用于mimo-sar成像的微波信号收发系统、方法及成像系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于MIMO-SAR成像的微波信号收发系统、方法及成像系统。该收发系统包括：MIMO收发模块，产生并发送微波信号；弧形阵列天线，包括弧形发射阵列天线和弧形接收阵列天线；微波开关网络，从MIMO收发模块接收微波信号，从弧形发射阵列天线中选择要辐射微波信号的独立发射天线阵元，将该微波信号发送至所选择的独立发射天线阵元；微波开关网络还从弧形接收阵列天线中选择要接收回波信号的独立接收天线阵元，接收来自所选择的独立接收天线阵元的回波信号，将该回波信号传送至MIMO收发模块；MIMO收发模块还接收回波信号，对该回波信号进行处理，以形成数字回波信号。由此，能够实现大视场范围成像观测。
【专利说明】用于ΜIMO-SAR成像的微波信号收发系统、方法及成像系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波成像领域，具体地，涉及一种用于MIM〇-SAR(多输入多输出-合成 孔径雷达）成像的微波信号收发系统、方法及成像系统。
【背景技术】
[0002] 传统的目视、光学或红外等措施的受地形、天气和昼夜等因素的影响较大，不具备 全天候和全天时的工作能力。机载阵列天线前视成像系统不仅能够穿透烟、雾、云层和浮尘 等，以及不受天气和气候影响，而且能够对飞机前下方区域进行实时高分辨率成像，还能为 飞机的着陆、侦察、搜救和起飞提供真实的地面信息，增强飞机的导航和运输救援能力。
[0003] 现有的机载阵列天线前视成像系统基于机载线性阵列天线前视成像机制，利用微 波开关切换实现线性阵列合成，对飞机飞行路线前下方区域进行高分辨成像。但由于采用 线性阵列天线和分时工作方式，使其存在较多问题需要进一步改善。一方面，其成像范围主 要受限于单个天线的波束范围，即不能实现大视场范围观测。由此，如果飞机想要观测其周 围区域，其需要移动至该区域附近，并使用机载线性阵列天线进行微波成像感知。如果飞机 在例如山区等较为复杂的环境中飞行，受障碍物限制，可能不能频繁移动，并且移动存在危 险性。这样，可能就无法对所需区域进行微波成像感知。另一方面，在线性阵列天线中，阵 列向分辨率随着波束范围增大而降低，也即分辨率随目标空间位置变化。因此，不利于机载 平台周围的高分辨率成像观测。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种能够扩大微波成像区域范围的用于MIM0-SAR成像的微 波信号收发系统、方法及成像系统。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供一种用于MM0-SAR成像的微波信号收发系统，该 系统包括:ΜΙΜΟ收发模块，用于产生并发送微波信号；弧形阵列天线，包括用于辐射微波信 号的弧形发射阵列天线和用于接收回波信号的弧形接收阵列天线；微波开关网络，用于从 所述ΜΙΜΟ收发模块接收所述微波信号，从所述弧形发射阵列天线中选择要辐射所述微波 信号的独立发射天线阵元，并将该微波信号发送至所选择的独立发射天线阵元，以由该独 立发射天线阵元辐射所述微波信号；所述微波开关网络还用于从所述弧形接收阵列天线中 选择要接收回波信号的独立接收天线阵元，并接收来自所选择的独立接收天线阵元的回波 信号，以及将该回波信号传送至所述ΜΙΜΟ收发模块；以及所述ΜΙΜΟ收发模块还用于接收所 述回波信号，并对该回波信号进行处理，以形成数字回波信号。
[0006] 优选地，所述弧形发射阵列天线中的每个独立发射天线阵元沿弧形延伸方向排 列；所述弧形接收阵列天线中的每个独立接收天线阵元沿弧形延伸方向排列；以及所述弧 形接收阵列天线与所述弧形发射阵列天线上下相邻或内外相邻，并且所述每个独立接收天 线阵元与所述每个独立发射天线阵元依次交错。
[0007] 优选地，所选择的接收天线阵元为与所选择的发射天线阵元相邻交错的接收天线 阵元。
[0008] 优选地，所述ΜΜ0收发模块包括：微波信号产生单元，用于产生所述微波信号，并 向所述微波开关网络和功分器发送所述微波信号；所述功分器，该功分器具有一个输入端 和多个输出端，用于经由所述输入端接收所述微波信号，并将该微波信号分成多路子微波 信号，以及经由所述多个输出端来一一对应发送所述多路子微波信号；多个接收单元，每个 接收单元用于接收来自一个所选择的接收天线阵元的回波信号；以及多个处理单元，每个 处理单元与所述功分器的每个输出端一一对应连接，以及与每个接收单元一一对应连接， 用于从对应的接收单元接收所述回波信号，从对应的输出端接收所述子微波信号，以及基 于所接收到的子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形成所述数字回波信号。
[0009] 优选地，所述多个处理单元中的每个处理单元包括：混频器，用于从对应的接收单 元接收所述回波信号，从对应的输出端接收所述子微波信号，并基于所接收到的子微波信 号对所接收到的回波信号进行下变频处理；滤波器和放大器，分别用于对经下变频处理之 后得到的信号进行滤波和放大处理；以及模数转换器，用于对经所述滤波和放大处理之后 得到的信号进行模数转换，以形成所述数字回波信号。
[0010] 本发明还提供一种MM0-SAR成像系统，该成像系统包括：根据本发明提供的所述 微波信号收发系统；成像处理器，用于基于由所述ΜΜ0收发模块输出的所述数字回波信号 生成图像信息；以及显示处理模块，用于显示所述图像信息。
[0011] 本发明还提供一种用于MIM0-SAR成像的微波信号收发方法，该方法包括：产生微 波信号；从弧形阵列天线中的弧形发射阵列天线中选择要辐射所述微波信号的独立发射天 线阵元；由所选择的独立发射天线阵元辐射所述微波信号；从所述弧形阵列天线中的弧形 接收阵列天线中选择要接收回波信号的独立接收天线阵元；由所选择的独立接收天线阵元 接收所述回波信号；以及对所接收到的回波信号进行处理，以形成数字回波信号。
[0012] 优选地，所述弧形发射阵列天线中的每个独立发射天线阵元沿弧形延伸方向排 列；所述弧形接收阵列天线中的每个独立接收天线阵元沿弧形延伸方向排列；以及所述弧 形接收阵列天线与所述弧形发射阵列天线上下相邻或内外相邻，并且所述每个独立接收天 线阵元与所述每个独立发射天线阵元依次交错。
[0013] 优选地，所选择的接收天线阵元为与所选择的发射天线阵元相邻交错的接收天线 阵元。
[0014] 优选地，该方法还包括：在产生所述微波信号之后，将该微波信号分成多路子微波 信号；以及基于所述子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形成所述数字回波信 号。
[0015] 优选地，基于所述子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形成所述数字 回波信号包括：基于所述子微波信号对所接收到的回波信号进行下变频处理；对经下变频 处理之后得到的信号进行滤波和放大处理；以及对经滤波和放大处理之后得到的信号进行 模数转换，以形成所述数字回波信号。
[0016] 通过本发明提供的用于MM0-SAR成像的微波信号收发系统、方法及成像系统，有 效避免了常规线性阵列成像观测范围受单个天线的波束宽度约束的问题，能够实现大视场 范围成像观测，并且提高观测精度。在观测平台相对静止时，基于弧形阵列天线进行微波信 号收发，仍然可以实现对平台周围环境进行微波成像感知，甚至是360°全方位场景。此外， 采用弧形阵列天线构型，其阵列向分辨率不随波束范围增大而降低，能保持相对稳定，因此 有利于观测平台周围的高分辨率成像观测。本发明提供的用于MIMO-SAR成像的微波信号 收发系统、方法及成像系统可以应用于机载观测平台。这样，可以提高飞机在一个位置处的 观测范围，飞机无需频繁移动或转动来进行观测，从而提高飞机飞行的安全性。
[0017] 本发明的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具 体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0019] 图1是本发明提供的用于MM0-SAR成像的弧形阵列天线、用于MM0-SAR成像的 微波信号收发系统、以及MIM0-SAR成像系统所应用的一个示例平台；
[0020] 图2a为弧形阵列天线的三维布局效果图；
[0021] 图2b为弧线阵列天线沿切向展开的布局效果图；
[0022] 图2c为弧线阵列天线的俯视投影效果图；
[0023] 图3示出了根据本发明的实施方式的用于MIM0-SAR成像的微波信号收发系统的 结构示意图；
[0024] 图4示出了微波开关网络的结构示意图；
[0025] 图5示出了 ΜΜ0收发模块的结构示意图；
[0026] 图6示出了根据本发明的实施方式的ΜΙΜΟ微波信号收发系统的收发时序控制示 意图；
[0027] 图7示出了根据本发明的实施方式的基于弧形阵列的MIM0-SAR成像系统的结构 示意图；
[0028] 图8示出了根据本发明的实施方式的基于弧形阵列天线的MIM0-SAR成像方法的 流程图；以及
[0029] 图9示出了弧形阵列天线MM0-SAR成像坐标系。
【具体实施方式】
[0030] 以下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描 述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0031] 图1示出了本发明提供的用于MM0-SAR成像的弧形阵列天线、用于MM0-SAR成 像的微波信号收发系统所应用的一个示例平台。如图1所示，所述弧形阵列天线1以及所 述微波信号收发系统等均可被加载在飞机平台22上，并随该飞机平台22移动。微波信号 收发系统可以通过弧形阵列天线1进行微波信号辐射，该微波信号经由观测场景21反射形 成回波信号，再经由弧形阵列天线1接收所述回波信号。之后，经由本发明提供的MM0-SAR 成像方法对回波信号进行成像显示处理，以显示出观测场景21的图像。如图1所示，由于基 于弧形阵列天线进行微波信号收发，因而相比于线性阵列天线，可以实现更广的观测范围。
[0032] 下面结合图2a_图2c来详细描述本发明提供的弧形阵列天线1的实施方式。
[0033] 图2a为弧形阵列天线1的三维布局效果图，图2b为弧线阵列天线1沿切向展开 的布局效果图，以及图2c为弧线阵列天线1的俯视投影效果图。考虑到收发隔离度和动态 范围，弧形阵列天线1采用收发分置结构，即发射天线和接收天线分开。例如，如图2a-图 2c所示，弧形阵列天线1可以包括弧形发射阵列天线101 (即，"AC"）和弧形接收阵列天线 102 (即，"BD"）。所述弧形发射阵列天线101用于辐射微波信号，该弧形发射阵列天线101 中的每个独立发射天线阵元（例如........ΤΝ，其中，1彡η彡Ν)可以沿弧形 延伸方向排列。所述弧形接收阵列天线102用于接收回波信号（该回波信号为经弧形发射 阵列天线101辐射的微波信号通过例如观测场景21反射回的微波信号），并且该弧形接收 阵列天线102可以与所述弧形发射阵列天线101上下相邻，该弧形接收阵列天线102中的 每个独立接收天线阵元（例如........RN)可以沿弧形延伸方向排列，并且所 述每个独立接收天线阵元与所述每个独立发射天线阵元依次交错。例如，独立发射天线阵 元?\与独立接收天线阵元&和R2相邻交错，独立发射天线阵元T2与独立接收天线阵元R 2 和R3相邻受错，以此类推。
[0034] 各独立天线阵元（包括每个接收天线阵元和每个发射天线阵元）的辐射口面朝向 弧形外侧，从而实现对平台周围区域的大范围全天候、全天时微波成像观测。
[0035] 可替换地，所述弧形接收阵列天线102也可以与所述弧形发射阵列天线101内外 相邻，即，所述弧形阵列天线1通过内外相套设的弧形接收阵列天线102和弧形发射阵列天 线101形成。并且，每个独立接收天线阵元与每个独立发射天线阵元依次交错。在这种实 施方式中，各独立天线阵元（包括每个接收天线阵元和每个发射天线阵元）的辐射口面也 可以朝向弧形外侧，只不过与上下相邻布置的弧形接收阵列天线102与弧形发射阵列天线 101相比，其辐射口面与水平方向需要具有一角度，使得信号可通过弧形发射阵列天线101 和弧形接收阵列天线102以一入射角度进行发射和接收，形成的等效采样点沿圆弧分布。
[0036] 在本发明中，为了便于描述，仅以上下相邻布置的弧形发射阵列天线101和弧形 接收阵列天线102为例进行说明。但是能够理解的是，以下实施方式同样适用于内外相邻 布置的弧形发射阵列天线101和弧形接收阵列天线102。
[0037] 如图2a-图2c所示，在所述弧形发射阵列天线101中，任意相邻两个独立发射天 线阵元（例如，1' 1与1'2、1'2与1'3等）口面中心之间可以具有水平角度间距八0 1_^，且
[0038]
【权利要求】
1. 一种用于MIMO-SAR成像的微波信号收发系统，其特征在于，该系统包括： ΜΙΜΟ收发模块，用于产生并发送微波信号； 弧形阵列天线，包括用于辐射微波信号的弧形发射阵列天线和用于接收回波信号的弧 形接收阵列天线； 微波开关网络，用于从所述ΜΙΜΟ收发模块接收所述微波信号，从所述弧形发射阵列天 线中选择要辐射所述微波信号的独立发射天线阵元，并将该微波信号发送至所选择的独立 发射天线阵元，以由该独立发射天线阵元辐射所述微波信号； 所述微波开关网络还用于从所述弧形接收阵列天线中选择要接收回波信号的独立接 收天线阵元，并接收来自所选择的独立接收天线阵元的回波信号，以及将该回波信号传送 至所述ΜΙΜΟ收发模块；以及 所述ΜΜ0收发模块还用于接收所述回波信号，并对该回波信号进行处理，以形成数字 回波信号。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述弧形发射阵列天线中的每个独立发 射天线阵元沿弧形延伸方向排列；所述弧形接收阵列天线中的每个独立接收天线阵元沿弧 形延伸方向排列；以及所述弧形接收阵列天线与所述弧形发射阵列天线上下相邻或内外相 邻，并且所述每个独立接收天线阵元与所述每个独立发射天线阵元依次交错。
3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所选择的接收天线阵元为与所选择的发 射天线阵元相邻交错的接收天线阵元。
4. 根据权利要求1-3中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述ΜΜ0收发模块包 括： 微波信号产生单元，用于产生所述微波信号，并向所述微波开关网络和功分器发送所 述微波信号； 所述功分器，该功分器具有一个输入端和多个输出端，用于经由所述输入端接收所述 微波信号，并将该微波信号分成多路子微波信号，以及经由所述多个输出端来 对应发 送所述多路子微波信号； 多个接收单元，每个接收单元用于接收来自一个所选择的接收天线阵元的回波信号； 以及 多个处理单元，每个处理单元与所述功分器的每个输出端一一对应连接，以及与每个 接收单元一一对应连接，用于从对应的接收单元接收所述回波信号，从对应的输出端接收 所述子微波信号，以及基于所接收到的子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形 成所述数字回波信号。
5. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述多个处理单元中的每个处理单元包 括： 混频器，用于从对应的接收单元接收所述回波信号，从对应的输出端接收所述子微波 信号，并基于所接收到的子微波信号对所接收到的回波信号进行下变频处理； 滤波器和放大器，分别用于对经下变频处理之后得到的信号进行滤波和放大处理；以 及 模数转换器，用于对经所述滤波和放大处理之后得到的信号进行模数转换，以形成所 述数字回波信号。
6. -种MMO-SAR成像系统，其特征在于，该成像系统包括： 根据权利要求1-5中任一权利要求所述的微波信号收发系统； 成像处理器，用于基于由所述MM0收发模块输出的所述数字回波信号生成图像信息； 以及 显示处理模块，用于显示所述图像信息。
7. -种用于MIM0-SAR成像的微波信号收发方法，其特征在于，该方法包括： 产生微波信号； 从弧形阵列天线中的弧形发射阵列天线中选择要辐射所述微波信号的独立发射天线 阵元； 由所选择的独立发射天线阵元辐射所述微波信号； 从所述弧形阵列天线中的弧形接收阵列天线中选择要接收回波信号的独立接收天线 阵元； 由所选择的独立接收天线阵元接收所述回波信号；以及 对所接收到的回波信号进行处理，以形成数字回波信号。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述弧形发射阵列天线中的每个独立发 射天线阵元沿弧形延伸方向排列；所述弧形接收阵列天线中的每个独立接收天线阵元沿弧 形延伸方向排列；以及所述弧形接收阵列天线与所述弧形发射阵列天线上下相邻或内外相 邻，并且所述每个独立接收天线阵元与所述每个独立发射天线阵元依次交错。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所选择的接收天线阵元为与所选择的发 射天线阵元相邻交错的接收天线阵元。
10. 根据权利要求7-9中任一权利要求所述的方法，其特征在于，该方法还包括：在产 生所述微波信号之后，将该微波信号分成多路子微波信号；以及 基于所述子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形成所述数字回波信号。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，基于所述子微波信号对所接收到的回 波信号进行处理，以形成所述数字回波信号包括： 基于所述子微波信号对所接收到的回波信号进行下变频处理； 对经下变频处理之后得到的信号进行滤波和放大处理；以及 对经滤波和放大处理之后得到的信号进行模数转换，以形成所述数字回波信号。
【文档编号】G01S13/90GK104267400SQ201410561731
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月21日 优先权日:2014年10月21日
【发明者】黄平平, 谭维贤, 洪文 申请人:内蒙古工业大学