专利名称：负折射率雷达成像系统的制作方法
技术领域：
负折射率雷达成像系统的技术领域属于雷达成像，天线，人造电磁材料领域的交叉领域。
背景技术：
由于SAR雷达成像系统在白天黑夜，有云，雾或烟尘的环境均能对地面目标成像， 故从20世纪90年代起受到广泛重视。20世纪90年代前半期的卫星SAR质量轻，体积大， 费用高，近年来的发展趋向于质量轻，体积小，费用低，高敏捷，低功耗，且具备多成像模式， 高分辨和对指定区域快速响应成像能力的敏捷SAR。不管用怎样的方式，SAR天线及其外围设备占了星载SAR系统的大部分重量，而且合成孔径的大小决定了成像的分辨率。目前提高分辨率的方法就只是增大合成孔径的长度，为此设计了复杂的聚束波束成像系统和分布式准确编队的小卫星成像系统(每个小卫星被设计为一个大的DBF阵列的一个单元)。这样依靠提高设备的复杂度的方法，虽然提高了分辨率，但是耗资巨大，同时复杂的编队模式会妨碍雷达成像算法的实时性。随着左手介质材料等新型材料的问世，采用左手介质材料的雷达成像系统的成像原理可以不依赖于大的合成孔径便成出任意高分辨率的像。
发明内容
本发明的目的在于解决SAR雷达成像系统中合成孔径长度对成像分辨率的约束， 即解决只有增大合成孔径的长度，才能提高成像分辨率的约束。为了达到上述目的，本发明提供的负折射率雷达成像系统，包括采用左手介质的雷达接收天线及射频单元；雷达发射天线及射频单元；控制中心；发射基带处理单元；采集回波数据的图像采集单元；将采集的回波数据成像的图像处理单元；所述采用左手介质材料的雷达接收天线及射频单元，采集回波数据的图像采集单元和将采集的回波数据成像的图像处理单元依次连接；雷达发射天线及射频单元与产生调制波的发射基带处理单元相连；控制中心分别与图像处理单元和发射基带处理单元相连。根据本发明提供的负折射率雷达成像系统的优选技术方案是采用的左手介质材料是通过在材料的关键物理尺度上设计有序的结构形成人工复合结构，从复合结构的每个单元看其等效介电常数和等效磁导率均小于零，从而它具有天然材料所不具备的负折射率的超常物理性质。所述负折射率雷达成像系统是采用左手介质材料雷达天线的新型高分辨率雷达成像系统。根据本发明提供的负折射率雷达成像系统的优选技术方案是采用左手介质材料的雷达接收天线包括左手介质上层板；激励天线；所述左手介质上层板是左手介质板被放置在与激励天线辐射口径平行的并有一定距离的平面处，所述左手介质上层板的中间是平面，周边可以是其它形状，这里不作规定。根据本发明提供的负折射率雷达成像系统的优选技术方案是采用左手介质材料
3的雷达接收天线，依据左手介质上层板与激励天线辐射口径间的距离的不同，左手介质上层板可以是高透射率面，也可以是具有不同反射相位的高反射率面，所述高透射率左手介质上层板是指照射到左手介质上层板入射波的能量的85%以上可以透过左手介质上层板， 所述具有不同反射相位的高反射率左手介质上层板是指入射到左手介质上层板的入射波的能量的85%以上被反射，反射波的相位可以是不同值。根据本发明提供的负折射率雷达成像系统的优选技术方案是将采集的回波数据成像的图像处理单元包括负折射率雷达成像系统的高分辨率成像原理，所述负折射率雷达成像系统的高分辨率成像原理是由于左手介质材料的负折射率的特殊性能，可以使激励天线在距目标近的距离上成出激励天线的像，简称像天线，像天线所在的像平面距目标的距离可以通过调整左手介质材料的等效介电常数和等效磁导率控制，从而调整了成像的分辨率的大小，理论上成像分辨率可以精确到一个点，这从根本上解决了合成孔径的长度对成像分辨率的约束即很小的合成孔径长度就可以成出任意高分辨率的像；即采用条带式成像模式就可以实时的获取任意高分辨率的像。根据本发明提供的负折射率雷达成像系统的优选技术方案是激励天线通过左手介质层成的像平面可以在激励天线和目标之间，也可以是目标在激励天线和激励天线像平面之间。本发明的有益的技术效果是通过将具有负折射率的左手介质用于雷达成像系统的接收天线，使激励天线在距目标近的距离上成出激励天线的像，像天线所在的像平面距目标的距离可以通过调整左手介质的等效介电常数和等效磁导率控制，从而调整了成像分辨率的大小，理论上分辨率可以精确到一个点，这从根本上解决了合成孔径的长度对成像分辨率的约束即很小的合成孔径长度就可以获得任意高分辨率的像；即采用条带式成像模式就可以实时的获取任意高分辨率的像。说明书附1本发明负折射率雷达成像系统结构框图；图2本发明负折射率雷达成像系统的带有左手介质材料的接收天线的结构图；①左手介质材料上层板；②激励天线；③激励天线介质底板；图3本发明负折射率雷达成像系统的将采集的回波数据成像的图像处理单元的高分辨率成像原理示意图；④左手介质等效分隔层；⑤激励天线成像平面；⑥激励天线的像天线；⑦运动中的雷达成像系统的激励天线在t = t0时刻的位置；图4本发明负折射率雷达成像系统的将采集的回波数据成像的图像处理单元的 Range-Doppler算法流程图。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施例对本发明做详细说明。
请参照
图1，本发明提供的负折射率雷达成像系统，包括采用左手介质的雷达接收天线及射频单元；雷达发射天线及射频单元；控制中心；发射基带处理单元；采集回波数据的图像采集单元；将采集的回波数据成像的图像处理单元；所述采用左手介质材料的雷达接收天线及射频单元，采集回波数据的图像采集单元和将采集的回波数据成像的图像处理单元依次连接；雷达发射天线及射频单元与产生调制波的发射基带处理单元相连；控制中心分别与图像处理单元和发射基带处理单元相连。请参照图2，本发明是将具有负折射率的新型左手介质材料(或metamaterial的一种)用于雷达成像系统的天线，该左手材料①可以是高透射，或高反射率平面，②是激励天线，③是激励天线所在的介质底板。左手介质材料是通过在材料的关键物理尺度上设计有序的结构形成人工复合结构，从复合结构的每个单元看其等效介电常数和等效磁导率均小于零，从而它具有天然材料所不具备的负折射率的超常物理性质。请参照图3，本发明的将采集的回波数据成像的图像处理单元的高分辨率成像原理示意图。天线是雷达成像系统的核心，带有左手介质材料的天线的载体以速度i；运动，形成了所示的左手介质分隔层④。左手介质分隔层的厚度为d，其相对介电常数和相对磁导率分别为ε ρ μΓθ激励天线⑦距左手介质分隔层的距离为(V假设激励天线在、_ δ时刻处于相位中心点0的位置，目标点在0'点，如果没有左手介质分隔层，要在距激励天线径向距离为R的地面上，成像分辨率达到δ χ,其聚束波束合成孔径的波束宽度应该是2 θ 0, 聚束波束合成孔径的长度约是L= λ R/δ χ，其中λ是工作波长。条带合成孔径的长度要求会更长。如果加上高透射的左手介质隔离层，同样波束宽度的电磁辐射经左手介质负折射率折射后，激励天线⑦可以在平面⑤上成像，其像天线为⑥，这样照射到目标上的电磁波就像是位于像平面上的像天线发出的波一样，由于像平面可以设计的离目标很近，所以其分辨率δχ'可以成倍的小于原始SAR成像的δ χ，当像平面穿过目标点时，其成像分辨率可以是零。由以上分析可知，由于引入了左手介质隔离层，所以产生了激励天线的像天线，从而提高了分辨率，分辨率的高低可以由调控像平面距目标的距离而定，而不再像SAR系统一样，分辨率依赖于合成孔径天线的波束宽度，即合成孔径的长度。所以既使我们使用了波束宽度大于2 θ ^的天线，只要调整好左手介质隔离层的相对介电常数和相对磁导率，我们就可以从回波中直接实时的得到所需要的高分辨率图像。基于该发明的方法设计的雷达成像系统也可以设计成合成孔径成像模式，使单雷达成像系统仅采用条带成像模式就可以在小的合成孔径长度下得到任意高分辨率，而且条带成像模式也比较容易实现实时处理。这样避免了采用复杂的成像模式，就可以得到任意高分辨率。电磁波经负折射率隔离层的传播路径及雷达成像系统双程相移的计算方法如下。电磁波经负折射率隔离层的波的传播路径由以下公式决定k0sin θ 0 = -kpin θ 工，其中θ ^为激励天线的半波束宽度和Q1为以θ ^为入射角的电磁波照射到左手介质材料时的折射角。1 = ω/C(1，其中Ctl为光速，ω为工作频率。
中、为左手介质材料的等效介电常数，μ ^为左手介质材料的等效磁导率。雷达成像系统发射天线是含左手介质材料的天线的双程相移的计算方法e-j2k0(d0+d+F+R')/cos0o ^lkQdZcoseoe-JlklCi Zcosel
雷达成像系统发射天线不是含左手介质材料的天线的双程相移的计算方法e~Jk0d01 cos 6>o-jk0F / cos θ0-jk0R' / cos(d0 +d+F+R') / cos θ0 ejk0d / cos θ0 e-jkxd / cos请参考图4，本发明的将采集的回波数据成像的图像处理单元的Range-Doppler 算法流程图基于该发明的设计方法与合成孔径成像相结合的成像算法可用标准的 Range-Doppler成像算法流程。
权利要求
1.负折射率雷达成像系统，其特征在于，所述负折射率雷达成像系统包括采用左手介质的雷达接收天线及射频单元；雷达发射天线及射频单元；控制中心；发射基带处理单元；采集回波数据的图像采集单元；将采集的回波数据成像的图像处理单元；所述采用左手介质材料的雷达接收天线及射频单元，采集回波数据的图像采集单元和将采集的回波数据成像的图像处理单元依次连接；雷达发射天线及射频单元与产生调制波的发射基带处理单元相连；控制中心分别与图像处理单元和发射基带处理单元相连。
2.根据权利要求1所述的负折射率雷达成像系统，其特征在于，所述左手介质材料是通过在材料的关键物理尺度上设计有序的结构形成人工复合结构，从复合结构的每个单元看其等效介电常数和等效磁导率均小于零，从而它具有天然材料所不具备的负折射率的超常物理性质。所述负折射率雷达成像系统是采用左手介质材料雷达天线的新型高分辨率雷达成像系统。
3.根据权利要求1与2所述的负折射率雷达成像系统，其特征在于，所述采用左手介质材料的雷达接收天线包括左手介质上层板；激励天线；所述左手介质上层板是左手介质板被放置在与激励天线辐射口径平行的并有一定距离的平面处，所述左手介质上层板的中间是平面，周边可以是其它形状，这里不作规定。
4.根据权利要求3所述的采用左手介质材料的雷达接收天线，其特征在于，所述采用左手介质材料的雷达接收天线，依据左手介质上层板与激励天线辐射口径间的距离的不同，左手介质上层板可以是高透射率面，也可以是具有不同反射相位的高反射率面，所述高透射率左手介质上层板是指照射到左手介质上层板入射波的能量的85%以上可以透过左手介质上层板，所述具有不同反射相位的高反射率左手介质上层板是指入射到左手介质上层板的入射波的能量的85%以上被反射，反射波的相位可以是不同值。
5.根据权利要求1所述的负折射率雷达成像系统，其特征在于，所述将采集的回波数据成像的图像处理单元包括负折射率雷达成像系统的高分辨率成像原理，所述负折射率雷达成像系统的高分辨率成像原理是由于左手介质材料的负折射率的特殊性能，可以使激励天线在距目标近的距离上成出激励天线的像，简称像天线，像天线所在的像平面距目标的距离可以通过调整左手介质材料的等效介电常数和等效磁导率控制，从而调整了成像的分辨率的大小，理论上成像分辨率可以精确到一个点，这从根本上解决了合成孔径的长度对成像分辨率的约束即很小的合成孔径长度就可以成出任意高分辨率的像；即采用条带式成像模式就可以实时的获取任意高分辨率的像。
6.根据权利要求5所述的负反射率雷达成像系统的图像处理单元的高分辨成像原理， 其特征在于，所述激励天线通过左手介质层成的像平面可以在激励天线和目标之间，也可以是目标在激励天线和激励天线像平面之间。
全文摘要
本发明公开了负折射率雷达成像系统。包括采用左手介质材料的雷达接收天线及射频单元；雷达发射天线及射频单元；控制中心；发射基带处理单元；采集回波数据的图像采集单元；将采集的回波数据成像的图像处理单元；本发明通过将具有负折射率的左手介质用于雷达成像系统的接收天线，使激励天线在距目标近的距离上成出激励天线的像，像天线所在的像平面距目标的距离可以通过调整左手介质的等效介电常数和等效磁导率控制，从而调整了成像分辨率的大小，理论上分辨率可以精确到一个点，这从根本上解决了合成孔径的长度对成像分辨率的约束即很小的合成孔径长度就可以获得任意高分辨率的像；即采用条带式成像模式就可以实时的获取任意高分辨率的像。
文档编号G01S7/02GK102230965SQ201110072610
公开日2011年11月2日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者李亚丁 申请人:李亚丁