[发明专利]被动综合孔径快速扫描成像系统

说明书

技术领域

一种新型的被动综合孔径快速扫描成像系统，主要通过射频移相器对射频信号进行实时移相控制，以实现在射频合成器的输出对应于目标区域内的某特定方向的辐射信号，并最终通过快速的相移来实现快速扫描成像，属于被动辐射探测、遥感和侦察领域。 

背景技术

被动微波、毫米波和太赫兹波成像系统广泛应用于射电天文学研究、遥感和军事等领域。任何高于绝对零度的物体都会辐射各种波段的电磁波，被动成像探测是探测目标的电磁辐射和散射，并运用各种信号处理技术恢复出目标的温度分布图或散射特征图。 

为了提高成像系统的分辨率，目前广泛应用综合孔径技术，其基本原理是系统的空间分辨率与最大基线成正比。而普遍采用的被动综合孔径成像方式是干涉成像技术，由于任意两个天线接收到的辐射信号的互相关函数对应着目标区域空间频率的一个采样点，通过增加天线数目来实现空间频率的充分覆盖以最终实现对目标区域的成像。如图1所示(以1-D情况下4根天线的阵列为例)，天线1接收的目标辐射通过混频器13与来自本振11混频后产生差频信号，该信号经过放大器14后分别在相关器15中进行两两复互相关运算，再经信号处理器16进行离散Fourier逆变换后重构出目标的图像并在显示器8上显示出来。 

1988年，美国麻萨诸塞大学微波遥感实验室采用这种方法研制出一台L波段(1-2GHz)单极化(水平方向)混合实-综合孔径辐射计(ESTAR)，并进行了机载实验，得到有价值的土壤湿度图案。而ESTAR的下一代2D-STAR的样机也开发完成，并于2002进行了首飞试验。 

自从第一台被动综合孔径成像系统ESTAR出现以来，被动综合孔径成像技术不断向前发展，先后出现了MIRAS、2D-STAR等干涉式被动综合孔径成像系统。但基于干涉成像的被动综合孔径成像方法存在系统复杂度太高、体积大的不足之处，特别是对于一个综合孔径阵列，所需要的互相关器的数目是随着天线的数目呈现几何级数的增长。例如，在2009年11月刚刚发射升天的SMOS卫星 上搭载的MIRAS系统，其天线数目为69个，其相关器数目达到近5000个！这些对于机载和星载系统来说，都带来了巨大的成本增加。此外，由于互相关的结果数据非常巨大，在进行傅里叶逆运算和校正算法过程对处理器的要求也非常高，不仅要求性能高，造成的功耗也非常大。 

发明内容

本发明提出一种新型的被动综合孔径快速扫描成像系统，主要通过射频移相器对本发明系统中接收到的射频信号进行实时移相控制，以实现在合成器中合成射频信号后的结果对应目标区域内的某个特定的位置的辐射信号。通过不断的改变相位的移相控制，可以实现目标区域的快速扫描成像。 

本发明主要采用上变频技术对目标的宽带辐射信息进行综合孔径成像，采用如下技术方案： 

接收天线阵列接收来自目标区域辐射和散射的射频信号，经过低噪放大器后进入射频移相器；同时，计算机根据所需探测位置计算出此时各通道所需的相移值，并通过驱动器对进入相移器的射频信号进行移相，移相后的射频信号输入到合成器被合成后进入射频探测器，射频探测器的输出进入锁相放大器后，最终输入到计算机进行处理以形成目标区域的图像。 

在本发明中，系统及其各个部分说明如下： 

(1)被动综合孔径快速扫描成像系统由接收机子系统、信号合成子系统和锁相探测子系统组成。首先，接收机子系统负责接收和放大来自目标区域的射频信号，信号合成子系统对接收机子系统输出的射频信号进行先相移后合成，合成信号最终被锁相探测子系统探测并转化为视频信号输入到计算机中处理和显示。 

(2)接收机子系统是由天线阵列和低噪放大器组成；天线阵列接收来自目标区域的射频信号，低噪放大器对该射频信号进行放大。 

(3)信号合成子系统是由射频移相器、相移控制器、射频合成器和计算机组成；计算机根据目标区域设定接收机子系统中射频信号所需的相移值，并通过相移控制器给出控制电压，以驱动射频移相器对进入其中的射频信号产生相应的相移值，被移相的射频信号随后进入射频合成器中进行叠加合成。 

(4)锁相探测子系统是由射频探测器、射频开关、信号发生器和锁相放大器组成；信号发生器产生固定频率的方波信号控制射频开关的通断以形成对进入接收机子系统的射频信号的调制，被调制的射频信号在经过信号合成子系统后被射频探测器获取并进入锁相放大器；同时，方波信号也输入到锁相放大器；经过锁相放大器处理的信号即是目标区域的视频信号，该视频信号最终进入计算机被处理和显示。