一种多发多收天线阵及其SAR成像方法

摘要

本申请属于SAR成像技术领域，特别涉及一种多发多收天线阵及其SAR成像方法。其中该多发多收天线阵包括排成一列的多个发射单元，以及排成一列的多个接收单元，其中，每个所述发射单元两侧各对应有S个接收单元，每个发射单元与其两侧的对应的2S个接收单元组成一组单发多收子阵。本申请可满足实装飞机复杂背景条件下近场隐身快速测试需求，极大提升了测试效率，为未来不同型号实装飞机复杂背景快速测试提供了技术支撑。

说明书

技术领域

本申请属于SAR成像技术领域，特别涉及一种多发多收天线阵及其 SAR成像方法。

背景技术

近场测试技术是飞行器隐身性能检测和鉴定的基础性、关键性技术，属于综合性很强的新技术领域，具有占地面积小、投资强度低和较高的使用效率等优点，是实装飞机最有效的隐身性能检测方法，是目前新兴发展的主要试验技术手段之一。

针对实装飞机近场测试空间范围外背景环境复杂的特点，需要采用直线扫描SAR成像测量方式对子区域进行测量。SAR测量方式的特点是相对于系统天线视线，被测目标与目标区外的背景杂散源是同时“转动”的，经过成像处理后可以实现背景与目标的分离。ISAR成像背景环境中的杂散目标可重叠到了测试区域中部，与目标散射点混叠，无法分离；SAR成像目标散射点与背景环境中的杂散目标完全分离，通过空间滤波处理，可以精确获取目标散射特性。

然而，传统机械扫描SAR成像测量手段对测量速度有所制约，为保证SAR成像的质量与足够成像区范围，机械扫描设备的运行速度不能太快，采样的位置间隔较密。因此，需要一种快速高效的SAR成像方法，用以实现实装飞机目标复杂背景成像快速试验问题。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种多发多收天线阵及其SAR成像方法，在传统机械扫描SAR成像的基础上，针对实装飞机复杂背景近场测试条件，采用多发多收天线阵结合电扫技术实现了快速成像测量。

本申请第一方面提供了一种多发多收天线阵，包括排成一列的多个发射单元，以及排成一列的多个接收单元，其中，每个所述发射单元两侧各对应有S个接收单元，每个发射单元与其两侧的对应的2S个接收单元组成一组单发多收子阵。

优选的是，所述发射单元为15个，接收单元为64个，相邻两个发射单元之间设置有4个接收单元，在天线阵的两端的发射单元的外侧各设置有4个接收单元。

优选的是，相邻所述接收单元的间距为2.5cm。

优选的是，对所述多发多收天线阵，采用微波开关切换实现测量位置的电扫描。

本申请第二方面提供了一种多发多收天线阵SAR成像方法，包括：

步骤S1、对全部采样信号得到的步进频率回波进行逆快速傅里叶变换，获得多个等间距的目标一维距离像所在的数轴，并确定所述数轴的起点、终点及两个成像点间的距离；

步骤S2、计算目标空间某点在所有采样位置下，对应的发射单元到接收单元的波程距离；

步骤S3、根据所述波程距离与所述数轴的相似关系进行插值，得到采样位置；

步骤S4、在所有采样位置下积分，得到目标点的成像值。

优选的是，确定所述数轴的起点、终点及两个成像点间的距离包括：

所述起点为距离最小值，所述距离最小值从混频器计算为0，所述终点为距离最大值l

其中，N

本申请可满足实装飞机复杂背景条件下近场隐身快速测试需求，极大提升了测试效率，为未来不同型号实装飞机复杂背景快速测试提供了技术支撑。

附图说明

图1是本申请多发多收天线阵的一优选实施例的8～18GHz的15发64 收天线阵示意图。

图2是图1所示实施例的使用多发多收架构的天线阵电扫描测量架构图。

图3是多发多收天线阵SAR成像几何示意图。

图4是多发多收天线阵SAR成像插值示意图。

其中，1-发射单元，2-接收单元。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请第一方面提供了一种多发多收天线阵，包括排成一列的多个发射单元，以及排成一列的多个接收单元，其中，每个所述发射单元两侧各对应有S个接收单元，每个发射单元与其两侧的对应的2S个接收单元组成一组单发多收子阵。

图1给出了一个8～18GHz的15发64收天线阵示意图。该示例中，天线单元采用超宽带迷你角锥喇叭形式。工作频率8～18GHz，天线阵为15发 64收结构，单元天线间距2.5cm，天线阵总长度1.6m，等效实孔径长度1.5m。

可以理解的是，传统SAR成像测量手段制约测量速度的因素主要有：

为保证SAR成像的质量，必须保证扫描过程每个测量点的位置精度，导致机械扫描设备的运行速度不能太快。

为了保证足够的成像区范围，SAR采样的位置间隔较密，整个测量行程中的测量点位较多。例如2m的扫描行程，测量间隔2cm，一次成像需要扫频测量201次。

采用多发多收天线阵测量结构，用微波开关切换实现测量位置的“电扫描”替代传统机械扫描，是提高测量速度的一种手段。微波开关的切换速度不超过100ns，采用电扫方式替换机械扫描后，预计可以提高测量速度2～4倍。

更进一步，如图2所示，基于小角度双站等效定理，在±2°的范围内，采用单发多收天线阵架构，可以将其等效成单发单收天线工作。然后将多个单发多收子阵组合为多发多收阵列，在每个子阵中通过多通道同步采集，整体上减少了天线个体数量和开关阵列层级，并且进一步将整体测量速度提高4～8倍。

本申请第二方面提供了一种与上述天线阵对应的多发多收天线阵 SAR成像方法，包括：

步骤S1、对全部采样信号得到的步进频率回波进行逆快速傅里叶变换，获得多个等间距的目标一维距离像所在的数轴，并确定所述数轴的起点、终点及两个成像点间的距离；

步骤S2、计算目标空间某点在所有采样位置下，对应的发射单元到接收单元的波程距离；

步骤S3、根据所述波程距离与所述数轴的相似关系进行插值，得到采样位置；

步骤S4、在所有采样位置下积分，得到目标点的成像值。

目标成像空间坐标系为x-O-y，原点为O点；平面扫描阵列坐标系为 u-O’-y。其中u轴与x轴平行。X轴与u轴之间的固定距离为R0。几何关系如图3所示。

使用M组单发N收天线组进行采样，则规定M个发射单元编号为t1～ tM，每个发射单元配套的N个接收单元编号为rx1～rxN，其中x为发射单元编号。如图3所示，图3绘制了一个具有2个发射单元，每个发射单元配套左右各4个、共8个接收单元，形成单发8收。其中，中间4个接收单元同时被t1和t2发射单元使用。

因此，对于M组单发N收多发多收阵列而言，每次均发射/接收具有Fn 个频点的步进频率信号，其最终产生的采样个数为M乘以1乘以N乘以Fn。

对于目标坐标系x-O-y中的某个散射源P，坐标为P位于(x,y)，当使用第m个发射单元，和该第m发射单元的第n个接收单元时，该散射源P到发射/接收天线的距离可以分别表示为：

R＝R

其中，utm表示第m个发射单元在u轴上的坐标，Rtm表示第m个发射单元与点P的距离(叠加传输线上的固定距离常数Rtm0)；urmn表示第m 个发射单元配套的第n个接收单元在u轴上的坐标，Rrmn表示第m个发射单元配套的第n个接收单元与点P的距离(叠加传输线上的固定距离常数 Rrmn0)；R表示发射、接收的电磁波信号经历的波程。这样一来，对于已经设计好的多发多收阵列而言，R就可表示为x,y,m,n的函数，即 R(x,y,m,n)。

天线阵成像计算流程具体如下：

首先，对全部M×N组采样信号得到的步进频率回波进行逆快速傅里叶变换(以下简称IFFT)，得到每组采样位置下，被测目标的一维距离像。其中定义数字域频率

P(m,n,l)＝IFFT[F(m,n,k)]

该距离像的距离最大值由步进频率决定，即

距离最小值从混频器计算，为0；距离栅格点数等于IFFT计算点数。因此l轴等间距距离像每两个点之间代表的距离为：

然后，计算目标空间某点(x,y)在所有采样位置下，对应的发射m、发射m的接收n双站波程距离R：

由于某点(x,y)到某发射、接收单元的距离R几乎无法等间距，因此可使用插值方法，根据等间距的P(m,n,l)计算得到非等间距的P(m,n,R)。插值方法是，首先根据(x,y)计算得到R(x,y,m,n)，再根据l

最后，在所有采样位置下积分，得到目标点(x,y)的成像值如下式所示。

其中

图1所示布置天线阵，天线间距设置为2.5cm，每个单发多收子阵设置1个发射天线和8个接收天线，使用8个子单发多收阵组合成一个多发多收天线阵，整体等效实孔径长度1.5m，等效测量间距1.25cm。

采用上述架构对5个点目标进行成像仿真，频率范围8～18GHz，步进频率2.5MHz，仿真结果可以看出，多发多收架构成像结果相对于传统SAR 成像结果，保持了对散射源的分辨力及定位精度，可以满足目标散射中心诊断的需求。

本发明针对实装飞机目标复杂背景试验条件下，能够实现飞机近场快速SAR成像的测试需求，创新性的提供了一种应用多发多收天线阵快速 SAR成像方法。本发明的提出在传统机械扫描SAR成像方式的基础上，采用多发多收天线阵结合电扫技术后，一次SAR成像测量需要总时间从不小于120s加快至5s。可满足飞机复杂背景条件近场隐身快速测试需求，极大提升了测试效率，为未来不同型号实装飞机复杂背景近场隐身快速测试提供了技术支撑。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。