CN102004248A

CN102004248A - 多频带被动综合孔径成像系统

Info

Publication number: CN102004248A
Application number: CN 201010278614
Authority: CN
Inventors: 何云涛; 江月松; 张跃东; 刘丽
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2030-09-09
Also published as: CN102004248B

Abstract

本发明提出了一种新型的多频带被动综合孔径成像系统，通过多频带技术极大提高成像系统的空间频率采样覆盖，从而实现工作在射频微波波段实时高分辨率的高质量成像。在本发明中，多频带天线阵列接收来自目标辐射和散射的信号后，进入接收机阵列中，通过与超宽带可调谐的YIG(钇铁石榴石)振荡器输出的本振信号混频后输出，混频输出信号经过滤波获得中频信号，再经中频放大输出，最后通过模数转换采集卡后，输入到信号处理器进行两两相关运算，获得视场空间频率采样。通过运用多频带天线阵列和对YIG振荡器的调谐，可获取不同频带的可视度函数，从而大大提高目标空间频率采样覆盖效果和成像质量。

Description

多频带被动综合孔径成像系统

技术领域

本发明涉及一种多频带被动综合孔径成像系统，主要通过充分利用多频带天线阵列所接收的不同频带信号，实现以相对少的天线数目获得更加充分的空间频率采样覆盖，最终达到成像目的的一种系统。

背景技术

任何高于绝对零度的物体都会辐射电磁波，被动式成像探测是利用探测物体的电磁辐射，并运用特定的反演算法得到目标的亮温图。对被动式成像系统，要获得高的空间成像分辨率，综合孔径技术是一种有效的方法。该技术利用若干个体积小、重量轻的小孔径天线按照载体形状和尺寸大小，依据最小冗余空间频率覆盖、最佳成像质量等规则排列成稀疏孔径阵列，通过两两天线信号组合复互相关运算和离散Fourier变换运算而重构出所观测目标的图像。

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，即ESTAR(电扫描稀疏阵列辐射计)，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。

1991年，欧洲航天局(ESA)组织了一个工作会议，会上来自欧洲和美国的专家提出多种测量SMOS的新方向。其中一个就是2维合成孔径辐射计及它的校正系统，那时对这方面研究尚未深入。随后TUD成功地建立了一个工作在X波段的实验室演示模型。在受到ESTAR和TUD的模型成功的鼓舞下，ESA于1993年启动了MIRAS(合成孔径微波成像辐射计)的可行性研究。1996年底，MIRAS完成了实验样机的组合并准备升空进行实机飞行成像实验。1999年ESA选中SMOS观测者项目，MIRAS系统是该项目的核心仪器，以提供全球的土壤湿度和海洋盐度的地图。

近年来美国的部分大学还开展了太赫兹综合孔径成像技术的相关研究工作：最早在2003年有太赫兹干涉阵列成像远场实验研究的报道和太赫兹波对地观测遥感理论研究的报道，2004年有用于反恐的被动太赫兹波近场干涉阵列与综合孔径成像理论研究工作的报道，2006年出现了被动太赫兹波综合孔径成像系统和仿真研究的报道。

90年代中期，中国科学院空间科学与应用研究中心，华中理工大学和南京理工大学都有相关的论文发表。其中中科院空间科学与应用研究中心近年来还做出了实验样机，并给出了成像结果分析。

目前，被动综合孔径成像系统都是通过对天线阵列接收的信号进行降频后两两复相关计算，以获得视场的空间频率上的一个采样点，任意两个天线的组合可以获得空间频率的一个采样点。在实际应用中，为了获得充分的空间频率采样的覆盖，从而实现成像的目的，需要大量的天线数目，这将大大增加系统中的重量和复杂度。而在机载和星载的情况下，要求载荷尽量的轻、简单且稳定可靠，因此必须寻找更加有效，更轻，更简单稳定的系统。

由于任意两个天线对视场的空间频率的采样点所对应的位置是与天线的中心频率和基线长度分别成正比例，当这两个天线位置不变，改变天线工作的中心频率，则可以利用这两个天线获取对应于不同的工作频率的不同位置的空间频率的多个采样点。因此，在被动综合孔径系统中利用多频带天线阵列，天线阵列每增加一个工作频带，则成像系统对视场的空间频率的采样点就增加一倍。如图2所示，最上面的图为天线间隔为d的5天线阵列，当天线阵列工作在频率f0时，可以获得的视场空间频率采样如图2中间的图示的4个采样点，而当采用多频带天线阵列时，当选择多频带的工作频率分别为f₀、2f₀、3f₀、4f₀，仅仅两个间隔为d的天线阵列就可实现同最上面的5单元天线阵列完全相同的视场空间频率采样，也即完全相同的成像结果。因此，可以通过增加天线的工作频带，大大减少天线阵列中天线的数目，从而减小系统的重量和复杂度，达到与多天线阵列系统相同的成像质量。

发明内容

本发明提出的一种新型的多频带被动综合孔径成像系统，以实现工作在射频微波波段的高质量实时高分辨率成像。在本发明中，多频带天线阵列接收来自视场的辐射和散射信号后，进入接收机阵列进行下变频至中频信号，并通过模数转换转换为数字信后，最后进入信号处理器，各通道中进入信号处理器中的数字信号进行数字相关处理运算，可获得视场的可视度函数。通过对YIG振荡器的调谐，接收机阵列可获取不同频带所对应的可视度函数，从而大大增加视场空间频率采样点的个数，并最终提到系统成像质量。

本发明主要利用在被动综合孔径成像系统中，任意两个天线对视场空间频率的采样点的位置是与天线的中心频率成正比例的特点，通过采用多频带天线阵列获得视场的多频带信号，并分别进行处理来增加视场空间频率采样点个数，提高视场空间频率采样覆盖效果，最终达到高质量成像的目的。根据上述表述，本发明采用如下技术方案：

(a)多频带被动综合孔径成像系统由多频带天线阵列，接收机阵列，YIG振荡器，控制驱动器，标准校正负载，信号处理器和显示设备组成。所述各组成部分协同工作：多频带天线阵列接收来自目标辐射和散射的多频带信号，经过接收机阵列转换为数字信号，进入信号处理器进行两两相关运算以获得可视度函数；同时，通过控制驱动器对YIG振荡器的输出进行调谐，最终在信号处理器中可获得多频带天线阵列接收的不同频带信号所对应的可视度函数，从而实现更加充分的空间频率覆盖；最后，在信号处理器中通过对多频带信号的可视度函数进行傅里叶变换，最终得到多频带天线阵列的视场图像；同时，利用标准校正负载作为接收机的输入信号，实现对本发明系统的校正。

(b)接收机阵列中，每个接收机都分别是由三向选择开关、隔离器、射频低噪放大器、混频器，低通滤波器，中频放大器、以及模数转换采集卡组成。

(c)本发明系统开始工作时，信号处理器发出控制信号给接收机阵列中的所有三向选择开关，是接收机阵列的输入信号为标准校正负载输出的信号，该信号经过接收机处理进入信号处理器，计算出接收机阵列的校正参数，后续计算都依据该校正参数对接收机输出信号进行校正后，才进行两两相关计算可视度函数以获得视场空间频率采样点。

(d)计算获得校正参数后，信号处理器发出控制信号给接收机阵列中的所有三向选择开关，选择接收来自多频带天线阵列所接收的视场信号。此时，本发明可以根据具体应用需求工作在三种状态下：垂直极化、水平极化、全极化，分别对应接收机连接V端、H端、以及同时连接V端和H端。接收机阵列中，三向选择开关输出的信号首先进入隔离器，以防止隔离器后面的低噪放大器的反射信号影响天线的工作状态；而低噪放大器则是将多频带天线阵列接收的信号进行放大，随后进入混频器与YIG振荡器输出的本振信号进行混频，混频后的信号经过低通滤波器后可以获得混频后的中频信号，该中频信号经中频放大器放大后被模数转换卡采集后进入信号处理器。在信号处理器中，接收机阵列输出的信号经过两两相关运算可以获得可视度函数，从而得到视场空间频率的采样覆盖。随后，信号处理器发出指令给控制驱动器，使得YIG振荡器改变本振信号频率，从而使得接收机阵列输出多频带天线接收的视场的不同频带的信号，从而获得不同的视场空间频率的不同采样，最终实现改善视场空间频率采样覆盖效果和成像质量的目的。当获得所有频带信号对应的视场空间频率采样后，对这些采样点进行傅里叶变换，从而获得了视场的图像，实现对视场的成像。

(e)本发明中，多频带天线阵列是在考虑了所有频带对可视度函数的贡献同时，以空间频率采样覆盖最均匀为准则，采用现代优化算法进行优化设计而获得。

本发明的主要特色：多频带被动综合孔径成像系统主要是通过多频带天线阵列接收视场的多频带信号，同时通过YIG振荡器调谐输出本振信号，可以逐一将多频带信号进行处理，以获得更多的视场空间频率采样点，可以大大减少天线数目和提高成像质量。

本发明的效益与应用前景：(1)用于机载和星载平台，实现对地实时观测、遥感、侦察和监视。(2)用于对现有被动综合孔径成像系统进行改进，减小系统复杂度和载荷重量。

附图说明

图1为本发明多频带被动综合孔径成像系统

图2为传统被动综合孔径成像系统与本发明系统在实现相同的视场空间频率采样下的天线阵列对比图

图3为本发明实施方案中8单元圆周天线阵列分布图

图4为本发明实施方案中8单元4频带圆周天线阵列的空间频率采样覆盖与相同结构的单一频带天线阵列对应的空间频率采样覆盖对比图

具体实施方式

本发明实施案例中，采用如图3所示的经过优化后的八单元的圆周阵列结构作为包含四个工作频带的多频带天线阵列1，其位置分布如图3中所示。多频带天线阵列的四个工作频带的中心频率分别为1.4GHz，2.8GHz，4.2GHz，5.6GHz。图4显示了，采用该多频带天线阵列时所对应的视场空间频率采样分布情况：途中的圆圈点对应着图3对应的单频带天线阵列的视场空间频率采样分布，而本实施案例中四频带的多频带天线阵列的空间频率采样不仅包括圆圈点，而且还包括了所有的实心点，可见空间频率覆盖效果大大改善，还可以看到后者的空间频率的截至频率提高了4倍，这也意味中本实施案例的多频带被动综合孔径成像系统的空间分辨率提高了4倍。

多频带天线阵列输出的垂直极化和水平激化信号分别接入接收机阵列2中的三向选择开关2-1的V端和H端。而三向选择开关2-1的C端连接这标准校准负载7。单向器件隔离器2-2的工作频率为1.4GHz～5.6GHz，主要工作是使得需要探测的视场信号被可以通过，而低噪放大器2-3的反射信号无法进入多频带天线阵列1和标准校准负载7。接收机阵列中的低噪放大器2-3为工作在1.4GHz～5.6GHz范围的宽带低噪放大器，其输出信号进入工作在1.4GHz～5.6GHz范围内的混频器2-4。

在混频器2-4中，来自YIG振荡器6依次输出的本振信号与低噪放大器2-3的输出进行混频。其中，YIG振荡器6输出的本振信号的中心频率分别为1.5GHz，2.9GHz，4.3GHz，5.7GHz。混频器2-4输出的信号经过截至频率为110MHz的低通滤波器2-5滤波后，可以获得中心频率为100MHz的中频信号。该100HMz的中频信号通过一个工作在100MHz的中频窄带放大器2-6放大后，被采集频率为200MHz的模数转换采集卡2-7采集数字信号，并最终输出到信号处理器3中。在信号处理器3，当所有的频带的信号对应的视场的空间频率采样全部获得后，可以利用快速傅里叶算法(FFT)对视场空间频率采样进行反演计算，从而获得视场的图像，并输出到图像显示设备4上。

同时，在信号处理器3还实时发出指令给控制驱动器5，用以控制接收机阵列中的YIG振荡器2-4的输出频率和三向选择开关2-1的接通端口，以实现不同的工作频率、激化状态和系统校准。

Claims

1.一种新型的多频带被动综合孔径成像系统，其特征是：所述多频带被动综合孔径成像系统由多频带天线阵列，接收机阵列，YIG振荡器，控制驱动器，标准校正负载，信号处理器和显示设备组成。所述各组成部分协同工作：多频带天线阵列接收来自目标辐射和散射的多频带信号，经过接收机阵列转换为数字信号后进入信号处理器进行两两相关运算以获得视场空间频率采样；同时，通过控制驱动器对YIG振荡器的输出进行调谐，最终在信号处理器中可获得多频带天线阵列接收的不同频带信号所对应的视场空间频率采样点，从而实现更加充分的空间频率覆盖；最后，在信号处理器中通过对多频带信号的视场空间频率采样进行傅里叶变换，最终得到多频带天线阵列的视场图像；同时，利用标准校正负载作为接收机的输入信号，实现对本发明系统的校准。

2.根据权利要求1所述的多频带被动综合孔径成像系统，所述多频带天线阵列是在考虑了所有频带对可视度函数的贡献同时，以空间频率采样覆盖最均匀为准则，采用现代优化算法进行优化设计而获得。

3.根据权利要求1所述的多频带被动综合孔径成像系统，所述接收机阵列中的每个接收机都是相同的，是由三向选择开关、隔离器、射频低噪放大器、混频器，低通滤波器，中频放大器、以及模数转换采集卡组成；且进入接收机阵列中所有三向选择开关的全部控制信号是相同的，且进入接收机阵列中混频器中的所有本振信号也是相同的。

4.根据权利要求1或3所述的多频带被动综合孔径成像系统，所述三向选择开关的被选择的三个端点分别连接标准校正负载、多频带天线阵列的水平极化信号输出和多频带天线阵列的垂直极化信号输出，依次对应本发明的系统校正、水平极化成像和垂直极化成像。

5.根据权利要求1所述的多频带被动综合孔径成像系统，所述YIG振荡器是可输出不同的本振信号的快速可调谐的YIG振荡器，YIG振荡器输出的不同频率的本振信号与混频器的输入信号在混频器中进行混频，从而实现将多频带天线阵列接收的各不同频带信号分别下变频到中频信号。

6.根据权利要求1所述的多频带被动综合孔径成像系统，所述的信号处理器接收处理接收机阵列输入的信号以产生视场图像，输出给显示装置；同时，通过对控制驱动的控制实现对本发明的工作状态的实时控制。