CN104614726A - 一种阵列可伸缩式便携mimo-sar测量雷达系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列可伸缩式便携MIMO-SAR测量雷达系统及其成像方法，该系统包括可伸缩式MIMO天线阵列、雷达发射/接收机、控制与处理计算机、可升降天线架等，本发明在满足低可探测目标使用维护过程中散射特性现场诊断测量方面的优点在于：(1)可实现对低可探测目标散射异常部位的快速检测、定位和成像诊断：与直线导轨SAR的机械扫描成像不同，MIMO-SAR只需通过一次或两次“快拍”电扫描成像，即可完成被测目标高分辨力二维成像；(2)降低了对目标测试现场环境的要求：无需在目标测试现场安装精密机械扫描测量的导轨，大大降低了成像诊断测量操作过程中对现场测试环境的要求；(3)天线阵列可伸缩，易于实现测量雷达系统的小型化、快速收展和便携性。

Description

一种阵列可伸缩式便携MIMO-SAR测量雷达系统及其成像方法

技术领域

本发明涉及通信及合成孔径成像雷达的技术领域，具体涉及一种阵列可伸缩式便携MIMO-SAR测量雷达系统及其成像方法。

背景技术

现有用于低可探测目标电磁散射诊断的成像测量雷达主要包括采用转台旋转目标测量的逆合成孔径雷达(ISAR)和采用直线导轨机械扫描测量的合成孔径雷达(SAR)成像系统。对于真实低可探测目标的散射特性诊断测量，ISAR成像需要构建专用的目标转台和支撑系统，通过转台的机械旋转合成成像孔径，实现对目标的方位高分辨力成像测量[参见文献1-3]；直线导轨扫描SAR成像则需要构建一段足够长的精密导轨，目标固定放置于雷达视线前方，雷达则沿导轨作机械扫描以合成直线孔径，从而实现对被测目标的方位高分辨力成像[参见文献4]。

由于转台ISAR成像设备需要建立复杂、精密且庞大的大型目标转台，先进国家已装备用于低可探测目标使用现场目标散射诊断成像的测量雷达均采用导轨扫描SAR体制。此外，由于需要做机械旋转或扫描，上述两种测量体制的雷达对真实目标进行高分辨力诊断成像时都需要耗费很长的扫描测量时间，实时性差，且全套测量装备比较庞大，难以实现小型化，便携性差。尽管采用多输入多输出合成孔径雷达(MIMO-SAR)进行测量的技术也已提出[参见文献5]，但现有方案没有解决阵列尺寸同测量横向分辨力之间的矛盾。

与本发明相关的现有技术分析如下：

现有技术一：采用金属低散射支架的静态测试场转台目标ISAR成像雷达

在低可探测目标设计和研制阶段，主要在室内紧缩场和室外全尺寸目标静态测试场，将目标安装在低散射金属支架上，通过转台旋转实现对目标的ISAR高分辨力诊断成像。

以美国为例，所拥有的室内外测试场主要包括空军的先进室内紧缩场、RATSCAT和RAMS测试外场等，陆军阿伯丁实验中心、ERADS紧缩场等，海军大西洋测试靶场、雷达反射实验室、水面作战中心测试场，NASA的兰利研究中心紧缩场、埃姆斯-德莱登研究中心测试场，工业界和相关研究机构包括洛-马公司的Helendale室外RCS测试场、通用原子能公司Gray Butte室外RCS测试场、诺-格公司Tejon室外RCS测试场、以及桑迪亚国家实验室的倒V形测试外场等。欧洲和其他一些国家也建有先进的室内和室外测试场，如法国的CELAR测试场、德国EADS的紧缩场和室外静态测试场、英国泰利斯公司RCS测试场、南非国防研究院的静态测试场等。图1示出了美国空军国立散射测试场RATSCAT场多个场区之一的场景图。

采用地平场设计和低散射金属目标支架是国内外先进测试外场最重要的两大特点，其中采用地平场也是外场不同于大多数室内场(自由空间场)之最显著区别所在。采用地平场设计的RCS测试外场除了需要铺覆具有良好反射系数的主反射区和消除任何严重杂波影响的清扫区外，还需根据不同测试波段，调整雷达天线和目标高度等几何关系和系统参数，从而利用测试场主反射区地面的多径反射来提高测量过程中的接收信噪比。

现有技术一的缺点：此类测试场的背景电平得到良好设计和精准控制，具有较高的RCS和高分辨力成像诊断测量精度，但由于需要将被测目标安装在低散射金属目标支架上，如图2所示，它要求在被测目标上预留目标转台安装孔位，会在一定程度上破环目标的固有结构，因此仅适用于目标模型或原型机测量，不能用于低可探测目标生产阶段的出厂验收和目标作战使用过程中的维护测量。

现有技术二：转台目标近场测量ISAR成像

在低可探测目标生产和出厂验收阶段，其RCS诊断成像测量一般采用转台目标近场测量技术。图3示出了美国洛-马公司生产的F-35隐身飞机出厂验收阶段的近场RCS诊断成像测试设施，该设施的特殊要求包括：大的静区、能够在生产环境快速可靠地完成全尺寸飞机测试。每一架F-35飞机都必须进行全尺寸RCS成像诊断测量，以验证其隐身特性满足设计要求。洛-马公司在F-35飞机的总装地在德克萨斯州福特沃斯，建设了一个专用的室内RCS验收测试设施(Acceptance Test Facility，ATF)来执行交付客户前的对飞机隐身性能的最后测试。

测试中F-35飞机的鼻锥将通过特殊的绳索悬挂在天花板上，飞机的尾部架设在巨大的28英尺高塔架上，塔架下的大型转台直径为47英尺。转台的转动要求非常精确，没有任何摇晃以及任何类型的间歇振动，即使在开始和停止转动时也非常平稳。两个驱动装置一推一拉同步工作，使转台进行精密的平缓旋转，带动F-35飞机在360°全方位范围内转动，同时固定的雷达系统对数千个事先确定的数据点进行测量。验收测试设施可以在不到一天的时间内完成单架F-35飞机的全部测试和数据处理流程，所有三种类型的F-35飞机的出厂验收均架设在该塔台上进行360°旋转测试。

现有技术二的缺点：测试设施庞大而精密，因此仅适用于生产厂家出厂验收验证使用，不能用于低可探测目标在部队作战使用过程中的维护测量诊断。

现有技术三：直线导轨扫描SAR成像

在低可探测目标训练、作战使用和维护阶段，其低散射特性的维护检查、维修、验证和确认一般依据问题的严重程度采取不同的验证措施。若目标返厂大修后，其整机低散射确认验证可归类于与出厂验收相同的测试类别，因此可以采用图3所示的专用RCS验收测试设施。而对于低可探测目标使用维护现场的诊断测量，一般采用直线导轨扫描SAR成像。

图4示出了作战使用现场环境条件下，美国空军对F117A飞机低散射特性验证确认的诊断成像雷达测试方案。F117A飞机的测试在机场开阔环境条件、距离雷达21m且飞机起落架处于放下状态并采用特制护套遮挡时完成散射诊断成像测试，其成像扫描架轨道长7.2m,全套测量装备可装载于一个1.8m×1.8m×4.5m的方舱中，系统布展时间小于24小时。

除了以上系统，已知的还包括STAR DYNAMICS公司的BlueMax G6车载扫描成像系统，如图5所示，其测量原理同样为直线扫描SAR成像，只不过导轨安装在载车一侧而已。

现有技术三的缺点：事实上，迄今为止，所有资料报道的用于作战使用现场的目标RCS诊断成像测量的雷达均采用了目标放置在固定位置、测量雷达则通过导轨作直线扫描完成对目标的高分辨力SAR成像。但是，直线SAR成像需要构建一段足够长的精密导轨，目标固定放置于雷达视线前方，雷达则沿导轨作机械扫描以合成直线孔径。由于需要做机械扫描，导轨SAR成像测量体制的雷达装备具有以下固有缺陷：

(1)实时性差：对真实目标进行高分辨力诊断成像时需要耗费很长的时间(例如，若目标尺寸20m,成像分辨力10cm,则最少需要做201次扫描，测量时间至少需要1～2小时)，难以实现快速诊断成像测量；

(2)对测试现场环境要求高：为了获得高的横向距离分辨力，要求线性扫描导轨足够长且机械扫描精度足够高，对现场测试场地提出了较高的要求；

(3)便携性差：全套测量装备比较庞大，难以实现小型化，便携性差。

现有技术四：MIMO-SAR成像技术[参见文献5]

MIMO雷达将通信理论中的多输入多输出(MIMO)技术与现代雷达中的数字波束形成(DBF)等技术相结合，是近十年来出现的一种新体制雷达技术。法国CEA公司的研究人员于2010年在天线测量技术协会年会上首次披露了一个用于近场成像测量的MIMO-SAR成像原理试验系统，其采用14个喇叭天线构成的MIMO雷达，实现了对金属圆柱体的高分辨力二维成像，该试验雷达工作在3-5GHz频段。图6示出了试验过程中MIMO对小金属圆柱的测量场景。该系统也是迄今已知的唯一用于近场目标散射成像测量的试验系统，但该系统仅给出了对尺寸小于1m的目标区测量与成像结果，没有演示对大型目标的近场诊断成像测量能力。

现有技术四的缺点：现有已提出的MIMO-SAR技术没有解决雷达系统便携性和高分辨力成像诊断测量之间的兼容性问题--如果要求分辨力高，则MIMO-SAR的天线阵列要长、尺寸大；如果要求便携，则天线阵列不能太长，此时成像测量分辨力低。

本发明参考文献如下：

[1]www.thehowlandcompany.com/radar_stealth/RCS-ranges.htm,2014.

[2]陈晓盼，林刚，李柱贞，陶国强，“美国军方和宇航局RCS测试场技术与性能分析，”《国外目标与环境特性管理与技术参考》，No.4，2010。

[3]李柱贞，陈晓盼，林刚，陶国强，“欧洲和其他国家的重要RCS测试场技术与性能分析，”《国外目标与环境特性管理与技术参考》，No.6，2010。

[4]T.P.Benson,E.V.Sager,"Diagnostic imaging radar system for the F-117A stealthfighter,"Proc.of the 18th Antenna Measurement Techniques Association Symposium,1996.

[5]P.Massaloux,P.Berisset,"Study of a near field RCS imaging system based on a MIMOarray,"Proc.of the 32th Antenna Measurement Techniques Association Symposium,2010.

发明内容

本发明所要解决的技术问题为：本发明基于单双站散射等效原理和多输入多输出(MIMO)技术，提出一种天线阵列可伸缩的虚拟孔径合成新体制成像测量雷达(MIMO-SAR)，可用于低可探测目标使用维护现场高分辨力散射诊断和RCS评估，该系统主要由可伸缩MIMO天线阵列、雷达发射/接收机、控制与处理计算机、可升降天线架等组成。本发明所提出的MIMO-SAR新体制成像测量雷达，同先进国家已装备的导轨机械扫描直线SAR或转台ISAR成像测量系统相比，在满足低可探测目标使用维护过程中散射特性现场诊断测量和低散射性能确认方面具有极为显著的技术优势，主要包括：(1)可实现对低可探测目标散射异常部位的快速检测、定位和成像诊断：与直线导轨SAR的机械扫描成像不同，MIMO-SAR只需通过一次或两次“快拍”电扫描成像，即可完成被测目标散射特性的二维(2-D)高分辨力成像，大大减小了成像诊断测量时间，提高了目标散射诊断成像的时效性；(2)降低了对目标测试现场环境的要求：由于无需在目标测试现场安装能够承载成像测量雷达、完成精密机械扫描测量的一整套直线扫描导轨，从而大大降低了成像诊断测量操作过程中对现场测试环境的要求；(3)易于实现测量雷达系统的小型化、快速收展和便携性。

本发明采用的技术方案为：

一种阵列可伸缩式便携MIMO-SAR测量雷达系统，其特征在于：该系统包括可伸缩式MIMO天线阵列、雷达发射机/接收机、控制与处理计算机、全站仪、以及天线架；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，各部分功能如下：

可伸缩式MIMO天线阵列：包括发射天线阵元、接收天线阵元、微波开关矩阵、天线安装导轨及其伸缩控制机构；通过微波开关矩阵的控制，完成各发射/接收天线阵元组合对雷达射频信号的发射和接收；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，这种线阵组合可以最大程度地减轻对发射系统和接收系统的设计复杂性，同时保证合成虚拟阵列最长、栅瓣远离目标区；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；

频率综合器：生成频率步进脉冲射频信号，为发射机功率放大器和接收机混频器提供本振信号源；也可采用宽带线性调频波形替代频率步进波形；

发射机：对频率步进脉冲信号进行功率放大并通过发射控制微波开关组合馈给发射天线阵元；

接收机：由高频接收前端和中频接收机组成，其中高频接收前端紧靠MIMO天线阵列放置，对接收天线阵列的信号进行低噪声放大、混频后，中频接收信号馈给中频接收机，完成中频放大和I/Q正交通道接收；

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

控制与处理计算机：完成MIMO-SAR雷达系统的MIMO天线阵列、发射、接收、信号采集等控制，完成测量数据的标定、成像和RCS反演处理；

全站仪：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；

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。

本发明还提供一种阵列可伸缩式便携MIMO-SAR测量雷达的成像方法，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、信号采集等控制，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可以舍弃，或者也可以在第二次“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'，

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

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

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

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：

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

其中，A＝2M(2N+1)为观测通道的个数，即虚拟阵元的总个数。

本发明技术方案带来的有益效果为：

本发明所提出的基于目标单双站散射等效原理和多输入多输出(MIMO)技术、用于低可探测目标使用维护现场散射特性高分辨力诊断和RCS评估的新体制成像测量雷达(MIMO-SAR)，同先进国家已装备的导轨机械扫描SAR或转台ISAR成像测量系统相比，在满足低可探测目标使用维护过程中散射异常部位的快速检测与定位、测量与处理的时效性、以及装备的小型化、快速收展和便携性等方面具有显著技术优势，其主要技术优势包括：

(1)可实现目标散射特性二维(2-D)高分辨力“快拍”成像：采用一对发射天线和一组接收天线构成稀疏天线阵列，通过收发开关矩阵对发射和接收天线组合的电控切换完成对目标的多输入多输出宽带扫频测量；基于单双站散射等效原理，采用虚拟合成孔径处理技术实现对被测目标的方位高分辨。因此，无需机械扫描即可实现目标2-D高分辨力“快拍”成像，可极大地提高目标散射诊断成像测量的效率；

(2)可兼顾目标局部部件与目标整机散射特性高分辨力诊断成像需求：采用可伸缩式MIMO天线阵列，通过天线阵列的一次机械伸缩组合，即可实现虚拟合成孔径尺寸的倍增。实际使用中，对于低可探测目标局部部件散射诊断的近距离成像，MIMO天线阵列无需伸缩，只需对目标局部部件做一次“快拍”测量即可实现高分辨力成像；对于稍远距离的目标整机RCS诊断，通过MIMO天线阵伸、缩状态下的两次“快拍”组合，即可实现较远距离上对目标全照射条件下的整机高分辨力成像。因此，可同时满足目标局部部件和目标整机高分辨力诊断成像测量的技术需求；

(3)易于满足飞行器使用维护现场对目标隐身性能快速诊断成像测量的作战使用需求：由于MIMO-SAR诊断成像测量雷达无需作方位向机械移动扫描测量、也不需要大型目标转台，而是采用伸缩式MIMO收发线阵，易于实现测量雷达装备的小型化，不但降低了对测试场地的要求，也大大提高了测量系统的便携性能和快速收展特性，易于满足部队在低可探测目标使用维护现场(例如：机场、机库和航母舰载机现场等)对低可探测目标散射特性快速诊断成像测量和低RCS特性评估与确认等作战使用需求。

附图说明

图1为美国空军国立散射测试场RATSCAT场区示意图；

图2为采用低散射金属支架的室内和室外RCS测试场目标安装方式；

图3为F-35飞机出厂验收阶段的室内RCS诊断测试设施；其中，(a)为目标吊挂；(b)为大型转台系统；(c)为测试设施建筑结构；

图4为隐身飞机作战使用过程中现场环境条件下低散射特性维护与测试验证，其中，(a)为测量布局图；(b)为目标架设图，(c)为扫描成像雷达系统；

图5为BluMax G6车载扫描成像测量系统；

图6为MIMO-SAR原理试验系统测量场景；

图7为MIMO-SAR诊断成像测量雷达系统组成示意图，其中，1-发射天线阵元；2-接收天线阵元；3-MIMO天线阵列；4-可升降天线架；5-高频组合；6-全站仪；7-发射机和接收机组合；8-控制与处理器组合；

图8为可伸缩式MIMO-SAR线阵两次“快拍”成像测量示意图，其中，(a)为第一次“快拍”测量(b)为第二次“快拍”测量；

图9为单双站散射等效原理示意图；

图10为MIMO-SAR成像测量几何关系和等效虚拟合成阵元示意图；

图11为步进频率脉冲信号。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

本发明提出采用可伸缩式MIMO天线阵列，通过两次(或多次)“快拍”测量以便合成更长的虚拟孔径，由此解决天线阵列尺寸大和提高成像测量横向距离分辨力之间的矛盾。具体技术方案如下：

1)阵列可伸缩MIMO-SAR测量雷达系统构成

本发明所提出的阵列可伸缩便携式MIMO-SAR成像测量雷达主要由可伸缩MIMO天线阵列、雷达发射机/接收机(包括频率综合器、发射机、接收机、数据采集单元等)、控制与处理计算机、全站仪、以及天线架等部分组成，如图7所示。各部分功能如下。

可伸缩MIMO天线阵列：由发射天线阵元、接收天线阵元、微波开关矩阵、天线安装导轨及其控制机构等组成。通过微波开关矩阵的控制，完成各发射/接收天线阵元组合对雷达射频信号的发射和接收。其中发射天线由2M个喇叭天线组成，位于线阵的两端；接收天线一般可由2N+1个小型喇叭天线组成，均匀分布于两组发射天线之间，这种线阵组合可以最大程度地减轻对发射系统和接收系统的设计复杂性，同时保证合成虚拟阵列最长、栅瓣远离目标区。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的伸缩，以便在导轨伸展条件下形成更长的虚拟合成孔径，提高较远距离整机诊断成像测量时的横向分辨力。

频率综合器：生成频率步进脉冲射频信号，为发射机功率放大器和接收机混频器提供本振信号源。也可采用宽带线性调频波形替代频率步进波形。

发射机：对频率步进脉冲信号进行功率放大并通过发射控制微波开关组合馈给发射天线阵元。

接收机：由高频接收前端和中频接收机组成，其中高频接收前端紧靠MIMO天线阵列放置，对接收天线阵列的信号进行低噪声放大、混频后，中频接收信号馈给中频接收机，完成中频放大和I/Q正交通道接收。

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

控制与处理计算机：完成MIMO-SAR雷达系统的MIMO天线阵列、发射、接收、信号采集等控制，完成测量数据的标定、成像和RCS反演等处理。

全站仪：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。

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。

2)可伸缩式MIMO-SAR天线阵设计

根据雷达成像理论可知，采用线天线阵列的MIMO-SAR对目标散射诊断成像测量的径向距离分辨力ρ_range为：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{range}}=\frac{c}{2B}---\left(1\right)$

横向距离分辨力ρ_cross为：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cross}}=\frac{\mathrm{\λR}}{2L}---\left(2\right)$

式(1)和(2)中B为雷达发射信号带宽，c为传播速度，λ为雷达中心波长，R为雷达到目标散射中心的距离，L为通过MIMO-SAR线阵列所合成的虚拟孔径的长度。

为了提高横向距离分辨力，需要增大L，也即增加虚拟孔径的长度，而这要求增加实际收发天线阵列长度。然而，实际天线阵列长度增加影响了系统的便携性。为解决这一矛盾，本发明提出通过MIMO天线阵列可伸缩设计、并采用两次(或多次)“快拍”成像测量和联合成像处理，达到既提高MIMO-SAR测量成像横向距离分辨力又不影响系统便携性。具体方法和步骤是：

步骤-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，具体布阵如图8(a)所示。假设天线阵总长L，左、右两侧可伸缩部分的长度为L₁且一次伸展出去的长度为L₂，如图8(b)所示；

步骤-2：第一次“快拍”成像测量时，线阵处于缩进状态，如图8(a)所示，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)个有效虚拟阵元，这些虚拟阵元分布在(-L/2,L/2)之间，合成的虚拟孔径长度为L≈2L₁；

步骤-3：第二次“快拍”成像测量时，将两侧可伸缩天线阵分别向左右伸展开，如图8(b)所示，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)个有效虚拟阵元，这些虚拟阵元分布在(-L₁-L₂,L₁+L₂)之间；

步骤-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，成像处理中部分位置重合的虚拟阵元数据可以舍弃。这样，最终用于成像处理的有效虚拟阵元分布于(-L₁-L₂,L₁+L₂)范围内，虚拟孔径的总长度为L₀≈2L₁+2L₂＝L+2L₂；

步骤-5：通过MIMO-SAR天线阵列的伸缩和两次“快拍”组合的有效测量数据联合成像处理，由于总的合成虚拟孔径长度由2L₁增加到2L₁+2L₂，故采用可伸缩MIMO-SAR天线阵列后，成像的距离分辨力不变，横向分辨力由提高至提高了倍。

由此可见，通过可伸缩式MIMO-SAR线阵设计和两次(或多次)“快拍”成像测量，较好地解决了MIMO-SAR测量雷达便携性和目标诊断成像横向距离分辨力之间的矛盾。

3)MIMO天线阵列合成虚拟孔径原理

通过可伸缩MIMO天线阵列合成虚拟孔径是基于目标单双站散射等效原理和MIMO线天线阵列多发多收组合测量而形成的。

a.目标单双站散射等效原理

如图9所示，根据单双站散射等效定理，目标单站RCS与双站RCS之间具有以下近似关系：

${\mathrm{\σ}}_B(\mathrm{\θ}=\mathrm{\β},f)={\mathrm{\σ}}_M(\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\β}}{2},f\·\cos \frac{\mathrm{\β}}{2})---\left(3\right)$

式中，σ_B,σ_M分别表示双站和单站RCS，β为双站角，θ为雷达接收机指向角，f为雷达频率。

当目标由一系列离散的散射中心组成时，目标总的RCS可以表示为：

$\mathrm{\σ}={\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{{\mathrm{\σ}}_m}\exp (-j{\mathrm{\φ}}_m)\right|}^2---\left(4\right)$

式中，σ为目标总的RCS，M为目标上散射中心个数，为第m个散射中心的复RCS(包含散射幅度和自身相位)，φ_m为第m个散射中心在目标上相对于参考中心O′的位置所产生的相位，可以表示为：

${\mathrm{\φ}}_m=\frac{{4\mathrm{\πr}}_m}{c}f\cos \frac{\mathrm{\β}}{2}+{\mathrm{\ξ}}_m---\left(5\right)$

式中，c为电波传播速度，r_m为第m个散射中心到参考中心距离投影到双站角平分线上的距离；ξ_m为第m个散射中心的剩余相位(例如，由行波、爬行波等附加程差引起的相位)。

将式(5)代入式(3)，有：

$\mathrm{\σ}={\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{{\mathrm{\σ}}_m}\exp \right\{-j\frac{4\mathrm{\π}{r}_m}{c}f\cos \frac{\mathrm{\β}}{2}+{\mathrm{\ξ}}_m\left\}\right|}^2---\left(6\right)$

上述公式表明：如果目标RCS可以由一组离散的散射中心的RCS来表征，且各散射中心的幅度、位置和剩余相位在所感兴趣的双站角范围内对于测量双站角不敏感，则目标的双站RCS等于沿着双站角平分线、并以较低的频率作单站测量时的RCS。

为了对单双站等效带来的影响有个直观认识，举例计算如下：在MIMO-SAR雷达成像测量中，若目标位于30m距离处，MIMO天线阵列长1.8m,则对应的最大双站角β_max＝3.44°，此时若MIMO-SAR雷达的真实频率为10GHz,在波数空间，其等效为单站测量的频率则为9.982GHz。可见，就目标RCS频率特性而言，上述单双站等效测量带来的频率差异是很小的，不会对目标RCS高分辨力成像诊断测量结果带来实质性影响。

目标单双站散射等效原理是MIMO-SAR成像新体制测量雷达具有可行性并得以实现的重要物理基础。

b.MIMO-SAR天线阵列合成等效虚拟孔径

如图10所示，若MIMO-SAR天线阵列由2M个发射阵元和2N+1个接收阵元组成，则经过收发组合，其可等效为2M×(2N+1)个单发单收的虚拟阵列。因此，在分析中可以采用等效虚拟阵列的概念。下面分析MIMO天线阵列如何等效为虚拟天线阵列。

在图10中，设线阵所在坐标系为OUV坐标系(雷达坐标系)，目标所在坐标系为O'XY(本体坐标系)。MIMO-SAR雷达系统共有2M个发射阵元，用倒三角形表示，第m个发射阵元的坐标为(x_Tm,0)；共有2N+1个接收阵元，用圆形表示，第n个接收阵元坐标为(x_Rn,0)。R₀为目标参考中心O'到雷达坐标系原点O的参考距离；合成的虚拟阵元用虚线圆圈表示；目标体上任意一点在本体坐标系中的坐标为(x,y)。

第m个发射阵元到目标散射点σ(x,y)的距离为第n个接收阵元到点σ(x,y)的距离为现分析近场测量条件下的虚拟阵元分布情况。

在近场测量条件下，雷达天线发射的电磁波波前为球面波，目标的散射波也是球面波。对R_Tm和R_Rn的表达式进行泰勒展开，令y'＝y+R₀，展开式如下：

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{Tm}}=\sqrt{{(x-x_{\mathrm{Tm}})}^2+y^{\′2}}\\ =y^{\′}\{1+\frac{1}{2}{\left(\frac{x-x_{\mathrm{Tm}}}{y^{\′}}\right)}^2-\frac{3}{192}{\left(\frac{x-x_{\mathrm{Tm}}}{y^{\′}}\right)}^4+O\left(\frac{x-x_{\mathrm{Tm}}}{y^{\′}}\right)\}\end{array}---\left(7\right)$

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{Rn}}=\sqrt{{(x-x_{\mathrm{Rn}})}^2+y^{\′2}}\\ =y^{\′}\{1+\frac{1}{2}{\left(\frac{x-x_{\mathrm{Rn}}}{y^{\′}}\right)}^2-\frac{3}{192}{\left(\frac{x-x_{\mathrm{Rn}}}{y^{\′}}\right)}^4+O\left(\frac{x-x_{\mathrm{Rn}}}{y^{\′}}\right)\}\end{array}---\left(8\right)$

为了分析泰勒展开带来的误差，举例计算如下：在图10所示的测量几何关系中，若雷达对整机尺寸为20m×20m的目标区域成像，假定所取参数为径向距离范围y'∈(30m,50m)，横向距离范围x∈(-10m,10m)，发射天线阵元横向距离坐标x_Tm∈(-1.6m,1.6m)，接收天线阵元横向距离坐标x_Rn∈(-1.6m,1.6m)。计算可知：泰勒展开式(7)和式(8)的右边第三项的最大取值约为0.35mm，这一位置误差同雷达分辨单元尺寸以及雷达波长相比均很小，故第三项及后面的高阶小项可以忽略不计。由此，双程的路程可以近似表示为：

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{mn}}=R_{\mathrm{Tm}}+R_{\mathrm{Rn}}\≈2[y^{\′}+\frac{1}{2y^{\′}}{(x-\frac{x_{\mathrm{Tm}}+x_{\mathrm{Rn}}}{2})}^2]+\frac{{(x_{\mathrm{Tm}}-x_{\mathrm{Rn}})}^2}{4y^{\′}}\\ =2\sqrt{y^{\′2}+{(x-\frac{x_{\mathrm{Tm}}+x_{\mathrm{Rn}}}{2})}^2}+\frac{{(x_{\mathrm{Tm}}-x_{\mathrm{Rn}})}^2}{4y^{\′}}\end{array}---\left(9\right)$

从式(9)可以看出，发射单元x_Tm到散射中心σ(x,y)再到接收单元x_Rn的距离近似等于在(x_Tm+x_Rn)/2位置处的单发单收阵元的双程传输距离，此即等效虚拟阵元的位置。

此时，存在距离误差Δr＝(x_Tm-x_Rn)²/4y'，在图10所示测量系统中，此误差的最大值约为5.6cm。在采用等效虚拟阵元进行聚焦成像处理时必须对由该误差造成的相位误差进行补偿。例如，当采用滤波逆投影算法(Filtered Back-Projection,FBP)完成成像处理时，算法本身可以对这些误差项自动进行相位补偿处理。如果只是进行合成虚拟阵列分辨特性的定性分析，则可暂时忽略该误差项的影响，从而可以直接采用等效虚拟阵元的方法进行分析。

因此，如果发射阵元、接收阵元之间间距均很小(一般在cm量级)，而总的线阵长度L很大(一般在m量级)，则合成的等效虚拟阵元长度近似等于实际线阵长度L。若实际MIMO天线阵多次伸展测量，则最终可以形成更长的合成虚拟孔径。

4)MIMO-SAR近场双站成像目标回波测量和数据录取

a.发射波形设计

径向距离分辨力的提高有赖于足够的发射信号带宽。由于步进频率信号可以提供大的合成带宽，从而可以提高距离向分辨力，且其发射与接收瞬时带宽窄，从而降低了发射机与接收机的设计复杂性、提高了接收信噪比。因此，在MIMO-SAR测量雷达中可采用如图11所示的步进频率脉冲信号作为发射波形。也可采用宽带线性调频脉冲波形，或者任何其他宽带波形，此处仅以频率步进波形为例。频率步进发射信号可以表示为：

$S_{T1}\left(t\right)=\underset{i}{\overset{I-1}{\mathrm{\Σ}}}u(t-i*\mathrm{Tr})e^{j2\mathrm{\π}{f}_{i}t}---\left(10\right)$

式中，f_i＝f₀+iΔf,i＝0,1,2,…,N-1；I代表脉冲个数，Δf代表步进频率间隔，f₀代表载波频率，Tr代表脉冲重复周期，

$u\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& 0\&le;t\&le;t_p\\ 0& t_p<t<\mathrm{Tr}\end{array}\right.---\left(11\right)$

频率步进雷达的合成带宽为B＝(N-1)Δf，它决定了雷达的径向距离分辨力。

b.MIMO-SAR回波信号模型和成像原理

根据图10所示的MIMO-SAR成像测量系统几何关系对目标进行测量。具体测量过程可参见前述讨论的采用可伸缩天线阵列和两次“快拍”成像测量的步骤-1至步骤-5。下面重点讨论信号模型和成像原理。

若发射信号采用步进频率信号，则第m个发射阵元发射的信号表达式为：

$S_{\mathrm{Tm}}\left(t\right)=\underset{i}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}u(t-i*\mathrm{Tr})e^{j2\mathrm{\&pi;}{f}_{i}t}---\left(12\right)$

该信号的传播路径为R_Tm→σ(x,y)→R_Rn→接收阵元X_Rn，总的传播时延为：

$\mathrm{\&tau;}=\frac{R_{\mathrm{Tm}}+R_{\mathrm{Rn}}}{c}---\left(13\right)$

其中， $R_{\mathrm{Tm}}=\sqrt{{(x-x_{\mathrm{Tm}})}^2+{(y+R_0)}^2},R_{\mathrm{Rn}}=\sqrt{{(x-x_{\mathrm{Rn}})}^2+{(y+R_0)}^2},$ c为光速，R₀为目标参考中心到雷达坐标系原点的参考距离。

若不考虑电磁波的路程衰减，则经参考信号混频后的第n个接收阵元接收信号可表示为：

$\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{rec}}(x_{\mathrm{Tm}},x_{\mathrm{Rn}},f_i)=\underset{x}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{y}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{\&sigma;}(x,y)e^{-j2\mathrm{\&pi;}{f}_i\mathrm{\&tau;}}\\ =\underset{x}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{y}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{\&sigma;}(x,y)e^{-j2\mathrm{\&pi;}{f}_i\left(\frac{R_{\mathrm{Tm}}+R_{\mathrm{Rn}}-2R_0}{c}\right)}\end{array}---\left(14\right)$

其中，σ(x,y)为位于目标本体坐标系中坐标(x,y)处的散射中心的复RCS，R_Tm、R_Rn、R₀和c同式(13)中的定义，f_i为第i个频点对应的雷达频率值。

由(14)式可以看出，接收信号是三个变量的函数，分别为发射阵元位置x_Tm，接收阵元位置x_Rn，以及信号频率f_i。因此，目标图像的重建算法可表示为：

$\widehat{\mathrm{\&sigma;}}(x,y)=\frac{1}{\mathrm{AI}}\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{S}_{\mathrm{rec}}(x_{\mathrm{Tm}},x_{\mathrm{Rn}},f_i)e^{j2\mathrm{\&pi;}{f}_i\frac{R_{\mathrm{Tm}}+R_{\mathrm{Rn}}-2R_0}{c}}---\left(15\right)$

其中，A为天线阵列中虚拟阵元的个数即A＝2M(2N+1)，I为频率采样点个数即步进频率脉冲个数，其它参数同式(14)中定义。

可见，只要利用MIMO-SAR的2M个发射天线阵元(式(14)中m＝1,2,...,2M)和2N+1个接收天线阵元(式(14)中n＝1,2,...,2N+1)进行发射与接收组合，每次发射I个载波频率不同的脉冲，全部接收天线对回波信号进行接收，并录取回波信号S_rec(x_Tm,x_Rn,f_i)(m＝1,2,...,2M；n＝1,2,...,2N+1；i＝1,2,...,I)，则最终可根据式(15)对全部录取的回波信号进行处理，得到目标散射图像

5)MIMO-SAR近场双站成像聚焦算法

从式(15)可以看到，所提出的MIMO-SAR雷达的回波数据是发射单元位置x_Tm，接收单元位置x_Rn，以及载频项f_i的函数。

由于用于目标现场诊断测量的MIMO-SAR一般具有大景深、宽视场、近场成像测量的特殊性，需要采用专门的MIMO-SAR成像聚焦算法，要求该算法不受MIMO阵列形式限制、适用于大景深、宽视场和近场修正与聚焦。从前述MIMO-SAR信号模型可见，可将转台目标ISAR成像的滤波逆投影(FBP)算法设计思想应用于MIMO-SAR成像，称之为MIMO-SAR-FBP成像算法。

MIMO-SAR-FBP成像算法的原理如下：

令 $k_i=\frac{2f_i}{c},\mathrm{\&Delta;k}=\frac{2\mathrm{\&Delta;f}}{c},L_e=\frac{R_{\mathrm{Tm}}+R_{\mathrm{Rn}}}{2}-R_0,$ 则图像重建公式(15)可写成：

$\widehat{\mathrm{\&sigma;}}(x,y)=\frac{1}{\mathrm{AI}}\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{S}_{\mathrm{rec}}(x_{\mathrm{Tm}},x_{\mathrm{Rn}},k_i)e^{j2\mathrm{\&pi;}{k}_i{L}_e}---\left(16\right)$

令

$P_{\mathrm{mn}}\left(L_e\right)=\frac{1}{I}\underset{i=0}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{\mathrm{rec}}(x_{\mathrm{Tm}},x_{\mathrm{Rn}},k_i)e^{j2\mathrm{\&pi;}{k}_i{L}_e}---\left(17\right)$

并对L_e离散化，取：

$L_e=\frac{2l-I}{2\mathrm{I\&Delta;k}},l=\mathrm{0,1}...I-1---\left(18\right)$

则式(17)可化为：

$P_{\mathrm{mn}}\left(l\right)=\frac{1}{I}\underset{i=0}{\overset{I-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{\mathrm{rec}}(x_{\mathrm{Tm}},x_{\mathrm{Rn}},k_i)e^{-\mathrm{j\&pi;i}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{I}\mathrm{il}}{e}^{j2\mathrm{\&pi;}{k}_{\min }l}---\left(19\right)$

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)：选择重建位置(x,y)，计算其积分(求和)曲线上的值l'，

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

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：

${\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}_{\mathrm{mn}}(x,y)=P_{\mathrm{mn}}\left(l^{\&prime;}\right)e^{j2\mathrm{\&pi;}{k}_{\min }{l}^{\&prime;}}---\left(22\right)$

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：

$\widehat{\mathrm{\&sigma;}}(x,y)=\frac{1}{A}\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}\widehat{\mathrm{\&sigma;}}(x,y)---\left(23\right)$

其中，A为观测通道的个数(虚拟阵元的总个数),取A＝2M(2N+1)；

算法完毕。

由于MIMO-SAR-FBP成像算法在算法设计中，已经考虑了MIMO-SAR虚拟孔径随着MIMO天线阵列形式变化的特点，因此该成像聚焦算法不受天线阵列形式的限制，可直接用于阵列可伸缩式MIMO-SAR近场双站测量成像几何关系。

另外，本发明的替代方案可以为：

(1)如果两次“快拍”成像的横向距离分辨力仍然不够，也可采用更多次的天线阵列伸缩和“快拍”测量联合成像处理，其测量和成像基本原理是完全一样的，所不同是天线阵的多次伸缩对线阵的机械设计提出了稍复杂一些的技术要求；

(2)MIMO-SAR成像处理算法并不限于所提出的MIMO-SAR-FBP算法，也可采用其他聚焦成像算法完成高分辨力目标图像重建。

本发明中涉及到的本领域公知技术未详细阐述。

Claims (2)

1.一种阵列可伸缩式便携MIMO-SAR测量雷达系统，其特征在于：该系统包括可伸缩式MIMO天线阵列、雷达发射机/接收机、控制与处理计算机、全站仪、以及天线架；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，各部分功能如下：

可伸缩式MIMO天线阵列：包括发射天线阵元、接收天线阵元、微波开关矩阵、天线安装导轨及其伸缩控制机构；通过微波开关矩阵的控制，完成各发射/接收天线阵元组合对雷达射频信号的发射和接收；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，这种线阵组合可以最大程度地减轻对发射系统和接收系统的设计复杂性，同时保证合成虚拟阵列最长、栅瓣远离目标区；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；

频率综合器：生成频率步进脉冲射频信号，为发射机功率放大器和接收机混频器提供本振信号源；也可采用宽带线性调频波形替代频率步进波形；

发射机：对频率步进脉冲信号进行功率放大并通过发射控制微波开关组合馈给发射天线阵元；

接收机：由高频接收前端和中频接收机组成，其中高频接收前端紧靠MIMO天线阵列放置，对接收天线阵列的信号进行低噪声放大、混频后，中频接收信号馈给中频接收机，完成中频放大和I/Q正交通道接收；

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

控制与处理计算机：完成MIMO-SAR雷达系统的MIMO天线阵列、发射、接收、信号采集等控制，完成测量数据的标定、成像和RCS反演处理；

全站仪：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；

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。

2.一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、信号采集等控制，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可以舍弃，或者也可以在第二次“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'，

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

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

${\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}_{\mathrm{mn}}(x,y)=P_{\mathrm{mn}}\left(l^{\&prime;}\right)e^{j{2\mathrm{\&pi;k}}_{\min }{l}^{\&prime;}}---\left(22\right)$

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：

$\widehat{\mathrm{\&sigma;}}(x,y)=\frac{1}{A}\underset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}\widehat{\mathrm{\&sigma;}}(x,y)---\left(23\right)$

其中，A＝2M(2N+1)为观测通道的个数，即虚拟阵元的总个数。