CN104267400A - 用于mimo-sar成像的微波信号收发系统、方法及成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于MIMO-SAR成像的微波信号收发系统、方法及成像系统。该收发系统包括：MIMO收发模块，产生并发送微波信号；弧形阵列天线，包括弧形发射阵列天线和弧形接收阵列天线；微波开关网络，从MIMO收发模块接收微波信号，从弧形发射阵列天线中选择要辐射微波信号的独立发射天线阵元，将该微波信号发送至所选择的独立发射天线阵元；微波开关网络还从弧形接收阵列天线中选择要接收回波信号的独立接收天线阵元，接收来自所选择的独立接收天线阵元的回波信号，将该回波信号传送至MIMO收发模块；MIMO收发模块还接收回波信号，对该回波信号进行处理，以形成数字回波信号。由此，能够实现大视场范围成像观测。

Description

用于MIMO-SAR成像的微波信号收发系统、方法及成像系统

技术领域

本发明涉及微波成像领域，具体地，涉及一种用于MIMO-SAR(多输入多输出-合成孔径雷达)成像的微波信号收发系统、方法及成像系统。

背景技术

传统的目视、光学或红外等措施的受地形、天气和昼夜等因素的影响较大，不具备全天候和全天时的工作能力。机载阵列天线前视成像系统不仅能够穿透烟、雾、云层和浮尘等，以及不受天气和气候影响，而且能够对飞机前下方区域进行实时高分辨率成像，还能为飞机的着陆、侦察、搜救和起飞提供真实的地面信息，增强飞机的导航和运输救援能力。

现有的机载阵列天线前视成像系统基于机载线性阵列天线前视成像机制，利用微波开关切换实现线性阵列合成，对飞机飞行路线前下方区域进行高分辨成像。但由于采用线性阵列天线和分时工作方式，使其存在较多问题需要进一步改善。一方面，其成像范围主要受限于单个天线的波束范围，即不能实现大视场范围观测。由此，如果飞机想要观测其周围区域，其需要移动至该区域附近，并使用机载线性阵列天线进行微波成像感知。如果飞机在例如山区等较为复杂的环境中飞行，受障碍物限制，可能不能频繁移动，并且移动存在危险性。这样，可能就无法对所需区域进行微波成像感知。另一方面，在线性阵列天线中，阵列向分辨率随着波束范围增大而降低，也即分辨率随目标空间位置变化。因此，不利于机载平台周围的高分辨率成像观测。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够扩大微波成像区域范围的用于MIMO-SAR成像的微波信号收发系统、方法及成像系统。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于MIMO-SAR成像的微波信号收发系统，该系统包括：MIMO收发模块，用于产生并发送微波信号；弧形阵列天线，包括用于辐射微波信号的弧形发射阵列天线和用于接收回波信号的弧形接收阵列天线；微波开关网络，用于从所述MIMO收发模块接收所述微波信号，从所述弧形发射阵列天线中选择要辐射所述微波信号的独立发射天线阵元，并将该微波信号发送至所选择的独立发射天线阵元，以由该独立发射天线阵元辐射所述微波信号；所述微波开关网络还用于从所述弧形接收阵列天线中选择要接收回波信号的独立接收天线阵元，并接收来自所选择的独立接收天线阵元的回波信号，以及将该回波信号传送至所述MIMO收发模块；以及所述MIMO收发模块还用于接收所述回波信号，并对该回波信号进行处理，以形成数字回波信号。

优选地，所述弧形发射阵列天线中的每个独立发射天线阵元沿弧形延伸方向排列；所述弧形接收阵列天线中的每个独立接收天线阵元沿弧形延伸方向排列；以及所述弧形接收阵列天线与所述弧形发射阵列天线上下相邻或内外相邻，并且所述每个独立接收天线阵元与所述每个独立发射天线阵元依次交错。

优选地，所选择的接收天线阵元为与所选择的发射天线阵元相邻交错的接收天线阵元。

优选地，所述MIMO收发模块包括：微波信号产生单元，用于产生所述微波信号，并向所述微波开关网络和功分器发送所述微波信号；所述功分器，该功分器具有一个输入端和多个输出端，用于经由所述输入端接收所述微波信号，并将该微波信号分成多路子微波信号，以及经由所述多个输出端来一一对应发送所述多路子微波信号；多个接收单元，每个接收单元用于接收来自一个所选择的接收天线阵元的回波信号；以及多个处理单元，每个处理单元与所述功分器的每个输出端一一对应连接，以及与每个接收单元一一对应连接，用于从对应的接收单元接收所述回波信号，从对应的输出端接收所述子微波信号，以及基于所接收到的子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形成所述数字回波信号。

优选地，所述多个处理单元中的每个处理单元包括：混频器，用于从对应的接收单元接收所述回波信号，从对应的输出端接收所述子微波信号，并基于所接收到的子微波信号对所接收到的回波信号进行下变频处理；滤波器和放大器，分别用于对经下变频处理之后得到的信号进行滤波和放大处理；以及模数转换器，用于对经所述滤波和放大处理之后得到的信号进行模数转换，以形成所述数字回波信号。

本发明还提供一种MIMO-SAR成像系统，该成像系统包括：根据本发明提供的所述微波信号收发系统；成像处理器，用于基于由所述MIMO收发模块输出的所述数字回波信号生成图像信息；以及显示处理模块，用于显示所述图像信息。

本发明还提供一种用于MIMO-SAR成像的微波信号收发方法，该方法包括：产生微波信号；从弧形阵列天线中的弧形发射阵列天线中选择要辐射所述微波信号的独立发射天线阵元；由所选择的独立发射天线阵元辐射所述微波信号；从所述弧形阵列天线中的弧形接收阵列天线中选择要接收回波信号的独立接收天线阵元；由所选择的独立接收天线阵元接收所述回波信号；以及对所接收到的回波信号进行处理，以形成数字回波信号。

优选地，所述弧形发射阵列天线中的每个独立发射天线阵元沿弧形延伸方向排列；所述弧形接收阵列天线中的每个独立接收天线阵元沿弧形延伸方向排列；以及所述弧形接收阵列天线与所述弧形发射阵列天线上下相邻或内外相邻，并且所述每个独立接收天线阵元与所述每个独立发射天线阵元依次交错。

优选地，所选择的接收天线阵元为与所选择的发射天线阵元相邻交错的接收天线阵元。

优选地，该方法还包括：在产生所述微波信号之后，将该微波信号分成多路子微波信号；以及基于所述子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形成所述数字回波信号。

优选地，基于所述子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形成所述数字回波信号包括：基于所述子微波信号对所接收到的回波信号进行下变频处理；对经下变频处理之后得到的信号进行滤波和放大处理；以及对经滤波和放大处理之后得到的信号进行模数转换，以形成所述数字回波信号。

通过本发明提供的用于MIMO-SAR成像的微波信号收发系统、方法及成像系统，有效避免了常规线性阵列成像观测范围受单个天线的波束宽度约束的问题，能够实现大视场范围成像观测，并且提高观测精度。在观测平台相对静止时，基于弧形阵列天线进行微波信号收发，仍然可以实现对平台周围环境进行微波成像感知，甚至是360°全方位场景。此外，采用弧形阵列天线构型，其阵列向分辨率不随波束范围增大而降低，能保持相对稳定，因此有利于观测平台周围的高分辨率成像观测。本发明提供的用于MIMO-SAR成像的微波信号收发系统、方法及成像系统可以应用于机载观测平台。这样，可以提高飞机在一个位置处的观测范围，飞机无需频繁移动或转动来进行观测，从而提高飞机飞行的安全性。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的用于MIMO-SAR成像的弧形阵列天线、用于MIMO-SAR成像的微波信号收发系统、以及MIMO-SAR成像系统所应用的一个示例平台；

图2a为弧形阵列天线的三维布局效果图；

图2b为弧线阵列天线沿切向展开的布局效果图；

图2c为弧线阵列天线的俯视投影效果图；

图3示出了根据本发明的实施方式的用于MIMO-SAR成像的微波信号收发系统的结构示意图；

图4示出了微波开关网络的结构示意图；

图5示出了MIMO收发模块的结构示意图；

图6示出了根据本发明的实施方式的MIMO微波信号收发系统的收发时序控制示意图；

图7示出了根据本发明的实施方式的基于弧形阵列的MIMO-SAR成像系统的结构示意图；

图8示出了根据本发明的实施方式的基于弧形阵列天线的MIMO-SAR成像方法的流程图；以及

图9示出了弧形阵列天线MIMO-SAR成像坐标系。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1示出了本发明提供的用于MIMO-SAR成像的弧形阵列天线、用于MIMO-SAR成像的微波信号收发系统所应用的一个示例平台。如图1所示，所述弧形阵列天线1以及所述微波信号收发系统等均可被加载在飞机平台22上，并随该飞机平台22移动。微波信号收发系统可以通过弧形阵列天线1进行微波信号辐射，该微波信号经由观测场景21反射形成回波信号，再经由弧形阵列天线1接收所述回波信号。之后，经由本发明提供的MIMO-SAR成像方法对回波信号进行成像显示处理，以显示出观测场景21的图像。如图1所示，由于基于弧形阵列天线进行微波信号收发，因而相比于线性阵列天线，可以实现更广的观测范围。

下面结合图2a-图2c来详细描述本发明提供的弧形阵列天线1的实施方式。

图2a为弧形阵列天线1的三维布局效果图，图2b为弧线阵列天线1沿切向展开的布局效果图，以及图2c为弧线阵列天线1的俯视投影效果图。考虑到收发隔离度和动态范围，弧形阵列天线1采用收发分置结构，即发射天线和接收天线分开。例如，如图2a-图2c所示，弧形阵列天线1可以包括弧形发射阵列天线101(即，“AC”)和弧形接收阵列天线102(即，“BD”)。所述弧形发射阵列天线101用于辐射微波信号，该弧形发射阵列天线101中的每个独立发射天线阵元(例如，T₁、T₂、T₃、T_n、......、T_N，其中，1≤n≤N)可以沿弧形延伸方向排列。所述弧形接收阵列天线102用于接收回波信号(该回波信号为经弧形发射阵列天线101辐射的微波信号通过例如观测场景21反射回的微波信号)，并且该弧形接收阵列天线102可以与所述弧形发射阵列天线101上下相邻，该弧形接收阵列天线102中的每个独立接收天线阵元(例如，R₁、R₂、R₃、R_n、......、R_N)可以沿弧形延伸方向排列，并且所述每个独立接收天线阵元与所述每个独立发射天线阵元依次交错。例如，独立发射天线阵元T₁与独立接收天线阵元R₁和R₂相邻交错，独立发射天线阵元T₂与独立接收天线阵元R₂和R₃相邻交错，以此类推。

各独立天线阵元(包括每个接收天线阵元和每个发射天线阵元)的辐射口面朝向弧形外侧，从而实现对平台周围区域的大范围全天候、全天时微波成像观测。

可替换地，所述弧形接收阵列天线102也可以与所述弧形发射阵列天线101内外相邻，即，所述弧形阵列天线1通过内外相套设的弧形接收阵列天线102和弧形发射阵列天线101形成。并且，每个独立接收天线阵元与每个独立发射天线阵元依次交错。在这种实施方式中，各独立天线阵元(包括每个接收天线阵元和每个发射天线阵元)的辐射口面也可以朝向弧形外侧，只不过与上下相邻布置的弧形接收阵列天线102与弧形发射阵列天线101相比，其辐射口面与水平方向需要具有一角度，使得信号可通过弧形发射阵列天线101和弧形接收阵列天线102以一入射角度进行发射和接收，形成的等效采样点沿圆弧分布。

在本发明中，为了便于描述，仅以上下相邻布置的弧形发射阵列天线101和弧形接收阵列天线102为例进行说明。但是能够理解的是，以下实施方式同样适用于内外相邻布置的弧形发射阵列天线101和弧形接收阵列天线102。

如图2a-图2c所示，在所述弧形发射阵列天线101中，任意相邻两个独立发射天线阵元(例如，T₁与T₂、T₂与T₃等)口面中心之间可以具有水平角度间距Δθ_Interval，且

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Interval}}=2\×\mathrm{arc}\sin \left(\frac{l_{h\_\mathrm{tr}}}{2R_0}\right)=2\×\mathrm{arc}\sin \left(\frac{L_{h\_\mathrm{tr}}+2\mathrm{\Δ}{l}_{\mathrm{tr}}}{2R_0}\right)---\left(1\right)$

其中，R₀表示所述弧形发射阵列天线101的圆弧半径；L_{h_tr}表示所述弧形发射阵列天线101中的独立发射天线阵元水平向尺寸；l_{h_tr}表示所述弧形发射阵列天线101中相邻两个独立发射天线阵元几何中心之间的水平距离；Δl_tr为基于L_{h_tr}确定的参数，并且，Δl_tr∈(0,L_{h_tr})。

优选地，Δl_tr＝λ_c/16，其中，λ_c为弧形阵列MIMO-SAR成像系统及其所包含的弧形阵列天线的工作波长，而L_{h_tr}为λ_c的α倍，即

L_{h_tr}＝αλ_c     (2)

其中，α为一预设参数，且α∈[0.25,2.00]。因此，存在如下比例关系：

Δl_tr＝L_{h_tr}/16α     (3)

不过应当理解的是，虽然此处给出了Δl_tr与L_{h_tr}之间的示例比例关系，但本发明不限于此，其余比例关系也适用于本发明。

此外，如图2a-图2c所示，在所述弧形接收阵列天线102中，相邻两个独立接收天线阵元(例如，R₁与R₂、R₂与R₃等)口面中心之间可以具有水平角度间距Δθ'_Interval，且

$\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\Δ\θ}}^{\′}}_{\mathrm{Interval}}=2\×\mathrm{arc}\sin \left(\frac{l_{h\_\mathrm{re}}}{2{R^{\′}}_0}\right)=2\×\mathrm{arc}\sin \left(\frac{L_{h\_\mathrm{re}}+2{\mathrm{\Δl}}_{\mathrm{re}}}{2{R^{\′}}_0}\right)---\left(4\right)$

其中，R'₀表示所述弧形接收阵列天线102的圆弧半径；L_{h_re}表示所述弧形接收阵列天线102中的独立接收天线阵元水平向尺寸；l_{h_re}表示所述弧形接收阵列天线102中相邻两个独立发射天线阵元几何中心之间的水平距离；Δl_re为基于L_{h_re}确定的参数，并且，Δl_re∈(0,L_{h_re})。

与上面描述的相类似，优选地，Δl_re＝λ_c/16，而L_{h_re}为λ_c的α倍，即

L_{h_tr}＝αλ_c     (5)

因此，存在如下比例关系：

Δl_re＝L_{h_re}/16α     (6)

不过应当理解的是，虽然此处给出了Δl_re与L_{h_re}之间的示例比例关系，但本发明不限于此，其余比例关系也适用于本发明。

在一种优选的实施方式中，所述弧形发射阵列天线101中的独立发射天线阵元水平向尺寸L_{h_tr}与所述弧形接收阵列天线102中的独立接收天线阵元水平向尺寸L_{h_re}可以相等。此外，所述弧形发射阵列天线101中相邻两个独立发射天线阵元几何中心之间的水平距离l_{h_tr}与所述弧形接收阵列天线102中相邻两个独立接收天线阵元几何中心之间的水平距离l_{h_re}可以相等。也就是说，在这种情况下，Δl_tr＝Δl_re。

此外，在弧形发射阵列天线101和弧形接收阵列天线102上下相邻的情况下，所述弧形发射阵列天线101的圆弧半径R₀和所述弧形接收阵列天线102的圆弧半径R'₀可以相等。并且，由于弧形阵列天线1可以由弧形发射阵列天线101和弧形接收阵列天线102上下相邻堆叠构成，因此，弧形阵列天线1的圆弧半径也与弧形发射阵列天线101的圆弧半径R₀和弧形接收阵列天线102的圆弧半径R'₀相等。在一种优选的实施方式中，所述圆弧半径的选择范围可以例如为0.05m～10.00m。

在这种情况下，所述相邻两个独立发射天线阵元口面中心之间的水平角度间距Δθ_Interval与所述相邻两个独立接收天线阵元口面中心之间的水平角度间距Δθ'_Interval可以相等。

如上所述，所述每个独立接收天线阵元与所述每个独立发射天线阵元依次交错，因此，所述弧形发射阵列天线101中的一个独立发射天线阵元(例如，T₁)口面中心与所述弧形接收阵列天线102中与之相邻交错的独立接收天线阵元(例如，R₁和R₂)口面中心之间可以具有水平角度间距差Δθ_MidInter，并且：

${\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{MidInter}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Interval}}}{2}=\frac{\mathrm{\Δ}{{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{\mathrm{Interval}}}{2}---\left(7\right)$

按照以上方式布置弧形发射阵列天线101和弧形接收阵列天线102。所布置的独立发射天线阵元的总数和独立接收天线阵元的总数可以相等，并且可以通过以下等式(8)来确定该总数N：

其中，θ₀表示所述弧形阵列天线1的孔径角。在一种优选的实施方式中，弧形阵列天线1的孔径角θ₀的大小选择范围为3°～360°。也就是说，本发明提供的弧形阵列天线1可以形成一环形阵列天线，由此，可以实现对观景场景21的360°全角观测。相比于线性阵列天线而言，大大提高了观测范围。

在本发明的一种实施方式中，所述独立发射天线阵元和所述独立接收天线阵元的类型可以为以下中的至少一者：缝隙天线、微带天线、端射天线、波导天线、介质天线或偶极子天线。也就是说，弧形发射阵列天线101可以由一种或几种类型的独立发射天线阵元构成，而弧形接收阵列天线102也可以由一种或几种类型的独立接收天线阵元构成。

此外，所述弧形发射阵列天线101中的每个独立发射天线阵元的极化方式一致，且可以为以下中的一者：水平极化、垂直极化或圆极化；以及，所述弧形接收阵列天线102中的每个独立接收天线阵元的极化方式一致，且可以为以下中的一者：水平极化、垂直极化或圆极化。弧形发射阵列天线101的极化方式和弧形接收阵列天线102的极化方式可以一致，也可以不一致，对此，本发明并不进行限定。

以上描述了本发明提供的用于MIMO-SAR成像的弧形阵列天线1的结构。下面将描述本发明提供的基于弧形阵列天线1来进行微波信号收发以用于MIMO-SAR成像的系统和方法。

图3示出了根据本发明的实施方式的用于MIMO-SAR成像的微波信号收发系统的结构示意图。如图3所示，该微波信号收发系统可以包括：MIMO收发模块2，用于产生并发送微波信号；弧形阵列天线1，包括用于辐射微波信号的弧形发射阵列天线101和用于接收回波信号的弧形接收阵列天线102；微波开关网络3，用于从所述MIMO收发模块2接收所述微波信号，从所述弧形发射阵列天线101中选择要辐射所述微波信号的独立发射天线阵元，并将该微波信号发送至所选择的独立发射天线阵元，以由该独立发射天线阵元辐射所述微波信号；所述微波开关网络3还用于从所述弧形接收阵列天线102中选择要接收回波信号的独立接收天线阵元，并接收来自所选择的独立接收天线阵元的回波信号，以及将该回波信号传送至所述MIMO收发模块2；以及所述MIMO收发模块2还用于接收所述回波信号，并对该回波信号进行处理，以形成数字回波信号。

由以上可以看出，在所述微波信号收发系统中，首先由MIMO收发模块2产生一微波信号，并将该微波信号发送至微波开关网络3。该微波开关网络3可以在外部控制器的控制下(或者按照预定的次序)来从所述弧形发射阵列天线101中选择要辐射所述微波信号的独立发射天线阵元。之后，微波开关网络3可以控制与所选择的独立发射天线阵元之间导通，并将所述微波信号发送至该独立发射天线阵元，以由其进行辐射。

之后，微波信号经例如观测场景21反射后形成回波信号。同样地，微波开关网络3可以在外部控制器的控制下(或者按照预定的次序)来从所述弧形接收阵列天线102中选择要接收回波信号的独立接收天线阵元。之后，微波开关网络3可以控制与所选择的独立接收天线阵元之间导通，并接收来自所选择的独立接收天线阵元的回波信号。之后，再将该回波信号传送至所述MIMO收发模块2，以由该MIMO收发模块2进行信号处理。

优选地，微波开关网络3可以在选择要辐射所述微波信号的独立发射天线阵元的同时，也选择要接收回波信号的独立接收天线阵元。并且，在控制与所选择的独立发射天线阵元之间导通的同时，也控制与所选择的独立接收天线阵元之间导通。这样，可以使发射信号经过观测场景反射后的回波信号进入接收天线阵元、MIMO收发模块。

在本发明的一个优选实施方式中，所选择的接收天线阵元为与所选择的发射天线阵元相邻交错的接收天线阵元。例如，以图2a-图2c所示的弧形阵列天线为例，假设微波开关网络3选择发射天线阵元T₁进行微波信号发射，则用于接收回波信号的接收天线阵元为与该发射天线阵元T₁相邻交错的接收天线阵元R₁和R₂。如果选择发射天线阵元T₂进行微波信号发射，则用于接收回波信号的接收天线阵元为与该发射天线阵元T₂相邻交错的接收天线阵元R₂和R₃，以此类推。

微波开关网络3控制发射天线阵元和接收天线阵元的切换的具体过程如下所述。

如图4所示，微波开关网络3可以包括发射阵列开关网络301、接收阵列开关网络302、驱动器303和微波开关集中控制器304。发射阵列开关网络301通过不同开关网络切换来逐一传输MIMO收发模块2产生的微波信号至弧形发射阵列天线101，接收阵列开关网络302将弧形接收阵列天线102接收到观测场景21反射回来的回波信号送入MIMO收发模块2。

下面以图2a-图2c示出的弧形天线阵列1为例进行阐述。微波开关集中控制器304通过驱动器303控制发射阵列开关网络301选择微波开关通断序号，以使MIMO收发模块2产生的微波信号依次通过发射阵列开关网络301的接口3011(单信号通道)和接口3012、从独立发射天线阵元T₁辐射出。接收阵列开关网络302选择独立接收天线阵元R₁和R₂接收回波信号。之后，所述回波信号依次通过接口3022(双信号通道)和接口3021进入MIMO收发模块2。

MIMO收发模块2产生的微波信号依次通过发射阵列开关网络301的接口3011和接口3012、从独立天线阵元T₂辐射出。接收阵列开关网络302选择独立接收天线阵元R₂和R₃接收回波信号。之后，所述回波信号依次通过接口3022和接口3021进入MIMO收发模块2。

MIMO收发模块2产生的微波信号依次通过发射阵列开关网络301的接口3011和接口3012、从独立发射天线阵元T₃辐射出。接收阵列开关网络302选择独立接收天线阵元R₃和R₄接收回波信号。之后，所述回波信号依次通过接口3022和接口3021进入MIMO收发模块2。

以此类推，直到MIMO收发模块2产生的微波信号依次通过发射阵列开关网络301的接口3011和接口3012、从独立发射天线阵元T_N辐射出。接收阵列开关网络302选择独立接收天线阵元R_N(因为在图2a-图2c所示的弧形阵列天线1中，与独立发射天线阵元T_N相邻交错的接收天线阵元仅有接收天线阵元R_N)接收回波信号。之后，所述回波信号依次通过接口3022和接口3021进入MIMO收发模块2。

经过以上微波信号收发过程，如图2c所示，可以形成2N-1个等效采样点：P_apc(θ＝θ_m，R_arc，h₀)，m＝1，…，(2N-1)，其中，θ为弧形阵列天线角度方向，θ＝θ_m表示第m个等效采样点P_apc的位置坐标的角度坐标，h₀为弧形阵列天线1的高度，以及R_arc为等效采样点半径。可以通过以下等式(9)来确定等效采样点半径R_arc：

R_arc＝R₀tan(Δθ_Interval/2)     (9)

由于弧形阵列天线1的交错布置方式，使得相邻两个等效采样点之间具有等效采样角度间隔θ_s，且θ_s＝Δθ_Interval/2。该等效采样角度间隔θ_s与上文描述的水平角度间距差Δθ_MidInter相等。

发射阵列开关网络301和发射阵列开关网络302可以由多个单刀单掷开关或单刀双掷或单刀八掷PIN开关构成，也可以由多个单刀单掷开关或单刀双掷或单刀八掷铁氧体开关构成。在逻辑上能够等效形成单刀N掷发射阵列开关和2组单刀N/2掷开关，从而实现同时一路发射两路接收。每一个开关包含一个用于控制微波开关通道通断的驱动器303，整个微波开关网络3具有一个微波开关集中控制器304，与各个驱动器303相连，并通过LAN或RS232与外部控制器(未示出)连接，通过该外部控制器来灵活控制各路开关通断。

图5示出了根据本发明的实施方式的MIMO收发模块2的结构示意图。下面结合图5来详细描述MIMO收发模块2是如何进行微波信号发射、接收以及处理的方法。

如图5所示，所述MIMO收发模块2可以包括：微波信号产生单元201，用于产生所述微波信号，并向所述微波开关网络3和功分器202发送所述微波信号；所述功分器202，该功分器202具有一个输入端2021和多个输出端(例如，输出端2022和2023)，用于经由所述输入端2021接收所述微波信号，并将该微波信号分成多路子微波信号，以及经由所述多个输出端来一一对应发送所述多路子微波信号；多个接收单元(例如，接收单元203和204)，每个接收单元用于接收来自一个所选择的接收天线阵元的回波信号；以及多个处理单元(例如，处理单元205和206)，每个处理单元与所述功分器202的每个输出端一一对应连接，以及与每个接收单元一一对应连接，用于从对应的接收单元接收所述回波信号，从对应的输出端接收所述子微波信号，以及基于所接收到的子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形成所述数字回波信号。

具体地，如图5所示，微波信号产生单元201可以包括MIMO收发控制器2016、频率源2011、放大器2012、耦合器2013(或替换为功分器)、放大器2014和放大器2015。首先，MIMO收发控制器2016通过LAN或RS232与外部控制器(未示出)连接。在外部控制器的控制下，通过MIMO收发控制器2016控制频率源2011产生微波信号。该微波信号经过放大器2012放大后被传送至耦合器2013(或替换为功分器)，之后输出两路相同的微波信号。两路微波信号分别经放大器2014和放大器2015放大后被从微波信号产生单元201输出，其中，将这两路微波信号可以分别被标记为S_tr(t)和S_tr'(t)。一路微波信号S_tr(t)被传输至发射阵列开关网络301，并通过弧形发射阵列天线101对外辐射该微波信号。另一路微波信号S_tr'(t)被发送至MIMO收发模块2中的功分器202。其中，t为距离向时间变量，且t∈[-T_r/2,T_r/2]，T_r为信号持续时间。

功分器202可以具有一个输入端2021和多个输出端。在本发明中，为了便于阐述清楚的目的，以两个输出端2022和2023为例进行说明。功分器202可以经由所述输入端2021接收所述微波信号S_tr'(t)，并将该微波信号S_tr'(t)分成两路子微波信号S_tr1'(t)和S_tr2'(t)，以及经由所述两个输出端2022和2023来一一对应发送所述两路子微波信号S_tr1'(t)和S_tr2'(t)。

在MIMO收发模块2的接收侧，其可以包括多个接收单元。如上所述，本发明优选地采用一路发射两路接收的收发方式，因此，在一种示例实施方式中，MIMO收发模块2可以包括两个接收单元203和204，每个接收单元用于接收来自一个所选择的接收天线阵元(例如，R₁或R₂)的回波信号。

MIMO收发模块2还可以包括多个处理单元。为了便于阐述清楚的目的，以两个处理单元205和206为例进行说明。如图5所示，每个处理单元可以与所述功分器202的每个输出端一一对应连接(例如，处理单元205与输出端2022连接，处理单元206与输出端2022连接)，以及与每个接收单元一一对应连接(例如，处理单元205与接收单元203连接，处理单元206与接收单元204连接)，用于从对应的接收单元接收所述回波信号，从对应的输出端接收所述子微波信号，以及基于所接收到的子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形成所述数字回波信号。

具体地，所述多个处理单元中的每个处理单元(例如，处理单元205和206)可以包括：混频器(例如，混频器2051和2061)，用于从对应的接收单元接收所述回波信号，从对应的输出端接收所述子微波信号，并基于所接收到的子微波信号对所接收到的回波信号进行下变频处理；滤波器(例如，滤波器2052和2062)和放大器(例如，放大器2053和2063)，分别用于对经下变频处理之后得到的信号进行滤波和放大处理；以及模数转换器(例如，模数转换器2054和2064)，用于对经所述滤波和放大处理之后得到的信号进行模数转换，以形成所述数字回波信号。

例如，控制微波开关网络3使弧线发射阵列天线101中的独立发射天线阵元T_n、弧形接收阵列天线102中的独立接收天线阵元R_n和R_n+1同时导通，发射信号S_tr(t)经独立发射天线阵元T_n辐射，经观测场景21反射回来，由独立接收天线阵元R_n和R_n+1同时接收，经微波开关网络3传输至MIMO收发模块2。MIMO收发模块2中的接收单元203和204分别接收来自独立接收天线阵元R_n和R_n+1的回波信号，经过处理单元205和206中的滤波器2052和2062和放大器2053和2063处理后，得到两路中频信号IF1、IF2，表示为S_re(t,θ＝2(n-1)θ_s)和S_re(t,(2n-1)×θ_s)。经过处理单元205和206中的模数转换器2054和2064进行转换后，得到并输出两路数字回波信号DA1、DA2，表示为 $S_{\mathrm{re}}({n_f}_s,\mathrm{\θ}=2(n-1){\mathrm{\θ}}_s)$ 和 $S_{\mathrm{re}}({n_f}_s,(2n-1)\×{\mathrm{\θ}}_s)$ ，其中，n的初始值为1。表示对中频信号S_re(t,θ＝2(n-1)θ_s)和S_re(t,(2n-1)×θ_s)沿时间t以采样频率f_s进行采样量化后的第个采样点。

令n＝n+1，如果n<N，则重复上述过程。如果n＝N，控制微波开关网络3使弧线发射阵列天线101中的独立发射天线阵元T_N、弧形接收阵列天线102中的独立接收天线阵元R_N导通，发射信号S_tr(t)经独立发射天线阵元T_N辐射，经观测场景21反射回来，由独立接收天线阵元R_N接收，经微波开关网络3传输至MIMO收发模块2。可以由多个接收单元中的一者来接收来回波信号，并经过对应的处理单元中的混频器、滤波器和放大器的处理之后，得到一路中频信号IF1，表示为S_re(t,θ＝2(N-1)×θ_s)。之后，经过模数转换器进行模数转换之后，得到一路数字回波信号DA1，表示为表示对中频信号S_re(t,θ＝2(N-1)×θ_s)沿时间t以采样频率f_s进行采样量化后的第个采样点。此时，就完成了对2N-1个等效采样点的回波信号采样。整个MIMO微波信号收发系统的收发时序控制可以如图6所示。

此外，本发明还提供一种用于MIMO-SAR成像的微波信号收发方法。该方法包括：产生微波信号；从弧形阵列天线中的弧形发射阵列天线中选择要辐射所述微波信号的独立发射天线阵元；由所选择的独立发射天线阵元辐射所述微波信号；从所述弧形阵列天线中的弧形接收阵列天线中选择要接收回波信号的独立接收天线阵元；由所选择的独立接收天线阵元接收所述回波信号；以及对所接收到的回波信号进行处理，以形成数字回波信号。

此外，该微波信号收发方法还可以包括：在产生所述微波信号之后，将该微波信号分成多路子微波信号；以及基于所述子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形成所述数字回波信号。其中，基于所述子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形成所述数字回波信号包括：基于所述子微波信号对所接收到的回波信号进行下变频处理；对经下变频处理之后得到的信号进行滤波和放大处理；以及对经滤波和放大处理之后得到的信号进行模数转换，以形成所述数字回波信号。

所述微波信号收发方法中的各步骤的过程和原理均与上面结合微波信号收发系统描述的相一致，此处便不再赘述。

在完成对2N-1个等效采样点的信号采样之后，即，完成基于弧形阵列天线的微波信号收发过程之后，进入到后续的成像过程。

对此，本发明还提供一种MIMO-SAR成像系统，如图7所示，该MIMO-SAR成像系统可以包括本发明提供的上述微波信号收发系统；以及成像处理器4，用于基于由所述MIMO收发模块2输出的数字回波信号生成图像信息。此外，该成像系统还可以包括显示处理模块5，用于显示所述图像信息。

下面将详细描述本发明提供的、由成像处理器4和显示处理模块5执行的、基于弧形阵列天线的MIMO-SAR成像方法。

图8示出了根据本发明的实施方式的基于弧形阵列天线的MIMO-SAR成像方法的流程图。如图8所示，该方法可以包括：步骤S801，对经由所述弧形阵列天线(例如，弧形阵列天线1)接收到的回波信号进行采样，其中，该回波信号是由所述弧形阵列天线发射的微波信号经过观测场景反射形成的；步骤S802，按照采样角度间隔对所接收到的回波信号进行排列，得到弧形阵列成像数据；步骤S803，对所述弧形阵列成像数据进行距离向逆傅里叶变换(IFT)，得到距离压缩后信号；步骤S804，对所述距离压缩后信号进行去斜及剩余视频相位补偿；步骤S805，对经所述去斜及剩余视频相位补偿之后得到的信号进行距离向傅里叶变换(FT)，得到距离波数域信号；步骤S806，对所述距离波数域信号进行滤波及相干叠加成像处理，得到图像像素值；以及步骤S807，基于所述图像像素值生成图像。

下面详细描述上述每一步骤的具体实现方法。首先，在步骤S801，对经由所述弧形阵列天线接收到的回波信号进行采样，其中，该回波信号是由所述弧形阵列天线发射的微波信号经过观测场景反射形成的。

在上面描述的MIMO微波信号收发系统中，MIMO收发模块2每次输出两个数字回波信号，分别为DA1和DA2。如前面所描述的以及图6所示出的，由于本次接收得到的数字回波信号DA1与DA2之间相差一采样角度间隔，下一次接收得到的数字回波信号DA1与本次接收得到的数字回波信号DA2之间也相差一采样角度间隔，因此，在步骤S802，可以根据所述采样角度间隔对接收到的所有数字信号DA1和DA2进行排列，从而得到弧形阵列成像数据S_{re_arc}(t,θ)：

$S_{\mathrm{re}\_\mathrm{arc}}(t,\mathrm{\&theta;})=\left[\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{re}}(t,\mathrm{\&theta;}=0)\\ S_{\mathrm{re}}(t,\mathrm{\&theta;}={\mathrm{\&theta;}}_s)\\ M\\ S_{\mathrm{re}}(t,\mathrm{\&theta;}=2(N-1){\mathrm{\&theta;}}_s)\end{array}\right]---\left(10\right)$

在得到所述弧形阵列成像数据S_{re_arc}(t,θ)之后，在步骤S803，对该弧形阵列成像数据S_{re_arc}(t,θ)进行距离向逆傅里叶变换，即，对S_{re_arc}(t,θ)沿距离向进行逆傅里叶变换，得到距离压缩后的信号S_{IFT_re_arc}(r,θ)：

S_{IFT_re_arc}(r,θ)＝IFT_t{S_{re_arc}(t,θ)}   (11)

其中，IFT_t表示沿距离向时间变量t进行逆傅里叶变换，r为回波信号起始和终止时刻对应的观测场景距离变量。

之后，在步骤S705，对所述距离压缩后的信号S_{IFT_re_arc}(r,θ)进行去斜及剩余视频相位补偿。可采用如下补偿函数H(r)对S_{IFT_re_arc}(r,θ)进行去斜、剩余视频相位补偿：

其中，K_r为信号调频率，C为电磁波传播速度。

经过去斜及剩余视频相位补偿后得到信号S_{IFT_RVP}(r,θ)：

S_{IFT_RVP}(r,θ)＝S_{IFT_re_arc}(r,θ)×H(r)   (13)

接下来，在步骤S804，对经过去斜及剩余视频相位补偿后得到的信号S_{IFT_RVP}(r,θ)进行距离向傅里叶变换，即，对S_{IFT_RVP}(r,θ)沿距离向进行傅里叶变换，可以获得距离波数域信号S_{FT_RVP}(K_ω,θ)：

$\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{FT}\_\mathrm{RVP}}(K_{\mathrm{\&omega;}},\mathrm{\&theta;})=\mathrm{FT}\left\{S_{\mathrm{IFT}\_\mathrm{RVP}}(r,\mathrm{\&theta;})\right\}\\ =\left.\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{re}\_\mathrm{fre}}(K_{\mathrm{\&omega;}},\mathrm{\&theta;}=0)\\ S_{\mathrm{re}\_\mathrm{fre}}(K_{\mathrm{\&omega;}},\mathrm{\&theta;}={\mathrm{\&theta;}}_s)\\ .\\ .\\ .\\ S_{\mathrm{re}\_\mathrm{fre}}(K_{\mathrm{\&omega;}},\mathrm{\&theta;}=(2N-2){\mathrm{\&theta;}}_s)\end{array}\right]\end{array}---\left(14\right)$

其中，FT表示傅里叶变换，S_{re_fre}(K_ω,θ)为

$\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{re}\_\mathrm{fre}}(K_{\mathrm{\&omega;}},\mathrm{\&theta;})=\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&delta;}}_n(x_n,y_n,z_n)\exp \left\{j2\right[\frac{2\mathrm{\&pi;}(f_c+K_{r}t)}{C}\left]r_n\right\}\\ =\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&delta;}}_n(x_n,y_n,z_n)\exp \left\{j2K_{\mathrm{\&omega;}}{r}_n\right\}\end{array}---\left(15\right)$

其中，K_ω＝2π(f_c+K_rt)/C表示距离向波数域频率，f_c为系统工作频率，r_n为目标P_n到等效采样点P_apc的距离。

接下来，在步骤S806，对所述距离波数域信号进行滤波及相干叠加成像处理，得到图像像素值。该步骤的具体过程如下：

步骤S8061：建立成像坐标空间，对观测场景21对应的图像空间进行离散化。具体地，如图9所示，(θ＝θ_m,R_arc,h₀),m＝1,L,(2N-1)为弧形阵列天线MIMO前视成像等效采样点P_apc的位置坐标，θ为弧形阵列天线角度方向，θ＝θ_m表示第m个等效采样点P_apc的位置坐标的角度坐标，P_n为观测场景21中目标的坐标(θ_n,rr_n,φ_n)，θ_n为目标P_n的方位角，φ_n为目标P_n的俯仰角，rr_n为目标P_n到弧形阵列天线圆心的距离，rr_near为弧形阵列天线1观测近距，rr_far为弧形阵列天线1观测远距，θ_min和θ_max为观测场景21区域对应的最小角度和最大角度，且θ₀＝θ_max-θ_min，θ₀表示弧形阵列天线的孔径角大小；对观测场景21对应的图像进行二维离散化，具体地：：

以Δrr_I和Δθ_I的像素间隔分别沿斜距向和弧形阵列方向对观测场景21区域进行二维离散化，得到二维斜距图像空间I(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)，其中，n_rr＝1,2,L,N_rr，n_θ＝1，2，…，N_θ，N_rr和N_θ分别为沿斜距向和弧形阵列方向离散化后的像素点数，其中，

其中，C为电磁波传播速度，λ_c为弧形阵列MIMO-SAR成像系统及其所包含的弧形阵列天线的工作波长，信号带宽为B_r＝K_rT_r，信号持续时间为T_r，信号调频率为K_r，β_rr和β_θ为加权系数，R₀为弧线阵列天线1的圆弧半径，θ_A为弧形发射阵列天线101和弧形接收阵列天线102独立天线阵元的波束宽度，N_θSynAper表示有效合成孔径所包含的等效采样点P_apc(θ,R_arc,h₀)的数量，Δrr_I和Δθ_I分别为沿斜距向和弧形阵列方向对观测场景21区域的像素间隔。

之后，在步骤S8062：通过对步骤S805得到的距离波数域信号S_{FT_RVP}(K_ω,θ)进行滤波和相干叠加，循环求解图像的每个像素值。

考虑到对观测区域进行二维成像，则选择在入射角平面上进行二维成像处理，也即不考虑观测场景区域中目标的φ_n变化，φ_n为目标P_n的俯仰角，而是将目标投影到固定斜距曲面进行二维成像，相应的斜距曲面选择与Z轴负方向夹角为φ_inc的曲面上；

${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{inc}}=\frac{1}{2}[\arcsin \left(\frac{h_0}{{\mathrm{rr}}_{\mathrm{near}}}\right)+\arcsin \left(\frac{h_0}{{\mathrm{rr}}_{\mathrm{far}}}\right)]---\left(17\right)$

其中，h₀为弧形阵列天线高度，rr_near为弧形阵列天线1观测近距，rr_far为弧形阵列天线1观测远距，φ_inc也表示弧形阵列天线入射角，为一预设常量。

具体地：首先，在步骤S80621：令n_rr＝1，n_θ＝1，其中n_rr和n_θ表示像素计数序号。之后，步骤S80622：计算图像I(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)中第(n_rr,n_θ)像素对应的坐标位置(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)到弧形阵列天线1的等效采样点P_apc(θ,R_arc,h₀)的距离，并根据该距离生成匹配函数H_M(θ,R_arc,h₀；n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)：

$H_M(\mathrm{\&theta;},R_{\mathrm{arc}},h_0;n_{\mathrm{rr}}{\mathrm{\&Delta;rr}}_I,n_{\mathrm{\&theta;}}\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_I)=\exp \{-j2K_{\mathrm{\&omega;}}\sqrt{[X_n^2+Y_n^2+Z_n^2]}\}---\left(18\right)$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{X}_n=R_{\mathrm{arc}}\cos \mathrm{\&theta;}-\left\{\right[{\mathrm{rr}}_{\mathrm{near}}+(n_{\mathrm{rr}}-1){\mathrm{\&Delta;rr}}_I]\\ \&times;\cos [{\mathrm{\&theta;}}_{\min }+(n_{\mathrm{\&theta;}}-1){\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_I]\}{\sin \mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{inc}}\\ Y_n=R_{\mathrm{arc}}\sin \mathrm{\&theta;}-\left\{\right[{\mathrm{rr}}_{\mathrm{near}}+(n_{\mathrm{rr}}-1){\mathrm{\&Delta;rr}}_I]\\ \&times;\sin [{\mathrm{\&theta;}}_{\min }+(n_{\mathrm{\&theta;}}-1)\&times;{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_I]\}{\sin \mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{inc}}\\ Z_n=h_0-[{\mathrm{rr}}_{\mathrm{near}}+(n_{\mathrm{rr}}-1){\mathrm{\&Delta;rr}}_I]{\cos \mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{inc}}\end{array}\right.---\left(19\right)$

其中，X_n、Y_n和Z_n分别表示图像I(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)中第(n_rr,n_θ)像素对应的坐标位置(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)处对应的目标到弧形阵列天线1的等效采样点P_apc(θ,R_arc,h₀)的沿X、Y和Z轴的距离。

之后，步骤S80623：基于所述距离波数域信号和所述匹配函数，确定图像的第(n_rr,n_θ)个像素对应的数值。具体地：

$\begin{array}{c}I(n_{\mathrm{rr}}{\mathrm{\&Delta;rr}}_I,n_{\mathrm{\&theta;}}{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_I)\\ ={\&Integral;}_{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{int}\_\min }}^{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{int}\_\max }}[\&Integral;S_{\mathrm{FT}\_\mathrm{RVP}}(K_{\mathrm{\&omega;}},\mathrm{\&theta;})\&times;H_M(\mathrm{\&theta;},R_{\mathrm{arc}},h_0;n_{\mathrm{rr}}{\mathrm{\&Delta;rr}}_I,n_{\mathrm{\&theta;}}{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_I)d{K}_{\mathrm{\&omega;}}]\mathrm{d\&theta;}\end{array}---\left(20\right)$

其中，θ_{int_min}和θ_{int_max}表示θ的积分区间，θ_{int_min}和θ_{int_max}分别表示积分下限和积分上限，分别对应相对于目标的弧形合成孔径最小采样角度值和最大采样角度值，并且：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{int}\_\min }=\min [{\mathrm{\&theta;}}_{\min }+(n_{\mathrm{\&theta;}}-1-\frac{N_{\mathrm{\&theta;SynAper}}}{2}),{\mathrm{\&theta;}}_{\min }]\\ {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{int}\_\max }=\min [{\mathrm{\&theta;}}_{\min }+(n_{\mathrm{\&theta;}}-1+\frac{N_{\mathrm{\&theta;SynAper}}}{2}),{\mathrm{\&theta;}}_{\max }]\end{array}\right.---\left(21\right)$

之后，步骤S80624：令n_rr加1，若n_rr≤N_rr，并返回至步骤S80622；若n_rr＞N_rr，继续执行步骤S80625；

步骤S80625：令n_θ加1，若n_θ≤N_θ，令n_rr＝1，并返回至步骤S80622；若n_θ＞N_θ，继续执行步骤S707。

最后，在步骤S807：基于所述图像像素值生成图像。具体地，可令I_amp(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)＝|I(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)|，其中，|*|表示取“*”的幅度值，从而生成二维图像I_amp(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)。

上述成像处理过程可以通过成像处理器4完成，该成像处理器4可以为计算机或DSP处理器。可以通过图像显示模块5对二维图像I_amp(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)完成高分辨率微波图像显示，以供用户查看。

由于I_amp(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)包含了观测区域大角度范围场景信息，因此，在本发明的一个优选实施方式中，可以采用等间隔角度、分区域的方式来进行显示。例如，若θ_min＝0rad.＝0°，θ_max＝2πrad.＝360°，其中“rad.”表示弧度，θ_min和θ_max为观测场景区域对应的最小角度和最大角度，则可以按等间隔角度Δθ_dis＝10°、分区域Δθ_seg＝60°显示观测场景的二维图像I_amp(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)，即0°～60°，10°～70°，......，350°～50°。如另一示例，若θ_min＝0rad.＝0°，θ_max＝πrad.＝180°，则按等间隔角度Δθ_dis＝10°、分区域Δθ_seg＝60°显示观测场景的二维图像I_amp(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)，即0°～60°，10°～70°，......，120°～180°，0°～60°。应当理解的是，上述等间隔角度值和分区域值均是示例性的，仅用于说明本发明，而不用于限制本发明。其他等间隔角度值和分区域值也适用于本发明。

可替换地，也可以全部显示观测场景的图像信息，即一次全部显示二维图像I_amp(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)。例如，若θ_min＝0rad.＝0°，θ_max＝2πrad.＝360°，则可以直接显示0°～360°观测场景的二维图像I_amp(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)。如另一示例，若θ_min＝0rad.＝0°，θ_max＝πrad.＝180°，则可以直接显示观测场景的0°～180°二维图像I_amp(n_rrΔrr_I,n_θΔθ_I)。

由此，完成了基于弧形阵列天线信号的MIMO-SAR成像处理及显示过程。

本发明还提供一种基于弧形阵列天线的MIMO-SAR成像装置。该装置可以包括：用于对经由所述弧形阵列天线接收到的回波信号进行采样的模块，其中，该回波信号是由所述弧形阵列天线发射的微波信号经过观测场景反射形成的；用于按照采样角度间隔对所接收到的回波信号进行排列，得到弧形阵列成像数据的模块；用于对所述弧形阵列成像数据进行距离向逆傅里叶变换，得到距离压缩后信号的模块；用于对所述距离压缩后信号进行去斜及剩余视频相位补偿的模块；用于对经所述去斜及剩余视频相位补偿之后得到的信号进行距离向傅里叶变换，得到距离波数域信号的模块；用于对所述距离波数域信号进行滤波及相干叠加成像处理，得到图像像素值的模块；以及用于基于所述图像像素值生成图像的模块。

此外，用于对所述距离波数域信号进行滤波及相干叠加成像处理，得到图像像素值的模块包括：用于建立成像坐标空间，对与所述观测场景对应的图像空间进行离散化的模块；用于确定离散化的图像空间中各个像素对应的坐标位置到所述弧形阵列天线的等效采样点的距离，并根据该距离生成匹配函数的模块；以及用于基于所述距离波数域信号和所述匹配函数来确定所述图像像素值的模块。

此外，该装置包括：用于显示所生成的图像的模块。

综上所述，本发明提供的用于MIMO-SAR成像的弧形阵列天线、用于MIMO-SAR成像的微波信号收发系统及方法、以及MIMO-SAR成像系统、方法和装置，不仅能够保证信号穿透烟、雾、云层和浮尘等物质，不受天气和气候影响，并且，与常规的基于线性阵列天线的成像系统相比，其还具备以下优势：

1、有效避免了常规线性阵列成像观测范围受单个阵元天线的波束宽度问题，能够实现大视场范围成像观测。飞机无需频繁移动和转动就可以对更广范围的区域进行观测，从而保证飞机的飞行安全。

2、采用弧形阵列构型和多发多收构型，其阵列向分辨率不随波束范围增大而降低，能保持相对稳定；

3、采用多发多收构型，平台相对静止时，系统仍然可以实现对平台周围环境、甚至是360°全方位场景进行微波成像感知；

4、能够对飞机周围区域进行实时高分辨率成像，还能为飞机的着陆、侦察、搜救和起飞提供真实的地面信息，增强飞机的导航和运输救援能力。

此外，本发明提供的基于弧形阵列的MIMO-SAR成像方法是一套全新的、有效的能够对弧形阵列天线微波信号进行成像处理的方法，采用该方法可以实现高精度的微波成像，能够为观测人员提供更加广阔、准确、真实的观测信息。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (11)

1.一种用于MIMO-SAR成像的微波信号收发系统，其特征在于，该系统包括：

MIMO收发模块，用于产生并发送微波信号；

弧形阵列天线，包括用于辐射微波信号的弧形发射阵列天线和用于接收回波信号的弧形接收阵列天线；

微波开关网络，用于从所述MIMO收发模块接收所述微波信号，从所述弧形发射阵列天线中选择要辐射所述微波信号的独立发射天线阵元，并将该微波信号发送至所选择的独立发射天线阵元，以由该独立发射天线阵元辐射所述微波信号；

所述微波开关网络还用于从所述弧形接收阵列天线中选择要接收回波信号的独立接收天线阵元，并接收来自所选择的独立接收天线阵元的回波信号，以及将该回波信号传送至所述MIMO收发模块；以及

所述MIMO收发模块还用于接收所述回波信号，并对该回波信号进行处理，以形成数字回波信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述弧形发射阵列天线中的每个独立发射天线阵元沿弧形延伸方向排列；所述弧形接收阵列天线中的每个独立接收天线阵元沿弧形延伸方向排列；以及所述弧形接收阵列天线与所述弧形发射阵列天线上下相邻或内外相邻，并且所述每个独立接收天线阵元与所述每个独立发射天线阵元依次交错。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所选择的接收天线阵元为与所选择的发射天线阵元相邻交错的接收天线阵元。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述MIMO收发模块包括：

微波信号产生单元，用于产生所述微波信号，并向所述微波开关网络和功分器发送所述微波信号；

所述功分器，该功分器具有一个输入端和多个输出端，用于经由所述输入端接收所述微波信号，并将该微波信号分成多路子微波信号，以及经由所述多个输出端来一一对应发送所述多路子微波信号；

多个接收单元，每个接收单元用于接收来自一个所选择的接收天线阵元的回波信号；以及

多个处理单元，每个处理单元与所述功分器的每个输出端一一对应连接，以及与每个接收单元一一对应连接，用于从对应的接收单元接收所述回波信号，从对应的输出端接收所述子微波信号，以及基于所接收到的子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形成所述数字回波信号。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述多个处理单元中的每个处理单元包括：

混频器，用于从对应的接收单元接收所述回波信号，从对应的输出端接收所述子微波信号，并基于所接收到的子微波信号对所接收到的回波信号进行下变频处理；

滤波器和放大器，分别用于对经下变频处理之后得到的信号进行滤波和放大处理；以及

模数转换器，用于对经所述滤波和放大处理之后得到的信号进行模数转换，以形成所述数字回波信号。

6.一种MIMO-SAR成像系统，其特征在于，该成像系统包括：

根据权利要求1-5中任一权利要求所述的微波信号收发系统；

成像处理器，用于基于由所述MIMO收发模块输出的所述数字回波信号生成图像信息；以及

显示处理模块，用于显示所述图像信息。

7.一种用于MIMO-SAR成像的微波信号收发方法，其特征在于，该方法包括：

产生微波信号；

从弧形阵列天线中的弧形发射阵列天线中选择要辐射所述微波信号的独立发射天线阵元；

由所选择的独立发射天线阵元辐射所述微波信号；

从所述弧形阵列天线中的弧形接收阵列天线中选择要接收回波信号的独立接收天线阵元；

由所选择的独立接收天线阵元接收所述回波信号；以及

对所接收到的回波信号进行处理，以形成数字回波信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述弧形发射阵列天线中的每个独立发射天线阵元沿弧形延伸方向排列；所述弧形接收阵列天线中的每个独立接收天线阵元沿弧形延伸方向排列；以及所述弧形接收阵列天线与所述弧形发射阵列天线上下相邻或内外相邻，并且所述每个独立接收天线阵元与所述每个独立发射天线阵元依次交错。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所选择的接收天线阵元为与所选择的发射天线阵元相邻交错的接收天线阵元。

10.根据权利要求7-9中任一权利要求所述的方法，其特征在于，该方法还包括：在产生所述微波信号之后，将该微波信号分成多路子微波信号；以及

基于所述子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形成所述数字回波信号。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，基于所述子微波信号对所接收到的回波信号进行处理，以形成所述数字回波信号包括：

基于所述子微波信号对所接收到的回波信号进行下变频处理；

对经下变频处理之后得到的信号进行滤波和放大处理；以及

对经滤波和放大处理之后得到的信号进行模数转换，以形成所述数字回波信号。