线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置和方法

摘要

公开了线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置和方法。包括：MIMO收发控制器和基准频率源，产生基准信号；波形发生器，根据基准信号产生子脉冲基带线性调频信号；本振信号产生模块，根据基准信号产生多路中频本振信号和多路射频本振信号；正交调制模块，对子脉冲基带线性调频信号和一路中频本振信号正交调制，产生多路中频信号；多通道发射机，对多路中频信号和多路射频本振信号混频，生成多路射频信号，将多路射频信号同时发送至线性发射阵列天线；多通道接收机，同时接收来自线性接收阵列天线的多路回波信号，根据多路射频本振信号和多路中频本振信号对多路回波信号正交解调，生成多路视频回波信号。由此，能实现微波信号的同时多发多收。

权利要求

1.一种线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置，其特征在于，该装置包括：

MIMO收发控制器和基准频率源，该基准频率源在所述MIMO收发控制器的控制下产生基准信号；

波形发生器，与所述基准频率源连接，用于根据所述基准信号产生子脉冲基带线性调频信号；

本振信号产生模块，与所述MIMO收发控制器和所述基准频率源连接，用于在所述MIMO收发控制器的控制下，根据所述基准信号产生多路中频本振信号和多路射频本振信号，所述本振信号产生模块包括频率合成器和第二功分网络，其中：所述频率合成器用于在所述MIMO收发控制器的控制下，根据所述基准信号产生一路中频本振信号和一组2N路射频本振信号；以及所述第二功分网络用于将所述一路中频本振信号分成M组2N路中频本振信号，以及将所述一组2N路射频本振信号分成M+1组2N路射频本振信号，其中，M为所述线性接收阵列天线的接收天线数量，以及2N为所述线性发射阵列天线的发射天线数量，并且M≥2，2N≥2；

正交调制模块，与所述本振信号产生模块和所述波形发生器连接，用于对所述子脉冲基带线性调频信号和所述一路中频本振信号进行正交调制，产生多路中频信号；

多通道发射机，与所述正交调制模块和所述本振信号产生模块连接，用于对所述多路中频信号和多路射频本振信号进行混频，生成多路射频信号，并将所述多路射频信号同时发送至线性阵列天线中的线性发射阵列天线；以及多通道接收机，与所述本振信号产生模块连接，用于同时接收来自所述线性阵列天线中的线性接收阵列天线的多路回波信号，根据多路射频本振信号和所述多路中频本振信号对所接收到的多路回波信号进行正交解调，生成多路视频回波信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，根据多路射频本振信号和所述多路中频本振信号对所接收到的多路回波信号进行正交解调，生成所述多路视频回波信号包括：对多路射频本振信号和所接收到的多路回波信号进行混频，形成多路中频回波信号；以及对所述多路中频本振信号和所述多路中频回波信号进行正交解调，生成所述多路视频回波信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

其中，Lsyn为所述线性阵列天线的水平方向尺寸大小；Δlh_tr为所述线性发射阵列天线中的任意相邻独立发射天线阵元口面中心之间的最小水平间距；以及Δlh_re为所述线性接收阵列天线中的任意相邻独立接收天线阵元口面中心之间的最小水平间距。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述正交调制模块包括正交调制器和第一功分网络，其中：所述正交调制器用于对所述子脉冲基带线性调频信号和所述一路中频本振信号进行正交调制，生成一路中频信号；以及所述第一功分网络用于将所述一路中频信号分成2N路中频信号；

所述多通道发射机包括2N个发射机，用于对所述2N路中频信号和所述M+1组2N路射频本振信号中的一组2N路射频本振信号进行混频，生成2N路射频信号，并将所述2N路射频信号同时发送至所述线性发射阵列天线；以及所述多通道接收机包括M个接收机，用于根据所述M+1组2N路射频本振信号中剩余M组2N路射频本振信号和所述M组2N路中频本振信号对所接收到的回波信号进行正交解调，生成2N×M路视频回波信号。

5.一种线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发方法，其特征在于，该方法包括：

产生基准信号；

根据所述基准信号产生子脉冲基带线性调频信号；

根据所述基准信号产生多路中频本振信号和多路射频本振信号，包括：

根据所述基准信号产生一路中频本振信号和一组2N路射频本振信号；以及将所述一路中频本振信号分成M组2N路中频本振信号，将所述一组2N路射频本振信号分成M+1组2N路射频本振信号，其中，M为所述线性接收阵列天线的接收天线数量，以及

2N为所述线性发射阵列天线的发射天线数量，并且M≥2，2N≥2；

对所述子脉冲基带线性调频信号和所述一路中频本振信号进行正交调制，产生多路中频信号；

对所述多路中频信号和多路射频本振信号进行混频，生成多路射频信号，并将所述多路射频信号同时发送至线性阵列天线中的线性发射阵列天线；以及同时接收来自所述线性阵列天线中的线性接收阵列天线的多路回波信号，根据多路射频本振信号和所述多路中频本振信号对所接收到的多路回波信号进行正交解调，生成多路视频回波信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据多路射频本振信号和所述多路中频本振信号对所接收到的多路回波信号进行正交解调，生成所述多路视频回波信号的步骤包括：对多路射频本振信号和所接收到的多路回波信号进行混频，形成多路中频回波信号；

以及对所述多路中频本振信号和所述多路中频回波信号进行正交解调，生成所述多路视频回波信号。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

其中，Lsyn为所述线性阵列天线的水平方向尺寸大小；Δlh_tr为所述线性发射阵列天线中的任意相邻独立发射天线阵元口面中心之间的最小水平间距；以及Δlh_re为所述线性接收阵列天线中的任意相邻独立接收天线阵元口面中心之间的最小水平间距。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述子脉冲基带线性调频信号和所述一路中频本振信号进行正交调制，产生多路中频信号的步骤包括：对所述子脉冲基带线性调频信号和所述一路中频本振信号进行正交调制，生成一路中频信号；以及将所述一路中频信号分成2N路中频信号；

对所述2N路中频信号和所述M+1组2N路射频本振信号中的一组2N路射频本振信号进行混频，生成2N路射频信号，并将所述2N路射频信号发送至所述线性发射阵列天线；以及根据所述M+1组2N路射频本振信号中剩余M组2N路射频本振信号和所述M组2N路中频本振信号对所接收到的回波信号进行正交解调，生成2N×M路视频回波信号。

说明书

线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微波成像领域，具体地，涉及一种线性阵列天线正交频分MIMO-SAR(多输入多输出-合成孔径雷达)收发装置和方法。

背景技术

[0002] 传统的目视、光学或红外等措施的受地形、天气和昼夜等因素的影响较大，不具备全天候和全天时的工作能力，机载阵列天线前视成像系统不仅能够穿透烟、雾、云层和浮尘等，以及不受天气和气候影响，而且能够对飞机前下方区域进行实时高分辨率成像，还能为飞机的着陆、侦察、搜救和起飞提供真实的地面信息，增强飞机的导航和运输救援能力；此外，采用特定工作频段，其雷达系统轻量和小型化易于实现，增强了系统与平台的适应性。

[0003] 但现有的机载阵列天线前视成像系统由于采用分时单发单收或单发多收工作方式等效实现多发多收(Multi Input Multi Output，简称MIMO)，进而获取观测区域的回波信号，因此，还存在较多问题需要进一步改善。首先，同等工作条件下，分时收发工作方式需要提高系统的脉冲重复频率，进而降低了系统的不模糊成像距离，不利于实现大幅宽成像；其次，由于平台运动影响，分时收发使得常规数据采集模式“走-停-走”不再成立，引起成像处理和运动补偿的复杂性；最后，由于采用微波开关网络进行分时单发单收或单发多收工作方式，单次数据获取时间较长，系统图像刷新率相对较小。因此，迫切需要一种新型的、能够同时MIMO的微波信号收发机制。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种能够同时MIMO的线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置和方法。

[0005] 为了实现上述目的，本发明提供一种线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置，该装置包括：MIMO收发控制器和基准频率源，该基准频率源在所述MIMO收发控制器的控制下产生基准信号；波形发生器，与所述基准频率源连接，用于根据所述基准信号产生子脉冲基带线性调频信号；本振信号产生模块，与所述MIMO收发控制器和所述基准频率源连接，用于在所述MIMO收发控制器的控制下，根据所述基准信号产生多路中频本振信号和多路射频本振信号；正交调制模块，与所述本振信号产生模块和所述波形发生器连接，用于对所述子脉冲基带线性调频信号和一路中频本振信号进行正交调制，产生多路中频信号；多通道发射机，与所述正交调制模块和所述本振信号产生模块连接，用于对所述多路中频信号和多路射频本振信号进行混频，生成多路射频信号，并将所述多路射频信号同时发送至线性阵列天线中的线性发射阵列天线；以及多通道接收机，与所述本振信号产生模块连接，用于同时接收来自所述线性阵列天线中的线性接收阵列天线的多路回波信号，根据多路射频本振信号和所述多路中频本振信号对所接收到的多路回波信号进行正交解调，生成多路视频回波信号。

[0006] 优选地，根据多路射频本振信号和所述多路中频本振信号对所接收到的多路回波信号进行正交解调，生成所述多路视频回波信号包括：对多路射频本振信号和所接收到的多路回波信号进行混频，形成多路中频回波信号；以及对所述多路中频本振信号和所述多路中频回波信号进行正交解调，生成所述多路视频回波信号。

[0007] 优选地，所述本振信号产生模块包括频率合成器和第二功分网络，其中：所述频率合成器用于在所述MIMO收发控制器的控制下，根据所述基准信号产生所述一路中频本振信号和一组2N路射频本振信号；以及所述第二功分网络用于将所述一路中频本振信号分成M组2N路中频本振信号，以及将所述一组2N路射频本振信号分成M+1组2N路射频本振信号，其中，M为所述线性接收阵列天线的接收天线数量，以及2N为所述线性发射阵列天线的发射天线数量，并且M≥2，2N≥2。

[0008] 优选地，

[0009] 其中，Lsyn为所述线性阵列天线的水平方向尺寸大小；Δlh_tr为所述线性发射阵列天线中的任意相邻独立发射天线阵元口面中心之间的最小水平间距；以及Δlh_re为所述线性接收阵列天线中的任意相邻独立接收天线阵元口面中心之间的最小水平间距。

[0010] 优选地，所述正交调制模块包括正交调制器和第一功分网络，其中：所述正交调制器用于对所述子脉冲基带线性调频信号和所述一路中频本振信号进行正交调制，生成一路中频信号；以及所述第一功分网络用于将所述一路中频信号分成2N路中频信号。

[0011] 优选地，所述多通道发射机包括2N个发射机，用于对所述2N路中频信号和所述M+1组2N路射频本振信号中的一组2N路射频本振信号进行混频，生成2N路射频信号，并将所述2N路射频信号同时发送至所述线性发射阵列天线。

[0012] 优选地，所述多通道接收机包括M个接收机，用于根据所述M+1组2N路射频本振信号中剩余M组2N路射频本振信号和所述M组2N路中频本振信号对所接收到的回波信号进行正交解调，生成2N×M路视频回波信号。

[0013] 本发明还提供一种线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发方法，该方法包括：产生基准信号；根据所述基准信号产生子脉冲基带线性调频信号；根据所述基准信号产生多路中频本振信号和多路射频本振信号；对所述子脉冲基带线性调频信号和一路中频本振信号进行正交调制，产生多路中频信号；对所述多路中频信号和多路射频本振信号进行混频，生成多路射频信号，并将所述多路射频信号同时发送至线性阵列天线中的线性发射阵列天线；以及同时接收来自所述线性阵列天线中的线性接收阵列天线的多路回波信号，根据多路射频本振信号和所述多路中频本振信号对所接收到的多路回波信号进行正交解调，生成多路视频回波信号。

[0014] 优选地，根据多路射频本振信号和所述多路中频本振信号对所接收到的多路回波信号进行正交解调，生成所述多路视频回波信号的步骤包括：对多路射频本振信号和所接收到的多路回波信号进行混频，形成多路中频回波信号；以及对所述多路中频本振信号和所述多路中频回波信号进行正交解调，生成所述多路视频回波信号。

[0015] 优选地，根据所述基准信号产生多路中频本振信号和多路射频本振信号的步骤包括：根据所述基准信号产生所述一路中频本振信号和一组2N路射频本振信号；以及将所述一路中频本振信号分成M组2N路中频本振信号，将所述一组2N路射频本振信号分成M+1组2N路射频本振信号，其中，M为所述线性接收阵列天线的接收天线数量，以及2N为所述线性发射阵列天线的发射天线数量，并且M≥2，2N≥2。

[0016] 优选地，

[0017] 其中，Lsyn为所述线性阵列天线的水平方向尺寸大小；Δlh_tr为所述线性发射阵列天线中的任意相邻独立发射天线阵元口面中心之间的最小水平间距；以及Δlh_re为所述线性接收阵列天线中的任意相邻独立接收天线阵元口面中心之间的最小水平间距。

[0018] 优选地，对所述子脉冲基带线性调频信号和所述一路中频本振信号进行正交调制，产生多路中频信号的步骤包括：对所述子脉冲基带线性调频信号和所述一路中频本振信号进行正交调制，生成一路中频信号；以及将所述一路中频信号分成2N路中频信号。

[0019] 优选地，对所述2N路中频信号和所述M+1组2N路射频本振信号中的一组2N路射频本振信号进行混频，生成2N路射频信号，并将所述2N路射频信号发送至所述线性发射阵列天线。

[0020] 优选地，根据所述M+1组2N路射频本振信号中剩余M组2N路射频本振信号和所述M组2N路中频本振信号对所接收到的回波信号进行正交解调，生成2N×M路视频回波信号。

[0021] 通过本发明提供的线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置和方法，能够实现微波信号的同时多发多收工作方式。与常规的分时收发工作方式相比，本发明提供的线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置和方法无需提高成像系统的脉冲重复频率，有利于成像系统实现远距离不模糊成像和大幅宽成像。此外，由于采用正交频分实现同时收发信号，使得数据采集模式容易满足“走-停-走”假设，单次数据获取中平台位置相对作用距离位移极小，使得相应的成像处理和运动补偿简便，可以采用常规的合成孔径雷达成像处理方法即可快速获得观测区域的二维图像。此外，通过本发明提供的线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置和方法，使得单次数据获取时间短，系统图像刷新率高，从而有利于实现平台前方的高时间分辨率成像。

[0022] 本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

[0023] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

[0024] 图1是本发明提供的线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置和线性阵列天线同时MIMO-SAR成像系统所应用的示例平台；

[0025] 图2是根据本发明的实施方式的线性阵列天线同时MIMO-SAR成像系统的结构示意图；

[0026] 图3是根据本发明的实施方式的线性阵列天线的三维布局示意图；

[0027] 图4是根据本发明的实施方式的线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置的结构示意图；

[0028] 图5是根据本发明的实施方式的多通道发射机的结构示意图；

[0029] 图6是根据本发明的实施方式的多通道接收机的结构示意图；

[0030] 图7是根据本发明的实施方式的第二功分网络的结构示意图；

[0031] 图8是根据本发明的实施方式的线性阵列天线同时MIMO-SAR成像收发时序控制示意图；

[0032] 图9是根据本发明的实施方式的线性阵列天线同时MIMO-SAR成像相位中心等效示意图。

具体实施方式

[0033] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

[0034] 图1示出了本发明提供的线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置和线性阵列天线同时MIMO-SAR成像系统所应用的示例平台。如图1所示，本发明提供的线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置和线性阵列天线同时MIMO-SAR成像系统可以被安装在飞行平台22的机腹，并随飞机平台22移动。成像系统通过所述MIMO-SAR收发装置产生多路射频信号，并通过线性阵列天线来同时发射所述多路射频信号。信号经观测场景21反射后，成为回波信号，再由线性阵列天线同时接收所述回波信号。之后，再经由MIMO-SAR收发装置同时接收这些回波信号，并对其进行正交解调，形成视频回波信号。最后，再对该视频回波信号进行处理，以进行成像及图像显示。

[0035] 在图1中， 为线性阵列天线同时MIMO成像的等效相位中心采样点Papc的位置坐标，xa、 和z0分别表示线性阵列天线的等效相位中心采样点沿X、Y和Z分布的坐标位置，其中ntr＝1，2，…，N，N+1，…，2N，mre＝1，…，M，其中，2N为线性阵列天线中的线性发射阵列天线的发射天线的数量，M为线性阵列天线中的线性接收阵列天线的接收天线的数量，并且，M≥2，2N≥2。直角坐标系OXYZ中的Y轴可以与线性阵列天线平行，Pn为观测场景21中第n个散射点目标，且位置坐标为(xn,yn,zn)。

[0036] 图2示出了根据本发明的实施方式的线性阵列天线同时MIMO-SAR成像系统的结构示意图。如图2所示，该成像系统可以包括所述线性阵列天线11，包括用于同时发射射频信号的线性发射阵列天线301和用于同时接收回波信号的线性接收阵列天线302；线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置12，用于产生多路射频信号，并将所述多路射频信号同时发送至所述线性发射阵列天线301，以由所述线性发射阵列天线301同时发射；该MIMO-SAR收发装置12还用于同时接收来自所述线性接收阵列天线302的多路回波信号，并基于所述多路回波信号生成视频回波信号；数据采集装置13，用于从所述MIMO-SAR收发装置12采集所述视频回波信号，并根据所接收到的视频回波信号生成成像回波数字信号；预处理模块16，用于根据固定相位偏差对所述成像回波数字信号进行相位补偿；以及成像处理模块14，用于对经所述相位补偿后的成像回波数字信号进行成像。此外，该成像系统还可以包括用于显示图像的显示模块15，和/或用于测量所述线性阵列天线11的位置和姿态的惯性测量模块。

[0037] 系统可选择工作频率范围为8GHz～300GHz。在此工作频率下，可以充分发挥系统的全天候、全天时以及不受气候和环境等因素的影响，能够实现对飞行平台下方观测场景的高分辨率成像观测，从而有利于辅助飞行平台进行前方区域成像与探测等。

[0038] 下面将具体描述本发明提供的成像系统中的各组件的组成及工作原理。首先，将结合图3来描述根据本发明的实施方式的线性阵列天线的结构及布置。

[0039] 图3示出了线性阵列天线11的三维布局示意图。考虑到系统收发隔离度和动态范围，系统采用收发分置结构，即发射天线和接收天线分开。如图3所示，线性阵列天线11可以包括用于发射射频信号的线性发射阵列天线301(即，“AC”)和用于接收回波信号的线性接收阵列天线302(即，“BD”)，且线性发射阵列天线301和线性接收阵列天线302的天线口面可以处于同一平面上。参考图3，线性发射阵列天线301和线性接收阵列天线302沿竖直方向的中心间距表示为HInterval；线性发射阵列天线301中任意相邻独立发射天线阵元口面几何中心之间的最小水平间距均为Δlh_tr，线性接收阵列天线302中任意相邻独立接收天线阵元口面几何中心之间的最小水平间距为Δlh_re；T1、......、TN、TN+1、......、T2N表示线性发射阵列天线301中的独立发射天线阵元，R1、R2、Rm、......、RM表示线性接收阵列天线302中的独立接收天线阵元，其中N为线性发射阵列天线301的发射天线数量的一半，M为线性接收阵列天线302的接收天线数量；Lh_tr表示线性发射阵列天线301的独立发射天线阵元水平向尺寸，Lv_tr表示线性发射阵列天线301的独立发射天线阵元俯仰向尺寸，Lh_re表示线性接收阵列天线302的独立接收天线阵元水平向尺寸，Lv_re表示线性接收阵列天线302的独立接收天线阵元俯仰向尺寸。通过MIMO-SAR收发装置12配合线性阵列天线11可以形成2MN个等效相位中心采样点 其中ntr＝1，2，…，N，N+1，…，2N，mre＝1，…，M，如下面将进一步详细描述的。

[0040] 线性阵列天线11的水平方向尺寸大小Lsyn由所需的系统角分辨率ρθ决定，具体地：

[0041]

[0042] 其中，λc为线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置的工作波长，ρθ为系统沿线性阵列天线方向的角分辨率。

[0043] 如上所述，线性阵列天线11采用收发分置模式，由线性发射阵列天线301和线性接收阵列天线302组成。如图3所示，线性发射阵列天线301的任意相邻独立发射天线阵元口面中心之间的最小水平间距为Δlh_tr，并且，

[0044] Δlh_tr＝Lh_tr+ltr (2)

[0045] 其中，Lh_tr为线性发射阵列天线301的独立发射天线阵元水平向尺寸，ltr表示发射天线口面间隙，ltr∈(0,Lh_tr)，即ltr大小介于0和独立发射天线阵元水平向尺寸Lh_tr之间，通常ltr取λc/16，Lh_tr为线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置的工作波长λc的0.25～2.0倍，即

[0046] Lh_tr＝αλc (3)

[0047] 其中，α∈[0.25,2.00]；

[0048] 则线性阵列天线的线性发射阵列天线301的发射天线数量的一半(N)为：

[0049]

[0050] 其中，Lsyn为线性阵列天线的水平方向尺寸大小，Δlh_tr为线性发射阵列天线301的任意相邻独立发射天线阵元口面中心之间的最小水平间距， 表示下取整函数。

[0051] 相应的，线性阵列天线的线性接收阵列天线302的接收天线数量M为：

[0052]

[0053] 其中，Δlh_re为线性接收阵列天线302的任意相邻独立接收天线阵元口面中心之间的最小水平间距，||表示上取整函数，并且，

[0054] Δlh_re＝NΔlh_tr (6)

[0055] 通过等式(4)和(5)来确定发射天线数量2N(或者发射天线数量的一半N)以及接收天线数量M，可以使得N+M最小，从而可以减小系统所需的独立天线阵元数量，降低系统复杂度。

[0056] 如图3所示，线性发射阵列天线301和线性接收阵列天线302呈现对称结果布局，发射天线位于两端。线性接收阵列天线302的第一个独立接收天线阵元几何中心与线性发射阵列天线301的第一个独立发射天线阵元几何中心的水平距离为Δlh_re/2；同样，线性接收阵列天线302的最后一个独立接收天线阵元几何中心与线性发射阵列天线301的最后一个发射天线阵元几何中心的水平距离也为Δlh_re/2。

[0057] 在本发明的一种实施方式中，独立天线(包括发射天线和接收天线)阵元类型可以为以下中的至少一者：缝隙天线、微带天线、端射天线、波导天线、介质天线或偶极子天线。也就是说，线性发射阵列天线301和线性接收阵列天线302可以由一种或几种类型的独立天线阵元构成。

[0058] 线性发射阵列天线301的所有独立发射天线阵元极化方式可以为以下中的一者：水平极化、垂直极化或圆极化。线性发射阵列天线301的极化方式要保持一致。同样地，线性接收阵列天线302的所有独立接收天线阵元极化方式可以为以下中的一者：水平极化、垂直极化或圆极化。线性接收阵列天线302的极化方式也要保持一致。线性发射阵列天线
301的极化方式和线性接收阵列天线302的极化方式可以一致，也可以不一致，对此，本发明并不进行限定。

[0059] 以上描述了根据本发明提供的线性阵列天线11的结构和布置。下面将具体描述本发明的成像系统中，线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置12的结构及工作原理。

[0060] 首先，图4示出了根据本发明的实施方式的所述MIMO-SAR收发装置12的结构示意图。如图4所示，该MIMO-SAR收发装置12可以包括：MIMO收发控制器401和基准频率源402，该基准频率源402在所述MIMO收发控制器401的控制下产生基准信号；波形发生器403，与所述基准频率源402连接，用于根据所述基准信号产生子脉冲基带线性调频信号；
本振信号产生模块，与所述MIMO收发控制器401和所述基准频率源402连接，用于在所述MIMO收发控制器401的控制下，根据所述基准信号产生多路中频本振信号和多路射频本振信号；正交调制模块，与所述本振信号产生模块和所述波形发生器403连接，用于对所述子脉冲基带线性调频信号和一路中频本振信号进行正交调制，产生多路中频信号；多通道发射机406，与所述正交调制模块和所述本振信号产生模块连接，用于对所述多路中频信号和多路射频本振信号进行混频，生成多路射频信号，并将所述多路射频信号同时发送至线性阵列天线11中的线性发射阵列天线301；以及多通道接收机408，与所述本振信号产生模块连接，用于同时接收来自所述线性阵列天线11中的线性接收阵列天线302的多路回波信号，根据多路射频本振信号和所述多路中频本振信号对所接收到的多路回波信号进行正交解调，生成多路视频回波信号。其中，所述正交调制模块可以包括正交调制器404和第一功分网络405，以及所述本振信号产生模块可以包括频率合成器411和第二功分网络410。

[0061] 具体地，首先，基准频率源402在MIMO收发控制器401的控制下产生一基准信号，并传输至波形发生器403和频率合成器411。

[0062] 之后，基准信号通过波形发生器403后产生子脉冲基带线性调频信号sbase(t)，子脉冲基带信号带宽为Bs；

[0063]

[0064] 其中，Br为系统合成完整信号带宽，B0为频带相邻子脉冲间的重叠带宽。

[0065] 此外，频率合成器411在所述MIMO收发控制器401的控制下，根据所述基准信号产生一路中频本振信号s0(fIF,t)和一组2N路射频本振信号sRF(fnn,t)，其中nn＝1，2，…N，N+1，…，2N，fIF为中频本振信号频率，f1、f2、......、fN、fN+1、......、f2N为射频本振信号频率；t为信号持续时间变量，此外，该频率合成器411还可以合成系统所需的各种时钟信号。

[0066] 所述频率合成器411生成的一路中频本振信号通过第二功分网络410被分成2N×M个中频本振信号s0(fIF,t)，即，M组2N路中频本振信号。此外，所述频率合成器411生成的一组2N路射频本振信号通过第二功分网络410被分成2N×(M+1)个射频本振信号sRF(fnn,t)，即，M+1组2N路射频本振信号。具体地，参见图7，第二功分网络410可以包括多个功分器701和703(也可替换为单刀双掷微波开关或耦合器)和多个放大器702和704，其功能是将所述一路中频本振信号分离为(2N)×M路中频本振信号s0(fIF,t)，以及将每一路射频本振信号sRF(fnn,t)分离为(M+1)路射频本振信号，形成2N×(M+1)个射频本振信号信号sRF(fnn,t)：

[0067]

[0068] 此外，可以通过正交调制器可以404对所述子脉冲基带线性调频信号sbase(t)和所述一路中频本振信号s0(fIF,t)进行正交调制，生成一路中频信号，之后，第一功分网络405将所述一路中频信号分成2N路中频信号sIF(fIF,t)：

[0069] sIF(fIF，t)＝[sIF_1(fIF，t)…sIF_N(fIF，t) (9)

[0070] sIF_N+1(fIF，t)…sIF_2N(fIF，t)]

[0071] 之后，可以通过多通道发射机406对中频信号和射频本振信号进行混频，生成射频信号。具体地，该多通道发射机406可以包括2N个发射机407，每个发射机对应一个发射天线。所述2N个发射机用于对所述2N路中频信号sIF(fIF,t)和所述M+1组2N路射频本振信号sRF(fnn,t)中的一组2N路射频本振信号sRF(fnn,t)进行混频，生成2N路射频信号。每个发射机407用于向线性发射阵列天线301中对应的发射天线发送一路射频信号，以由该发射天线同时发射。

[0072] 如图5所示，对于多通道发射机406中的每个发射机407而言，其可以包括上变频器501和射频放大器502。所述上变频器501可以用于对一组2N路射频本振信号中的一路射频本振信号sRF(fnn,t)和2N路中频信号中的一路中频信号s0(fIF,t)进行上变频，并通过射频放大器502进行放大，从而得到一路射频信号。这样，2N个发射机407就可以生成2N路射频信号SSRF(fc_k,t)，并且，

[0073] SSRF(fc_k，t)＝[ssRF(fc_1，t)…ssRF(fc_k，t)…ssRF(fc_2N，t)] (10)[0074] 其中，第k个射频信号SSRF(fc_k,t)的载频fc_k为：

[0075]

[0076] 其中，fc为系统合成完整信号的中心频率；B0为频带相邻子脉冲间的重叠带宽；子脉冲基带信号带宽为Bs，也等于子脉冲射频信号SSRF(fc_k,t)的信号带宽；fIF为中频本振信号频率，fnn＝f1、f2、......、fN、fN+1、......、f2N为射频本振信号频率。

[0077] 在生成2N路射频信号之后，由线性发射阵列天线301同时辐射所述2N路射频信号SSRF(fc_k,t)。这些信号经观测场景21反射形成回波信号，并通过线性接收阵列天线302同时接收，对应的回波信号SSRF_RE(fc_k,t)可以表示为：

[0078]

[0079] 其中，δn(xn,yn,zn)为对应目标Pn(xn,yn,zn)的复散射系数；(xn,yn,zn)为目标Pn的三维坐标；SSRF(fc_k,t)为经线性发射阵列天线301辐射的射频信号；C为电磁波传播速度；ntr表示所述线性发射阵列天线301中的发射天线编号，其中，ntr＝1，2，…，N，N+1，…，2N；mre表示所述线性接收阵列天线302中的接收天线编号，其中，mre＝1，…，M； 为第ntr个发射独立天线阵元天线发射信号后经目标Pn反射回来后进入第mre个接收独立天线阵元天线的传播距离，并且，

[0080]

[0081] 其中， 为线性发射阵列天线301中第ntr个发射独立天线阵元天线口面几何中心到目标的Pn(xn,yn,zn)的距离，以及 为线性接收阵列天线302中第mre个接收独立天线阵元天线口面几何中心到目标的Pn(xn,yn,zn)的距离。

[0082] 如前所述，所述多通道接收机408接收来自所述线性阵列天线11中的线性接收阵列天线302的多路回波信号。之后，根据多路射频本振信号和所述多路中频本振信号对所接收到的多路回波信号进行正交解调，生成多路视频回波信号。

[0083] 具体地，可先对多路射频本振信号和所接收到的多路回波信号进行混频，形成多路中频回波信号；以及对所述多路中频本振信号和所述多路中频回波信号进行正交解调，生成所述多路视频回波信号。

[0084] 例如，如图4和图6所示，所述多通道接收机408可以包括M个接收机409，每个接收机409对应于线性接收阵列天线302中的一个接收天线。每个接收天线都接收由2N路射频信号反射形成的2N路回波信号，由此，M个接收机409可以共接收到M组2N路回波信号。所述M个接收机409可以根据所述M+1组2N路射频本振信号中剩余M组2N路射频本振信号(另一组2N路射频本振信号如上所述被用于在多通道发射机406中生成射频信号)和所述M组2N路中频本振信号对所接收到的回波信号进行正交解调，生成2N×M路视频回波信号。

[0085] 具体地，对于每个接收机409而言，其可以包括正交检波电路601、滤波器602、中频放大器603、下变频器604、低噪声放大器605和限幅器606。首先，对于单个接收机409而言，其接收一组2N路回波信号，该组2N路回波信号经过限幅器606和低噪声放大器605后，可以在下变频器604中与所述M组2N路射频本振信号中的一组2N路射频本振信号进行下变频处理，之后，所得信号被送入中频放大器603和滤波器602进行放大和滤波处理，从而可以获得一组2N路中频回波信号(对于M个接收机409而言，一共可以获得M组2N路中频回波信号)，中频回波信号可以被表示为 且：

[0086]

[0087] 其中， 表示第ntr个发射独立天线阵元天线发射信号后经目标Pn反射回来后进入第mre个接收独立天线阵元天线的传播延迟时间变量；
为第ntr个发射独立天线阵元天线发射信号后经目标Pn反射回来后进入第mre个接收独立天线阵元天线的传播距离；ntr＝1，2，…，N，N+1，…，2N；mre＝1，…，M。

[0088] 在得到所述M组2N路中频回波信号之后，其被送入正交检波电路601与M组2N路中频本振信号s0(fIF,t)进行正交解调，从而获得M组2N路视频回波信号并且：

[0089]

[0090] 由式(14)和式(15)可知，通过多通道接收机408，可以获得M×(2N)个中频回波信号，但其每一路中频回波信号的信号带宽为Bs，而不是Br。因此，通过本发明提供的MIMO-SAR收发装置和成像系统，既能在保证多个等效相位中心获取的同时，还能降低每一接收信号的信号带宽，从而保证实际系统的可行性。

[0091] 本发明还提供一种线性阵列天线正交频分MIMO收发方法。该方法可以包括：产生基准信号；根据所述基准信号产生子脉冲基带线性调频信号；根据所述基准信号产生多路中频本振信号和多路射频本振信号；对所述子脉冲基带线性调频信号和一路中频本振信号进行正交调制，产生多路中频信号；对所述多路中频信号和多路射频本振信号进行混频，生成多路射频信号，并将所述多路射频信号同时发送至线性阵列天线中的线性发射阵列天线；以及同时接收来自所述线性阵列天线中的线性接收阵列天线的多路回波信号，根据多路射频本振信号和所述多路中频本振信号对所接收到的多路回波信号进行正交解调，生成多路视频回波信号。

[0092] 其中，根据多路射频本振信号和所述多路中频本振信号对所接收到的多路回波信号进行正交解调，生成所述多路视频回波信号的步骤可以包括：对多路射频本振信号和所接收到的多路回波信号进行混频，形成多路中频回波信号；以及对所述多路中频本振信号和所述多路中频回波信号进行正交解调，生成所述多路视频回波信号。

[0093] 此外，根据所述基准信号产生多路中频本振信号和多路射频本振信号的步骤可以包括：根据所述基准信号产生所述一路中频本振信号和一组2N路射频本振信号；以及将所述一路中频本振信号分成M组2N路中频本振信号s0(fIF,t)；将所述一组2N路射频本振信号分成M+1组2N路射频本振信号。

[0094] 此外，对所述子脉冲基带线性调频信号和所述一路中频本振信号进行正交调制，产生多路中频信号的步骤包括：对所述子脉冲基带线性调频信号和所述一路中频本振信号进行正交调制，生成一路中频信号；以及将所述一路中频信号分成2N路中频信号。

[0095] 其中，对所述2N路中频信号和所述M+1组2N路射频本振信号中的一组2N路射频本振信号进行混频，生成2N路射频信号，并将所述2N路射频信号发送至所述线性发射阵列天线。以及，根据所述M+1组2N路射频本振信号中剩余M组2N路射频本振信号和所述M组2N路中频本振信号对所接收到的回波信号进行正交解调，生成2N×M路视频回波信号。

[0096] 此时，就完成了信号同时多发多收的收发过程，由MIMO-SAR收发装置12输出所述M组2N路视频回波信号

[0097] 如上所述，本发明提供的成像系统还可以包括数据采集装置13，用于从所述MIMO-SAR收发装置12采集所述视频回波信号，并根据所接收到的视频回波信号生成成像回波数字信号。

[0098] 具体地，数据采集装置可以由(2N)×(2M)路模数转换器(Analog to Digital converter,AD)组成(未示出)。每2路模数转换器完成1个接收机通道的视频回波信号量化，如完成SSRE(τ11)通道的视频回波信号量化，形成I和Q两路信号。对视频回波信号进行量化，量化位数为8～14bit，采样率fs为信号带宽Bs的1.1～1.5倍，通常取1.2倍。应当理解的是，数据采集的具体实现方式为本领域的技术人员所公知的，因此本发明在此不进行详细赘述。

[0099] 通过数据采集装置13实现视频回波信号 采集，并获得对应的(2N)×M行成像回波数字信号

[0100]

[0101] 之后，预处理模块16可以根据固定相位偏差对所述成像回波数字信号进行相位补偿。进行相位补偿的目的是对信号子带进行拼接，成为一个带宽完整的信号，以实现信号带宽的扩宽，从而便于成像处理。

[0102] 具体地，如图1中， 为等效相位中心采样点Papc的位置坐标，xa、和z0分别表示线性阵列天线的等效相位中心采样点沿X、Y和Z分布的坐标位置，ntr＝1，2，…，N，N+1，…，2N，mre＝1，…，M，Pn为观测场景21中目标的坐标(xn,yn,zn)，相应的目标散射系数记为δn(xn,yn,zn)，则某一路成像回波数字信号
可表示为：

[0103]

[0104] 其中，fs表示采样率，fs为信号带宽Bs的1.1～1.5倍，通常取1.2倍，m表示第m路成像回波数字信号，m＝1，2，3…，（2NM），fc_k为第k个发射通道的射频信号载频频率,k＝1，2，…，N，N+1，…，2N； 为第ntr个发射独立天线阵元天线发射信号后经目标Pn反射回来后进入第mre个接收独立天线阵元天线的传播距离； 和分别为线性发射阵列天线301中第ntr个发射独立天线阵元天线口面几何中心和线性接收阵列天线302中第mre个接收独立天线阵元天线口面几何中心到目标的Pn(xn,yn,zn)的距离；C为电磁波传播速度；Krk为子脉冲线性调频信号调频率；Trk为子脉冲线性调频信号持续时间，Bs＝KrkTrk；rect[t/Trk]为时间窗函数，其中，

[0105]

[0106] 在实际应用中，如图1所示，由于线性发射阵列天线301中的独立发射天线阵元和线性接收阵列天线302中的独立接收天线阵元两两之间的距离相对天线到地面斜距一般很短，可以通过补偿固定相位偏差来实现子带拼接：

[0107]

[0108] 其中， 表示固定相位偏差，

[0109]

[0110] 其中， 表示等效相位中心采样点 到等效相位中心采样点 之间的距离， 表示第ntr个发射独立天线阵元天线
与第mre个接收独立天线阵元天线形成的等效相位中心采样点， 表示第k(k＝
1，2，…，N，N+1，…，2N)个发射独立天线阵元天线与第mre个接收独立天线阵元天线形成的等效相位中心采样点。由 可知，对每一个接收通道接收的信号而言，都不是一个完整带宽的信号，而是一个载频为fc_k、带宽为Bs的子带信号，因此，需要通过相位补偿合成为一个完整信号带宽Br的信号，特别地，当k＝ntr，

[0111] 也即，通过第ntr个发射独立天线阵元天线口面几何中心和第mre个接收独立天线阵元天线形成的等效相位中心采样点 其信号带宽为Bs，需要利用第mre个接收独立天线阵元天线接收到的第k(k≠ntr)个发射独立天线阵元天线发射的子带信号进行拼接，通过子带拼接方法拼接一个带宽完整的信号。通过这一方式，可以使得各个接收通道等效为在各自等效相位中心处自发自收，如图9所示。经过相位补偿(即，子带拼接)后的信号可以表示为：

[0112]

[0113]

[0114] 其中， 表示第ntr＝k个发射独立天线阵元天线发射载频为载频为fc_k带宽为Bs的子带信号，且第mre个接收独立天线阵元天线接收所对应的成像回波数字信号；fs表示采样率，fs为信号带宽Bs的1.1～1.5倍，通常取1.2倍，m表示第m路成像回波数字信号，m＝1，2，3…，(2NM)，Br为系统合成完整信号带宽，Rn为等效相位中心 到目标Pn(xn,yn,zn)的距离，并且Kr＝Krk；其中，xa和z0可以通过如
下方式来确定：通过惯性测量模块来获取某一个发射独立天线阵元天线口面几何中心或接收独立天线阵元天线口面几何中心的姿态和位置参数，而后通过姿态和位置参数计算等效相位中心采样点的位置参数xa和z0，具体计算过程可以参考文献(杨晓琳.线阵成像雷达系统设计及幅相误差一致性校正方法研究.[博士学位].中国科学院研究生院,2014.)。

[0115] 进一步对式(20)进行表示，以第1个发射独立天线阵元天线和第1个接收独立天线阵元天线形成的等效相位中心采样点对应到完整带宽信号可以表示为：

[0116]

[0117]

[0118] 最后，可由成像处理模块14对经所述相位补偿后的成像回波数字信号进行成像。可以采用多种现有的成像方法来进行成像，例如，可采用常规的合成孔径雷达成像算法(例如，距离多普勒算法、CS(Chirp Scaling)算法、极坐标格式算法等)进行成像处理。所述成像处理模块14可以例如为计算机或DSP处理器。此外，还可以由显示模块15进行图像显示，以供用户查看。

[0119] 本发明还提供一种线性阵列天线同时MIMO成像方法。该方法可以包括：产生多路射频信号，并将所述多路射频信号同时发送至线性阵列天线中的线性发射阵列天线；由所述线性发射阵列天线同时发射所述多路射频信号；同时接收来自所述线性阵列天线中的线性接收阵列天线的多路回波信号，并基于所述多路回波信号生成视频回波信号；根据所述视频回波信号生成成像回波数字信号；根据固定相位偏差对所述成像回波数字信号进行相位补偿；以及对经所述相位补偿后的成像回波数字信号进行成像。

[0120] 由此，本发明提供的线性阵列天线同时MIMO-SAR成像系统和方法，通过收发一次即可以获取观测区域的二维图像，相对常规系统需要通过多次信号而言，大大提供了系统的图像刷新率。具体地，线性阵列天线同时MIMO-SAR成像系统的一次数据获取最短时间为：

[0121]

[0122] 其中，Twin表示采样窗口时间；Rmax和Rmin分别表示系统最远和最近观测距离；Trk表示子脉冲线性调频信号持续时间。而一次数据获取最长时间由脉冲触发频率决定，可以根据用户需要进行调整，如图8所示，从而使得系统具备了常规系统所不具备的高时间分辨率成像能力。而常规系统由于需要采用2N次发射，因此，一次数据获取最短时间至少为本发明的线性阵列天线同时MIMO-SAR成像系统获取时间的2N倍。

[0123] 综上所述，通过本发明提供的线性阵列天线正交频分MIMO-SAR收发装置和方法、线性阵列天线同时MIMO-SAR成像系统和方法不仅能够穿透烟、雾、云层和浮尘等物质，以及不受天气和气候影响，而且，与常规机载阵列天线前视成像相比，其还具备以下优势：

[0124] 1、无需提高系统的脉冲重复频率，有利于系统的实现远距离不模糊成像和大幅宽成像；

[0125] 2、由于系统采用正交频分实现同时收发信号，使得数据采集模式容易满足“走-停-走”假设，单次数据获取中平台位置相对作用距离位移极小，相应的成像处理和运动补偿简便，可以采用常规的合成孔径雷达成像处理方法即可快速获得观测区域的二维图像；

[0126] 3、单次数据获取时间短，系统图像刷新率高，有利于实现平台前方的高时间分辨率成像；

[0127] 4、系统能够对飞机前方区域进行实时高分辨率成像，能为飞机的着陆、侦察和搜救等提供图像信息。

[0128] 以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

[0129] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

[0130] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。