专利名称：被动综合孔径快速扫描成像系统的制作方法
技术领域：
一种新型的被动综合孔径快速扫描成像系统，主要通过射频移相器对射频信号进 行实时移相控制，以实现在射频合成器的输出对应于目标区域内的某特定方向的辐射信 号，并最终通过快速的相移来实现快速扫描成像，属于被动辐射探测、遥感和侦察领域。
背景技术：
被动微波、毫米波和太赫兹波成像系统广泛应用于射电天文学研究、遥感和军事 等领域。任何高于绝对零度的物体都会辐射各种波段的电磁波，被动成像探测是探测目标 的电磁辐射和散射，并运用各种信号处理技术恢复出目标的温度分布图或散射特征图。为了提高成像系统的分辨率，目前广泛应用综合孔径技术，其基本原理是系统的 空间分辨率与最大基线成正比。而普遍采用的被动综合孔径成像方式是干涉成像技术，由 于任意两个天线接收到的辐射信号的互相关函数对应着目标区域空间频率的一个采样点， 通过增加天线数目来实现空间频率的充分覆盖以最终实现对目标区域的成像。如图1所示 (以1-D情况下4根天线的阵列为例)，天线1接收的目标辐射通过混频器13与来自本振 11混频后产生差频信号，该信号经过放大器14后分别在相关器15中进行两两复互相关运 算，再经信号处理器16进行离散Fourier逆变换后重构出目标的图像并在显示器8上显示 出来。1988年，美国麻萨诸塞大学微波遥感实验室采用这种方法研制出一台L波段 (l-2GHz)单极化(水平方向)混合实-综合孔径辐射计(ESTAR)，并进行了机载实验，得到 有价值的土壤湿度图案。而ESTAR的下一代2D-STAR的样机也开发完成，并于2002进行了 首飞试验。自从第一台被动综合孔径成像系统ESTAR出现以来，被动综合孔径成像技术不断 向前发展，先后出现了 MIRAS、2D-STAR等干涉式被动综合孔径成像系统。但基于干涉成像 的被动综合孔径成像方法存在系统复杂度太高、体积大的不足之处，特别是对于一个综合 孔径阵列，所需要的互相关器的数目是随着天线的数目呈现几何级数的增长。例如，在2009 年11月刚刚发射升天的SM0S卫星上搭载的MIRAS系统，其天线数目为69个，其相关器数 目达到近5000个！这些对于机载和星载系统来说，都带来了巨大的成本增加。此外，由于 互相关的结果数据非常巨大，在进行傅里叶逆运算和校正算法过程对处理器的要求也非常 高，不仅要求性能高，造成的功耗也非常大。
发明内容
本发明提出一种新型的被动综合孔径快速扫描成像系统，主要通过射频移相器对 本发明系统中接收到的射频信号进行实时移相控制，以实现在合成器中合成射频信号后的 结果对应目标区域内的某个特定的位置的辐射信号。通过不断的改变相位的移相控制，可 以实现目标区域的快速扫描成像。本发明主要采用上变频技术对目标的宽带辐射信息进行综合孔径成像，采用如下技术方案接收天线阵列接收来自目标区域辐射和散射的射频信号，经过低噪放大器后进入 射频移相器；同时，计算机根据所需探测位置计算出此时各通道所需的相移值，并通过驱动 器对进入相移器的射频信号进行移相，移相后的射频信号输入到合成器被合成后进入射频 探测器，射频探测器的输出进入锁相放大器后，最终输入到计算机进行处理以形成目标区 域的图像。在本发明中，系统及其各个部分说明如下(1)被动综合孔径快速扫描成像系统由接收机子系统、信号合成子系统和锁相探 测子系统组成。首先，接收机子系统负责接收和放大来自目标区域的射频信号，信号合成子 系统对接收机子系统输出的射频信号进行先相移后合成，合成信号最终被锁相探测子系统 探测并转化为视频信号输入到计算机中处理和显示。(2)接收机子系统是由天线阵列和低噪放大器组成；天线阵列接收来自目标区域 的射频信号，低噪放大器对该射频信号进行放大。(3)信号合成子系统是由射频移相器、相移控制器、射频合成器和计算机组成；计 算机根据目标区域设定接收机子系统中射频信号所需的相移值，并通过相移控制器给出控 制电压，以驱动射频移相器对进入其中的射频信号产生相应的相移值，被移相的射频信号 随后进入射频合成器中进行叠加合成。(4)锁相探测子系统是由射频探测器、射频开关、信号发生器和锁相放大器组成； 信号发生器产生固定频率的方波信号控制射频开关的通断以形成对进入接收机子系统的 射频信号的调制，被调制的射频信号在经过信号合成子系统后被射频探测器获取并进入锁 相放大器；同时，方波信号也输入到锁相放大器；经过锁相放大器处理的信号即是目标区 域的视频信号，该视频信号最终进入计算机被处理和显示。(5)相移值的设定的原则为根据扫描方向可计算天线阵列接收来自目标区域的 射频信号的相位差，相移值是用来补偿所述的相位差，使得所述本发明系统接收的扫描方 向的所有射频信号的相位差为零，叠加后被加强，而非扫描方向外的信号叠加相消，以实现 最终合成器输出的射频信号为所述的扫描方向的进入天线阵列的射频信号。本发明的主要特色和优势一种新型的被动综合孔径快速扫描成像系统，主要通 过射频移相器对本发明系统中接收到的射频信号进行实时移相控制，以实现在合成器中合 成射频信号后的结果对应目标区域内的某个特定的位置的辐射信号。通过不断的改变相位 的移相控制，可以实现目标区域的快速扫描成像。相对于传统的被动综合孔径成像系统，本 发明无需混频和本振相关电路和设备，成像过程不存在复杂的计算，不要专门的大型信号 处理设备，系统结构简单、稳定可靠；且由于移相过程、探测过程以及锁相技术的频率都可 以达到兆赫兹以上，因此本发明的被动综合孔径快速扫描成像系统的成像速度毫不逊色于 传统的被动综合孔径成像系统。本发明的应用前景本发明可用于机载和星载或其他载体平台，实现对地侦察、监 视、遥感和监测等各种应用。
图1为本发明被动综合孔径快速扫描成像系统图
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图2为干涉式被动综合孔径成像系统图
图3为具体实施方式
中的天线阵列的结构图
具体实施例方式根据图1所示的被动综合孔径快速扫描成像系统图，在具体实施方案中以目前 较为常用的35GHz大气窗口作为系统的射频工作频率，具体各个部分及其工作过程说明如 下天线阵列1采用由16根天线组成的“Y”型阵列组成，其具体位置如图3所示， 天线为WiseWave Technologiesd Inc.公司的ACH25020-2，其中心工作频率正好包含 了 35GHz的大气窗口。天线阵列1接收来自目标区域辐射和散射的射频信号，信号随后 经过一个可快速调制的毫米波射频开关2，然后进入工作在天线中心频率35GHz型号为 ALN-35024020-01的低噪放大器3，且被放大的射频信号随后进入射频移相器4。此时，计算机8根据所需探测位置计算出此时天线阵列各通道所需的相移值，并 通过相移控制器10对进入射频相移器4的射频信号进行移相，相移值是用来补偿所述的相 位差，使得所述本发明系统接收的扫描方向的所有射频信号的相位差为零，在射频合成器5 中叠加后被加强，而非扫描方向外的信号叠加相消，以实现最终射频合成器5输出的射频 信号为所述的扫描方向的进入天线阵列的射频信号。射频合成器5中合成的射频信号输入射频探测器6，射频探测器6的输出进入锁相 放大器7。本实施方案中采用信号发生器9输出一个频率为IMHz的方波脉冲信号分别给毫 米波射频开关2和锁相放大器7作为参考信号以实现锁相工作。锁相放大器7的输出最终 进入计算机进行处理以形成目标区域的图像。
权利要求
1.一种高空间分辨率的被动综合孔径快速扫描成像系统，其特征是所述系统由接收 机子系统、信号合成子系统和锁相探测子系统组成；各所述子系统工作如下，接收机子系统 负责接收和放大来自目标区域的射频信号，信号合成子系统对接收机子系统输出的射频信 号进行先相移后合成，合成信号最终被锁相探测子系统探测并转化为视频信号输入到计算 机中处理和显示。
2.根据权利要求1所述被动综合孔径快速扫描成像系统，接收机子系统是由天线阵列 和低噪放大器组成；天线阵列接收来自目标区域的射频信号，低噪放大器对该射频信号进 行放大。
3.根据权利要求1所述被动综合孔径快速扫描成像系统，信号合成子系统是由射频移 相器、相移控制器、射频合成器和计算机组成；计算机根据目标区域设定接收机子系统中射 频信号所需的相移值，并通过相移控制器给出控制电压，以驱动射频移相器对进入其中的 射频信号产生相应的相移值，被移相的射频信号随后进入射频合成器中进行叠加合成。
4.根据权利要求1所述被动综合孔径快速扫描成像系统，锁相探测子系统是由射频探 测器、射频开关、信号发生器和锁相放大器组成；信号发生器产生固定频率的方波信号控制 射频开关的通断以形成对进入接收机子系统的射频信号的调制，被调制的射频信号在经过 信号合成子系统后被射频探测器获取并进入锁相放大器；同时，方波信号也输入到锁相放 大器；经过锁相放大器处理的信号即是目标区域的视频信号，该视频信号最终进入计算机 被处理和显示。
5.根据权利要求1或3所述被动综合孔径快速扫描成像系统，相移值的设定的原则为 根据扫描方向可计算天线阵列接收来自目标区域的射频信号的相位差，相移值是用来补偿 所述的相位差，以实现所述扫描方向的射频信号同相位并在合成器中被叠加加强，而非所 述扫描方向的射频信号在叠加后相消，使得最终合成器输出的射频信号只包含所述扫描方 向的射频信号。
全文摘要
本发明提出了一种新型的被动综合孔径快速扫描成像系统，可应用于遥感、军事侦察等领域在微波至太赫兹波波段的高分辨率快速扫描成像。在本发明中，接收天线阵列接收来自目标区域辐射和散射的射频信号，经过低噪放大器后进入射频移相器；同时，计算机根据所需探测位置计算出此时各通道所需的相移值，并通过驱动器对进入相移器的射频信号进行移相，移相后的射频信号输入到合成器被合成后进入射频探测器，射频探测器的输出进入锁相放大器后，最终输入到计算机进行处理以形成目标区域的图像。相比当前被动综合孔径成像技术，本发明系统无需任何相关器，具有复杂度低、可靠性高的优点。
文档编号G01S13/90GK102004247SQ20101027861
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月9日 优先权日2010年9月9日
发明者何云涛, 刘丽, 张跃东, 江月松 申请人:北京航空航天大学