[发明专利]一种阵列可伸缩式便携MIMO‑SAR测量雷达系统及其成像方法

权利要求书

1.一种阵列可伸缩式便携MIMO-SAR测量雷达的成像方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤1、可伸缩式MIMO-SAR天线阵列的构建

构建一个可伸缩式MIMO天线阵列，包括2M个发射天线阵元、2N+1个接收天线阵元、用于收发天线切换控制的微波射频开关矩阵、天线安装导轨及其伸缩控制机构；其中发射天线由2M个喇叭天线组成，位于线阵的两端；接收天线由2N+1个喇叭天线组成，均匀分布于两组发射天线之间，天线阵元安装导轨用于收发天线的安装固定，导轨控制机构可控制导轨并带动天线阵列的伸缩，以便在导轨伸展条件下形成更长的虚拟合成孔径，由此提高较远距离整机诊断成像测量时的横向分辨力；

设计加工天线架用于支撑MIMO天线阵列、雷达高频组合以及天线阵列伸缩控制单元，同时实现MIMO天线阵列的升降操作；

步骤2、MIMO-SAR测量雷达系统的构建

构建一个宽带测量雷达，包括权雷达发射机、接收机、控制与处理计算机；其中，雷达发射机/接收机包括频率综合器、发射机、接收机和数据采集单元；

发射机：为了保证MIMO-SAR发射信号的相位相干性，一般采用单个发射机，MIMO-SAR测量过程中通过控制微波射频开关来切换发射机与发射天线之间的通断，达到使2M个不同发射天线按照要求发射信号；

接收机：可以是单个通道的I、Q接收机，也可以是2N+1个通道的多通道I、Q接收机，若采用单个I、Q接收机，则接收机采用分时切换工作方式，即对于MIMO-SAR的每个发射-接收组合，同一脉冲信号发射2N+1次，每次由2N+1个接收天线中的一个与接收机连接，接收回波信号，最终完成2N+1个回波接收，接收天线与接收机的连接由微波射频开关阵列控制，若采用2N+1个接收机同时多通道接收，则同一脉冲信号只需发射一次，2N+1个接收机同时接收回波，即每个接收天线同一个接收通道直接相连，一次发射得到2N+1个接收回波；

数据采集单元：由多通道数据采集板和数据采集软件组成，实现接收机输出I、Q模拟信号的模数转换和数据采集；

控制与处理计算机：通过编程控制，完成MIMO-SAR雷达系统的MIMO天线阵列、发射、接收、信号采集控制，实现对2M×(2N+1)个收发天线组合的宽带信号发射和目标回波数据采集，并完成测量数据的后续标定、成像处理；

全站仪：仅作为辅助测量仪器，用于完成雷达-目标精确定位，并对目标位置参数进行精确测量；

步骤3、MIMO-SAR雷达成像测量和目标回波数据录取

(1)构建一个具有2M个发射天线、2N+1个接收天线的MIMO-SAR线阵，其中，发射天线平均分为两部分分别放置于线阵的两端构成两个发射阵列，接收天线均匀分布于线阵中间构成接收阵列，发射阵元间距为d，接收阵元间距为Md，发射阵列与接收阵列之间的距离为d/2，假设此时天线阵总长为L，所处状态称为缩进状态；将线阵分为左、中、右三部分；左侧部分称为子阵一，包括左侧的M个发射阵元和N个接收阵元，长度为L₁；右侧部分称为子阵二，包括右侧的M个发射阵元和N个接收阵元，长度为L₁；中间部分包括1个接收天线；子阵一和子阵二是可伸缩的，且一次伸展出去的长度为L₂；伸展状态定义为子阵一和子阵二同时向左、右两侧伸展L₂时，阵列所处状态；

(2)第一次“快拍”成像测量时，线阵处于缩进状态，通过电控完成全部发射、接收天线阵元组合的收发测量并录取“快拍”成像数据，可以获得总共2M(2N+1)个收发天线阵元组合的宽带回波，也即可形成2M(2N+1)个虚拟阵元；

(3)第二次“快拍”成像测量时，线阵处于伸展状态，再次完成步骤(2)中所述的“快拍”成像测量并录取成像数据，也可以获得2M(2N+1)个收发天线阵元组合的宽带回波，也即可形成另外2M(2N+1)个虚拟阵元；

(4)将两次“快拍”测量的全部数据用于联合成像处理，相当于获得了总共4M(2N+1)个虚拟阵列单元；

(5)对两次“快拍”测量的数据融合成像处理中，第一次“快拍”和第二次“快拍”测量收发天线阵元组合得到的虚拟阵元部分位置是重合的，也即存在重合的虚拟阵元，这部分重合的虚拟阵元数据舍弃，或者在第二次“快拍”测量中由控制与处理计算机控制不对重合的位置进行测量；

步骤4、MIMO-SAR成像聚焦处理

利用MIMO-SAR-FBP成像聚焦算法，对两次“快拍”未重合的全部虚拟阵元对应的测量数据没有成像进行聚焦成像处理，即可得到被测目标的二维MIMO-SAR图像；

该成像聚焦算法处理针对全部“快拍”有效测量数据进行，其中，MIMO-SAR-FBP成像聚焦算法的基本步骤如下：

步骤1)：选取第m个发射阵元和第n个接收阵元组成的观测通道C_mn的回波数据，让其乘上一个指数项并进行傅立叶逆变换(ifft)，得到一维距离像P_mn(l)，

P_mn(l)＝ifft(S_rec(x_Tm,x_Rn,f_i)(-1)ⁱ) (20)

其中，S_rec为回波数据，x_Tm为第m个发射阵元的位置，x_Rn是第n个接收阵元的位置，f_i为第i个频点；

步骤2)：选择目标图像重建位置(x,y)，计算其积分(求和)曲线上的值l'，

$l^{\′}=\left(\frac{\sqrt{{(x-x_{Tm})}^2+{(y+R_0)}^2}+\sqrt{{(x-x_{Rn})}^2+{(y+R_0)}^2}}{2}\right)-R_0---\left(21\right)$

其中，R₀为目标本体坐标系原点到雷达坐标系原点的参考距离，其它参数同式(20)中参数定义；

步骤3)：对距离像进行插值运算求得P_mn(l')，则通道C_mn在(x,y)处的图像重建值为

${\widehat{\mathrm{\σ}}}_{mn}(x,y)=P_{mn}\left(l^{\′}\right)e^{j2{\mathrm{\πk}}_{min}{l}^{\′}}---\left(22\right)$

其中，f_min为最小频率，c为光速，l'为式(21)中定义；

遍历目标成像区域内的所有点(x,y)，重复步骤2)～步骤3)，完成通道C_mn的二维成像；

步骤4)：遍历所有通道C_mn，重复步骤1)～步骤3)，完成所有通道的成像；然后对各通道的二维像进行相干求和，得到最终雷达像的重建结果，即：

$\widehat{\mathrm{\σ}}(x,y)=\frac{1}{A}\underset{m}{\Σ}\underset{n}{\Σ}\widehat{\mathrm{\σ}}(x,y)---\left(23\right)$

其中，A＝2M(2N+1)为观测通道的个数，即虚拟阵元的总个数。