǎn)生微 波信號；從弧形陣列天線中的弧形發(fā)射陣列天線中選擇要輻射所述微波信號的獨立發(fā)射天 線陣元；由所選擇的獨立發(fā)射天線陣元輻射所述微波信號；從所述弧形陣列天線中的弧形 接收陣列天線中選擇要接收回波信號的獨立接收天線陣元；由所選擇的獨立接收天線陣元 接收所述回波信號；以及對所接收到的回波信號進行處理，以形成數(shù)字回波信號。
[0012] 優(yōu)選地，所述弧形發(fā)射陣列天線中的每個獨立發(fā)射天線陣元沿弧形延伸方向排 列；所述弧形接收陣列天線中的每個獨立接收天線陣元沿弧形延伸方向排列；以及所述弧 形接收陣列天線與所述弧形發(fā)射陣列天線上下相鄰或內(nèi)外相鄰，并且所述每個獨立接收天 線陣元與所述每個獨立發(fā)射天線陣元依次交錯。
[0013] 優(yōu)選地，所選擇的接收天線陣元為與所選擇的發(fā)射天線陣元相鄰交錯的接收天線 陣元。
[0014] 優(yōu)選地，該方法還包括：在產(chǎn)生所述微波信號之后，將該微波信號分成多路子微波 信號；以及基于所述子微波信號對所接收到的回波信號進行處理，以形成所述數(shù)字回波信 號。
[0015] 優(yōu)選地，基于所述子微波信號對所接收到的回波信號進行處理，以形成所述數(shù)字 回波信號包括：基于所述子微波信號對所接收到的回波信號進行下變頻處理；對經(jīng)下變頻 處理之后得到的信號進行濾波和放大處理；以及對經(jīng)濾波和放大處理之后得到的信號進行 模數(shù)轉(zhuǎn)換，以形成所述數(shù)字回波信號。
[0016] 通過本發(fā)明提供的用于MM0-SAR成像的微波信號收發(fā)系統(tǒng)、方法及成像系統(tǒng)，有 效避免了常規(guī)線性陣列成像觀測范圍受單個天線的波束寬度約束的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)大視場 范圍成像觀測，并且提高觀測精度。在觀測平臺相對靜止時，基于弧形陣列天線進行微波信 號收發(fā)，仍然可以實現(xiàn)對平臺周圍環(huán)境進行微波成像感知，甚至是360°全方位場景。此外， 采用弧形陣列天線構(gòu)型，其陣列向分辨率不隨波束范圍增大而降低，能保持相對穩(wěn)定，因此 有利于觀測平臺周圍的高分辨率成像觀測。本發(fā)明提供的用于MIMO-SAR成像的微波信號 收發(fā)系統(tǒng)、方法及成像系統(tǒng)可以應(yīng)用于機載觀測平臺。這樣，可以提高飛機在一個位置處的 觀測范圍，飛機無需頻繁移動或轉(zhuǎn)動來進行觀測，從而提高飛機飛行的安全性。
[0017] 本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的【具體實施方式】部分予以詳細說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具 體實施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：
[0019] 圖1是本發(fā)明提供的用于MM0-SAR成像的弧形陣列天線、用于MM0-SAR成像的 微波信號收發(fā)系統(tǒng)、以及MIM0-SAR成像系統(tǒng)所應(yīng)用的一個示例平臺；
[0020] 圖2a為弧形陣列天線的三維布局效果圖；
[0021] 圖2b為弧線陣列天線沿切向展開的布局效果圖；
[0022] 圖2c為弧線陣列天線的俯視投影效果圖；
[0023] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于MIM0-SAR成像的微波信號收發(fā)系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖4示出了微波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖5示出了 ΜΜ0收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的ΜΙΜΟ微波信號收發(fā)系統(tǒng)的收發(fā)時序控制示 意圖；
[0027] 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的基于弧形陣列的MIM0-SAR成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0028] 圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的基于弧形陣列天線的MIM0-SAR成像方法的 流程圖；以及
[0029] 圖9示出了弧形陣列天線MM0-SAR成像坐標系。

【具體實施方式】
[0030] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細說明。應(yīng)當理解的是，此處所描 述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0031] 圖1示出了本發(fā)明提供的用于MM0-SAR成像的弧形陣列天線、用于MM0-SAR成 像的微波信號收發(fā)系統(tǒng)所應(yīng)用的一個示例平臺。如圖1所示，所述弧形陣列天線1以及所 述微波信號收發(fā)系統(tǒng)等均可被加載在飛機平臺22上，并隨該飛機平臺22移動。微波信號 收發(fā)系統(tǒng)可以通過弧形陣列天線1進行微波信號輻射，該微波信號經(jīng)由觀測場景21反射形 成回波信號，再經(jīng)由弧形陣列天線1接收所述回波信號。之后，經(jīng)由本發(fā)明提供的MM0-SAR 成像方法對回波信號進行成像顯示處理，以顯示出觀測場景21的圖像。如圖1所示，由于基 于弧形陣列天線進行微波信號收發(fā)，因而相比于線性陣列天線，可以實現(xiàn)更廣的觀測范圍。
[0032] 下面結(jié)合圖2a_圖2c來詳細描述本發(fā)明提供的弧形陣列天線1的實施方式。
[0033] 圖2a為弧形陣列天線1的三維布局效果圖，圖2b為弧線陣列天線1沿切向展開 的布局效果圖，以及圖2c為弧線陣列天線1的俯視投影效果圖?？紤]到收發(fā)隔離度和動態(tài) 范圍，弧形陣列天線1采用收發(fā)分置結(jié)構(gòu)，即發(fā)射天線和接收天線分開。例如，如圖2a-圖 2c所示，弧形陣列天線1可以包括弧形發(fā)射陣列天線101 (即，"AC"）和弧形接收陣列天線 102 (即，"BD"）。所述弧形發(fā)射陣列天線101用于輻射微波信號，該弧形發(fā)射陣列天線101 中的每個獨立發(fā)射天線陣元（例如........ΤΝ，其中，1彡η彡Ν)可以沿弧形 延伸方向排列。所述弧形接收陣列天線102用于接收回波信號（該回波信號為經(jīng)弧形發(fā)射 陣列天線101輻射的微波信號通過例如觀測場景21反射回的微波信號），并且該弧形接收 陣列天線102可以與所述弧形發(fā)射陣列天線101上下相鄰，該弧形接收陣列天線102中的 每個獨立接收天線陣元（例如........RN)可以沿弧形延伸方向排列，并且所 述每個獨立接收天線陣元與所述每個獨立發(fā)射天線陣元依次交錯。例如，獨立發(fā)射天線陣 元?\與獨立接收天線陣元&和R2相鄰交錯，獨立發(fā)射天線陣元T2與獨立接收天線陣元R 2 和R3相鄰受錯，以此類推。
[0034] 各獨立天線陣元（包括每個接收天線陣元和每個發(fā)射天線陣元）的輻射口面朝向 弧形外側(cè)，從而實現(xiàn)對平臺周圍區(qū)域的大范圍全天候、全天時微波成像觀測。
[0035] 可替換地，所述弧形接收陣列天線102也可以與所述弧形發(fā)射陣列天線101內(nèi)外 相鄰，即，所述弧形陣列天線1通過內(nèi)外相套設(shè)的弧形接收陣列天線102和弧形發(fā)射陣列天 線101形成。并且，每個獨立接收天線陣元與每個獨立發(fā)射天線陣元依次交錯。在這種實 施方式中，各獨立天線陣元（包括每個接收天線陣元和每個發(fā)射天線陣元）的輻射口面也 可以朝向弧形外側(cè)，只不過與上下相鄰布置的弧形接收陣列天線102與弧形發(fā)射陣列天線 101相比，其輻射口面與水平方向需要具有一角度，使得信號可通過弧形發(fā)射陣列天線101 和弧形接收陣列天線102以一入射角度進行發(fā)射和接收，形成的等效采樣點沿圓弧分布。
[0036] 在本發(fā)明中，為了便于描述，僅以上下相鄰布置的弧形發(fā)射陣列天線101和弧形 接收陣列天線102為例進行說明。但是能夠理解的是，以下實施方式同樣適用于內(nèi)外相鄰 布置的弧形發(fā)射陣列天線101和弧形接收陣列天線102。
[0037] 如圖2a-圖2c所示，在所述弧形發(fā)射陣列天線101中，任意相鄰兩個獨立發(fā)射天 線陣元（例如，1' 1與1'2、1'2與1'3等）口面中心之間可以具有水平角度間距八0 1_^，且
[0038]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于MIMO-SAR成像的微波信號收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括： ΜΙΜΟ收發(fā)模塊，用于產(chǎn)生并發(fā)送微波信號； 弧形陣列天線，包括用于輻射微波信號的弧形發(fā)射陣列天線和用于接收回波信號的弧 形接收陣列天線； 微波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，用于從所述ΜΙΜΟ收發(fā)模塊接收所述微波信號，從所述弧形發(fā)射陣列天 線中選擇要輻射所述微波信號的獨立發(fā)射天線陣元，并將該微波信號發(fā)送至所選擇的獨立 發(fā)射天線陣元，以由該獨立發(fā)射天線陣元輻射所述微波信號； 所述微波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)還用于從所述弧形接收陣列天線中選擇要接收回波信號的獨立接 收天線陣元，并接收來自所選擇的獨立接收天線陣元的回波信號，以及將該回波信號傳送 至所述ΜΙΜΟ收發(fā)模塊；以及 所述ΜΜ0收發(fā)模塊還用于接收所述回波信號，并對該回波信號進行處理，以形成數(shù)字 回波信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述弧形發(fā)射陣列天線中的每個獨立發(fā) 射天線陣元沿弧形延伸方向排列；所述弧形接收陣列天線中的每個獨立接收天線陣元沿弧 形延伸方向排列；以及所述弧形接收陣列天線與所述弧形發(fā)射陣列天線上下相鄰或內(nèi)外相 鄰，并且所述每個獨立接收天線陣元與所述每個獨立發(fā)射天線陣元依次交錯。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所選擇的接收天線陣元為與所選擇的發(fā) 射天線陣元相鄰交錯的接收天線陣元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述ΜΜ0收發(fā)模塊包 括： 微波信號產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生所述微波信號，并向所述微波開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和功分器發(fā)送所 述微波信號； 所述功分器，該功分器具有一個輸入端和多個輸出端，用于經(jīng)由所述輸入端接收所述 微波信號，并將該微波信號分成多路子微波信號，以及經(jīng)由所述多個輸出端來 對應(yīng)發(fā) 送所述多路子微波信號； 多個接收單元，每個接收單元用于接收來自一個所選擇的接收天線陣元的回波信號； 以及 多個處理單元，每個處理單元與所述功分器的每個輸出端一一對應(yīng)連接，以及與每個 接收單元一一對應(yīng)連接，用于從對應(yīng)的接收單元接收所述回波信號，從對應(yīng)的輸出端接收 所述子微波信號，以及基于所接收到的子微波信號對所接收到的回波信號進行處理，以形 成所述數(shù)字回波信號。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個處理單元中的每個處理單元包 括： 混頻器，用于從對應(yīng)的接收單元接收所述回波信號，從對應(yīng)的輸出端接收所述子微波 信號，并基于所接收到的子微波信號對所接收到的回波信號進行下變頻處理； 濾波器和放大器，分別用于對經(jīng)下變頻處理之后得到的信號進行濾波和放大處理；以 及 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于對經(jīng)所述濾波和放大處理之后得到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以形成所 述數(shù)字回波信號。
6. -種MMO-SAR成像系統(tǒng)，其特征在于，該成像系統(tǒng)包括： 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述的微波信號收發(fā)系統(tǒng)； 成像處理器，用于基于由所述MM0收發(fā)模塊輸出的所述數(shù)字回波信號生成圖像信息； 以及 顯示處理模塊，用于顯示所述圖像信息。
7. -種用于MIM0-SAR成像的微波信號收發(fā)方法，其特征在于，該方法包括： 產(chǎn)生微波信號； 從弧形陣列天線中的弧形發(fā)射陣列天線中選擇要輻射所述微波信號的獨立發(fā)射天線 陣元； 由所選擇的獨立發(fā)射天線陣元輻射所述微波信號； 從所述弧形陣列天線中的弧形接收陣列天線中選擇要接收回波信號的獨立接收天線 陣元； 由所選擇的獨立接收天線陣元接收所述回波信號；以及 對所接收到的回波信號進行處理，以形成數(shù)字回波信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述弧形發(fā)射陣列天線中的每個獨立發(fā) 射天線陣元沿弧形延伸方向排列；所述弧形接收陣列天線中的每個獨立接收天線陣元沿弧 形延伸方向排列；以及所述弧形接收陣列天線與所述弧形發(fā)射陣列天線上下相鄰或內(nèi)外相 鄰，并且所述每個獨立接收天線陣元與所述每個獨立發(fā)射天線陣元依次交錯。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所選擇的接收天線陣元為與所選擇的發(fā) 射天線陣元相鄰交錯的接收天線陣元。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，該方法還包括：在產(chǎn) 生所述微波信號之后，將該微波信號分成多路子微波信號；以及 基于所述子微波信號對所接收到的回波信號進行處理，以形成所述數(shù)字回波信號。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，基于所述子微波信號對所接收到的回 波信號進行處理，以形成所述數(shù)字回波信號包括： 基于所述子微波信號對所接收到的回波信號進行下變頻處理； 對經(jīng)下變頻處理之后得到的信號進行濾波和放大處理；以及 對經(jīng)濾波和放大處理之后得到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以形成所述數(shù)字回波信號。
【文檔編號】G01S13/90GK104267400SQ201410561731
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】黃平平, 譚維賢, 洪文 申請人:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)