CN113835086B - 一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测系统及方法 - Google Patents

一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微波主被动联合探测领域，特别涉及一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测系统及方法，其中MIMO雷达信号处理器主动探测和MIR辐射计信号处理器被动探测形成主被动联合探测；复用稀疏阵列用于接收主动探测接收信号和被动探测接收信号；波形生成器用于生成探测信号，通过发射组件和发射天线阵列发送至观测目标，生成参考信号用于接收组件的主动探测和被动探测的滤波；数据融合处理器用于对主被动探测结果进行融合处理，形成主被动联合成像探测结果。本发明的优点为：主被动探测复用一个稀疏阵列完成信号接收，降低天线阵列尺寸，减少接收天线单元和接收通道的数目，保证主被动观测视场的一致，不依赖观测设备和观测目标的相对运动。

Description

一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测系统及方法
技术领域
本申请涉及微波主被动联合探测领域，特别涉及基于复用稀疏阵列的微波主被动探测，尤其是MIMO雷达主动微波探测和MIR辐射计被动微波探测的联合成像探测领域。
背景技术
MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)雷达在发射端使用M个天线单元构成发射天线阵列，其发射信号两两正交，在接收端使用N个天线单元构成接收天线阵列，通过一系列匹配滤波器在每一个接收端区分各发射单元对应的回波信号，从而形成M*N个收发通道，进而等效成一个大规模天线阵列(参考文献：Fishler,Haimovich,Blum,et al.MIMO radar:an idea whose time has come[C].Proceedings of RadarConference 2004.IEEE,2004:71-78；)。通过合适的发射波形设计和MIMO雷达信号处理算法，例如发射天线阵列发射频分复用线性调频连续波，接收信号使用匹配滤波器组进行滤波然后进行距离向FFT、速度向FFT、方位向FFT、俯仰向FFT，MIMO雷达探测器可以得到观测目标的“方位-俯仰-距离-速度”信息。
MIR(Microwave Interferometric Radiometer，干涉式微波辐射计)辐射计也称作综合孔径辐射计，作为一种被动微波探测成像技术，在射电天文领域和卫星遥感领域有广泛应用。该技术利用接收天线阵列两两相关进行干涉测量，进而等效成一个大口径天线，获得足够的空间分辨率。通过合适的接收天线阵列设计，MIR辐射计探测器可以得到观测目标的“方位-俯仰-亮温-形状”信息(参考文献：韩东浩.旋转圆环阵列综合孔径微波辐射计系统研究[D].中国科学院大学，2012.)。
将主动探测技术和被动探测技术进行联合，能够获得更多维度的观测目标信息。专利201710160250.5(苏刚等，一种超宽带双模毫米波主被动复合探测器)基于单向传输环流器提出了一种主被动联合探测方案，该方案采用射频频分、中频频分方式保证主动雷达始终工作，通过中频滤波电路参数选取，有效分离主被动回波信号。但该方案中发射和接收通过一个天线单元实现，无法使用MIMO雷达和MIR辐射计中的多输入体制快速获得成像探测信息，成像观测速度慢。另外，专利202010731017.X(李世勇等，一种行进式毫米波主被动复合成像方法)使用被动毫米波接收阵列天线接收观测目标的辐射，完成被动探测成像。但该方法主动探测接收天线阵列和被动探测接收天线阵列独立，天线观测视场不同，无法对同一场景获得“方位-俯仰-距离-速度-亮温-形状”主被动联合成像探测结果，且两套独立的接收天线阵列增加了设备复杂度。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术克服无法用较低的设备复杂度对同一场景快速获得“方位-俯仰-距离-速度”主动探测信息和“方位-俯仰-亮温-形状”被动探测信息以及“方位-俯仰-距离-速度-亮温-形状”主被动联合成像信息，提供一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测器和方法，所述一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测系统包括：
MIMO雷达信号处理器7主动探测和MIR辐射计信号处理器8被动探测形成主被动联合探测；
波形生成器5，用于生成探测信号并通过发射组件4和发射天线阵列2发送至观测目标1；所述波形生成器5还生成匹配滤波参考信号和混频滤波参考信号，并将所述匹配滤波参考信号和混频滤波参考信号发送至接收组件6；
复用稀疏阵列3，用于接收主动探测接收信号和被动探测接收信号，并传输给接收组件6；
数据融合处理器9用于对主被动探测信号处理结果进行融合处理，形成主被动联合成像探测结果10。
作为上述系统的一种改进，所述接收组件6用于放大所述复用稀疏阵列3接收的信号，并基于波形生成器5生成的匹配滤波参考信号为MIMO雷达主动探测进行匹配滤波，基于所述波形生成器5生成的混频滤波参考信号为MIR辐射计被动探测进行混频滤波；所述接收组件6还用于将匹配滤波后的信号发送至MIMO雷达信号处理器7，将混频滤波后的信号发送至MIR辐射计信号处理器8。
作为上述系统的一种改进，所述的MIMO雷达信号处理器7对接收组件6的匹配滤波后的信号进行MIMO雷达主动探测信号处理，得到观测目标1的“方位-俯仰-距离-速度”信息，并将所述“方位-俯仰-距离-速度”信息作为主动探测信号处理结果，发送至所述数据融合处理器9；
所述MIR辐射计信号处理器8对接收组件6的混频滤波后的信号进行MIR辐射计被动探测信号处理得到观测目标1的“方位-俯仰-亮温-形状”信息；并将所述“方位-俯仰-亮温-形状”信息作为被动信号处理结果，发送至所述数据融合处理器9；
所述数据融合处理器9在所述主被动探测信号处理结果中提取MIMO雷达主动探测信号处理结果中的“方位-俯仰”信息与MIR辐射计被动探测信号处理结果中的“方位-俯仰”信息相同的主被动探测信号处理结果；并将提取的主被动探测信号处理结果进行融合，形成“方位-俯仰-距离-速度-亮温-形状”主被动联合成像探测结果10。
作为上述系统的一种改进，所述MIMO雷达主动探测和MIR辐射计被动探测的信号接收共用一个复用稀疏天线阵列，主被动联合探测的观测视场一致。
作为上述系统的一种改进，在二维正交坐标系下，将所有复用稀疏阵列的接收天线单元坐标按照X坐标顺序排列后两两做差的绝对值的最大值为Xmax，生成公式Xmax·sin(θX)＝λ/2,其中λ为观测频段波长，θX为MIMO雷达主动探测和MIR辐射计被动探测的X轴方向视场张角，将所有接收天线单元的坐标按照Y坐标顺序排列后两两做差的绝对值的最大值为Ymax，生成公式Ymax·sin(θY)＝λ/2，其中θY为MIMO雷达主动探测和MIR辐射计被动探测的Y轴方向视场张角。
一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测方法，包括：
通过所述接收组件6、MIMO雷达信号处理器7、MIR辐射计信号处理器8、数据融合处理器9对接收信号进行处理，并且MIMO雷达主动探测和MIR辐射计被动探测形成主被动联合探测；具体包括：
通过接收组件6对复用稀疏阵列3输出的信号进行信号放大和滤波，其中，滤波操作包括：基于波形生成器5生成的匹配滤波参考信号进行匹配滤波，基于所述波形生成器5生成的混频滤波参考信号进行混频滤波；
通过MIMO雷达信号处理器7对所述接收组件6输出的匹配滤波后的信号由进行MIMO雷达信号处理；通过MIR辐射计信号处理器8对所述接收组件6输出的混频滤波后的信号进行MIR辐射计信号处理；
数据融合处理器9将MIMO雷达信号处理结果和MIR辐射计信号处理结果进行融合，形成主被动联合成像探测结果10。
作为上述方法的一种改进，通过波形生成器5生成探测信号，并通过发射组件4和发射天线阵列2发射至探测目标1；通过复用稀疏阵列3接收主动探测接收信号和被动探测信号，并传输给接收组件6。
作为上述方法的一种改进，所述的MIMO雷达信号处理器7对接收组件6的匹配滤波后信号进行MIMO雷达主动探测信号处理，得到观测目标1的“方位-俯仰-距离-速度”信息，并将所述“方位-俯仰-距离-速度”信息作为主动探测信号处理结果，发送至所述数据融合处理器9；
所述MIR辐射计信号处理器8对接收组件6的混频滤波后的信号进行MIR辐射计被动探测信号处理得到观测目标1的“方位-俯仰-亮温-形状”信息；并将所述“方位-俯仰-亮温-形状”信息作为被动信号处理结果，发送至所述数据融合处理器9；
所述数据融合处理器9在所述主被动探测信号处理结果中，提取MIMO雷达主动探测信号处理结果中的“方位-俯仰”信息与MIR辐射计被动探测信号处理结果中的“方位-俯仰”信息相同的主被动探测信号处理结果；并将提取的“方位-俯仰”信息相同的主被动探测信号处理结果进行融合，形成“方位-俯仰-距离-速度-亮温-形状”主被动联合成像探测结果10。
作为上述方法的一种改进，所述MIMO雷达主动探测和MIR辐射计被动探测的信号接收共用一个复用稀疏天线阵列，主被动联合探测的观测视场一致。
作为上述方法的一种改进，接收组件6对接收信号进行的匹配滤波和混频滤波将分时进行或分频进行。
本发明实现对同一观测目标1的MIMO雷达主动探测和MIR辐射计被动探测，基于一个复用稀疏阵列进行主被动探测接收信号的接收，降低天线阵列尺寸，减少接收天线单元和接收通道的数目，降低设备复杂度，保证主被动观测视场的一致，保证主动观测结果和被动观测结果的融合，不需要任何形式的扫描，不依赖观测设备和观测目标的相对运动，可实现快速的主被动联合成像探测。在该主被动联合成像探测结果中，包含观测目标的方位信息、俯仰信息、距离信息、速度信息、亮温信息、形状信息。
附图说明
图1为本发明的基于复用稀疏阵列的MIMO-MIR主被动联合探测方法的系统框图；
图2为复用稀疏阵列和发射阵列排布示意图；
图3为原始观测目标场景；
图4为利用本发明的主被动联合探测方法对图3进行观测，得到的主被动联合成像探测结果。
1、观测目标 2、发射天线阵列 3、复用稀疏阵列
4、发射组件 5、波形生成器 6、接收组件
7、MIMO雷达信号处理器 8、MIR辐射计信号处理器 9、数据融合处理器
10、主被动联合成像探测结果
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。
本发明的所示出的实施例，参照图1所示的一种基于复用稀疏阵列的主被动联合微波探测系统及其方法，
在本实施例中，波形生成器生成探测信号，并通过发射组件和发射天线阵列发射，探测目标。探测信号参数为：频段76.8GHz-77.2GHz，频分为2各频段，每个频段200MHz，波形为线性调频连续波相参脉冲串，线性调频连续波发射脉冲宽度25us，调频率8MHz/us，重复周期30us，相参脉冲串个数256个。发射阵列单元排布位置如参照图2所示，发射天线阵列2包含2个发射单元。发射天线阵列2的两个发射单元的坐标分别为[-50.648mm，7.2mm，0mm]、[50.648mm，7.2mm，0mm]。目标场景如参照图3所示，其中左上方观测目标1的中心坐标[-0.45m，0.35m，20.00m]，形状为横向0.20m，纵向0.40m的长方形，亮温310K，相向运动速度为5.0m/s；右下方观测目标2的中心坐标[0.35m，-0.35m，20.00m]，形状为横向0.40m，纵向0.40m的长方形，亮温290K，相向运动速度为-5.0m/s。
通过复用稀疏阵列接收主动探测接收信号和被动探测接收信号，并传输给接收组件。复用稀疏阵列单元排布位置如图2所示，复用稀疏阵列3采用T型阵列排布，复用稀疏阵列3和发射阵列2可共用物理口面，以降低收发天线阵列尺寸。接收单元数N＝79。其中的53个接收单元的y坐标为0，x坐标在-50.648mm到50.648mm之间等间距分布。其中的26个接收单元的x坐标为0，y坐标在1.948mm到50.648mm之间等间距分布。所有接收单元的z坐标为0。
通过接收组件放大所述复用稀疏阵列中接收的信号，并基于波形生成器生成的匹配滤波参考信号为MIMO雷达进行匹配滤波；同时，基于所述波形生成器生成的单频信号为MIR辐射计进行混频滤波。本实施例中，MIR辐射计被动观测和MIMO雷达主动观测采用时分复用模式避免干扰。MIR辐射计被动观测模式工作中心频率77GHz，观测带宽20MHz，积分时间11ms；主被动模式切换过渡时间1.32ms；MIMO雷达主动观测用时7.68ms。完成一次主被动联合探测用时20ms，主被动联合探测成像结果的成像刷新率为50Hz。
MIMO雷达信号处理器、MIR辐射计信号处理器分别对从接收组件接收的所述采样信号进行MIMO雷达主动探测信号处理和MIR辐射计被动探测信号处理，并将主被动探测信号处理结果发送至数据融合处理器。数据融合处理器将主被动探测信号处理结果的进行融合，形成“方位-俯仰-距离-速度-亮温-形状”主被动联合成像探测结果。形成的主被动联合探测成像结果如参照图4所示。其中识别目标1的信息如下：实测距离为20.09m，方位向俯仰向实测坐标[-0.46m，0.35m]，识别形状为横向0.24m×纵向0.42m的长方形，实测亮温310K，实测运动速度为5.2m/s；识别目标2的信息如下：实测距离为19.85m，方位向俯仰向实测坐标[0.34m，-0.35m]，识别形状为横向0.42m×纵向0.42m的正方形，实测亮温290K，实测运动速度为-5.1m/s。
在本实施例中，实现对同一观测目标1的MIMO雷达主动探测和MIR辐射计被动探测，基于一个复用稀疏阵列进行主被动探测接收信号的接收，降低天线阵列尺寸，减少接收天线单元和接收通道的数目，降低系统复杂度，保证主被动观测视场的一致，保证主动观测结果和被动观测结果的融合，不需要任何形式的扫描，不依赖观测设备和观测目标的相对运动，可实现主被动联合快速成像探测。在该主被动联合成像探测结果中，包含观测目标的方位信息、俯仰信息、距离信息、速度信息、亮温信息、形状信息。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测系统，其特征在于，包括：
MIMO雷达信号处理器(7)主动探测和MIR辐射计信号处理器(8)被动探测形成主被动联合探测；
波形生成器(5)，用于生成探测信号并通过发射组件(4)和发射天线阵列(2)发送至观测目标(1)；所述波形生成器(5)还生成匹配滤波参考信号和混频滤波参考信号，并将所述匹配滤波参考信号和混频滤波参考信号发送至接收组件(6)；
复用稀疏阵列(3)，用于接收主动探测接收信号和被动探测接收信号，并传输给接收组件(6)；
数据融合处理器(9)用于对主被动探测信号处理结果进行融合处理，形成主被动联合成像探测结果(10)；
所述MIMO雷达信号处理器(7)对接收组件(6)的匹配滤波后的信号进行MIMO雷达主动探测信号处理，得到观测目标(1)的“方位-俯仰-距离-速度”信息，并将所述“方位-俯仰-距离-速度”信息作为主动探测信号处理结果，发送至所述数据融合处理器(9)；
所述MIR辐射计信号处理器(8)对接收组件(6)的混频滤波后的信号进行MIR辐射计被动探测信号处理得到观测目标(1)的“方位-俯仰-亮温-形状”信息；并将所述“方位-俯仰-亮温-形状”信息作为被动信号处理结果，发送至所述数据融合处理器(9)；
所述数据融合处理器(9)在所述主被动探测信号处理结果中提取MIMO雷达主动探测信号处理结果中的“方位-俯仰”信息与MIR辐射计被动探测信号处理结果中的“方位-俯仰”信息相同的主被动探测信号处理结果；并将提取的主被动探测信号处理结果进行融合，形成“方位-俯仰-距离-速度-亮温-形状”主被动联合成像探测结果(10)。
2.根据权利要求1所述的一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测系统，其特征在于，所述接收组件(6)用于放大所述复用稀疏阵列(3)接收的信号，并基于波形生成器(5)生成的匹配滤波参考信号为MIMO雷达主动探测进行匹配滤波，基于所述波形生成器(5)生成的混频滤波参考信号为MIR辐射计被动探测进行混频滤波；所述接收组件(6)还用于将匹配滤波后的信号发送至MIMO雷达信号处理器(7)，将混频滤波后的信号发送至MIR辐射计信号处理器(8)。
3.根据权利要求1所述的一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测系统，其特征在于，所述MIMO雷达主动探测和MIR辐射计被动探测的信号接收共用一个复用稀疏天线阵列，主被动联合探测的观测视场一致。
4.根据权利要求1所述的一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测系统，其特征在于，在二维正交坐标系下，将所有复用稀疏阵列的接收天线单元坐标按照X坐标顺序排列后两两做差的绝对值的最大值为Xmax，生成公式Xmax·sin(θX)＝λ/2,其中λ为观测频段波长，θX为MIMO雷达主动探测和MIR辐射计被动探测的X轴方向视场张角，将所有接收天线单元的坐标按照Y坐标顺序排列后两两做差的绝对值的最大值为Ymax，生成公式Ymax·sin(θY)＝λ/2，其中θY为MIMO雷达主动探测和MIR辐射计被动探测的Y轴方向视场张角。
5.一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测方法，其特征在于，通过接收组件(6)、MIMO雷达信号处理器(7)、MIR辐射计信号处理器(8)、数据融合处理器(9)对接收信号进行处理，并且MIMO雷达主动探测和MIR辐射计被动探测形成主被动联合探测；具体包括：
通过接收组件(6)对复用稀疏阵列(3)输出的信号进行信号放大和滤波，其中，滤波操作包括：基于波形生成器(5)生成的匹配滤波参考信号进行匹配滤波，基于所述波形生成器(5)生成的混频滤波参考信号进行混频滤波；
通过MIMO雷达信号处理器(7)对所述接收组件(6)输出的匹配滤波后的信号进行MIMO雷达信号处理；通过MIR辐射计信号处理器(8)对所述接收组件(6)输出的混频滤波后的信号进行MIR辐射计信号处理；
数据融合处理器(9)将MIMO雷达信号处理结果和MIR辐射计信号处理结果进行融合，形成主被动联合成像探测结果(10)；
所述的MIMO雷达信号处理器(7)对接收组件(6)的匹配滤波后信号进行MIMO雷达主动探测信号处理，得到观测目标(1)的“方位-俯仰-距离-速度”信息，并将所述“方位-俯仰-距离-速度”信息作为主动探测信号处理结果，发送至所述数据融合处理器(9)；
所述MIR辐射计信号处理器(8)对接收组件(6)的混频滤波后的信号进行MIR辐射计被动探测信号处理得到观测目标(1)的“方位-俯仰-亮温-形状”信息，并将所述“方位-俯仰-亮温-形状”信息作为被动信号处理结果，发送至所述数据融合处理器(9)；
所述数据融合处理器(9)在所述主被动探测信号处理结果中，提取MIMO雷达主动探测信号处理结果中的“方位-俯仰”信息与MIR辐射计被动探测信号处理结果中的“方位-俯仰”信息相同的主被动探测信号处理结果；并将提取的“方位-俯仰”信息相同的主被动探测信号处理结果进行融合，形成“方位-俯仰-距离-速度-亮温-形状”主被动联合成像探测结果(10)。
6.根据权利要求5所述的一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测方法，其特征在于，通过波形生成器(5)生成探测信号，并通过发射组件(4)和发射天线阵列(2)发射至探测目标(1)；通过复用稀疏阵列(3)接收主动探测接收信号和被动探测信号，并传输给接收组件(6)。
7.根据权利要求5所述的一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测方法，其特征在于，所述MIMO雷达主动探测和MIR辐射计被动探测的信号接收共用一个复用稀疏天线阵列，主被动联合探测的观测视场一致。
8.根据权利要求5所述的一种基于复用稀疏阵列的微波主被动探测方法，其特征在于，接收组件(6)对接收信号进行的匹配滤波和混频滤波将分时进行或分频进行。
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