专利名称：基于发射波束扫描的机载下视三维合成孔径雷达成像系统的制作方法
技术领域：
本发明属于雷达技术领域，主要涉及机载雷达成像系统，具体的说是一种机载下视三维合成孔径雷达成像系统，可用于机载三维合成孔径雷达对目标场景进行三维高分辨成像。
背景技术：
下视三维合成孑L径雷达(Three-dimensional Synthetic Aperture Radar, 3D-SAR)是一种新体制雷达，它是在传统二维SAR成像原理的基础上(利用脉冲压缩技术获得距离向高分辨，利用合成孔径原理获得方位向高分辨)，在飞行平面内垂直航向(简称垂直航向)上引入线阵天线形成真实孔径，从而具备了传统二维SAR距离向和方位向二维分辨能力之外的第三维分辨能力——垂直航向分辨能力。由于系统垂直对地观测，因此有效地克服了传统侧视成像几何下固有的层叠阴影现象。下视3D-SAR的最大特点是具备对复杂地形进行全天时、全天候高分辨三维成像的能力，可以被广泛应用于军事侦察、大地测绘、海洋研究、资源勘探、重大灾情估计等领域。由于下视3D-SAR成像技术具有巨大的军事和民用价值，目前已成为国内外SAR成像领域的研究热点之一。法国ONERA在2004年提出了下视3D-SAR的概念，即一种无人机毫米波三维成像雷达系统，并于2005年开始研制相应的下视3D-SAR系统(DRIVE project) 0作为测试研究，该系统暂时采用一种名为BUSARD的载机平台，其目标是实现Ka波段调频连续波的三维成像，目前已完成该平台下的侧视成像的功能验证。2006年，德国FGAN-FHR提出了其研制的下视三维成像新型机载雷达系统ARTINO(Airborne Radar for Three-dimensional Imaging and Nadir Observation)。该系统设定在一种重25Kg、翼展为鈿的无人机机翼上安装线性阵列，采用Ka波段调频连续波，但测试研究系统仍采用载频为37. 5GHz、带宽为 750MHz、脉冲宽度为0. Ius的线性调频脉冲信号，载机高度和速度分别为200m和10m/S，可以对大约230m的测绘带宽进行高分辨三维成像，公开发表的文献资料表明该系统处于关键技术攻关与原理样机研制阶段。现有的下视3D-SAR系统基于多发多收(MultiHnput Multi-Output,ΜΙΜ0)技术， 采用较少的真实阵元稀疏布置，通过发射编码信号，实现多通道同时观测，再对接收到的多通道数据进行距离向脉压、方位向匹配滤波和垂直航向接收波束形成来实现目标场景的三维重构。这样的系统设计有效地减少了真实阵元数目，从而大大降低了硬件成本。但是，从信号处理的角度来看，基于MIMO技术的系统设计并没有减少系统的回波数据量，因为最后恢复出的多通道数据仍相当于密布阵下的回波数据量。例如德国的ARTINO试验系统就采用了 76阵元的MIMO方案，其中40个发射阵元，36个接收阵元，最后恢复出的数据相当于密布阵下1440个通道的回波数据量。综上，现有的下视三维合成孔径雷达成像系统面临的突出问题是回波数据量大、 成像处理复杂和时效性差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有下视三维合成孔径雷达成像系统设计的不足，提供一种基于发射波束扫描的机载下视三维合成孔径雷达成像系统，极大减少了回波数据量，显著降低了成像处理复杂度，可以实现对目标场景的快速三维成像。发明实现手段本发明的实现手段在于本发明是一种基于发射波束扫描的机载下视三维合成孔径雷达成像系统，系统包括有雷达发射机、相控阵天线、雷达接收机和成像处理器，其中， 雷达发射机产生波束，并传送给安装在飞行平面内垂直航向上的相控阵天线的各发射阵元以进行波束发射，发射出去的波束照射目标场景的雷达回波由相控阵天线的接收阵元接收，并传送给雷达接收机以进行回波数据采样，进而传送给成像处理器以完成回波数据的成像处理，其特征在于所述雷达发射机产生的波束是采用发射波束形成技术产生的波束， 该波束为在垂直航向具有不同预设指向的窄波束，窄波束的宽度与载波波长和相控阵天线的尺寸有关，所述相控阵天线依次逐个发射雷达发射机产生的窄波束，在每一方位时刻对垂直航向进行窄波束扫描；雷达回波由相控阵天线的单个阵元同步依次逐个接收，并传送到雷达接收机以完成单通道的回波数据采集，所述成像处理器固化有三维成像处理程序， 完成对回波数据的三维成像处理。由于本发明采用了发射波束扫描，接收回波已经完成了垂直航向分辨，所以成像处理无需进行接收波束形成，这样就显著降低了成像处理的复杂度。本发明不同于现有的多发多收系统，而是多发单收系统，从而降低了雷达回波接收的硬件成本。本发明的实现手段还在于在飞行平面内垂直航向放置的相控阵天线阵列中单个接收阵元的最佳位置处于相控阵天线阵列中心，该阵元的垂直航向尺寸应满足其垂直航向波束宽度略大于垂直航向测绘带宽，以保证测绘带宽内的目标都能被观测到。本发明不同于现有下视三维合成孔径雷达成像系统的多发多收模式，而是多发单收模式，即相控阵阵列天线仅设一个接收阵元，这样就在最大程度上避免了现有系统多通道接收造成的高硬件成本，并有效地减少了回波数据量。本发明还是一种基于发射波束扫描的机载下视三维合成孔径雷达成像方法，其实现在于该方法是在基于发射波束扫描的机载下视三维合成孔径雷达成像系统上实施，本发明是多发单收系统，发射时，相控阵天线所有阵元同时工作；接收时，仅单个阵元工作，具体的步骤包括步骤1、雷达发射机采用发射波束形成技术，通过预设的加权因子对不同发射通道的信号进行加权，形成在垂直航向具有不同预设指向的窄波束；步骤2、相控阵天线依次逐个发射雷达发射机产生的窄波束，在每一方位时刻对垂直航向进行窄波束扫描，最终实现整个目标场景的扫描观测；步骤3、相控阵天线单个阵元同步依次逐个接收雷达回波，并传送到雷达接收机以完成单通道的回波数据采集；步骤4、成像处理器对雷达接收机采样得到的单通道数据进行三维成像处理，最终获得目标场景的三维成像结果。现有的系统采用接收波束形成技术，接收通道多，相应的回波数据量大，例如德国的ARTINO试验系统就有36个接收通道，而最后恢复出的回波数据量更是多达1440个通道的数据量，而后续的成像处理则需要对如此之众的数据进行接收波束形成，数据处理运算量大，成像处理复杂度高，时效性差。本发明由于采用发射波束扫描技术，只需要1个接收阵元，相应的只有1个通道的回波数据量，极大地降低了数据处理的运算量，而且接收回波已经完成垂直航向的目标分辨，因此显著降低了后续成像处理的复杂度，从而提高了成像处理的时效性。本发明的实现方法还在于上述步骤2所述的窄波束扫描具体步骤包括有4. 1、在某一方位时刻，雷达由切换开关转换到发射模式，此时通过相控阵天线发射雷达发射机产生的具有预设指向的雷达发射波束；4. 2、在发射工作完成后，雷达通过切换开关切换到接收模式，雷达回波由相控阵天线的单个阵元接收；4. 3、在接收完当前发射指向的回波数据后，雷达再切换到发射模式，发射下一个预设指向的发射波束并完成相应的回波接收，即重复步骤4. 1和4. 2，直至完成当前方位时刻垂直航向测绘带宽内的波束扫描；4. 4、完成当前方位时刻波束扫描后，进行下一方位时刻的发射波束扫描，即重复步骤4. 1,4. 2和4. 3，直至完成所有方位时刻垂直航向测绘带宽内的波束扫描，最终实现整个目标场景的扫描观测。本发明在上述的扫描过程中，同步完成了垂直航向的目标分辨。本发明的实现方法还在于上述步骤4所述的回波数据三维成像处理方法主要包括如下步骤5. 1、构造距离脉冲压缩函数，对已完成垂直航向分辨的雷达原始回波进行距离压缩；5. 2、在距离-多普勒域进行插值或在二维频域构造距离徙动校正函数，对距离压缩后的数据进行距离徙动校正；5. 3、构造方位匹配滤波函数，对距离徙动校正后的数据进行方位压缩；5. 4、根据系统成像几何关系，对压缩后的信号进行坐标系转换，即从极坐标系插值到直角坐标系下，从而得到目标场景的三维成像结果。现有的系统采用接收波束形成，成像处理需对垂直航向进行接收波束形成，即对垂直航向每一分辨单元的目标分辨过程都需要对各通道的回波数据进行加权以导向该目标分辨单元，相应的数据处理计算量大，成像处理复杂，时效性差，而本发明采用了发射波束扫描，接收到的单通道回波已完成了垂直航向分辨，成像处理无需进行垂直航向聚焦，所以数据处理计算量得到了极大减少，成像处理复杂度得到了显著降低，成像处理时效性得到了极大提高。本发明具有如下优点a)接收回波数据量小、相应的硬件实现成本低现有的基于接收波束形成技术的系统面临的突出问题是尽管可以采用稀疏布阵的方法，但是系统所需的接收通道仍相对较多。多一个接收通道意味着硬件成本的提高和回波数据量的增大。本发明提出的基于发射波束扫描的下视三维合成孔径雷达成像系统，利用相控阵的单个阵元进行回波接收，即可以实现回波数据的单通道接收，因此可以最大程度上避免多通道接收造成的高硬件成本， 并有效地减少了回波数据量。例如德国的ARTINO试验系统，采用的76阵元的MIMO方案有36个接收阵元，最后恢复出的数据相当于密布阵下1440个通道的回波数据量，而本发明只需要1个接收阵元，相应的只有1个通道的回波数据量。b)三维成像处理复杂度低现有的基于接收波束形成技术的系统，需要对接收回波在垂直航向进行接收波束形成，成像处理复杂，而且，因为处理过程中需对每一距离门进行波束形成，所以运算量很大。本发明由于采用了发射波束扫描，接收回波已完成了垂直航向的分辨，后续成像处理只需完成另外两维即距离向和方位向的聚焦成像，因此显著降低了三维成像处理的复杂度。c)时效性强现有的基于接收波束形成技术的系统，回波数据量非常大，而且需要进行接收波束形成，成像复杂度高，运算量大，要实现快速成像几乎不可能。由于本发明采用发射波束扫描和回波数据单通道接收，使得回波数据量极大减少、成像处理复杂度显著降低，因此具备对目标场景特别是复杂目标场景如城镇和山区进行快速三维成像处理的能力。
图1是本发明的成像系统构成示意图；图2是本发明的发射波束形成原理示意图；图3是本发明的相控阵天线安装示意图；图4是本发明的三维成像原理图；图5是本发明的成像处理流程图；图6是本发明的坐标系转换几何关系具体实施例方式以下结合附图详细说明本发明的系统结构及三维成像处理过程。实施例1 本发明是一种基于发射波束扫描的机载下视三维合成孔径雷达成像系统，参见图1，系统包括有雷达发射机、相控阵天线、雷达接收机和成像处理器，其中，雷达发射机产生波束，并传送给安装在飞行平面内垂直航向上的相控阵天线的各发射阵元以进行波束发射，发射出去的波束照射目标场景的雷达回波由相控阵天线的接收阵元同步依次逐个接收，并传送给雷达接收机以进行回波数据采样，进而传送给成像处理器以完成回波数据的成像处理。本发明的雷达发射机产生的波束是采用发射波束形成技术产生的波束，发射波束形成的原理示意图参见图2，首先产生基带数字信号，以线性调频信号为例，设基带信号源为S{t) = A{t)einr'2(1)式中，A(t)为包络，Y为调频率，t代表离散化的数字时间。若相控阵采用均勻线阵，其阵元数为2N+1，阵元间距和光速分别记为d和c，以中心阵元为参考，若使阵列指向θ 方向，则各阵元相对于参考阵元的延迟为
Γ πid sin θ .”…Ti =- 1 = —n,.,、N(2)
则第i个阵元发射出去的信号为5,.(^) = ^(/-7,)^'"^'(3)由于Ti相对于脉冲宽度很小，因此可以忽略包络时延的影响，故上式可写为
权利要求
1.一种基于发射波束扫描的机载下视三维合成孔径雷达成像系统，系统包括有雷达发射机、相控阵天线、雷达接收机和成像处理器，其中，雷达发射机产生波束，并传送给安装在飞行平面内垂直航向上的相控阵天线的各发射阵元以进行波束发射，发射出去的波束照射目标场景的雷达回波由相控阵天线的接收阵元接收，并传送给雷达接收机以进行回波数据采样，进而传送给成像处理器以完成回波数据的成像处理，其特征在于所述雷达发射机产生的波束是采用发射波束形成技术产生的波束，该波束为在垂直航向具有不同预设指向的窄波束，窄波束的宽度与载波波长和相控阵天线的尺寸有关，所述相控阵天线依次逐个发射雷达发射机产生的窄波束，在每一方位时刻对垂直航向进行窄波束扫描；雷达回波由相控阵天线的单个阵元同步依次接收，并传送到雷达接收机以完成单通道的回波数据采集，所述成像处理器固化有三维成像处理程序，完成对回波数据的三维成像处理。
2.根据权利要求1所述的基于发射波束扫描的机载下视三维合成孔径雷达成像系统， 其特征在于所述的单个接收阵元的最佳位置处于相控阵天线中心，该阵元的垂直航向尺寸应满足其垂直航向波束宽度略大于垂直航向测绘带宽，以保证测绘带宽内的目标都能被观测到。
3.一种基于发射波束扫描的机载下视三维合成孔径雷达成像方法，其特征在于基于权利要求1或2所述的机载下视三维合成孔径雷达成像系统，本发明是多发单收系统，发射时，相控阵天线所有阵元同时工作；接收时，仅单个阵元工作，具体的步骤包括步骤1、雷达发射机采用发射波束形成技术，通过预设的加权因子对不同发射通道的信号进行加权，形成在垂直航向具有不同预设指向的窄波束；步骤2、相控阵天线依次逐个发射雷达发射机产生的窄波束，在每一方位时刻对垂直航向进行窄波束扫描，最终实现整个目标场景的扫描观测；步骤3、相控阵天线单个阵元同步依次逐个接收雷达回波，并传送到雷达接收机以完成单通道的回波数据采集；步骤4、成像处理器对雷达接收机采样得到的单通道数据进行三维成像处理，最终获得目标场景的三维成像结果。
4.根据权利要求3所述的一种基于发射波束扫描的机载下视三维合成孔径雷达成像方法，其中步骤2所述的窄波束扫描具体步骤包括有4.1、在某一方位时刻，雷达由切换开关转换到发射模式，此时通过相控阵天线发射雷达发射机产生的具有预设指向的雷达发射波束；4. 2、在发射工作完成后，雷达通过切换开关切换到接收模式，雷达回波由相控阵天线的单个阵元接收；4. 3、在接收完当前发射指向的回波数据后，雷达再切换到发射模式，发射下一个预设指向的发射波束并完成相应的回波接收，即重复步骤4. 1和4. 2，直至完成当前方位时刻垂直航向测绘带宽内的波束扫描；4.4、完成当前方位时刻波束扫描后，进行下一方位时刻的发射波束扫描，即重复步骤 4. 1,4. 2和4. 3，直至完成所有方位时刻垂直航向测绘带宽内的波束扫描，最终实现整个目标场景的扫描观测。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于发射波束扫描的机载下视三维合成孔径雷达成像方法，其中步骤4所述的回波数据三维成像处理方法主要包括如下步骤(5. 1、构造距离脉冲压缩函数，对已完成垂直航向分辨的雷达原始回波进行距离压缩； 5. 2、在距离-多普勒域进行插值或在二维频域构造距离徙动校正函数，对距离压缩后的数据进行距离徙动校正；(5. 3、构造方位匹配滤波函数，对距离徙动校正后的数据进行方位压缩； 5. 4、根据系统成像几何关系，对压缩后的信号进行坐标系转换，即从极坐标系插值到直角坐标系下，从而得到目标场景的三维成像结果。
全文摘要
本发明公开了一种基于发射波束扫描的机载下视三维合成孔径雷达成像系统，解决了现有下视三维合成孔径雷达成像系统回波数据量大、成像处理复杂和时效性差的问题。本发明的雷达发射机利用发射波束形成技术产生在垂直航向具有不同预设指向的窄波束，通过在飞行平面内垂直航向放置的相控阵天线依次逐个发射雷达发射机产生的窄波束，在每一方位时刻对垂直航向进行窄波束扫描；回波由相控阵天线的单个阵元接收，并传送到雷达接收机以完成单通道回波数据的采集；采集到的数据经成像处理器完成回波数据的三维成像处理。本发明具有回波数据量少、成像处理复杂度低和时效性强的优点，具备对目标场景特别是复杂目标场景进行快速三维成像的能力。
文档编号G01S13/90GK102253386SQ201110077628
公开日2011年11月23日 申请日期2011年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者刘艳阳, 徐有栓, 李真芳, 杨桃丽, 索志勇, 郭交 申请人:西安电子科技大学