CN103389497A - 机载稀疏阵列天线下视三维成像雷达***和成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载稀疏阵列天线下视三维成像雷达***和成像方法，所述***包括载机平台、稀疏阵列天线***和分布式POS，所述载机平台是用于搭载所述的稀疏阵列天线***和分布式POS的飞行器，该飞行器的中部和两侧能够布设阵列天线；所述稀疏阵列天线***由位于中部的多个密集排布的子阵和位于两侧的1个或2个子阵组成；利用所述的分布式POS实现对阵列天线多相位中心相对空间位置的精确测量；正下视模式下，通过ScanSAR模式和SweepSAR模式相结合的扫描方式扩大观测幅宽；当载机运行在高空时，利用以Barker码作为采样准则的稀疏重过航方式获得交轨向等效阵列，提高交轨向分辨率。本发明在载机的交轨方向采用具有空间稀疏布局的阵列天线，实现对观测场景的高分辨率宽幅三维成像。

Description

机载稀疏阵列天线下视三维成像雷达***和成像方法

技术领域

本发明涉及雷达***、信息获取与处理技术领域，特别是一种可实现高分辨率宽幅三维成像的机载稀疏阵列天线下视三维成像雷达。

背景技术

机载下视三维成像雷达***是一种新的微波三维成像雷达***，其成像原理如图1所示。通过载机平台的运动在X方向(顺轨向)形成合成孔径，获得顺轨向分辨率；在Y方向(交轨向)上采用阵列天线构成实孔径，获得交轨向分辨率；在Z方向(高程向)发射宽带信号，通过脉冲压缩处理获得距离向(高程向)分辨率，从而实现对观测场景的三维成像。

目前，国内外已对机载下视三维成像雷达开展了相应的研究，其中以德国FGAN-FHR的ARTINO***最为典型，该***以无人机作为载机平台，在交轨向采用稀疏布局阵列天线，发射单元位于阵列两端，接收单元位于阵列中间，采用时分的方式可在交轨向获得等效满阵。再结合顺轨向由载机运动形成的合成孔径和发射的宽带信号，实现三维成像。(参见KlareJ，Weiss M，Peters O，et al.“ARTINO：A New High Resolution 3D ImagingRadar System on An Autonomous Airborne Platform”，IGARSS，Colorado，USA，2006；Klare J.“A New Airborne Radar for 3D Imaging-SimulationStudy of ARTINO”.)

稀疏阵列天线孔径综合技术，可大幅度减少大尺寸阵列天线子阵及其对应收发单元的数量。将稀疏阵列天线应用在载机的交轨向方向，可大幅度减轻***的体积、重量和复杂度。采用子阵时分轮发的方式将稀疏阵列天线等效为满阵，在交轨向可获得与满阵天线相同的成像结果。(参见HouY N，Li D J，Hong W.“The Thinned Array Time Division Multiple PhaseCenter Aperture Synthesis and Application”，IGARSS，Boston，USA，2008.)

在上述***中，若交轨向阵列天线是由小尺寸的子阵构成，其波束宽度较宽，因此可获得较大的观测幅宽，但是子阵尺寸较小，所需子阵的数量将急剧增加，同时增加***的复杂度。若交轨向阵列天线是由大尺寸的子阵构成，可解决子阵数量过多增加***复杂度的问题，但是由于子阵波束较窄，使得观测幅宽受到限制。

由于载机翼展长度有限，导致交轨向阵列天线长度受到限制。交轨向分辨率与交轨向阵列天线长度，载机平台运行高度及发射信号波长有关，当载机平台运行在高空时，可获得的交轨向分辨率将会降低，无法满足高分辨率对地成像的需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是现有机载阵列天线下视三维成像雷达***存在的两点不足：一、若交轨向阵列天线是由小尺寸的子阵构成，其波束宽度较宽，因此可获得较大的观测幅宽，但是子阵尺寸较小，所需子阵的数量将急剧增加，同时增加***的复杂度，若交轨向阵列天线是由大尺寸的子阵构成，可解决子阵数量过多增加***复杂度的问题，但是由于子阵波束较窄，使得观测幅宽受到限制；二、由于交轨向分辨率依赖于交轨向阵列天线的长度，而交轨向阵列天线的长度受载机翼展尺寸的限制，当载机运行在高空时，交轨向分辨率将会降低，无法满足高分辨率对地观测的需求。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种机载稀疏阵列天线下视三维成像雷达***，包括载机平台、稀疏阵列天线***和分布式POS，所述载机平台是用于搭载所述的稀疏阵列天线***和分布式POS的飞行器，该飞行器的中部和两侧能够布设阵列天线；所述稀疏阵列天线***由多个子阵组成，所述的多个子阵分布在所述载机平台的三个区域，所述三个区域分布于所述载机平台的中部和两侧。

根据本发明的一个具体实施方式，所述三个区域为一个主区域和两个副区域，所述主区域位于所述载机平台的中部，所述副区域位于所述载机平台的两侧，并且在所述主区域安装一个由多个子阵排布的阵列天线，在所述副区域安装1个或2个子阵，所述三个区域的阵列天线构成所述稀疏阵列天线***。

根据本发明的一个具体实施方式，所述载机平台是一个飞机，所述主区域位于所述飞机的机腹，所述两个副区域分别位于所述飞机的两个机翼下方的吊舱。

根据本发明的一个具体实施方式，所述多个子阵均为两维相扫有源阵。

根据本发明的一个具体实施方式，所述分布式POS分布在所述三个区域，用于对所述稀疏阵列天线***的多相位中心的精确测量。

根据本发明的一个具体实施方式，所述子阵的交轨向尺寸为0.25m，所述主区域具有8个子阵，所述每个副区域具有2个子阵。

本发明还提出一种机载稀疏阵列天线下视三维成像方法，所述稀疏阵列天线在交轨向包括位于一个主区域的由多个子阵排布的阵列天线，和位于两个副区域的各由1个或2个子阵构成的阵列天线，在各子阵位置分布有分布式POS，所述方法包括如下步骤：利用所述分布式POS测量所述稀疏阵列天线的多相位中心的相对空间位置；以所述主区域的阵列天线的DBF方向图作为加权函数，对所述各子阵多发多收获得等效相位中心构成的稀疏阵列方向图进行加权处理，改善其峰值旁瓣比和积分旁瓣比；所述稀疏阵列天线的子阵采用两维相扫有源阵，在正下视工作模式下，采用ScanSAR模式和SweepSAR模式相结合的扫描方式，扩大观测成像幅宽；采用重过航的飞行方式，在交轨向获得相比于该稀疏阵列天线长度更长的等效阵列天线，以提高交轨向分辨率；根据上述步骤所获得的回波信号，对观测场景进行三维成像。

根据本发明的一个具体实施方式，利用Barker码作为重过航的采样准则。

根据本发明的一个具体实施方式，在进行三维成像的步骤中，采用三维波数域算法，并且引入所述分布式POS对等效相位中心相对空间位置的测量值以及所述方向图加权方法。

根据本发明的一个具体实施方式，所述子阵交轨向尺寸为0.25m，所述主区域具有8个子阵，所述每个副区域具有2个子阵。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在交轨向采用两侧子阵和中部大阵相结合的稀疏阵列结构，以相对较少的子阵数量实现交轨向的分辨率。

2、本发明针对交轨向阵列天线结构，采用分布式位置和姿态测量***POS实现对阵列天线多相位中心相对空间位置的高精度测量，从而实现高精度的运动补偿，提高成像质量。

3、本发明采用SweepSAR扫描模式和SweepSAR模式相结合的扫描方式，扩大了成像幅宽。

附图说明

图1是机载下视三维成像雷达***的成像几何示意图；

图2是本发明的交轨向阵列天线在载机平台上安装位置的平面示意图；

图3是本发明的交轨向阵列天线在飞机上安装位置的示意图；

图4是本发明根据等效相位中心原理，各子阵多发多收时交轨向可获得等效相位中心位置示意图；

图5是等效相位中心与收发子阵的位置关系；

图6是本发明的机载稀疏阵列下视雷达三维成像方法的流程图；

图7a是本发明实施例的0.25m子阵的方向图；

图7b是本发明实施例的交轨向稀疏阵列天线的阵列因子；

图7c是本发明实施例的交轨向稀疏阵列天线的方向图；

图7d是本发明实施例的机腹密集阵的DBF方向图；

图7e是本发明实施例的以机腹密集阵DBF方向图作为权值对交轨向稀疏阵列天线方向图加权后的合成方向图；

图8是本发明实施例的ScanSAR模式和SweepSAR模式相结合的扫描方式示意图；

图9是本发明实施例的稀疏重过航飞行成像几何示意图；

图10是本发明实施例的13位Barker码序列([1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1])的自相关函数；

图11a是本发明实施例的以13位Barker码作为采样准则随机稀疏重过航飞行时所获得交轨向稀疏阵列天线方向图；

图11b是本发明实施例的以机腹密集阵DBF方向图作为权值对稀疏重过航所获得交轨向稀疏阵列天线方向图加权后的合成方向图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

对于如图1所示的机载下视三维成像雷达***，本发明从分析其交轨向的阵列布局形式角度进行设计，以实现对观测场景的高分辨率宽幅成像。

具体来说，本发明的机载稀疏阵列下视三维成像雷达***包括载机平台、稀疏阵列天线***、分布式POS(Position and Orientation System)。

所述的载机平台是用于搭载所述的稀疏阵列天线***和分布式POS的飞行器，该飞行器的中部和两侧能够布设阵列天线，且能在1～3km的高空平稳飞行。

本发明的稀疏阵列天线***由多个子阵组成，所述的多个子阵分布在所述载机平台的三个区域，即一个主区域和两个副区域。所述主区域分布于载机平台的中部，两个副区域分别位于载机平台的两侧。

根据本发明，在所述主区域安装一个由多个子阵密集排布的阵列天线，在所述副区域安装1个或2个子阵，三个区域中的阵列天线构成一个较大的稀疏阵列天线。所述子阵在交轨向的尺寸可以为0.25m，在顺轨向的尺寸可根据实际所需的顺轨向分辨率来确定。

本发明的分布式POS分布在所述稀疏阵列天线的子阵位置，用于实现对阵列天线多相位中心的相对位置的高精度测量。

下面参照图2来描述本发明的具体实施例。

在本发明的实施例中，所述载机平台是图2所示的飞机，例如运输机。但是，根据本发明，所述的载机平台可以是任何可在中部和两侧安装阵列天线，且能在离地1～3km的高空平稳飞行的飞行器。

如前所述，本发明所述的载机平台用于搭载所述稀疏阵列天线和分布式POS，因此应当具有排布上述稀疏阵列天线和分布式POS的位置和区域。

在该实施例中，图2所示位置1是飞机的机腹，是所述稀疏阵列天线分布的主区域，在该主区域沿交轨向安装8个密集排布的子阵，构成一个长度为2m的阵列天线。图2所示位置2是飞机两侧机翼挂载吊舱的位置，是所述稀疏阵列天线分布的两个副区域，两个副区域的间距约为9m，在两个副区域中沿交轨方向分别安装2个子阵组成0.5m的阵列天线。在三个区域中分布的子阵组成一个长度约为9.6m的稀疏阵列天线。

图3中，以运12IV型飞机作为一个载机平台的具体实例，展示所述机腹和机翼吊舱在载机平台上的具***置。

所述稀疏阵列天线各子阵同时发射频分正交信号，利用多相位中心孔径综合原理，可获得的等效相位中心的分布如图4所示。等效相位中心是当收发子阵分置时，在收发子阵的中间位置所产生的虚拟相位中心。等效相位中心与收发子阵的位置关系如图5所示。

所述子阵采用两维相扫有源阵，即其波束可在两个方向上(顺轨向和交轨向)实现扫描，尤其是在单过航时交轨向波束需扫描以扩大成像幅宽。所述的相扫是指在阵列天线上采用控制移相器相移量的方法来改变各子阵的激励相位，从而实现波束的扫描。

所述分布式POS分布在所述三个区域稀疏阵列天线的子阵位置，以分布式的空间结构实现对阵列天线多相位中心的精确测量，从而实现精度运动补偿，提高成像质量。

下面参照图6来描述利用本发明机载稀疏阵列下视三维成像雷达***实现对观测场景的高分辨率宽幅三维成像的方法。

首先，对于交轨向由多个子阵组成的稀疏阵列天线，利用分布在各子阵位置的分布式POS测量阵列天线多相位中心的相对空间位置，从而可实现高精度的运动补偿处理。

接着，以所述主区域的阵列天线的DBF(Digital Beamforming)方向图作为加权函数，对所述各子阵多发多收获得等效相位中心构成的稀疏阵列方向图进行加权处理，改善其峰值旁瓣比和积分旁瓣比。

根据方向图乘积原理，阵列方向图F(θ)是由子阵方向图F_e(θ)与阵列因子S(θ)相乘得到的，即

F(θ)＝F_e(θ)S(θ)

一个由N个间隔为d，波束指向为θ₀的子阵组成的等间隔线性阵列天线的阵列因子为

$S\left(\mathrm{\θ}\right)=1+e^{\mathrm{jkd}(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_0)}+e^{j2\mathrm{kd}(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_0)}+\·\·\·+e^{j(N-1)\mathrm{kd}(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_0)}$

$=\frac{\sin [\mathrm{Nkd}(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_0)/2]}{\sin [\mathrm{kd}(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_0)/2]}$

所述子阵交轨向尺寸为0.25m，若发射信号的波长为0.02m，则0.25m的子阵可由25个间隔为半波长的全向天线单元(即F_e(θ)＝1)组成，其方向图如图7a所示。由所述各子阵多发多收，在交轨向会形成39个等效相位中心，如图3所示。由等效相位中心组成的稀疏阵列的归一化阵列因子如图7b所示，其方向图由子阵方向图和阵列因子相乘得到，如图7c所示。

由于阵列是稀疏分布的，其峰值旁瓣比和积分旁瓣比较高。可通过所述分布主区域的8个子阵构成的阵列的DBF方向图(如图7d所示)，对上述方向图进行加权处理的结果如图7e所示。通过方向图加权处理，可改善稀疏阵列天线的峰值旁瓣比和积分旁瓣比。

所述阵列天线方向图与成像结果是对应的，在成像算法中可将所述方向图加权的方法引入，以改善成像质量。

然后，所述稀疏阵列天线子阵采用两维相扫有源阵，在正下视工作模式下，采用ScanSAR模式和SweepSAR模式相结合的扫描方式，扩大观测成像幅宽。

所述ScanSAR模式和SweepSAR模式是两种较常用的波束扫描方式，ScanSAR模式是以降低顺轨向分辨率为代价来扩大观测幅宽，SweepSAR模式是以提高***脉冲重复频率为代价来扩大观测幅宽。利用ScanSAR模式和SweepSAR模式相结合的扫描方式可兼顾***的脉冲重复频率和顺轨向分辨率。

图8给出一个ScanSAR模式和SweepSAR模式相结合的扫描方式具体实施例，利用3个SweepSAR模式波驻位置组成1个ScanSAR模式子条带，总的观测幅宽由5个这样的ScanSAR模式子条带组成。假设波束未扫描时，***的脉冲重复频率为4kHz，顺轨向分辨率为0.2m，在所述扫描模式下，***的脉冲重复频率将提升到12kHz，顺轨向分辨率将下降到1m，观测幅宽可扩大15倍。

接着，当载机平台运行在高空时，采用稀疏重过航的飞行方式，在交轨向获得一个长度更大的等效阵列天线，以提高交轨向分辨率。

所述机载稀疏阵列下视三维成像***的交轨向分辨率的表达式为

${\mathrm{\ρ}}_c=\frac{\mathrm{\λR}}{2L}$

可见交轨向分辨率与发射信号波长λ，斜距R和交轨向阵列有效长度L有关。

对于给定的发射信号，当载机飞行高度升高时，若要提高交轨向分辨，只能增大交轨向阵列长度，而交轨向阵列长度则受到载机翼展尺寸的限制不能任意增大。采用重过航的方式可在交轨向获得一个长度较大的阵列天线，达到提高交轨向分辨率的目的。

机载稀疏阵列下视三维成像雷达重过航飞行的示意图如图9所示。

为了减少重过航飞行的次数，考虑采用稀疏重过航的方案。而Barker码是一种具有等副瓣特性的随机信号，可用来作为稀疏重过航的采样准则。

图10给出了13位Barker码序列([1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1])的自相关函数，可见其副瓣值均相等。图11a给出了以13位Barker码作为采样准则进行随机稀疏重过航飞行时获得阵列的方向图，利用所述分布主区域的8个子阵构成的阵列的DBF方向图(如图7d所示)，对上述方向图进行加权处理的结果如图11b所示。

当载机飞行高度较低时，可利用长度较短的Barker码作为采样准则实现对重过航飞行的随机稀疏采样，利用较少的重过航次数，获得满足条件的交轨向阵列天线。

最后，根据上述步骤所获得的回波信号，采用三维波数域算法，并在其中引入所述分布式POS对等效相位中心相对空间位置的测量值以及所述方向图加权的方法，即可实现对观测场景的三维成像。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机载稀疏阵列天线下视三维成像雷达***，包括载机平台、稀疏阵列天线***和分布式POS，其特征在于：

所述载机平台是用于搭载所述的稀疏阵列天线***和分布式POS的飞行器，该飞行器的中部和两侧能够布设阵列天线；

所述稀疏阵列天线***由多个子阵组成，所述的多个子阵分布在所述载机平台的三个区域，所述三个区域分布于所述载机平台的中部和两侧。

2.如权利要求1所述的机载稀疏阵列天线下视三维成像雷达***，其特征在于，所述三个区域为一个主区域和两个副区域，所述主区域位于所述载机平台的中部，所述副区域位于所述载机平台的两侧，并且在所述主区域安装一个由多个子阵排布的阵列天线，在所述副区域安装1个或2个子阵，所述三个区域的阵列天线构成所述稀疏阵列天线***。

3.如权利要求2所述的机载稀疏阵列天线下视三维成像雷达***，其特征在于，所述载机平台是一个飞机，所述主区域位于所述飞机的机腹，所述两个副区域分别位于所述飞机的两个机翼下方的吊舱。

4.如权利要求2所述的机载稀疏阵列天线下视三维成像雷达***，其特征在于，所述多个子阵均为两维相扫有源阵。

5.如权利要求2所述的机载稀疏阵列天线下视三维成像雷达***，其特征在于，所述分布式POS分布在所述三个区域，用于对所述稀疏阵列天线***的多相位中心的精确测量。

6.一种机载稀疏阵列天线下视三维成像方法，所述稀疏阵列天线在交轨向包括位于一个主区域的由多个子阵排布的阵列天线，和位于两个副区域的各由1个或2个子阵构成的阵列天线，在各子阵位置分布有分布式POS，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

利用所述分布式POS测量所述稀疏阵列天线的多相位中心的相对空间位置；

以所述主区域的阵列天线的DBF方向图作为加权函数，对所述各子阵多发多收获得等效相位中心构成的稀疏阵列方向图进行加权处理，以改善其峰值旁瓣比和积分旁瓣比；

所述稀疏阵列天线的子阵采用两维相扫有源阵，在正下视工作模式下，采用ScanSAR模式和SweepSAR模式相结合的扫描方式，扩大观测成像幅宽；

采用重过航的飞行方式，在交轨向获得相比于该稀疏阵列天线长度更长的等效阵列天线，以提高交轨向分辨率；

根据上述步骤所获得的回波信号，对观测场景进行三维成像。

7.如权利要求6所述的机载稀疏阵列天线下视三维成像方法，其特征在于，所述ScanSAR模式和SweepSAR模式相结合的扫描方式是利用3个SweepSAR模式波驻位置组成1个ScanSAR模式子条带，总的观测幅宽由5个这样的ScanSAR模式子条带组成。

8.如权利要求6所述的机载稀疏阵列天线下视三维成像方法，其特征在于，利用Barker码作为重过航的采样准则。

9.如权利要求6所述的机载稀疏阵列天线下视三维成像方法，其特征在于，在进行三维成像的步骤中，采用三维波数域算法，并且引入所述分布式POS对等效相位中心相对空间位置的测量值以及所述方向图加权方法。

10.如权利要求6所述的机载稀疏阵列天线下视三维成像方法，其特征在于，所述子阵交轨向尺寸为0.25m，所述主区域具有8个子阵，所述每个副区域具有2个子阵。

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