CN109407092A - 一种成像雷达装置及成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种成像雷达装置及成像方法，其中成像雷达装置包括发射子系统及接收子系统，发射子系统为多路相控阵发射子系统，接收子系统为多路接收数字多波束阵子系统；多路相控阵发射子系统包括多路直接数字频率合成器模块、多路毫米波发射前端模块和发射天线辐射单元；多路接收数字多波束阵子系统包括多路毫米波接收前端模块、多通道中频放大模块和接收天线辐射单元；所述发射天线辐射单元与所述接收天线辐射单元呈垂直相交排列。本发明提出的雷达装置发射部分采用相控阵，接收部分采用数字多波束阵列，具有总发射功率大，基带处理算法简单等优势。

Description

一种成像雷达装置及成像方法
技术领域
本发明涉及电子、微波射频、雷达等领域，尤其涉及一种成像雷达装置与成像方法。
背景技术
现状
随着毫米波技术的不断发展，毫米波雷达成为近年来的研究热点。毫米波成像雷达由于其具有二维波束扫描特性，尤其受到国内外学者的关注。
成像雷达需要实现二维波束的扫描，最传统的方案是采用高增益无源天线阵后接单个射频通道，通过机械旋转天线阵实现二维扫描。虽然通道少成本低，但是机械旋转速度太过缓慢，实现二维扫描时间过长，成像速度受到很大制约。为了实现快速，高质量的成像雷达，现有的技术方案主要有：1）采用单个发射通道，接收部分采用n行n列总共n2个接收通道的相控阵，利用电控移相器实现波束的快速切换。2）采用单个发射通道，接收部分采用n行n列总共n2个接收通道的数字多波束阵，能够同一时间产生多个接收波束并在数字域实现二维波束的扫描与合成。3）采用多输入多输出（MIMO）雷达方案，将发射天线阵和接收天线阵摆成T型。通过开关切换不同发射机的工作状态，用n个发射机n个接收机等效成一个n行n列的虚拟口径实现二维波束的扫描。
现有技术的缺点
针对成像雷达实际应用需求，目前的几种技术均存在相关缺点：方案一采用相控阵实现二维波束的快速扫描，缺点是每个通道均需要配备昂贵的射频移相器。而且相控阵同一时间只能产生一个波束，扫描完一个面场景，依然需要将笔状波束切换至少n2次。当需要的像素点更高时，所需的波束切换次数大大增加。方案二采用采用n行n列总共n2个接收通道的数字多波束阵，能够同一时间产生多个接收波束，该方案最大的缺点是基带的压力太大。n2个全数字多波束接收通道需要在每个通道后面接一个模数转换器（AD），共计n2个AD，这极大增加了基带的信号处理难度。方案一，二通过不同的技术方案实现二维的波束扫描，但都有一个共同的缺点是使用的通道数太多，系统实现成本过高。由于成像雷达分辨率与天线阵列波束宽度直接相关。如要实现较高质量的成像，系统所需通道数会呈几何系数增加，从而导致成本、功耗过多大从而难以实现。
与前两个方案相比，方案三显然更优。利用虚拟口径和MIMO雷达相关理论，仅利用2n个通道实现等效n行n列的虚拟口径从而实现二维波束的扫描，射频通道数大大减少。缺点是需要利用毫米波开关在不同发射机之间来回切换，这会引入入较大的插损。而且利用开关进行切换，同一时间只有一个发射机在工作，总发射功率较低。除此以外，这种工作模式对于基带算法的处理要求较高，因为n通道发射机不同时工作，基带部分需要进行复杂的同步与对齐工作才能成功的等效为二维口径阵列。在数字基带部分，仍需要对两个维度进行数字波束合成这对于基带的处理能力提出了较高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种成像雷达装置及成像方法，能够使用较少的通道数实现二维波束的扫描，同时能显著增加总发射功率，减轻基带信号处理部分的难度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种成像雷达装置，包括发射子系统及接收子系统，其特征在于：所述发射子系统为多路（M路）相控阵发射子系统，所述接收子系统为多路（N路）接收数字多波束阵子系统；多路相控阵发射子系统包括多路直接数字频率合成器模块、多路毫米波发射前端模块和发射天线辐射单元，直接数字频率合成器模块和毫米波发射前端模块一一对应，一路直接数字频率合成器模块输出的中频信号送至一路毫米波发射前端模块；毫米波发射前端模块输出的信号通过天线辐射单元辐射出去；多路接收数字多波束阵子系统包括多路毫米波接收前端模块、多通道中频放大模块和接收天线辐射单元，所述接收天线辐射单元将每一路接收信号采集下来，所述毫米波接收前端模块将接收天线辐射单元采集的接收信号进行混频处理；所述中频放大模块放大经混频处理的接收信号并滤波；所述发射天线辐射单元与所述接收天线辐射单元呈垂直相交排列。
多路接收数字多波束阵子系统包括多路毫米波接收前端模块、多通道中频放大模块和天线辐射单元。首先通过接收天线辐射单元将每一路接收信号采集下来，并通过毫米波接收前端模块将高频信号混频到低频频率。经过中频放大模块放大接收信号并滤波，最后送入数模转换器（AD）进行采样和后期的基带信号处理。
本发明雷达成像方法，包括以下步骤：
步骤一：在暗室校准整个发射相控阵子系统，能够实现垂直维度（俯仰）的波束扫描。
步骤二：在暗室校准整个接收数字多波束阵子系统，能够实现水平维度（方位）的波束扫描。
步骤三：确定成像的角度范围后，将发射相控阵波束指向垂直维度（俯仰）的某一个角度，采集多通道接收机的数据进行水平维度（方位）的数字波束扫描，这样就完成了垂直维度（俯仰）某一个角度下的横向一维成像结果。
步骤四：发射相控阵打向垂直维度（俯仰）的不同角度，并重复步骤三。将不同（俯仰）角度下的横向一维成像结果拼接起来，即可构成一幅完整成像结果。
与现有技术方案一二相比，本发明给出的成像雷达架构采用M*N个通道等效实现二维波束扫描，大大射频通道。与方案三相比，无需引入射频开关，不引入额外插损。本发明提出的雷达装置，首先，与传统MIMO雷达发射机不能同时工作不同，本发明雷达装置在同一时刻所有发射通道都可以同时工作，这显著增加了总发射功率；其次，传统MIMO雷达垂直维度的波束合成需要通过数字域去合成。然而，在垂直维度的波束合成过程中，由于垂直维度每一个发射机均不是同时工作的，需要把不同发射机的时延考虑进去并校准掉，才能顺利完成垂直维度的波束合成。本发明提出的雷达装置，垂直维度的波束合成已经使用相控阵在模拟域合成完毕，在基带部分仅需要对于水平维度接收通道信号进行一维数字波束合成，减轻了基带信号处理的难度，同时不需要复杂的同步与对齐算法确保俯仰(垂直)维度波束合成的准确性，对于需要信噪比要求更高的场景有显著提升作用。
附图说明
图1为本发明涉及的成像架构的天线阵列摆放结构示意图；
图2为本发明涉及的成像架构中直接数字频率合成器模块结构示意图；
图3为本发明涉及的成像架构中多通道毫米波发射前端模块结构示意图；
图4为本发明涉及的成像架构中多通道数字多波束阵子系统结构示意图；
图5为本发明涉及的成像架构中发射相控阵子系统波束扫描测试结果；
图6为本发明涉及的成像架构中多通道数字多波束阵波束扫描测试结果；
图7为本发明涉及的成像雷达在暗室中对单个角反射器成像测试场景图；
图8为本发明涉及的成像雷达在暗室中对单个角反射器成像结果图；
图9为本发明涉及的成像雷达在暗室中对两个角反射器成像测试场景图（两个角反射器高度相同）；
图10为本发明涉及的成像雷达在暗室中对两个角反射器成像结果图（两个角反射器高度相同）；
图11为本发明涉及的成像雷达在暗室中对两个角反射器成像测试场景图（两个角反射器高度不同）。
图12为本发明涉及的成像雷达在暗室中对两个角反射器成像结果图（两个角反射器高度不同）。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步的详细描述：
如图1所示，本发明成像雷达架构，包括多路（M路）相控阵发射子系统1、多路（N路）接收数字多波束阵子系统2，其中，M大于、小于或等于N；发射相控阵天线辐射单元呈垂直状排列，接收数字多波束阵辐射单元呈水平状排列，整体发射天线阵列与接收天线阵列呈T型分布。其中，多路相控阵发射子系统包括多路直接数字频率合成器模块、多路毫米波发射前端模块和天线辐射单元；多路接收数字多波束阵子系统包括多路毫米波接收前端模块、多通道中频放大模块和天线辐射单元；在本发明的实施实例中，发射相控阵共有15路发射通道，接收数字多波束阵共有16路接收通道。
如图2 所示，多路直接数字频率合成器模块每一路均包括数字频率合成器3（DDS），每一路DDS输出信号至第一声表面滤波器4，第一声表面滤波器输出信号至第一驱动放大器5，第一驱动放大器输出信号至第二声表面滤波器6，第二声表面滤波器输出信号至第二驱动放大器7，第二驱动放大器通过射频开关输出中频信号8；直接数字频率合成器模块和毫米波发射前端模块一一对应，一路直接数字频率合成器模块输出的中频信号送至一路毫米波发射前端模块；毫米波发射前端模块输出的信号通过天线辐射单元辐射出去。所选芯片器件（数字频率合成器3、第一声表面滤波器4、第一驱动放大器5、第二声表面滤波器6、第二驱动放大器7、混频器9、带通滤波器10以及驱动放大器11等）都可以在ADI，TI，MINIcircuits，嘉硕等公司生产销售的产品中选择。
如图3所示，所述多路毫米波发射前端将每一路直接数字频率合成器模块输出的中频信号送至混频器9的一个输入端，本振信号送至混频器的另一个输入端，混频器输出信号至带通滤波器10滤除镜像杂散，再经过驱动放大器11放大信号后送至天线辐射单元12。
所述发射天线辐射单元为双渐变槽天线单元，并采用0.254mm介电常数为2.2的微波板材Taconic TLY-5设计制作。
如图4所示，所述多路接收数字多波束阵子系统包括多路毫米波接收前端模块、多通道中频放大模块和天线辐射单元。首先通过接收天线辐射单元13将每一路接收信号采集下来，并通过毫米波接收前端模块14将高频信号混频到低频频率。经过中频放大模块放大接收信号并滤波15-19，最后送入数模转换器（AD）20进行采样和后期的基带信号处理。
为了验证本发明提出的成像雷达结构与成像方法的有效性，基于上述方法与结构，设计了基于发射相控阵，接收数字多波束阵的成像雷达系统。其中，发射相控阵共计15个通道，接收数字多波束阵共有16个通道。
下面结合实际的系统实例来解释本发明提出的成像方法。
步骤一：在暗室校准整个发射相控阵子系统，能够实现垂直维度（俯仰）的波束扫描。实际测试的15通道发射相控阵波束扫描方向图如图5所示，波束可以在正负40度角度内进行扫描。
步骤二：在暗室校准整个接收数字多波束阵子系统，能够实现水平维度（方位）的波束扫描。如图6所示，测试的接收数字多波束阵波束扫描图达到预期效果，波束可以在正负40度内进行扫描。
步骤三：确定成像的角度范围后，将发射相控阵波束指向垂直维度（俯仰）的某一个角度，采集多通道接收机的数据进行水平维度（方位）的数字波束扫描，这样就完成了垂直维度（俯仰）某一个角度下的横向一维成像结果。
步骤四：发射相控阵打向垂直维度（俯仰）的不同角度，并重复步骤三。将不同（俯仰）角度下的横向一维成像结果拼接起来，即可构成一幅完整成像结果。
在暗室的测试实例中，待测试的角度范围初步预定是水平正负40度内，垂直正负40度内。首先将发射相控阵波束指向垂直维度的-40度，水平维度采用数字多波束接收阵列进行一维成像，这样就完成了-40度垂直维度下的水平一维成像结果。接着依次将发射相控阵波束指向垂直维度的-39，-38，…，39,40度的位置上，并将每个角度下横向一维成像结果保存下来，依次进行组合得到最后的图像。在暗室对于单个角反射器，两个高度相同角反射器以及两个高度不同的角反射器进行成像实验（见图7,9,11），成像结果如图8，10,12所示，图7测试场景中在暗室远处放置单一角反射体，周围背景均为吸波材料。成像结果如图8所示，呈现为一个单一目标点。图9测试场景中相隔一定距离放置高度相同的两个角反射体，对应成像结果（图10）中呈现为两个相隔一段距离的目标点。图11在暗室内放置了两个高度不同的角反射体，对应成像结果如图11所示为两个水平分开高度上同样分开的两个目标点。综上，成像结果与实际成像测试场景较为符合。
与现有技术方案一二相比，本发明给出的成像雷达架构采用15个发射通道和16个接收通道等效实现15*16的接收口径，实现了二维波束扫描，大大减少了射频通道数量。与方案三相比，无需引入毫米波开关，不引入额外插损。本发明提出的架构同一时刻所有发射通道都同时工作，这不仅显著增加了总发射功率，而且基带部分不需要复杂的同步与对齐算法确保俯仰维度波束合成的准确性。对于需要信噪比要求更高的场景有显著提升作用。由于本发明方案发射部分采用相控阵，俯仰维度的波束已经在模拟域进行合成。在基带部分仅需要对于水平维度接收通道信号进行一维数字波束合成，显著减轻了基带信号处理的难度。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种成像雷达装置，包括发射子系统及接收子系统，其特征在于：所述发射子系统为多路相控阵发射子系统，所述接收子系统为多路接收数字多波束阵子系统；多路相控阵发射子系统包括多路直接数字频率合成器模块、多路毫米波发射前端模块和发射天线辐射单元，直接数字频率合成器模块和毫米波发射前端模块一一对应，一路直接数字频率合成器模块输出的中频信号送至一路毫米波发射前端模块；毫米波发射前端模块输出的信号通过天线辐射单元辐射出去；多路接收数字多波束阵子系统包括多路毫米波接收前端模块、多通道中频放大模块和接收天线辐射单元，所述接收天线辐射单元将每一路接收信号采集下来，所述毫米波接收前端模块将接收天线辐射单元采集的接收信号进行混频处理；所述中频放大模块放大经混频处理的接收信号并滤波；所述发射天线辐射单元与所述接收天线辐射单元呈垂直相交排列。
2.根据权利要求1所述的成像雷达装置，其特征在于：所述多路直接数字频率合成器模块每一路均包括数字频率合成器、滤波及放大单元以及射频开关；所述数字频率合成器输出信号至所述滤波及放大单元，所述滤波及放大单元的输出信号输出至所述射频开关。
3.根据权利要求2所述的成像雷达装置，其特征在于：所述滤波及放大单元包括第一声表面滤波器、第一驱动放大器、第二声表面滤波器以及第二驱动放大器，每一路所述数字频率合成器输出信号至第一声表面滤波器，第一声表面滤波器输出信号至第一驱动放大器，第一驱动放大器输出信号至第二声表面滤波器，第二声表面滤波器输出信号至第二驱动放大器，第二驱动放大器通过射频开关输出中频信号。
4.根据权利要求1-3任一所述的成像雷达装置，其特征在于：所述毫米波发射前端模块包括混频器、带通滤波器以及第三驱动放大器；每一路所述直接数字频率合成器模块输出的中频信号送至混频器的一个输入端，本振信号送至混频器的另一个输入端，混频器输出信号至带通滤波器滤除镜像杂散，再经过第三驱动放大器放大信号后送至天线辐射单元。
5.根据权利要求4所述的成像雷达装置，其特征在于：所述发射天线辐射单元为双渐变槽天线单元，并采用工作频率处损耗角正切小于万分之十五的微波板材制作。
6.根据权利要求5所述的成像雷达装置，其特征在于：所述微波板材为0.254mm介电常数为2.2的Taconic TLY-5。
7.根据权利要求1-3任一所述的成像雷达装置，其特征在于：整体发射天线辐射单元形成的阵列与整体接收天线辐射单元形成的阵列呈T型、 L型，十字型或倒T型分布。
8.一种采用权利要求1-7任一所述雷达装置的成像方法，其特征在于，多路相控阵发射子系统打向垂直维度的不同角度，在垂直维度的不同角度下进行水平维度的数字波束扫描，完成垂直维度某一个角度下的横向一维成像结果；将不同垂直维度角度下的横向一维成像结果进行拼接，构成一幅完整成像结果。
9.根据权利要求8所述的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：校准在暗室校准多路相控阵发射子系统，能够实现垂直维度的波束扫描；在暗室校准多路接收数字多波束阵子系统，能够实现水平维度的波束扫描；
步骤二：确定成像的角度范围后，将发射相控阵波束指向垂直维度的某一个角度，采集多通道接收机的数据进行水平维度的数字波束扫描，完成垂直维度某一个角度下的横向一维成像结果；
步骤三：发射相控阵打向垂直维度的不同角度，并重复步骤二，得到不同角度下的横向一维成像结果；
步骤四：将不同角度下的横向一维成像结果拼接起来，构成一幅完整成像结果。
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