專利名稱：被動(dòng)綜合孔徑快速掃描成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種新型的被動(dòng)綜合孔徑快速掃描成像系統(tǒng)，主要通過(guò)射頻移相器對(duì)射頻信號(hào)進(jìn) 行實(shí)時(shí)移相控制，以實(shí)現(xiàn)在射頻合成器的輸出對(duì)應(yīng)于目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的某特定方向的輻射信 號(hào)，并最終通過(guò)快速的相移來(lái)實(shí)現(xiàn)快速掃描成像，屬于被動(dòng)輻射探測(cè)、遙感和偵察領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
被動(dòng)微波、毫米波和太赫茲波成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于射電天文學(xué)研究、遙感和軍事 等領(lǐng)域。任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)輻射各種波段的電磁波，被動(dòng)成像探測(cè)是探測(cè)目標(biāo) 的電磁輻射和散射，并運(yùn)用各種信號(hào)處理技術(shù)恢復(fù)出目標(biāo)的溫度分布圖或散射特征圖。為了提高成像系統(tǒng)的分辨率，目前廣泛應(yīng)用綜合孔徑技術(shù)，其基本原理是系統(tǒng)的 空間分辨率與最大基線成正比。而普遍采用的被動(dòng)綜合孔徑成像方式是干涉成像技術(shù)，由 于任意兩個(gè)天線接收到的輻射信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)對(duì)應(yīng)著目標(biāo)區(qū)域空間頻率的一個(gè)采樣點(diǎn)， 通過(guò)增加天線數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)空間頻率的充分覆蓋以最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的成像。如圖1所示 (以1-D情況下4根天線的陣列為例)，天線1接收的目標(biāo)輻射通過(guò)混頻器13與來(lái)自本振 11混頻后產(chǎn)生差頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器14后分別在相關(guān)器15中進(jìn)行兩兩復(fù)互相關(guān)運(yùn) 算，再經(jīng)信號(hào)處理器16進(jìn)行離散Fourier逆變換后重構(gòu)出目標(biāo)的圖像并在顯示器8上顯示 出來(lái)。1988年，美國(guó)麻薩諸塞大學(xué)微波遙感實(shí)驗(yàn)室采用這種方法研制出一臺(tái)L波段 (l-2GHz)單極化(水平方向)混合實(shí)-綜合孔徑輻射計(jì)(ESTAR)，并進(jìn)行了機(jī)載實(shí)驗(yàn)，得到 有價(jià)值的土壤濕度圖案。而ESTAR的下一代2D-STAR的樣機(jī)也開(kāi)發(fā)完成，并于2002進(jìn)行了 首飛試驗(yàn)。自從第一臺(tái)被動(dòng)綜合孔徑成像系統(tǒng)ESTAR出現(xiàn)以來(lái)，被動(dòng)綜合孔徑成像技術(shù)不斷 向前發(fā)展，先后出現(xiàn)了 MIRAS、2D-STAR等干涉式被動(dòng)綜合孔徑成像系統(tǒng)。但基于干涉成像 的被動(dòng)綜合孔徑成像方法存在系統(tǒng)復(fù)雜度太高、體積大的不足之處，特別是對(duì)于一個(gè)綜合 孔徑陣列，所需要的互相關(guān)器的數(shù)目是隨著天線的數(shù)目呈現(xiàn)幾何級(jí)數(shù)的增長(zhǎng)。例如，在2009 年11月剛剛發(fā)射升天的SM0S衛(wèi)星上搭載的MIRAS系統(tǒng)，其天線數(shù)目為69個(gè)，其相關(guān)器數(shù) 目達(dá)到近5000個(gè)！這些對(duì)于機(jī)載和星載系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，都帶來(lái)了巨大的成本增加。此外，由于 互相關(guān)的結(jié)果數(shù)據(jù)非常巨大，在進(jìn)行傅里葉逆運(yùn)算和校正算法過(guò)程對(duì)處理器的要求也非常 高，不僅要求性能高，造成的功耗也非常大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種新型的被動(dòng)綜合孔徑快速掃描成像系統(tǒng)，主要通過(guò)射頻移相器對(duì) 本發(fā)明系統(tǒng)中接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)移相控制，以實(shí)現(xiàn)在合成器中合成射頻信號(hào)后的 結(jié)果對(duì)應(yīng)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的某個(gè)特定的位置的輻射信號(hào)。通過(guò)不斷的改變相位的移相控制，可 以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的快速掃描成像。本發(fā)明主要采用上變頻技術(shù)對(duì)目標(biāo)的寬帶輻射信息進(jìn)行綜合孔徑成像，采用如下技術(shù)方案接收天線陣列接收來(lái)自目標(biāo)區(qū)域輻射和散射的射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪放大器后進(jìn)入 射頻移相器；同時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)所需探測(cè)位置計(jì)算出此時(shí)各通道所需的相移值，并通過(guò)驅(qū)動(dòng) 器對(duì)進(jìn)入相移器的射頻信號(hào)進(jìn)行移相，移相后的射頻信號(hào)輸入到合成器被合成后進(jìn)入射頻 探測(cè)器，射頻探測(cè)器的輸出進(jìn)入鎖相放大器后，最終輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理以形成目標(biāo)區(qū) 域的圖像。在本發(fā)明中，系統(tǒng)及其各個(gè)部分說(shuō)明如下(1)被動(dòng)綜合孔徑快速掃描成像系統(tǒng)由接收機(jī)子系統(tǒng)、信號(hào)合成子系統(tǒng)和鎖相探 測(cè)子系統(tǒng)組成。首先，接收機(jī)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收和放大來(lái)自目標(biāo)區(qū)域的射頻信號(hào)，信號(hào)合成子 系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)子系統(tǒng)輸出的射頻信號(hào)進(jìn)行先相移后合成，合成信號(hào)最終被鎖相探測(cè)子系統(tǒng) 探測(cè)并轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中處理和顯示。(2)接收機(jī)子系統(tǒng)是由天線陣列和低噪放大器組成；天線陣列接收來(lái)自目標(biāo)區(qū)域 的射頻信號(hào)，低噪放大器對(duì)該射頻信號(hào)進(jìn)行放大。(3)信號(hào)合成子系統(tǒng)是由射頻移相器、相移控制器、射頻合成器和計(jì)算機(jī)組成；計(jì) 算機(jī)根據(jù)目標(biāo)區(qū)域設(shè)定接收機(jī)子系統(tǒng)中射頻信號(hào)所需的相移值，并通過(guò)相移控制器給出控 制電壓，以驅(qū)動(dòng)射頻移相器對(duì)進(jìn)入其中的射頻信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的相移值，被移相的射頻信號(hào) 隨后進(jìn)入射頻合成器中進(jìn)行疊加合成。(4)鎖相探測(cè)子系統(tǒng)是由射頻探測(cè)器、射頻開(kāi)關(guān)、信號(hào)發(fā)生器和鎖相放大器組成； 信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率的方波信號(hào)控制射頻開(kāi)關(guān)的通斷以形成對(duì)進(jìn)入接收機(jī)子系統(tǒng)的 射頻信號(hào)的調(diào)制，被調(diào)制的射頻信號(hào)在經(jīng)過(guò)信號(hào)合成子系統(tǒng)后被射頻探測(cè)器獲取并進(jìn)入鎖 相放大器；同時(shí)，方波信號(hào)也輸入到鎖相放大器；經(jīng)過(guò)鎖相放大器處理的信號(hào)即是目標(biāo)區(qū) 域的視頻信號(hào)，該視頻信號(hào)最終進(jìn)入計(jì)算機(jī)被處理和顯示。(5)相移值的設(shè)定的原則為根據(jù)掃描方向可計(jì)算天線陣列接收來(lái)自目標(biāo)區(qū)域的 射頻信號(hào)的相位差，相移值是用來(lái)補(bǔ)償所述的相位差，使得所述本發(fā)明系統(tǒng)接收的掃描方 向的所有射頻信號(hào)的相位差為零，疊加后被加強(qiáng)，而非掃描方向外的信號(hào)疊加相消，以實(shí)現(xiàn) 最終合成器輸出的射頻信號(hào)為所述的掃描方向的進(jìn)入天線陣列的射頻信號(hào)。本發(fā)明的主要特色和優(yōu)勢(shì)一種新型的被動(dòng)綜合孔徑快速掃描成像系統(tǒng)，主要通 過(guò)射頻移相器對(duì)本發(fā)明系統(tǒng)中接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)移相控制，以實(shí)現(xiàn)在合成器中合 成射頻信號(hào)后的結(jié)果對(duì)應(yīng)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的某個(gè)特定的位置的輻射信號(hào)。通過(guò)不斷的改變相位 的移相控制，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的快速掃描成像。相對(duì)于傳統(tǒng)的被動(dòng)綜合孔徑成像系統(tǒng)，本 發(fā)明無(wú)需混頻和本振相關(guān)電路和設(shè)備，成像過(guò)程不存在復(fù)雜的計(jì)算，不要專門(mén)的大型信號(hào) 處理設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠；且由于移相過(guò)程、探測(cè)過(guò)程以及鎖相技術(shù)的頻率都可 以達(dá)到兆赫茲以上，因此本發(fā)明的被動(dòng)綜合孔徑快速掃描成像系統(tǒng)的成像速度毫不遜色于 傳統(tǒng)的被動(dòng)綜合孔徑成像系統(tǒng)。本發(fā)明的應(yīng)用前景本發(fā)明可用于機(jī)載和星載或其他載體平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地偵察、監(jiān) 視、遙感和監(jiān)測(cè)等各種應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明被動(dòng)綜合孔徑快速掃描成像系統(tǒng)圖
4
圖2為干涉式被動(dòng)綜合孔徑成像系統(tǒng)圖
圖3為具體實(shí)施方式
中的天線陣列的結(jié)構(gòu)圖
具體實(shí)施例方式根據(jù)圖1所示的被動(dòng)綜合孔徑快速掃描成像系統(tǒng)圖，在具體實(shí)施方案中以目前 較為常用的35GHz大氣窗口作為系統(tǒng)的射頻工作頻率，具體各個(gè)部分及其工作過(guò)程說(shuō)明如 下天線陣列1采用由16根天線組成的“Y”型陣列組成，其具體位置如圖3所示， 天線為WiseWave Technologiesd Inc.公司的ACH25020-2，其中心工作頻率正好包含 了 35GHz的大氣窗口。天線陣列1接收來(lái)自目標(biāo)區(qū)域輻射和散射的射頻信號(hào)，信號(hào)隨后 經(jīng)過(guò)一個(gè)可快速調(diào)制的毫米波射頻開(kāi)關(guān)2，然后進(jìn)入工作在天線中心頻率35GHz型號(hào)為 ALN-35024020-01的低噪放大器3，且被放大的射頻信號(hào)隨后進(jìn)入射頻移相器4。此時(shí)，計(jì)算機(jī)8根據(jù)所需探測(cè)位置計(jì)算出此時(shí)天線陣列各通道所需的相移值，并 通過(guò)相移控制器10對(duì)進(jìn)入射頻相移器4的射頻信號(hào)進(jìn)行移相，相移值是用來(lái)補(bǔ)償所述的相 位差，使得所述本發(fā)明系統(tǒng)接收的掃描方向的所有射頻信號(hào)的相位差為零，在射頻合成器5 中疊加后被加強(qiáng)，而非掃描方向外的信號(hào)疊加相消，以實(shí)現(xiàn)最終射頻合成器5輸出的射頻 信號(hào)為所述的掃描方向的進(jìn)入天線陣列的射頻信號(hào)。射頻合成器5中合成的射頻信號(hào)輸入射頻探測(cè)器6，射頻探測(cè)器6的輸出進(jìn)入鎖相 放大器7。本實(shí)施方案中采用信號(hào)發(fā)生器9輸出一個(gè)頻率為IMHz的方波脈沖信號(hào)分別給毫 米波射頻開(kāi)關(guān)2和鎖相放大器7作為參考信號(hào)以實(shí)現(xiàn)鎖相工作。鎖相放大器7的輸出最終 進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理以形成目標(biāo)區(qū)域的圖像。
權(quán)利要求
1.一種高空間分辨率的被動(dòng)綜合孔徑快速掃描成像系統(tǒng)，其特征是所述系統(tǒng)由接收 機(jī)子系統(tǒng)、信號(hào)合成子系統(tǒng)和鎖相探測(cè)子系統(tǒng)組成；各所述子系統(tǒng)工作如下，接收機(jī)子系統(tǒng) 負(fù)責(zé)接收和放大來(lái)自目標(biāo)區(qū)域的射頻信號(hào)，信號(hào)合成子系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)子系統(tǒng)輸出的射頻信 號(hào)進(jìn)行先相移后合成，合成信號(hào)最終被鎖相探測(cè)子系統(tǒng)探測(cè)并轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)輸入到計(jì)算 機(jī)中處理和顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述被動(dòng)綜合孔徑快速掃描成像系統(tǒng)，接收機(jī)子系統(tǒng)是由天線陣列 和低噪放大器組成；天線陣列接收來(lái)自目標(biāo)區(qū)域的射頻信號(hào)，低噪放大器對(duì)該射頻信號(hào)進(jìn) 行放大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述被動(dòng)綜合孔徑快速掃描成像系統(tǒng)，信號(hào)合成子系統(tǒng)是由射頻移 相器、相移控制器、射頻合成器和計(jì)算機(jī)組成；計(jì)算機(jī)根據(jù)目標(biāo)區(qū)域設(shè)定接收機(jī)子系統(tǒng)中射 頻信號(hào)所需的相移值，并通過(guò)相移控制器給出控制電壓，以驅(qū)動(dòng)射頻移相器對(duì)進(jìn)入其中的 射頻信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的相移值，被移相的射頻信號(hào)隨后進(jìn)入射頻合成器中進(jìn)行疊加合成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述被動(dòng)綜合孔徑快速掃描成像系統(tǒng)，鎖相探測(cè)子系統(tǒng)是由射頻探 測(cè)器、射頻開(kāi)關(guān)、信號(hào)發(fā)生器和鎖相放大器組成；信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率的方波信號(hào)控制 射頻開(kāi)關(guān)的通斷以形成對(duì)進(jìn)入接收機(jī)子系統(tǒng)的射頻信號(hào)的調(diào)制，被調(diào)制的射頻信號(hào)在經(jīng)過(guò) 信號(hào)合成子系統(tǒng)后被射頻探測(cè)器獲取并進(jìn)入鎖相放大器；同時(shí)，方波信號(hào)也輸入到鎖相放 大器；經(jīng)過(guò)鎖相放大器處理的信號(hào)即是目標(biāo)區(qū)域的視頻信號(hào)，該視頻信號(hào)最終進(jìn)入計(jì)算機(jī) 被處理和顯示。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述被動(dòng)綜合孔徑快速掃描成像系統(tǒng)，相移值的設(shè)定的原則為 根據(jù)掃描方向可計(jì)算天線陣列接收來(lái)自目標(biāo)區(qū)域的射頻信號(hào)的相位差，相移值是用來(lái)補(bǔ)償 所述的相位差，以實(shí)現(xiàn)所述掃描方向的射頻信號(hào)同相位并在合成器中被疊加加強(qiáng)，而非所 述掃描方向的射頻信號(hào)在疊加后相消，使得最終合成器輸出的射頻信號(hào)只包含所述掃描方 向的射頻信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種新型的被動(dòng)綜合孔徑快速掃描成像系統(tǒng)，可應(yīng)用于遙感、軍事偵察等領(lǐng)域在微波至太赫茲波波段的高分辨率快速掃描成像。在本發(fā)明中，接收天線陣列接收來(lái)自目標(biāo)區(qū)域輻射和散射的射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪放大器后進(jìn)入射頻移相器；同時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)所需探測(cè)位置計(jì)算出此時(shí)各通道所需的相移值，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)器對(duì)進(jìn)入相移器的射頻信號(hào)進(jìn)行移相，移相后的射頻信號(hào)輸入到合成器被合成后進(jìn)入射頻探測(cè)器，射頻探測(cè)器的輸出進(jìn)入鎖相放大器后，最終輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理以形成目標(biāo)區(qū)域的圖像。相比當(dāng)前被動(dòng)綜合孔徑成像技術(shù)，本發(fā)明系統(tǒng)無(wú)需任何相關(guān)器，具有復(fù)雜度低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S13/90GK102004247SQ20101027861
公開(kāi)日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者何云濤, 劉麗, 張躍東, 江月松 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)