专利名称：用于通过测量空间频率分量进行雷达成像的装置和方法
技术领域：
本发明涉及前视雷达成像系统。具体地，涉及使用数字波束成形技术测量垂直航 迹(cross-track)方向的场景中的空间频率分量的雷达成像系统。
背景技术：
常规的前视成像雷达被广泛用于飞机着陆和车辆导航应用中。在这种系统中，带 有机械万向节的天线孔径通常被安装在飞机或其它车辆前面，并且通常被用于发射功能和 接收功能。天线被以固定的仰角对准车辆下前方的一点。机械万向节允许天线沿着垂直于 车辆运动方向的垂直航迹进行方位角扫描。对于沿着垂直航迹扫描的每个方位角位置，从 该天线发射射频脉冲或一系列信号波形，并且该脉冲或信号波形遇到辐射区域内的目标而 散射，散射能量中的一些返回到天线。距离天线较近的物体将比距离天线较远的物体更早 地返回回波。因此，基于回波返回的时序将雷达返回波划分到时间区间(time bin)内等效 于将它们划分到反映到散射目标的距离的距离区间内。因此成像雷达沿航迹方向的最高分 辨率取决于可以多么精确地执行距离选通(range gating)，并且这主要是发射波形带宽的 函数。 在垂直航迹或方位角维度中，分辨率主要由孔径的大小指示，较大的孔径产生沿 着垂直航迹方向而被扫描的较小的波束覆盖区(beamfootprint)。当垂直于航迹扫描天线 时，以脉冲重复频率(PRF)发射脉冲或雷达波形，以便获取来自沿着垂直航迹扫描长度的 每个波束覆盖区的一系列返回波。因此，对于每个扫描，以根据距离选通分辨的沿航迹方向 上的像素和根据孔径大小及PRF速率分辨的垂直航迹方向上的像素构造二维图像。
该常规方法的一个缺点是天线万向节增加了系统的重量和复杂度。由于平台在扫 描开始和结束之间进行移动，所以扫描处理本身也增加了像差。另外，场景中的所有频谱分 量被在扫描铅笔形波束(sca皿ingpencil beam)方向上积分，这需要在可以执行高效的空 间频谱滤波之前对接收到的信号进行傅立叶变换。因此，提供一种下述系统是有用的，该系 统使用一个或多个固定天线，其可以一次获得整个场景从而减少运动引起的像差，并且直 接获取空间频谱，改进了信噪比并且以容易进行频谱处理的方式给出数据。
发明内容
提供了一种前视雷达成像系统，该系统通过沿着垂直航迹维度应用的数字波束成 形技术直接测量场景的空间频率分量。通过对适当选择的脉冲发射波形的距离选通进行距 离或沿航迹方向上的处理。分段接收天线作为干涉计操作，以便直接并且同时获取宽波束发射天线所辐射的整个测绘带(s冊th)的空间频率信息。这种系统提供了改进的信噪比， 消除了测绘带上的时间扭曲(time skew)，并且能够实现高度灵活的空间频率域滤波和图 像处理，导致了更高质量的图像。 根据本发明的成像雷达的一个实施例包括分离的发射天线和接收天线。发射天线 被选择为辐射该天线下前方地面上的宽目标测绘带。由接收天线截取来自该测绘带内的目 标的散射返回波。接收天线包括若干独立的元件，这些元件中的每一个响应该散射返回波 而同时地产生接收信号。来自接收天线的每个元件的接收信号被传递到距离处理器，距离 处理器将这些信号中的每一个划分到相应于在沿航迹(距离/仰角)方向距天线不同距离 的距离区间内。距离处理器采用匹配的滤波处理，并且可在频域中实现。雷达返回信号连 续地经过短时窗(short-timeiindow)快速傅立叶变换(FFT)处理器，并且由发射雷达波 形的存储频谱乘以输出频谱。然后通过逆快速傅立叶变换(IFFT)处理将该乘积频谱转换 回时域。IFFT的各个输出分量相应于相应距离区间的返回雷达信号强度。当使用六十四点 FFT和IFFT时，从距离处理器模块输出至少六十四组距离区间数据。 每个距离区间包括相应于天线阵列元件中的每个元件的一组完整的方位角信号。 基于每个距离区间，该方位角信号被传递到调制传递函数(MTF)处理器。MTF处理器被配置 为将所有方位角信号彼此相关，以便产生接收阵列孔径的自相关。以这种方式，接收孔径的 元件作为一系列定向在该方位角方向上的干涉计，每个元件对相应于作为干涉计的天线元 件之间的距离的某些空间频率分量敏感。可以顺序地处理每个距离区间内的方位角信号， 或通过添加多个MTF处理器，可以对其进行并行处理，使得能够实现更高的雷达重复频率。 例如，如果距离处理器将信号划分到N个距离区间内，可以并行操作N个MTF处理器以便处 理方位角数据，其中N是正整数。 在其中所有元件被规则地以一个单位间隔的常规线性阵列天线中，存在大量以一 个单位距离分隔开的元件对，较少的以两个单位距离隔开的元件对，并且仅有一个元件对 以最大的单位(即，阵列的整个长度)分隔开。因此，大量紧密间隔的元件对产生相应于 目标区域中的大尺度特征的低空间频率的冗余样本。仅有一个元件对对于相应于目标区 域内的最小可分辨特征的最高空间频率敏感。可以从这种冗余阵列中去除多个元件，以 便最小化以相同距离分隔开的元件对的数目，并且从而对相同空间频率分量采样。当去 除这种元件时，实现了很少或没有空间频率采样冗余的最小冗余阵列(MRA)。下面参考图 4B描述了这种MRA的一个例子。包括MRA接收阵列的成像雷达系统和包括完全填充阵列 (fully-populated array)的成像雷达系统都落在本发明的范围和精神内。
在MTF处理器中的自相关之后，相应于所选择的距离区间的处理后的方位角信号 的空间频率谱信号处于应用可选择的空间频率滤波的理想形式。在本发明的一个实施例 中，MTF处理器还包括频谱加权单元，其被配置为给MTF信号的每个分量施加复数加权因 子。这些因子可以抑止或增强具有特定频谱频率特性的信号。例如，可以选择该加权因子， 以便作为低通滤波器，拒绝MTF信号的高空间频率分量。这具有平滑场景的重构图像的效 果。在另一方面，该加权因子可被配置为产生高通滤波器，高通滤波器往往作为锐化滤波 器，增强场景的重构图像的边缘。还可以通过改变加权因子实现其它滤波结构，诸如带通滤 波。 在可选择的滤波之后，来自MTF处理器的信号被传递到傅立叶变换处理器，傅立叶变换处理器执行逆傅立叶变换，以便产生方位角图像片段(azimuth image slice)。为多 个距离片段(range slice)中的每一个创建类似的方位角片段，并且图像处理器将方位角 片段堆叠在一起，以便创建场景的二维图像。 在根据本发明的成像雷达的可替换实施例中，提供了两个空间分离的发射天线， 一个发射天线在接收天线阵列的右边，另一个在接收天线阵列的左边。从左发射天线和右 发射天线交替地发射雷达波形。由于被左发射天线辐射的测绘带中的大部分与被右发射天 线辐射的测绘带重叠，来自两个分离的天线的雷达返回波可被用于产生场景的三维立体图 像。两个发射源的间隔指示了仰角和方位角的三维分辨率深度。 从前面的讨论中，应当清楚直接测量目标区域的空间频率分量的成像雷达系统实 现了某些优点。通过对优选实施例的下列详细描述的研究，本领域的技术人员将明了本发 明的其它优点和应用。参考将被首先简要描述的附图。
图l示出了采用带有万 向节的发射/接收天线的常规前视雷达系统；图2示出了根据本发明的前视雷达系统的实 施例；图3给出了常规图像处理方法和根据本发明的空间频率处理方法的示意性比较；图 4A-C示出了根据本发明的包括最小冗余阵列的稀疏阵列天线的布置；图5示出了根据本发 明的包括最小冗余接收阵列的前视成像雷达的实施例；图6示出了根据本发明的图像处理 技术的示意图；图7示出了根据本发明的技术的图像处理的模拟结果；和图8示出了根据 本发明的具有两个发射天线的成像雷达的可替换实施例的框图。
具体实施例方式
本发明提供了 一种通过沿垂直航迹维度施加的数字波束成形技术来直接测量场 景的空间频率分量的雷达成像系统。在沿航迹维度上使用距离选通，以便将来自辐射测绘 带的返回波划分到可被独立处理的多个距离区间内。该系统提供了改进的信噪比，并且给 图像形成处理提供了显著的灵活性，提高了雷达成像的质量。 图l示出了采用万向节天线的常规前视车载成像雷达系统。车辆102在以112所 示方向上移动。天线104安装在车辆102前面的万向节110上，如106所示，万向节110允 许天线以方位角前后移动。天线104用于发射和接收。在发射时，天线104辐射车辆102 下前方地面上的一点114。从辐射点114内的散射目标返回的回波回到天线104，使用距离 选通，以便分辨散射目标沿以118示出的距离或沿航迹方向的位置。万向节110转动天线 104，以便沿着地面的测绘带扫动辐射点。虚线图108示出了扫描过程中天线的一个可替换 的位置，示出了对地面点116的辐射。当机械地操纵天线扫出以120所示的方位或垂直航 迹方向上的测绘带时，发射和接收重复的雷达波形。由天线的指向和波束点在地面上的宽 度确定散射目标的方位角位置，而波束点在地面上的宽度又由天线孔径的大小确定。在垂 直航迹方向上延伸更远的天线产生具有更窄垂直航迹宽度的点，并且从而增加了分辨率。
诸如图1所示的常规系统具有若干缺点。具体地说，天线的机械操纵增加了重量 和复杂性，并且需要额外的支撑结构，以便防止天线在扫描过程中扭曲或变形。另外，在执 行天线扫描所需的时间期间，车辆正在移动，并且必须针对这种移动校正所获得的二维图 像，这可能不能获得高精度。另外，返回天线的散射场被在孔径的整个长度上积分，在可以 施加空间滤波之前，这需要傅立叶变换处理。该处理会增加噪声并且降低图像的整体质量。
图2示出了根据本发明的前视成像雷达的实施例的示意图。天线被分为发射天线202和接收天线208，它们的位置都是原位固定的并且被安装在车辆的前面。发射器204把 雷达脉冲驱动到发射天线202，辐射车辆下前方地面上的一个宽测绘带206。不同于常规前 视雷达，由低增益发射天线202同时辐射整个地面测绘带，而不是在方位扫描中一部分一 部分地进行。接收天线208是包括若干单独辐射元件(例如，210和212)的分段阵列孔径。 由接收阵列208的所有元件同时接收来自辐射测绘带206的回波。发射器204以PRF速率 发射连续脉冲，辐射沿航迹方向上的重叠的测绘带220和222。使用距离选通区分来自沿 航迹方向上的散射目标的回波，这允许对给定距离区间的多个观测进行积分以便改进信噪 比。 由分离的接收通道(例如，214)单独处理在每个元件处接收到的强度。然后，各个 元件信号被传递到在下面更全面地描述的成像处理器216。不同于获取接收的电场、执行傅 立叶变换以便复原远场电压分布、然后对其进行平方以便产生场景的强度图像的常规雷达 系统，本发明的系统改为通过将接收天线用作一系列干涉计而在频域中工作。图3提供了 对这种技术的例示。 图3示出了用于从雷达返回波产生图像的常规处理路径，以及根据本发明的雷达 系统的实施例所采用的处理路径。左上象限302把雷达孔径描绘成单个孔径或相控阵列 310或稀疏阵列312，将参考图4A-B更详细地对其进行讨论。通过对来自扫描测绘带的返 回波执行傅立叶变换322，以便复原以324示意地示出的远场电压分布，常规的处理进入左 下象限306。然后在视野上逐个像素地对电压分布取平方326产生场景320的图像，该图像 是反射信号强度的逐个像素的映射。 导出右下象限308中图像320的一种替代的和在数学上等价的方法符合根据本发 明的方法。孔径元件作为干涉计的集合，这些干涉计对于与天线孔径312各个元件之间的 间隔相对应的场景的空间频率分量是敏感的。紧密间隔的元件对于低空间频率敏感，并且 宽间隔的元件对于高空间频率敏感。因此，由天线元件收集的信号测量该孔径的视野上的 各种空间频率分量的能量分布。对孔径元件进行自相关314，以便产生在右上象限304中示 意地示出的所谓的调制传递函数(MTF)316。这种方法的优点是在整帧时间上对空间频率分 量的样本进行积分，改进了信噪比。另外，MTF是应用用于增强复原的图像的空间滤波或其 它频域滤波的理想形式。由逆傅立叶变换318处理MTF 316，以便复原场景320的图像。
应当注意，上述处理是以每个距离线为基础执行的。换言之，对雷达返回波进行距 离选通，以便将雷达数据划分到一系列距离区间内。然后以图3所示的技术按照方位角处 理每个距离区间。然后将每个距离区间的经过处理的方位角条带堆叠在一起，以便形成该 场景的完整二维图像。 如上面参考稀疏阵列312所讨论的，孔径元件可被认为是对于相应于各种元件组 合之间的间隔的空间频率分量敏感的干涉计的集合。因此，容易理解，由于存在大量具有最 小间隔的阵列元件组合，完全填充的规则阵列将对视野中的低空间频率分量执行许多冗余 测量。图4A-C例示了这种概念。 图4A示出了仅仅填充了两个元件401和402的接收阵列孔径。该阵列仅仅对于 相应于元件401和402之间的间隔的低空间频率分量敏感。如果填充了元件401到407的 所有元件，注意存在具有该相同间隔的许多元件组合，例如，402和403， 403和404以及406 和407等。因此，这种阵列将进行许多冗余测量。
在另一方面，图4C是仅仅填充了第一个元件421和最后一个元件427的接收孔 径。该孔径将仅对场景中相应于元件421和427之间的较大间隔的高空间频率分量敏感。 更具体地说，图4C的孔径对6倍于图4A所示的空间频率分量的空间频率分量做出响应。
可以构造最小冗余的阵列孔径，其中以不丢失空间频率分量，并且不以多于一对 的阵列元件测量任意空间频率分量的方式减少填充的阵列元件的数目。图4B示出了这种 最小冗余阵列(MRA)。此处，相应于槽411、412、415和417填充4个元件。这种MRA提供 了与完全填充的七个元件阵列相同的分辨率，测量直至由两个最外面的元件411和417的 间隔设定的上限的所有空间频率分量。对于相应于各种元件分隔的空间频率分量敏感的阵 列元件组合被总结如下1)DC分量(411,411)， (412,412)， (415,415)和(417,417) ;2)1 个单位的间隔(411,412) ;3)2个单位的间隔(415,417) ;4)3个单位的间隔(412,415); 5)4个单位的间隔(411,415) ;6)5个单位的间隔(412,417);和7)6个单位的间隔(411， 417)。 除了相应于具有零间隔的元件的DC空间频率分量，仅由一种元件组合测量每个 频谱分量。因此，MRA阵列使得能够通过去除冗余元件减少天线体积，而不降低阵列的分辨 率。相反，对于给定数目的阵列元件，通过最大化两个最外面的元件之间可实现的间隔，MRA 布置使得能够实现增加的分辨率。当然，MRA的概念可被扩展到大于7个元件的阵列。这 种MRA可用于根据本发明的雷达成像系统。 图5是采用根据本发明的MRA的雷达成像系统的实施例的图示。以啁啾(chirp) 脉冲波形512或其它适合的雷达脉冲驱动具有宽波束图案的发射天线508。发射的射频能 量辐射天线下前方的地面的测绘带504。来自辐射测绘带中的散射目标的反射返回到最小 冗余接收阵列天线502。图5示出了返回到接收阵列的两个较宽分隔的元件506和510的 返回波，例示了接收阵列对于与例示的测绘带中的小结构和精细细节相关联的相对高的空 间频率的灵敏度。 通过将由每个接收阵列元件测量的信号与发射的啁啾波形512的耦合样本相混 合520，对以每个接收阵列元件测量的信号去调频(dechirp)。然后由模数转换器518数字 化去调频信号，并且将数字化样本发送到图像处理器516，下面参考图6更详细地描述图像 处理器516。当平台向前移动时，新的发射脉冲导致重叠的测绘带526和524，测绘带526 和524可被结合，以便提供对散射目标的多个观测，从而改进系统的信噪比。
图6是根据本发明的雷达成像系统的图像处理流程的更详细的图示。通过应用用 于发射雷达脉冲的啁啾波形610在混频器602中对来自接收阵列502 (见图5)的输入信号 612去调频。以每个天线元件为基础，在模数转换器604中数字化去调频的信号。然后，使用 短时窗快速傅立叶变换(FFT)606对来自天线阵列元件的数字化信号进行距离选通，以便 将它们划分到以608示意地示出的距离区间内。每个距离区间相应于在方位角方向或垂直 航迹方向上延伸，但是处于距天线相同距离或相同沿航迹距离的目标带。由后续方位角处 理硬件单独处理每个距离区间。注意可由并行方位角处理器并行处理所有距离区间，或可 以由单个方位角处理器顺序存储和处理距离区间数据，从而以较低的脉冲重复频率(PRF) 为代价节省硬件成本。每个方位角处理器包括调制传递函数(MTF)处理器614和配置为执 行逆FFT的傅立叶变换处理器618。 MTF处理器614从接收天线的每个元件读入距离区间 数据，并且在整个接收孔径上执行自相关。这具有按频率组织该场景的被辐射的距离片段
10中所测量的空间频率分量的作用。天线是最小冗余阵列的事实导致与通过完全填充阵列获 得低空间频率分量相比，低空间频率分量被更少加权的频谱。MTF处理器614被配置为给每 个频率区间施加可配置的加权因子。这些加权因子可用于补偿较低频率分量的冗余采样的 缺少，并且更具体地，可用于通过根据公知的方法，诸如，平滑(增强低空间频率分量)或边 缘锐化(增强高空间频率分量)的空间滤波，增强图像特征。 然后经MTF处理的信号的加权分量被发送到傅立叶处理器618，傅立叶处理器618 执行逆傅立叶变换，以便复原以620指示的一行方位角像素。并行(或顺序)的方位角处理 器组(例如，616和626)处理其它的距离片段。堆叠相应于每个距离区间或仰角区间624 的方位角图像行620，以便形成由发射天线辐射的测绘带的二维图像。取决于安装天线的车 辆的速度和雷达的PRF速率，后续发射脉冲可以辐射部分重叠的测绘带，导致多次对距离 片段成像。可以组合距离片段的这些多次观测，以便改进图像的信噪比。
图7示出了与常规的铅笔形波束处理相比，使用本发明的空间频率处理方法的模 拟图像处理结果。以702示出场景的一个距离片段，其中沿水平轴绘出了沿方位角方向的 距离，并且沿垂直轴绘出了雷达返回波的理想强度。数据710表示理想系统的返回波。沿 着左边的路径到图像704表示常规的铅笔形波束处理。此处，在场景上扫描窄波束，并且在 扫描天线上积分的返回波712的强度被绘制为扫描角度的函数。 在右手侧，例示了本发明的处理方法。到达最小冗余接收阵列的元件的信号被互 相关，即，执行整个孔径的自相关，并且场景的空间频率分量的最终幅度716和相位718被 在706中绘出。此处，沿着水平轴绘出波数，并且沿着垂直轴绘出幅度/相位角。标记为720 的框示出了作为这个空间频率域内的空间滤波器的简单低通滤波器，例示了施加这种处理 的容易性。 通过应用逆傅立叶变换，以便根据沿方位角方向的距离复原强度曲线714，从空间 频率谱706重构图像708。在704和708示出的图像基本相似，说明两种成像方法在数学上 的等价性。然而，以空间频率方法形成的图像通常示出更急剧和更快的空间变化能力，这是 由于该图像处理具有对空间频率分量进行不同加权的灵活性。可以施加权重，以便精确地 复原铅笔形波束图像，但是还可以施加权重，以便增强或抑制某些频率分量，从而给出所希 望的场景图像特征。 图8示出了根据本发明的成像雷达的可替换的实施例，其提供配置为使得能够产 生三维立体雷达图像的两个发射天线。两个空间分离的发射天线802和804配置为交替地 发射波形以便辐射场景。波形产生器806途经开关808，开关808可以将发射雷达波形交替 地引导到第一发射天线802或第二发射天线804。操作该开关，从而交替的脉冲被引导到交 替的天线。因此，由第一发射天线802发射的第一波形辐射第一测绘带818。然后开关808 移向第二位置，并且第二发射天线804辐射具有与第一测绘带818基本重叠区域的第二测 绘带820。因此，第一测绘带818和第二测绘带820的重叠区域中的目标被从两个角度连续 辐射。由包括单独的接收元件(例如814和816)的接收阵列812接收来自每个发射波形 的返回波。然后如前述那样产生场景的雷达图像。然而，来自两个角度的返回波的差异使 得能够产生三维立体图像。三维分辨率的深度是两个发射天线的间隔的函数。当发射天线 在方位角方向上分隔开时，如图8所示，在方位角方向上获得立体分辨率。可替换地，两个 发射天线可在仰角上分隔开，其中在仰角方向上具有相应的立体分辨率。当然，由于平台沿
11航迹的运动导致从不同距离/仰角成像的重叠测绘带，所以仰角方向上的有些立体分辨率 不论如何都可以获得。当然，发射天线的其它布置也是可行的，并且该系统可以包括多于两 个发射天线，以便在多于一个方向上实现三维分辨率。这种系统也落在本发明的范围和精 神内。 因此，实现了使用沿垂直航迹维度应用的干涉测量来直接测量场景的空间频率分 量的雷达成像系统。在沿航迹维度上使用距离选通，以便将来自辐射测绘带的返回波划分 到可被独立处理的多个距离区间内。该系统提供了改进的信噪比，并且给图像形成处理提 供了显著的灵活性，提高了雷达成像的质量。包括两个或更多个发射天线的雷达系统的实 施例还使得能够产生三维立体雷达图像。本领域的技术人员可以认识到本发明的其它优 点，并且应当理解，可以在本发明的范围和精神内做出各种修改、调整和其替换实施例。本 发明进一步由下面的权利要求限定。
权利要求
一种雷达成像系统，包括发射天线，被配置为发射雷达波形，以便辐射在距离方向和方位角方向延伸的目标区域；划分为多个阵列分段的接收天线，其中所述接收天线被配置为接收来自所述目标区域的雷达返回波，并且产生与所述多个阵列分段中的相应阵列分段相关联的多个返回信号；距离处理器，被配置为从所述接收天线接收所述多个返回信号，并且将它们划分到多个距离片段中，其中所述多个距离片段中的每一个距离片段包括与所述多个阵列分段中的相应阵列分段相关联的多个方位角信号；至少一个调制传递函数(MTF)处理器，被配置为一次从所述多个距离片段之一接收多个方位角信号，并且对所述多个方位角信号进行自相关，以便产生多个空间频率信号；至少一个傅立叶变换处理器，被配置为接收所述多个空间频率信号，并且产生所述空间频率信号的逆傅立叶变换，以便产生与由所述至少一个MTF处理器接收的多个距离片段之一相关联的方位角图像片段；和图像处理器，被配置为组合与所述多个距离片段之一相关联的方位角图像片段，以便产生二维雷达图像。
2. 如权利要求l的雷达成像系统，其中所述接收天线的多个阵列分段包括稀疏线性阵 列，由此所述多个阵列分段中的阵列分段被沿着直线定位，使得所述多个距离分段对之间 的间隔是不规则的。
3. 如权利要求2的雷达成像系统，其中所述稀疏线性阵列还适合于包括最小冗余阵 列，由此具有相等间隔的阵列分段对的数目被最小化。
4 如权利要求l的雷达成像系统，其中所述至少一个MTF处理器还包括加权单元，所述 加权单元被配置为给所述多个空间频率信号中的相应空间频率信号施加
5. 如权利要求4的雷达成像系统，其中由所述加权单元施加的所述多个复数加权因子 被配置为对所述多个空间频率信号进行低通滤波。
6. 如权利要求4的雷达成像系统，其中由所述加权单元施加的所述多个复数加权因子 被配置为对所述多个空间频率信号进行高通滤波。
7. 如权利要求4的雷达成像系统，其中由所述加权单元施加的所述多个复数加权因子 被配置为对所述多个空间频率信号进行带通滤波。
8. 如权利要求l的雷达成像系统，其中所述距离处理器还包括距离傅立叶变换处理 器，所述距离傅立叶变换处理器被配置为对所述多个返回信号执行短时窗快速傅立叶变 换，以便将所述多个返回信号划分到多个距离片段中。
9. 如权利要求1的雷达成像系统，其中 所述至少一个MTF处理器还包括N个MTF处理器；禾口 所述至少一个傅立叶变换处理器还包括N个傅立叶变换处理器；其中N是相应于由所述距离处理器产生的距离片段的数目的正整数；禾口 其中所述N个MTF处理器和所述N个傅立叶变换处理器被配置为并行处理由所述距离 处理器产生的N个距离片段中的多个方位角信号。
10. —种雷达成像系统，包括发射天线，被配置为发射雷达波形，以便辐射在距离方向和方位角方向延伸的目标区域；划分为多个阵列分段的接收天线，其中所述多个阵列分段被配置为包括最小冗余阵列，由此具有相等间隔的阵列分段对的数目最少；和所述最小冗余阵列被配置为从所述目标区域接收雷达回波，并且产生与所述多个阵列 分段中的相应阵列分段相关联的多个返回信号；距离处理器，被配置为从所述最小冗余阵列接收所述多个返回信号，并且将它们划分 到多个距离片段中，其中所述多个距离片段中的每一个距离片段包括与所述多个阵列元件 中的相应阵列元件相关联的多个方位角信号；调制传递函数(MFT)处理器，被配置为一次从所述多个距离片段之一接收多个方位角 信号，并且对所述多个方位角信号进行自相关，以便产生多个空间频率信号；傅立叶变换处理器，被配置为接收所述多个空间频率信号，并且产生所述空间频率信 号的逆傅立叶变换，以便产生与由所述MTF处理器接收的多个距离片段之一相关联的方位角图像片段；禾口图像处理器，被配置为组合与所述多个距离片段中的距离片段相关联的方位角图像片 段，以便产生二维雷达图像。
11. 如权利要求10的雷达成像系统，其中所述MTF处理器还包括加权单元，所述加权单 元被配置为给所述多个空间频率信号中的相应空间频率信号施加多个复数加权因子。
12. 如权利要求ll的雷达成像系统，其中由所述加权单元施加的所述多个复数加权因 子被配置为对所述多个空间频率信号进行低通滤波。
13. 如权利要求ll的雷达成像系统，其中由所述加权单元施加的所述多个复数加权因 子被配置为对所述多个空间频率信号进行高通滤波。
14. 如权利要求ll的雷达成像系统，其中由所述加权单元施加的所述多个复数加权因 子被配置为对所述多个空间频率信号进行带通滤波。
15. 如权利要求10的雷达成像系统，其中所述距离处理器还包括距离傅立叶变换处 理器，所述距离傅立叶变换处理器被配置为对所述多个返回信号执行短时窗快速傅立叶变 换，以便将所述多个返回信号划分到多个距离片段中。
16. 如权利要求10的雷达成像系统，还包括 N个调制传递函数(MTF)处理器；禾口 N个傅立叶变换处理器；其中N是相应于由所述距离处理器产生的距离片段的数目的正整数；禾口其中所述N个MTF处理器和所述N个傅立叶变换处理器被配置为并行处理由所述距离 处理器产生的N个距离片段中的多个方位角信号。
17. —种在包括发射天线和包括多个分段的接收天线阵列的雷达成像系统中创建雷达 图像的方法，该方法包括从所述发射天线发射雷达波形，以便辐射目标区域；在所述接收天线阵列处接收雷达回波，产生与所述接收天线阵列的多个分段中的相应 分段相关联的多个返回信号；对所述多个返回信号进行距离选通，以便将它们划分到多个距离片段中，其中所述多 个距离片段中的每个距离片段包括与所述接收天线阵列的多个分段中的相应分段相关联 的多个方位角信号；执行与所述多个距离片段中的第一距离片段相关联的多个方位角信号的自相关，以便 产生包括第一多个空间频率分量的第一调制传递函数；执行所述第一多个空间频率分量的逆傅立叶变换，以便产生与所述多个距离片段中的 第一距离片段相关联的第一方位角图像行；重复执行与所述多个距离片段之一相关联的多个方位角信号的自相关和逆傅立叶变 换的步骤，直到处理了所有距离片段为止；布置与所述多个距离片段中的距离片段相关联的方位角图像行，以便形成目标区域的 二维图像。
18. 如权利要求17的方法，其中执行多个方位角信号的自相关的步骤还包括给根据所 述多个方位角信号产生的调制传递函数施加复数加权因子，以便实现所述调制传递函数的 空间滤波变换。
19. 如权利要求18的方法，其中所述施加复数加权因子的步骤还包括对所述调制传递 函数进行低通滤波。
20. 如权利要求18的方法，其中所述施加复数加权因子的步骤还包括对所述调制传递 函数进行高通滤波。
21. 如权利要求18的方法，其中所述施加复数加权因子的步骤还包括对所述调制传递 函数进行带通滤波。
22. 如权利要求17的方法，其中对所述多个返回信号进行距离选通的步骤还包括对所 述多个返回信号执行短时窗快速傅立叶变换，以便将所述多个返回信号划分到多个距离片 段中。
23. 如权利要求17的方法，其中重复执行自相关和执行逆傅立叶变换的步骤的步骤被 并行执行，使得并行处理所述多个距离片段中的每个距离片段。
24. —种三维雷达成像系统，包括至少第一发射天线和第二发射天线，被配置为交替地发射雷达波形，以便辐射在距离 方向和方位角方向延伸的目标区域，其中第一发射天线从第一角度辐射所述目标区域；禾口 第二发射天线从第二角度辐射所述目标区域；划分为多个阵列分段的接收天线，其中所述接收天线被配置为接收来自所述目标区域 的雷达返回波，并且产生与所述多个阵列分段中的相应阵列分段相关联的多个返回信号；距离处理器，被配置为从所述接收天线接收所述多个返回信号，并且将它们划分到多 个距离片段中，其中所述多个距离片段中的每一个距离片段包括与所述多个阵列分段中的 相应阵列分段相关联的多个方位角信号；调制传递函数(MTF)处理器，被配置为一次从所述多个距离片段之一接收多个方位角 信号，并且对所述多个方位角信号进行自相关，以便产生多个空间频率信号；傅立叶变换处理器，被配置为接收所述多个空间频率信号，并且产生所述空间频率信 号的逆傅立叶变换，以便产生与由所述MTF处理器接收的多个距离片段之一相关联的方位角图像片段；禾口图像处理器，被配置为组合与来自第一发射天线的多个距离片段中的距离片段相关联 的方位角图像片段以及与来自第二发射天线的多个距离片段中的距离片段相关联的方位 角图像片段，以便创建三维雷达图像。
25. 如权利要求24的三维雷达成像系统，其中第一发射天线和第二发射天线在基本上 水平的方向上分隔开。
26. 如权利要求24的三维雷达成像系统，其中第一发射天线和第二发射天线在基本上 垂直的方向上分隔开。
27. 如权利要求24的三维雷达成像系统，其中所述接收天线的多个阵列分段包括稀疏 线性阵列，由此所述多个阵列分段中的阵列分段被沿着直线定位，使得所述多个距离分段 对之间的间隔是不规则的。
28. 如权利要求27的三维雷达成像系统，其中所述稀疏线性阵列还适合于包括最小冗 余阵列，由此具有相等间隔的阵列分段对的数目被最小化。
29. 如权利要求24的三维雷达成像系统，其中所述距离处理器还包括距离傅立叶变换 处理器，所述距离傅立叶变换处理器被配置为对所述多个返回信号执行短时窗快速傅立叶 变换，以便将所述多个返回信号划分到多个距离片段中。
全文摘要
提供了一种通过沿着垂直航迹维度施加的数字波束成形技术直接测量场景的空间频率分量的雷达成像系统。分离的发射天线和接收天线为接收函数提供了增大的积分时间，从而改进了信噪比。采用了分段的接收天线，并且将其处理为对场景中相应于天线元件对之间的间隔的空间频率分量敏感的一系列干涉计。在沿航迹维度上使用距离选通，以便将来自辐射测绘带的返回波划分到可被独立处理的多个距离区间内。该系统提供了改进的信噪比，并且给图像形成处理提供了显著的灵活性，提高了雷达成像的质量。还提供了能够产生三维立体雷达图像的具有多个发射天线的实施例。
文档编号G01S13/89GK101765789SQ200880024227
公开日2010年6月30日 申请日期2008年5月20日 优先权日2007年5月21日
发明者章成栋 申请人:空间数码系统公司