一种阵列可伸缩式便携MIMO-SAR测量雷达系统及其成像方法技术方案

本发明专利技术公开了一种阵列可伸缩式便携MIMO-SAR测量雷达系统及其成像方法，该系统包括可伸缩式MIMO天线阵列、雷达发射/接收机、控制与处理计算机、可升降天线架等，本发明专利技术在满足低可探测目标使用维护过程中散射特性现场诊断测量方面的优点在于：(1)可实现对低可探测目标散射异常部位的快速检测、定位和成像诊断：与直线导轨SAR的机械扫描成像不同，MIMO-SAR只需通过一次或两次“快拍”电扫描成像，即可完成被测目标高分辨力二维成像；(2)降低了对目标测试现场环境的要求：无需在目标测试现场安装精密机械扫描测量的导轨，大大降低了成像诊断测量操作过程中对现场测试环境的要求；(3)天线阵列可伸缩，易于实现测量雷达系统的小型化、快速收展和便携性。

【技术实现步骤摘要】
一种阵列可伸缩式便携MIMO-SAR测量雷达系统及其成像方法
本专利技术涉及通信及合成孔径成像雷达的
，具体涉及一种阵列可伸缩式便携MIMO-SAR测量雷达系统及其成像方法。
技术介绍
现有用于低可探测目标电磁散射诊断的成像测量雷达主要包括采用转台旋转目标测量的逆合成孔径雷达(ISAR)和采用直线导轨机械扫描测量的合成孔径雷达(SAR)成像系统。对于真实低可探测目标的散射特性诊断测量，ISAR成像需要构建专用的目标转台和支撑系统，通过转台的机械旋转合成成像孔径，实现对目标的方位高分辨力成像测量[参见文献1-3]；直线导轨扫描SAR成像则需要构建一段足够长的精密导轨，目标固定放置于雷达视线前方，雷达则沿导轨作机械扫描以合成直线孔径，从而实现对被测目标的方位高分辨力成像[参见文献4]。由于转台ISAR成像设备需要建立复杂、精密且庞大的大型目标转台，先进国家已装备用于低可探测目标使用现场目标散射诊断成像的测量雷达均采用导轨扫描SAR体制。此外，由于需要做机械旋转或扫描，上述两种测量体制的雷达对真实目标进行高分辨力诊断成像时都需要耗费很长的扫描测量时间，实时性差，且全套测量装备比较庞大，难以实现小型化，便携性差。尽管采用多输入多输出合成孔径雷达(MIMO-SAR)进行测量的技术也已提出[参见文献5]，但现有方案没有解决阵列尺寸同测量横向分辨力之间的矛盾。与本专利技术相关的现有技术分析如下：现有技术一：采用金属低散射支架的静态测试场转台目标ISAR成像雷达在低可探测目标设计和研制阶段，主要在室内紧缩场和室外全尺寸目标静态测试场，将目标安装在低散射金属支架上，通过转台旋转实现对目标的ISAR高分辨力诊断成像。以美国为例，所拥有的室内外测试场主要包括空军的先进室内紧缩场、RATSCAT和RAMS测试外场等，陆军阿伯丁实验中心、ERADS紧缩场等，海军大西洋测试靶场、雷达反射实验室、水面作战中心测试场，NASA的兰利研究中心紧缩场、埃姆斯-德莱登研究中心测试场，工业界和相关研究机构包括洛-马公司的Helendale室外RCS测试场、通用原子能公司GrayButte室外RCS测试场、诺-格公司Tejon室外RCS测试场、以及桑迪亚国家实验室的倒V形测试外场等。欧洲和其他一些国家也建有先进的室内和室外测试场，如法国的CELAR测试场、德国EADS的紧缩场和室外静态测试场、英国泰利斯公司RCS测试场、南非国防研究院的静态测试场等。图1示出了美国空军国立散射测试场RATSCAT场多个场区之一的场景图。采用地平场设计和低散射金属目标支架是国内外先进测试外场最重要的两大特点，其中采用地平场也是外场不同于大多数室内场(自由空间场)之最显著区别所在。采用地平场设计的RCS测试外场除了需要铺覆具有良好反射系数的主反射区和消除任何严重杂波影响的清扫区外，还需根据不同测试波段，调整雷达天线和目标高度等几何关系和系统参数，从而利用测试场主反射区地面的多径反射来提高测量过程中的接收信噪比。现有技术一的缺点：此类测试场的背景电平得到良好设计和精准控制，具有较高的RCS和高分辨力成像诊断测量精度，但由于需要将被测目标安装在低散射金属目标支架上，如图2所示，它要求在被测目标上预留目标转台安装孔位，会在一定程度上破环目标的固有结构，因此仅适用于目标模型或原型机测量，不能用于低可探测目标生产阶段的出厂验收和目标作战使用过程中的维护测量。现有技术二：转台目标近场测量ISAR成像在低可探测目标生产和出厂验收阶段，其RCS诊断成像测量一般采用转台目标近场测量技术。图3示出了美国洛-马公司生产的F-35隐身飞机出厂验收阶段的近场RCS诊断成像测试设施，该设施的特殊要求包括：大的静区、能够在生产环境快速可靠地完成全尺寸飞机测试。每一架F-35飞机都必须进行全尺寸RCS成像诊断测量，以验证其隐身特性满足设计要求。洛-马公司在F-35飞机的总装地在德克萨斯州福特沃斯，建设了一个专用的室内RCS验收测试设施(AcceptanceTestFacility，ATF)来执行交付客户前的对飞机隐身性能的最后测试。测试中F-35飞机的鼻锥将通过特殊的绳索悬挂在天花板上，飞机的尾部架设在巨大的28英尺高塔架上，塔架下的大型转台直径为47英尺。转台的转动要求非常精确，没有任何摇晃以及任何类型的间歇振动，即使在开始和停止转动时也非常平稳。两个驱动装置一推一拉同步工作，使转台进行精密的平缓旋转，带动F-35飞机在360°全方位范围内转动，同时固定的雷达系统对数千个事先确定的数据点进行测量。验收测试设施可以在不到一天的时间内完成单架F-35飞机的全部测试和数据处理流程，所有三种类型的F-35飞机的出厂验收均架设在该塔台上进行360°旋转测试。现有技术二的缺点：测试设施庞大而精密，因此仅适用于生产厂家出厂验收验证使用，不能用于低可探测目标在部队作战使用过程中的维护测量诊断。现有技术三：直线导轨扫描SAR成像在低可探测目标训练、作战使用和维护阶段，其低散射特性的维护检查、维修、验证和确认一般依据问题的严重程度采取不同的验证措施。若目标返厂大修后，其整机低散射确认验证可归类于与出厂验收相同的测试类别，因此可以采用图3所示的专用RCS验收测试设施。而对于低可探测目标使用维护现场的诊断测量，一般采用直线导轨扫描SAR成像。图4示出了作战使用现场环境条件下，美国空军对F117A飞机低散射特性验证确认的诊断成像雷达测试方案。F117A飞机的测试在机场开阔环境条件、距离雷达21m且飞机起落架处于放下状态并采用特制护套遮挡时完成散射诊断成像测试，其成像扫描架轨道长7.2m,全套测量装备可装载于一个1.8m×1.8m×4.5m的方舱中，系统布展时间小于24小时。除了以上系统，已知的还包括STARDYNAMICS公司的BlueMaxG6车载扫描成像系统，如图5所示，其测量原理同样为直线扫描SAR成像，只不过导轨安装在载车一侧而已。现有技术三的缺点：事实上，迄今为止，所有资料报道的用于作战使用现场的目标RCS诊断成像测量的雷达均采用了目标放置在固定位置、测量雷达则通过导轨作直线扫描完成对目标的高分辨力SAR成像。但是，直线SAR成像需要构建一段足够长的精密导轨，目标固定放置于雷达视线前方，雷达则沿导轨作机械扫描以合成直线孔径。由于需要做机械扫描，导轨SAR成像测量体制的雷达装备具有以下固有缺陷：(1)实时性差：对真实目标进行高分辨力诊断成像时需要耗费很长的时间(例如，若目标尺寸20m,成像分辨力10cm,则最少需要做201次扫描，测量时间至少需要1～2小时)，难以实现快速诊断成像测量；(2)对测试现场环境要求高：为了获得高的横向距离分辨力，要求线性扫描导轨足够长且机械扫描精度足够高，对现场测试场地提出了较高的要求；(3)便携性差：全套测量装备比较庞大，难以实现小型化，便携性差。现有技术四：MIMO-SAR成像技术[参见文献5]MIMO雷达将通信理论中的多输入多输出(MIMO)技术与现代雷达中的数字波束形成(DBF)等技术相结合，是近十年来出现的一种新体制雷达技术。法国CEA公司的研究人员于2010年在天线测量技术协会年会上首次披露了一个用于近场成像测量的MIMO-SAR成像原理试验系统，其采用1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阵列可伸缩式便携MIMO‑SAR测量雷达系统，其特征在于：该系统包括可伸缩式MIMO天线阵列、雷达发射机/接收机、控制与处理计算机、全站仪、以及天线架；其中，雷达发射机/接收机包括频率综合器、发射机、接收机和数据采集单元，各部分功能如下：可伸缩式MIMO天线阵列：包括发射天线阵元、接收天线阵元、微波开关矩阵、天线安装导轨及其伸缩控制机构；通过微波开关矩阵的控制，完成各发射/接收天线阵元组合对雷达射频信号的发射和接收；其中发射天线由2M个喇叭天线组成，位于线阵的两端；接收天线由2N+1个喇叭天线组成，均匀分布于两组发射天线之间，这种线阵组合可以最大程度地减轻对发射系统和接收系统的设计复杂性，同时保证合成虚拟阵列最长、栅瓣远离目标区；天线阵元安装导轨用于收发天线的安装固定，导轨控制机构可控制导轨并带动天线阵列的伸缩，以便在导轨伸展条件下形成更长的虚拟合成孔径，由此提高较远距离整机诊断成像测量时的横向分辨力；频率综合器：生成频率步进脉冲射频信号，为发射机功率放大器和接收机混频器提供本振信号源；也可采用宽带线性调频波形替代频率步进波形；发射机：对频率步进脉冲信号进行功率放大并通过发射控制微波开关组合馈给发射天线阵元；接收机：由高频接收前端和中频接收机组成，其中高频接收前端紧靠MIMO天线阵列放置，对接收天线阵列的信号进行低噪声放大、混频后，中频接收信号馈给中频接收机，完成中频放大和I/Q正交通道接收；数据采集单元：由多通道数据采集板和数据采集软件组成，实现接收机输出模拟信号的模数转换和数据采集；控制与处理计算机：完成MIMO‑SAR雷达系统的MIMO天线阵列、发射、接收、信号采集等控制，完成测量数据的标定、成像和RCS反演处理；全站仪：用于完成雷达‑目标精确定位，并对目标位置参数进行精确测量；天线架：用于支撑MIMO天线阵列、雷达高频组合以及天线阵列伸缩控制单元，同时实现MIMO天线阵列的升降操作。...

【技术特征摘要】
1.一种阵列可伸缩式便携MIMO-SAR测量雷达的成像方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：步骤1、可伸缩式MIMO-SAR天线阵列的构建构建一个可伸缩式MIMO天线阵列，包括2M个发射天线阵元、2N+1个接收天线阵元、用于收发天线切换控制的微波射频开关矩阵、天线安装导轨及其伸缩控制机构；其中发射天线由2M个喇叭天线组成，位于线阵的两端；接收天线由2N+1个喇叭天线组成，均匀分布于两组发射天线之间，天线阵元安装导轨用于收发天线的安装固定，导轨控制机构可控制导轨并带动天线阵列的伸缩，以便在导轨伸展条件下形成更长的虚拟合成孔径，由此提高较远距离整机诊断成像测量时的横向分辨力；设计加工天线架用于支撑MIMO天线阵列、雷达高频组合以及天线阵列伸缩控制单元，同时实现MIMO天线阵列的升降操作；步骤2、MIMO-SAR测量雷达系统的构建构建一个宽带测量雷达，包括权雷达发射机、接收机、控制与处理计算机；其中，雷达发射机/接收机包括频率综合器、发射机、接收机和数据采集单元；发射机：为了保证MIMO-SAR发射信号的相位相干性，一般采用单个发射机，MIMO-SAR测量过程中通过控制微波射频开关来切换发射机与发射天线之间的通断，达到使2M个不同发射天线按照要求发射信号；接收机：可以是单个通道的I、Q接收机，也可以是2N+1个通道的多通道I、Q接收机，若采用单个I、Q接收机，则接收机采用分时切换工作方式，即对于MIMO-SAR的每个发射-接收组合，同一脉冲信号发射2N+1次，每次由2N+1个接收天线中的一个与接收机连接，接收回波信号，最终完成2N+1个回波接收，接收天线与接收机的连接由微波射频开关阵列控制，若采用2N+1个接收机同时多通道接收，则同一脉冲信号只需发射一次，2N+1个接收机同时接收回波，即每个接收天线同一个接收通道直接相连，一次发射得到2N+1个接收回波；数据采集单元：由多通道数据采集板和数据采集软件组成，实现接收机输出I、Q模拟信号的模数转换和数据采集；控制与处理计算机：通过编程控制，完成MIMO-SAR雷达系统的MIMO天线阵列、发射、接收、信号采集控制，实现对2M×(2N+1)个收发天线组合的宽带信号发射和目标回波数据采集，并完成测量数据的后续标定、成像处理；全站仪：仅作为辅助测量仪器，用于完成雷达-目标精确定位，并对目标位置参数进行精确测量；步骤3、MIMO-SAR雷达成像测量和目标回波数据录取(1)构建一个具有2M个发射天线、2N+1个接收天线的MIMO-SAR线阵，其中，发射天线平均分为两部分分别放置于线阵的两端构成两个发射阵列，接收天线均匀分布于线阵中间构成接收阵列，发射阵元间距为d，接收阵元间距为Md，发射阵列与接收阵列之间的距离为d/2，假设此时天线阵总长为L，所处状态称为缩进状态；将线阵分为左、中、右三部分；左侧部分称为子阵一，包括左侧的M个发射阵元和N个接收阵元，长度为L1；右侧部分称为子阵二，包括右侧的M个发射阵元和N个接收阵元，长度为L1；中间部分包括1个接收天线；子阵一...

【专利技术属性】
技术研发人员：许小剑，刘永泽，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11