專利名稱：負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域?qū)儆诶走_(dá)成像，天線，人造電磁材料領(lǐng)域的交叉領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于SAR雷達(dá)成像系統(tǒng)在白天黑夜，有云，霧或煙塵的環(huán)境均能對地面目標(biāo)成像， 故從20世紀(jì)90年代起受到廣泛重視。20世紀(jì)90年代前半期的衛(wèi)星SAR質(zhì)量輕，體積大， 費(fèi)用高，近年來的發(fā)展趨向于質(zhì)量輕，體積小，費(fèi)用低，高敏捷，低功耗，且具備多成像模式， 高分辨和對指定區(qū)域快速響應(yīng)成像能力的敏捷SAR。不管用怎樣的方式，SAR天線及其外圍設(shè)備占了星載SAR系統(tǒng)的大部分重量，而且合成孔徑的大小決定了成像的分辨率。目前提高分辨率的方法就只是增大合成孔徑的長度，為此設(shè)計(jì)了復(fù)雜的聚束波束成像系統(tǒng)和分布式準(zhǔn)確編隊(duì)的小衛(wèi)星成像系統(tǒng)(每個(gè)小衛(wèi)星被設(shè)計(jì)為一個(gè)大的DBF陣列的一個(gè)單元)。這樣依靠提高設(shè)備的復(fù)雜度的方法，雖然提高了分辨率，但是耗資巨大，同時(shí)復(fù)雜的編隊(duì)模式會妨礙雷達(dá)成像算法的實(shí)時(shí)性。隨著左手介質(zhì)材料等新型材料的問世，采用左手介質(zhì)材料的雷達(dá)成像系統(tǒng)的成像原理可以不依賴于大的合成孔徑便成出任意高分辨率的像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決SAR雷達(dá)成像系統(tǒng)中合成孔徑長度對成像分辨率的約束， 即解決只有增大合成孔徑的長度，才能提高成像分辨率的約束。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)，包括采用左手介質(zhì)的雷達(dá)接收天線及射頻單元；雷達(dá)發(fā)射天線及射頻單元；控制中心；發(fā)射基帶處理單元；采集回波數(shù)據(jù)的圖像采集單元；將采集的回波數(shù)據(jù)成像的圖像處理單元；所述采用左手介質(zhì)材料的雷達(dá)接收天線及射頻單元，采集回波數(shù)據(jù)的圖像采集單元和將采集的回波數(shù)據(jù)成像的圖像處理單元依次連接；雷達(dá)發(fā)射天線及射頻單元與產(chǎn)生調(diào)制波的發(fā)射基帶處理單元相連；控制中心分別與圖像處理單元和發(fā)射基帶處理單元相連。根據(jù)本發(fā)明提供的負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的優(yōu)選技術(shù)方案是采用的左手介質(zhì)材料是通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上設(shè)計(jì)有序的結(jié)構(gòu)形成人工復(fù)合結(jié)構(gòu)，從復(fù)合結(jié)構(gòu)的每個(gè)單元看其等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率均小于零，從而它具有天然材料所不具備的負(fù)折射率的超常物理性質(zhì)。所述負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)是采用左手介質(zhì)材料雷達(dá)天線的新型高分辨率雷達(dá)成像系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明提供的負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的優(yōu)選技術(shù)方案是采用左手介質(zhì)材料的雷達(dá)接收天線包括左手介質(zhì)上層板；激勵(lì)天線；所述左手介質(zhì)上層板是左手介質(zhì)板被放置在與激勵(lì)天線輻射口徑平行的并有一定距離的平面處，所述左手介質(zhì)上層板的中間是平面，周邊可以是其它形狀，這里不作規(guī)定。根據(jù)本發(fā)明提供的負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的優(yōu)選技術(shù)方案是采用左手介質(zhì)材料
3的雷達(dá)接收天線，依據(jù)左手介質(zhì)上層板與激勵(lì)天線輻射口徑間的距離的不同，左手介質(zhì)上層板可以是高透射率面，也可以是具有不同反射相位的高反射率面，所述高透射率左手介質(zhì)上層板是指照射到左手介質(zhì)上層板入射波的能量的85%以上可以透過左手介質(zhì)上層板， 所述具有不同反射相位的高反射率左手介質(zhì)上層板是指入射到左手介質(zhì)上層板的入射波的能量的85%以上被反射，反射波的相位可以是不同值。根據(jù)本發(fā)明提供的負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的優(yōu)選技術(shù)方案是將采集的回波數(shù)據(jù)成像的圖像處理單元包括負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的高分辨率成像原理，所述負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的高分辨率成像原理是由于左手介質(zhì)材料的負(fù)折射率的特殊性能，可以使激勵(lì)天線在距目標(biāo)近的距離上成出激勵(lì)天線的像，簡稱像天線，像天線所在的像平面距目標(biāo)的距離可以通過調(diào)整左手介質(zhì)材料的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率控制，從而調(diào)整了成像的分辨率的大小，理論上成像分辨率可以精確到一個(gè)點(diǎn)，這從根本上解決了合成孔徑的長度對成像分辨率的約束即很小的合成孔徑長度就可以成出任意高分辨率的像；即采用條帶式成像模式就可以實(shí)時(shí)的獲取任意高分辨率的像。根據(jù)本發(fā)明提供的負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的優(yōu)選技術(shù)方案是激勵(lì)天線通過左手介質(zhì)層成的像平面可以在激勵(lì)天線和目標(biāo)之間，也可以是目標(biāo)在激勵(lì)天線和激勵(lì)天線像平面之間。本發(fā)明的有益的技術(shù)效果是通過將具有負(fù)折射率的左手介質(zhì)用于雷達(dá)成像系統(tǒng)的接收天線，使激勵(lì)天線在距目標(biāo)近的距離上成出激勵(lì)天線的像，像天線所在的像平面距目標(biāo)的距離可以通過調(diào)整左手介質(zhì)的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率控制，從而調(diào)整了成像分辨率的大小，理論上分辨率可以精確到一個(gè)點(diǎn)，這從根本上解決了合成孔徑的長度對成像分辨率的約束即很小的合成孔徑長度就可以獲得任意高分辨率的像；即采用條帶式成像模式就可以實(shí)時(shí)的獲取任意高分辨率的像。說明書附1本發(fā)明負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2本發(fā)明負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的帶有左手介質(zhì)材料的接收天線的結(jié)構(gòu)圖；①左手介質(zhì)材料上層板；②激勵(lì)天線；③激勵(lì)天線介質(zhì)底板；圖3本發(fā)明負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的將采集的回波數(shù)據(jù)成像的圖像處理單元的高分辨率成像原理示意圖；④左手介質(zhì)等效分隔層；⑤激勵(lì)天線成像平面；⑥激勵(lì)天線的像天線；⑦運(yùn)動(dòng)中的雷達(dá)成像系統(tǒng)的激勵(lì)天線在t = t0時(shí)刻的位置；圖4本發(fā)明負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的將采集的回波數(shù)據(jù)成像的圖像處理單元的 Range-Doppler算法流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明做詳細(xì)說明。
請參照

圖1，本發(fā)明提供的負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)，包括采用左手介質(zhì)的雷達(dá)接收天線及射頻單元；雷達(dá)發(fā)射天線及射頻單元；控制中心；發(fā)射基帶處理單元；采集回波數(shù)據(jù)的圖像采集單元；將采集的回波數(shù)據(jù)成像的圖像處理單元；所述采用左手介質(zhì)材料的雷達(dá)接收天線及射頻單元，采集回波數(shù)據(jù)的圖像采集單元和將采集的回波數(shù)據(jù)成像的圖像處理單元依次連接；雷達(dá)發(fā)射天線及射頻單元與產(chǎn)生調(diào)制波的發(fā)射基帶處理單元相連；控制中心分別與圖像處理單元和發(fā)射基帶處理單元相連。請參照圖2，本發(fā)明是將具有負(fù)折射率的新型左手介質(zhì)材料(或metamaterial的一種)用于雷達(dá)成像系統(tǒng)的天線，該左手材料①可以是高透射，或高反射率平面，②是激勵(lì)天線，③是激勵(lì)天線所在的介質(zhì)底板。左手介質(zhì)材料是通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上設(shè)計(jì)有序的結(jié)構(gòu)形成人工復(fù)合結(jié)構(gòu)，從復(fù)合結(jié)構(gòu)的每個(gè)單元看其等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率均小于零，從而它具有天然材料所不具備的負(fù)折射率的超常物理性質(zhì)。請參照圖3，本發(fā)明的將采集的回波數(shù)據(jù)成像的圖像處理單元的高分辨率成像原理示意圖。天線是雷達(dá)成像系統(tǒng)的核心，帶有左手介質(zhì)材料的天線的載體以速度i；運(yùn)動(dòng)，形成了所示的左手介質(zhì)分隔層④。左手介質(zhì)分隔層的厚度為d，其相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率分別為ε ρ μΓθ激勵(lì)天線⑦距左手介質(zhì)分隔層的距離為(V假設(shè)激勵(lì)天線在、_ δ時(shí)刻處于相位中心點(diǎn)0的位置，目標(biāo)點(diǎn)在0'點(diǎn)，如果沒有左手介質(zhì)分隔層，要在距激勵(lì)天線徑向距離為R的地面上，成像分辨率達(dá)到δ χ,其聚束波束合成孔徑的波束寬度應(yīng)該是2 θ 0, 聚束波束合成孔徑的長度約是L= λ R/δ χ，其中λ是工作波長。條帶合成孔徑的長度要求會更長。如果加上高透射的左手介質(zhì)隔離層，同樣波束寬度的電磁輻射經(jīng)左手介質(zhì)負(fù)折射率折射后，激勵(lì)天線⑦可以在平面⑤上成像，其像天線為⑥，這樣照射到目標(biāo)上的電磁波就像是位于像平面上的像天線發(fā)出的波一樣，由于像平面可以設(shè)計(jì)的離目標(biāo)很近，所以其分辨率δχ'可以成倍的小于原始SAR成像的δ χ，當(dāng)像平面穿過目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，其成像分辨率可以是零。由以上分析可知，由于引入了左手介質(zhì)隔離層，所以產(chǎn)生了激勵(lì)天線的像天線，從而提高了分辨率，分辨率的高低可以由調(diào)控像平面距目標(biāo)的距離而定，而不再像SAR系統(tǒng)一樣，分辨率依賴于合成孔徑天線的波束寬度，即合成孔徑的長度。所以既使我們使用了波束寬度大于2 θ ^的天線，只要調(diào)整好左手介質(zhì)隔離層的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率，我們就可以從回波中直接實(shí)時(shí)的得到所需要的高分辨率圖像?；谠摪l(fā)明的方法設(shè)計(jì)的雷達(dá)成像系統(tǒng)也可以設(shè)計(jì)成合成孔徑成像模式，使單雷達(dá)成像系統(tǒng)僅采用條帶成像模式就可以在小的合成孔徑長度下得到任意高分辨率，而且條帶成像模式也比較容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。這樣避免了采用復(fù)雜的成像模式，就可以得到任意高分辨率。電磁波經(jīng)負(fù)折射率隔離層的傳播路徑及雷達(dá)成像系統(tǒng)雙程相移的計(jì)算方法如下。電磁波經(jīng)負(fù)折射率隔離層的波的傳播路徑由以下公式?jīng)Q定k0sin θ 0 = -kpin θ 工，其中θ ^為激勵(lì)天線的半波束寬度和Q1為以θ ^為入射角的電磁波照射到左手介質(zhì)材料時(shí)的折射角。1 = ω/C(1，其中Ctl為光速，ω為工作頻率。
中、為左手介質(zhì)材料的等效介電常數(shù)，μ ^為左手介質(zhì)材料的等效磁導(dǎo)率。雷達(dá)成像系統(tǒng)發(fā)射天線是含左手介質(zhì)材料的天線的雙程相移的計(jì)算方法e-j2k0(d0+d+F+R')/cos0o ^lkQdZcoseoe-JlklCi Zcosel
雷達(dá)成像系統(tǒng)發(fā)射天線不是含左手介質(zhì)材料的天線的雙程相移的計(jì)算方法e~Jk0d01 cos 6>o-jk0F / cos θ0-jk0R' / cos(d0 +d+F+R') / cos θ0 ejk0d / cos θ0 e-jkxd / cos請參考圖4，本發(fā)明的將采集的回波數(shù)據(jù)成像的圖像處理單元的Range-Doppler 算法流程圖基于該發(fā)明的設(shè)計(jì)方法與合成孔徑成像相結(jié)合的成像算法可用標(biāo)準(zhǔn)的 Range-Doppler成像算法流程。
權(quán)利要求
1.負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)，其特征在于，所述負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)包括采用左手介質(zhì)的雷達(dá)接收天線及射頻單元；雷達(dá)發(fā)射天線及射頻單元；控制中心；發(fā)射基帶處理單元；采集回波數(shù)據(jù)的圖像采集單元；將采集的回波數(shù)據(jù)成像的圖像處理單元；所述采用左手介質(zhì)材料的雷達(dá)接收天線及射頻單元，采集回波數(shù)據(jù)的圖像采集單元和將采集的回波數(shù)據(jù)成像的圖像處理單元依次連接；雷達(dá)發(fā)射天線及射頻單元與產(chǎn)生調(diào)制波的發(fā)射基帶處理單元相連；控制中心分別與圖像處理單元和發(fā)射基帶處理單元相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)，其特征在于，所述左手介質(zhì)材料是通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上設(shè)計(jì)有序的結(jié)構(gòu)形成人工復(fù)合結(jié)構(gòu)，從復(fù)合結(jié)構(gòu)的每個(gè)單元看其等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率均小于零，從而它具有天然材料所不具備的負(fù)折射率的超常物理性質(zhì)。所述負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)是采用左手介質(zhì)材料雷達(dá)天線的新型高分辨率雷達(dá)成像系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1與2所述的負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)，其特征在于，所述采用左手介質(zhì)材料的雷達(dá)接收天線包括左手介質(zhì)上層板；激勵(lì)天線；所述左手介質(zhì)上層板是左手介質(zhì)板被放置在與激勵(lì)天線輻射口徑平行的并有一定距離的平面處，所述左手介質(zhì)上層板的中間是平面，周邊可以是其它形狀，這里不作規(guī)定。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用左手介質(zhì)材料的雷達(dá)接收天線，其特征在于，所述采用左手介質(zhì)材料的雷達(dá)接收天線，依據(jù)左手介質(zhì)上層板與激勵(lì)天線輻射口徑間的距離的不同，左手介質(zhì)上層板可以是高透射率面，也可以是具有不同反射相位的高反射率面，所述高透射率左手介質(zhì)上層板是指照射到左手介質(zhì)上層板入射波的能量的85%以上可以透過左手介質(zhì)上層板，所述具有不同反射相位的高反射率左手介質(zhì)上層板是指入射到左手介質(zhì)上層板的入射波的能量的85%以上被反射，反射波的相位可以是不同值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)，其特征在于，所述將采集的回波數(shù)據(jù)成像的圖像處理單元包括負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的高分辨率成像原理，所述負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的高分辨率成像原理是由于左手介質(zhì)材料的負(fù)折射率的特殊性能，可以使激勵(lì)天線在距目標(biāo)近的距離上成出激勵(lì)天線的像，簡稱像天線，像天線所在的像平面距目標(biāo)的距離可以通過調(diào)整左手介質(zhì)材料的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率控制，從而調(diào)整了成像的分辨率的大小，理論上成像分辨率可以精確到一個(gè)點(diǎn)，這從根本上解決了合成孔徑的長度對成像分辨率的約束即很小的合成孔徑長度就可以成出任意高分辨率的像；即采用條帶式成像模式就可以實(shí)時(shí)的獲取任意高分辨率的像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的負(fù)反射率雷達(dá)成像系統(tǒng)的圖像處理單元的高分辨成像原理， 其特征在于，所述激勵(lì)天線通過左手介質(zhì)層成的像平面可以在激勵(lì)天線和目標(biāo)之間，也可以是目標(biāo)在激勵(lì)天線和激勵(lì)天線像平面之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了負(fù)折射率雷達(dá)成像系統(tǒng)。包括采用左手介質(zhì)材料的雷達(dá)接收天線及射頻單元；雷達(dá)發(fā)射天線及射頻單元；控制中心；發(fā)射基帶處理單元；采集回波數(shù)據(jù)的圖像采集單元；將采集的回波數(shù)據(jù)成像的圖像處理單元；本發(fā)明通過將具有負(fù)折射率的左手介質(zhì)用于雷達(dá)成像系統(tǒng)的接收天線，使激勵(lì)天線在距目標(biāo)近的距離上成出激勵(lì)天線的像，像天線所在的像平面距目標(biāo)的距離可以通過調(diào)整左手介質(zhì)的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率控制，從而調(diào)整了成像分辨率的大小，理論上分辨率可以精確到一個(gè)點(diǎn)，這從根本上解決了合成孔徑的長度對成像分辨率的約束即很小的合成孔徑長度就可以獲得任意高分辨率的像；即采用條帶式成像模式就可以實(shí)時(shí)的獲取任意高分辨率的像。
文檔編號G01S7/02GK102230965SQ201110072610
公開日2011年11月2日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者李亞丁 申請人:李亞丁