一種基于稀疏MIMO線陣的毫米波下視三維成像雷達

任芳芳， 許高升， 孫銘芳， 王 征

（北京華航無線電測量研究所，北京100013）

0 引言

稀疏化MIMO線陣天線的出現使得下視三維成像雷達的實現成為可能。下視三維成像雷達能夠克服SAR成像中固有的陰影效應、頂底倒置等問題，在保留了SAR成像優點的基礎上，增加了跨航向分辨率，能夠對地形起伏劇烈的區域進行真實三維成像，在測繪、救援等方面具有廣闊的應用前景。目前，針對毫米波下視三維成像技術的研究多停留在算法層面，尚未見到三維成像雷達系統的工程實現，本文從工程實現的角度出發，給出了一種基于稀疏MIMO線陣的毫米波下視三維成像雷達的系統設計方案。

1 基礎

國際上，2004年法國航空航天研究院（ONERA）的R.Giret，H.Jeuland和P.Enert提出了一種無人機上的三維毫米波成像雷達系統［1］，該系統在無人機的機翼上安裝一個實陣列，發射線性調頻信號，利用下視波束來進行三維SAR成像，從而克服了因地形遮擋帶來的陰影效應，給出了單點在距離向、沿航向、跨航向的點擴散函數仿真結果。

2005年，德國FGAN研究所利用Ka波段調頻連續波雷達進行三維SAR成像技術研究，即機載三維成像天底觀測雷達（Airborne Radar for Three Dimensionally Imaging and Nadir Observation：ARTINO）［2］，該系統是在無人機的機翼上安裝一個線陣天線，天線垂直照射成像區域。可安裝的線陣的長度為4 m，飛行速度（10～15）m/s，發射信號采用調頻連續波體制，后來該團隊陸續發表了針對點目標的算法仿真和工程實現結果［3］，開展了一些飛行試驗［4，5］，但至今未見到有基于飛行試驗數據的成像結果發表。

同年，ONERA電磁雷達部開始開發針對無人機應用平臺的三維成像雷達DRIVE［6］，并于2006年9月完成首飛，搭載平臺為S10-VT電動滑翔機。DRIVE采用調頻連續波體制，工作于Ka波段，中心頻率為35 GHz，帶寬800 MHz。后續針對3D DRIVE又開展了天線與機翼整合、天線結構及天線特性仿真等方面的研究。

德國FGAN研究所分別于2010年和2013年開發了X波段靜態MIMO三維成像系統MIRA-CLE X，以及Ka波段的靜態MIMO三維成像系統 MIRA-CLE，對典型目標進行了遠近成像，成像結果與目標實際位置吻合良好。

國內，電子科技大學、中科院電子所、國防科技大學等單位也在研究三維成像技術。他們在算法研究方面做了許多工作，并采用測試設備搭建了驗證系統。截至目前，尚未見到有毫米波稀疏MIMO線陣下視三維成像雷達的工程實現成果。

2 幾何模型

如圖1所示，系統采用線陣天線垂直向下照射，通過天線在方位向的移動形成合成孔徑獲取方位向分辨率，線陣天線與平臺運動方向垂直，發射陣元在兩邊，接收陣元在中間，通過等效得到的實孔徑獲得跨航向分辨率，距離向分辨率通過天線收發的時域寬帶調頻信號獲得。

3 系統組成

系統硬件由天線、毫米波收發前端、頻綜、中頻接收機、信號處理分機、測控成像處理計算機和電源組成，如圖2所示。

下視三維成像跨航向分辨率與發射信號頻率、線陣長度、飛行高度均有關。為了在200 m高度處得到1 m×1 m×1 m的三維分辨率，發射信號采用Ka波段線性調頻脈沖，天線陣元為32個。為了節約后續信號處理硬件資源，收發均采用分時控制，實現分時分組MIMO收發。

4 稀疏MIMO線陣天線設計

4.1 天線陣型及陣元數量

采用發射陣元在兩邊、接收陣元在中間的線陣天線陣型，根據等效相位中心原理，對所需陣元個數進行稀疏化后，得到所需的實際發射與接收陣元均為16個，天線形式如圖3所示，間距d為半個波長。

4.2 天線收發控制策略

為減少硬件開銷，天線發射、接收采用分時分組循環控制方式。所有接收陣元被分為4組：第一組為 R1、R5、R9、R13；第二組 R2、R6、R10、R14；第三組 R3、R7、R11、R15；第四組 R4、R8、R12、R16。每個PRT內只有一個發射陣元發射信號，只有一組接收陣元同時接收信號。第一個PRT內，T1發射，R1、R5、R9、R13同時接收；第二個PRT內，T1發射，R2、R6、R10、R14同時接收；第三個 PRT 內，T1發射，R3、R7、R11、R15同時接收；第四個PRT內，T1發射，R4、R8、R12、R16同時接收。然后，T2發射，四組接收按T1發射時的接收順序接收。如此，發射單元逐一輪換，直至輪換到T16發射。至此，完成一個完整的發射循環。接下來的每個發射循環均重復上述過程。

4.3 回波重組

由于接收采用分時分組控制，使得16×4=64個PRT才能完成一個MIMO循環，得到一個完整的256個等效陣元回波。由于發射陣元在兩邊，接收陣元在中間，需要對64個PRT內的回波進行重組，才能得到對應256個陣元的回波。

5 系統軟件設計

雷達主控軟件主要是接收測控與成像計算機（上位機）的指令，產生控制指令和脈沖，對雷達分機進行工作狀態控制，接收處理結果，并向上位機發送處理結果，主控軟件控制流程如圖4所示。測控與成像計算機主要是向主控發送指令控制雷達完成雷達自檢、校正和成像處理等功能，同時接收、回波數據，并進行校正、成像等。測控與成像計算機軟件流程，如圖5所示。

6 下視三維成像雷達系統仿真

系統仿真參數，如表1所示。

采用本文所提系統方案，對點目標和面目標進行三維成像，成像結果分別如圖6、圖7所示。從仿真結果可以看出，系統方案能夠實現三維空間散射點的良好聚焦。在圖6中，成像目標是在三個維度均勻分布的7個點目標，最小間距均為3 m。可以看到，成像后的結果能夠將7個點目標在三個維度準確分辨開，表明本文方案具有三維成像能力，且最小分辨率可達到1 m×1m×1.2 m。在圖7中，成像目標是一個25 m×25 m×16 m的錐狀面目標。仿真結果表明，本文方案可以對面目標進行精確成像。

表1 毫米波稀疏MIMO線陣下視三維成像雷達系統參數

7 結論

本文給出了一種基于稀疏MIMO線陣的毫米波下視三維成像雷達系統設計方案，給出了系統主要參數、控制策略、硬件設計、軟件設計等，并對所提方案進行了系統仿真，仿真結果表明系統設計合理、有效。

目前，由于收發都采用分時控制，系統的有效重頻被降低，當飛行速度較高時，為避免多普勒模糊，重頻要求會更高，后續考慮引入正交波形發射方式，降低對重頻的要求，以適應更高飛行速度。

此外，在同一高度上，線陣三維成像雷達的分辨率與等效陣元個數密切相關，但陣元個數的增加會直接增加回波數據量，使得成像處理壓力增大，后續考慮在現有系統基礎上，引進利用少量回波數據進行較高分辨率成像的方法。同時，還可通過引入GPU計算模塊來提高成像速度。