一种阵列可伸缩式便携mimo-sar测量雷达系统及其成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信及合成孔径成像雷达的技术领域，具体涉及一种阵列可伸缩式便 携MIM0-SAR测量雷达系统及其成像方法。
【背景技术】
[0002] 现有用于低可探测目标电磁散射诊断的成像测量雷达主要包括采用转台旋转目 标测量的逆合成孔径雷达（ISAR)和采用直线导轨机械扫描测量的合成孔径雷达（SAR)成 像系统。对于真实低可探测目标的散射特性诊断测量，ISAR成像需要构建专用的目标转 台和支撑系统，通过转台的机械旋转合成成像孔径，实现对目标的方位高分辨力成像测量 [参见文献1-3];直线导轨扫描SAR成像则需要构建一段足够长的精密导轨，目标固定放置 于雷达视线前方，雷达则沿导轨作机械扫描以合成直线孔径，从而实现对被测目标的方位 高分辨力成像[参见文献4]。
[0003] 由于转台ISAR成像设备需要建立复杂、精密且庞大的大型目标转台，先进国家已 装备用于低可探测目标使用现场目标散射诊断成像的测量雷达均采用导轨扫描SAR体制。 此外，由于需要做机械旋转或扫描，上述两种测量体制的雷达对真实目标进行高分辨力诊 断成像时都需要耗费很长的扫描测量时间，实时性差，且全套测量装备比较庞大，难以实现 小型化，便携性差。尽管采用多输入多输出合成孔径雷达（MM0-SAR)进行测量的技术也已 提出[参见文献5]，但现有方案没有解决阵列尺寸同测量横向分辨力之间的矛盾。
[0004] 与本发明相关的现有技术分析如下：
[0005] 现有技术一：采用金属低散射支架的静态测试场转台目标ISAR成像雷达
[0006] 在低可探测目标设计和研制阶段，主要在室内紧缩场和室外全尺寸目标静态测试 场，将目标安装在低散射金属支架上，通过转台旋转实现对目标的ISAR高分辨力诊断成 像。
[0007] 以美国为例，所拥有的室内外测试场主要包括空军的先进室内紧缩场、RATSCAT和 RAMS测试外场等，陆军阿伯丁实验中心、ERADS紧缩场等，海军大西洋测试靶场、雷达反射 实验室、水面作战中心测试场，NASA的兰利研究中心紧缩场、埃姆斯-德莱登研究中心测试 场，工业界和相关研究机构包括洛-马公司的Helendale室外RCS测试场、通用原子能公司 GrayButte室外RCS测试场、诺-格公司Tejon室外RCS测试场、以及桑迪亚国家实验室的 倒V形测试外场等。欧洲和其他一些国家也建有先进的室内和室外测试场，如法国的CELAR 测试场、德国EADS的紧缩场和室外静态测试场、英国泰利斯公司RCS测试场、南非国防研究 院的静态测试场等。图1示出了美国空军国立散射测试场RATSCAT场多个场区之一的场景 图。
[0008] 采用地平场设计和低散射金属目标支架是国内外先进测试外场最重要的两大特 点，其中采用地平场也是外场不同于大多数室内场（自由空间场）之最显著区别所在。采 用地平场设计的RCS测试外场除了需要铺覆具有良好反射系数的主反射区和消除任何严 重杂波影响的清扫区外，还需根据不同测试波段，调整雷达天线和目标高度等几何关系和 系统参数，从而利用测试场主反射区地面的多径反射来提高测量过程中的接收信噪比。
[0009] 现有技术一的缺点：此类测试场的背景电平得到良好设计和精准控制，具有较高 的RCS和高分辨力成像诊断测量精度，但由于需要将被测目标安装在低散射金属目标支架 上，如图2所示，它要求在被测目标上预留目标转台安装孔位，会在一定程度上破环目标的 固有结构，因此仅适用于目标模型或原型机测量，不能用于低可探测目标生产阶段的出厂 验收和目标作战使用过程中的维护测量。
[0010] 现有技术二：转台目标近场测量ISAR成像
[0011] 在低可探测目标生产和出厂验收阶段，其RCS诊断成像测量一般采用转台目标近 场测量技术。图3示出了美国洛-马公司生产的F-35隐身飞机出厂验收阶段的近场RCS 诊断成像测试设施，该设施的特殊要求包括：大的静区、能够在生产环境快速可靠地完成全 尺寸飞机测试。每一架F-35飞机都必须进行全尺寸RCS成像诊断测量，以验证其隐身特性 满足设计要求。洛-马公司在F-35飞机的总装地在德克萨斯州福特沃斯，建设了一个专用 的室内RCS验收测试设施（AcceptanceTestFacility,ATF)来执行交付客户前的对飞机 隐身性能的最后测试。
[0012] 测试中F-35飞机的鼻锥将通过特殊的绳索悬挂在天花板上，飞机的尾部架设在 巨大的28英尺高塔架上，塔架下的大型转台直径为47英尺。转台的转动要求非常精确，没 有任何摇晃以及任何类型的间歇振动，即使在开始和停止转动时也非常平稳。两个驱动装 置一推一拉同步工作，使转台进行精密的平缓旋转，带动F-35飞机在360°全方位范围内 转动，同时固定的雷达系统对数千个事先确定的数据点进行测量。验收测试设施可以在不 到一天的时间内完成单架F-35飞机的全部测试和数据处理流程，所有三种类型的F-35飞 机的出厂验收均架设在该塔台上进行360°旋转测试。
[0013] 现有技术二的缺点：测试设施庞大而精密，因此仅适用于生产厂家出厂验收验证 使用，不能用于低可探测目标在部队作战使用过程中的维护测量诊断。
[0014] 现有技术三：直线导轨扫描SAR成像
[0015] 在低可探测目标训练、作战使用和维护阶段，其低散射特性的维护检查、维修、验 证和确认一般依据问题的严重程度采取不同的验证措施。若目标返厂大修后，其整机低散 射确认验证可归类于与出厂验收相同的测试类别，因此可以采用图3所示的专用RCS验收 测试设施。而对于低可探测目标使用维护现场的诊断测量，一般采用直线导轨扫描SAR成 像。
[0016] 图4示出了作战使用现场环境条件下，美国空军对F117A飞机低散射特性验证确 认的诊断成像雷达测试方案。F117A飞机的测试在机场开阔环境条件、距离雷达21m且飞机 起落架处于放下状态并采用特制护套遮挡时完成散射诊断成像测试，其成像扫描架轨道长 7. 2m，全套测量装备可装载于一个1. 8mXl. 8mX4. 5m的方舱中，系统布展时间小于24小 时。
[0017] 除了以上系统，已知的还包括STARDYNAMICS公司的BlueMaxG6车载扫描成像系 统，如图5所示，其测量原理同样为直线扫描SAR成像，只不过导轨安装在载车一侧而已。
[0018] 现有技术三的缺点：事实上，迄今为止，所有资料报道的用于作战使用现场的目标 RCS诊断成像测量的雷达均采用了目标放置在固定位置、测量雷达则通过导轨作直线扫描 完成对目标的高分辨力SAR成像。但是，直线SAR成像需要构建一段足够长的精密导轨，目 标固定放置于雷达视线前方，雷达则沿导轨作机械扫描以合成直线孔径。由于需要做机械 扫描，导轨SAR成像测量体制的雷达装备具有以下固有缺陷：
[0019] (1)实时性差：对真实目标进行高分辨力诊断成像时需要耗费很长的时间（例如， 若目标尺寸20m，成像分辨力10cm，则最少需要做201次扫描，测量时间至少需要1?2小 时），难以实现快速诊断成像测量；
[0020] (2)对测试现场环境要求高：为了获得高的横向距离分辨力，要求线性扫描导轨 足够长且机械扫描精度足够高，对现场测试场地提出了较高的要求；
[0021] (3)便携性差：全套测量装备比较庞大，难以实现小型化，便携性差。
[0022] 现有技术四：MM0-SAR成像技术[参见文献5]
[0023]MM0雷达将通信理论中的多输入多输出（MM0)技术与现代雷达中的数字波束形 成（DBF)等技术相结合，是近十年来出现的一种新体制雷达技术。法国CEA公司的研究人 员于2010年在天线测量技术协会年会上首次披露了一个用于近场成像测量的MM0-SAR成 像原理试验系统，其采用14个喇叭天线构成的MM0雷达，实现了对金属圆柱体的高分辨力 二维成像，该试验雷达工作在3-5GHz频段。图6示出了试验过程中MIM0对小金属圆柱的 测量场景。该系统也是迄今已知的唯一用于近场目标散射成像测量的试验系统，但该系统 仅给出了对尺寸小于lm的目标区测量与成像结果，没有演示对大型目标的近场诊断成像 测量能力。
[0024] 现有技术四的缺点：现有已提出的MM0-SAR技术没有解决雷达系统便携性和高 分辨力成像诊断测量之间的兼容性问题一如果要求分辨力高，则MM0-SAR的天线阵列要 长、尺寸大；如果要求便携，则天线阵列不能太长，此时成像测量分辨力低。
[0025] 本发明参考文献如下：
[0026] [l]www.thehowlandcompany.com/radar_stealth/RCS-ranges.htm, 2014.
[0027] [2]陈晓盼，林刚，李柱贞，陶国强，"美国军方和宇航局RCS测试场技术与性能分 析，"《国外目标与环境特性管理与技术参考》，No. 4, 2010。
[0028] [3]李柱贞，陈晓盼，林刚，陶国强，"欧洲和其他国家的重要RCS测试场技术与性 能分析，"《国外目标与环境特性管理与技术参考》，No. 6, 2010。
[0029] [4]T.P.Benson,E.V.Sager,^Diagnosticimagingradarsy