一种地基干涉虚拟孔径形变监测雷达系统及工作方法转让专利
申请号 : CN201910942276.4
文献号 : CN110645886B
文献日 : 2021-05-04
发明人 : 王韬 , 张思麒 , 何秀凤 , 万其昌 , 顾玲榛 , 欧阳凯婷 , 李聪
申请人 : 重庆大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种地基干涉虚拟孔径形变监测雷达系统,其特征在于所述雷达系统包括三脚架(21)、二维转台(22)、雷达子系统(23)和数据显示子系统(24);所述二维转台(22)设置于所述三脚架(21)上,所述雷达子系统(23)固定放置于所述二维转台(22)上,实现所述雷达子系统(23)随所述二维转台(22)进行机械转动,所述雷达子系统(23)与所述数据显示子系统(24)无线通讯连接;所述雷达子系统发射雷达信号至隧道(1)内壁,并接收所述隧道(1)内壁的监测点反射的回波信号,并生成所述内壁的三维雷达复图像,获取所述内壁的形变信息;
所述雷达子系统(23)包括信号发生单元(231)、控制电路(239)、若干功率放大器(232)、发射阵列(233)、接收阵列(234)、若干低噪声放大器(235)、若干混频器(236)、若干中频滤波器(237)、若干模数转换器(238)、信号处理电路(2310)和无线传输模块(2311);所述发射阵列(233)连接所述功率放大器(232),所述功率放大器(232)连接所述控制电路(239)和所述信号发生单元(231),所述控制电路(239)连接所述信号发生单元(231)和所述信号处理电路(2310);所述接收阵列(234)连接所述低噪声放大器(235),所述低噪声放大器(235)连接所述混频器(236),所述混频器(236)连接所述中频滤波器(237),所述中频滤波器(237)连接所述模数转换器(238),所述模数转换器(238)连接所述信号处理电路(2310);所述信号处理电路(2310)连接所述无线传输模块(2311);所述信号发生单元(231)连接所述混频器(236)。
2.根据权利要求1所述的一种地基干涉虚拟孔径形变监测雷达系统,其特征在于,所述发射阵列(233)包括若干个发射天线阵元(2331),所述功率放大器(232)有若干个,每一个所述发射天线阵元(2331)均连接一个所述功率放大器(232);所述接收阵列(234)包括若干个接收天线阵元(2341),每一个所述接收天线阵元(2341)均连接由一个所述低噪声放大器(235)、所述混频器(236)、所述中频滤波器(237)和所述模数转换器(238)构成的信号混频传输电路。
3.根据权利要求2所述的一种地基干涉虚拟孔径形变监测雷达系统,其特征在于,所述发射阵列(233)和所述接收阵列(234)采用稀疏线阵收发分置的矩形布阵方法,在所述稀疏线阵的左右两条边上分别布置一个所述发射阵列(233),在所述稀疏线阵的上下两条边上分别布置一个所述接收阵列(234);每个所述发射天线阵元(2331)由多个微带贴片通过并联馈线相连构成,贴片等间隔横向排列;每个所述接收天线阵元(2341)由多个所述微带贴片通过所述并联馈线相连构成,贴片等间隔纵向排列;每个所述发射天线阵元(2331)与每个所述接收天线阵元(2341)均采用超低副瓣技术对所述微带贴片构成的阵列进行幅度加权处理。
4.根据权利要求1所述的一种地基干涉虚拟孔径形变监测雷达系统,其特征在于,所述地基干涉虚拟孔径形变监测雷达系统还包括无源角反射器(11),所述无源角反射器(11)安装在所述隧道(1)内壁上,反射所述雷达子系统(23)发射的所述雷达信号。
5.根据权利要求3所述的一种地基干涉虚拟孔径形变监测雷达系统,其特征在于,所述雷达子系统(23)的所述发射阵列(233)以及所述发射天线阵元(2331)、所述接收阵列(234)以及所述接收天线阵元(2341)的排列参数的确定方法如下:步骤11:根据所述隧道(1)内场景,计算远场条件下的所述稀疏线阵孔径的最大值;
步骤12:根据所述稀疏线阵视场角,确定所述发射天线阵元(2331)和所述接收天线阵元(2341)的波束方向图;确定所述稀疏线阵中每个所述发射天线阵元(2331)和所述接收天线阵元(2341)的所述微带贴片个数及幅度加权系数,并得到超低副瓣的天线阵元方向图;
步骤13:在所述视场角内,从半波长开始逐渐增加所述稀疏线阵的阵元间距,直至栅瓣位于所述天线阵元方向图的第一副瓣内,从而确定所述稀疏线阵的阵元间距和阵元数量。
6.一种根据权利要求1‑5所述的地基干涉虚拟孔径形变监测雷达的工作方法,其特征在于:雷达子系统(23)的信号发生单元(231)产生宽带调频连续波信号,通过由控制电路(239)控制开关的功率放大器(232)到达发射阵列(233)中的发射天线阵元(2331);所述控制电路(239)对所述功率放大器(232)的打开和关闭进行控制,令每个时刻所述发射阵列(233)中只有一个所述发射天线阵元(2331)发送所述宽带调频连续波信号;接收阵列(234)中的接收天线阵元(2341)接收隧道(1)的内壁或无源角反射器(11)反射的回波信号,并传输至低噪声放大器(235),再经过混频器(236)、中频滤波器(237)、模数转换器(238)后传输至信号处理电路(2310),所述信号处理电路(2310)对所述回波信号进行处理得到内壁形变信息,并通过无线传输模块(2311)传输至数据显示子系统(24);所述接收阵列(234)中的所有所述接收天线阵元(2341)同时接收所述回波信号;所述雷达子系统(23)以时分复用的方式进行工作。
7.根据权利要求6所述的一种地基干涉虚拟孔径形变监测雷达工作方法,其特征在于,在所述信号处理电路(2310)中对所述回波信号进行处理的步骤如下:步骤21:对所述回波信号采用数据立方体形式存储,并进行MIMO处理,获得包括方位向数据、俯仰向数据和时域采样数据,得到第一次虚拟孔径处理结果,获得虚拟阵元数据,实现第一次孔径扩展;
步骤22:对所述时域采样数据进行傅里叶变换,变换到频域,得到的频域采样点序号对应距离信息,实现距离向聚焦,获得距离向数据;
步骤23:选取所述内壁到所述雷达子系统(23)的最小距离与最大距离之间对应的所述频域采样点序号,并结合所述方位向数据、所述俯仰向数据和所述步骤22中的所述距离向数据在所述方位向和俯仰向进行线性预测外推,得到第二次虚拟孔径处理结果,获得更多的所述虚拟阵元数据,实现第二次孔径扩展;
步骤24:对所述步骤22或所述步骤23中的所述虚拟阵元数据使用二维数字波束形成处理,实现所述方位向和所述俯仰向聚焦,得到高分辨率的三维雷达复图像;
步骤25:从所述三维雷达复图像得到雷达相位干涉图像,获得所述雷达相位干涉图像的干涉相位;
步骤26:对所述干涉相位进行相位解缠与大气校正,得到实际干涉相位步骤27:根据所述实际干涉相位和位移Δr(r,θ,φ)的对应关系得到所述隧道(1)内壁上监测点的形变信息。
8.根据权利要求7所述的一种地基干涉虚拟孔径形变监测雷达工作方法,其特征在于:所述步骤23中,利用基于自回归模型进行线性预测,采用预测滤波器和预测误差滤波器,根据所述预测滤波器和所述预测误差滤波器的误差,调节所述预测滤波器的权值;所述线性预测外推的处理过程为:
步骤231:所述步骤21得到虚拟面阵B,阵元个数为M1×N1,所述步骤22得到变换到频域的数据矩阵YB,所述YB的维数为M1×N1,所述YB的第(m,n)元素为yB(m,n);所述线性预测采用二维线性预测方法,二维矩阵为Y,所述维数为M1×N1,所述Y的所述第(m,n)元素为y(m,n);
设定(K1,K2)阶线性所述预测滤波器和所述预测误差滤波器,所述预测误差滤波器系数为a(k1,k2),0≤k1≤K1,0≤k2≤K2,a(0,0)=1;
步骤232:将所述预测误差滤波器系数转换成矢量形式:a=[a(0),a(1),…,a(K2)]为行矢量,其中第k个元素 也为行矢量;
步骤233:所述预测误差滤波器的M1×N1二维观测数据为y(m,n),线性预测误差为e(m,n):
所述预测误差滤波器输出的所述线性预测误差表示为矢量形式:e(m,n)=az(m,n) (3)T
其中,z(m,n)=[y(m,n),…,y(m‑K1,n),…,y(m,n‑K2),…,y(m‑K1,n‑K2)]为列矢量;
步骤234:根据所述M1×N1观测数据,采用二维协方差方法求解线性预测的最小二乘解,构造总体均方误差函数为:
其中,Rzz为((K1+1)(K2+1))×((K1+1)(K2+1))大小的协方差矩阵;
步骤235:利用所述公式(4)计算得到所述预测误差滤波器的系数a(k1,k2),采用所述预测滤波器进行预测外推得到预测数据y(m,n),公式为:其中,1≤m≤M1/2+M2/2,1≤n≤N1/2+N2/2;由所述二维矩阵Y和所述预测数据,构成输出矩阵Yp,所述维数为(M2/2)×(N2/2),所述输出矩阵的元素为yp(m,n)=y(m+M1/2,n+N1/2),1≤m≤M2/2,1≤n≤N2/2;
步骤236:令y(m,n)=yB(m,n);通过所述步骤233至所述步骤235进行预测外推,得到预测矩阵YC1为:yc1(m,n)=yp(m,n);
步骤237:令y(m,n)=yB(M1+1‑m,n),通过所述步骤233至所述步骤235进行所述预测外推,得到预测矩阵YC2为:yc2(m,n)=yp(M2+1‑m,n);
步骤238:令y(m,n)=yB(M1+1‑m,N1+1‑n),通过所述步骤233至所述步骤235进行所述预测外推,得到预测矩阵YC3为:yc3(m,n)=yp(M2+1‑m,N2+1‑n);
步骤239:令y(m,n)=yB(m,N1+1‑n),通过所述步骤233至所述步骤235进行所述预测外推,得到预测矩阵YC4为:yc4(m,n)=yp(m,N2+1‑n);
步骤2310:所述预测外推后的虚拟面阵记为C,阵元个数为M2×N2,对应的所述数据矩阵为YC,YC的所述维数为M2×N2。
9.根据权利要求7所述的一种地基干涉虚拟孔径形变监测雷达工作方法,其特征在于,步骤25的具体实现过程为:
步骤251:将所述三维雷达复图像采用球坐标系表示,每个坐标值用距离、方位角、俯仰角三个值表示,所述坐标值I(r,θ,φ)为:上式中 表示坐标原点到第l个监测点的距离,L为总的监测定个数;w(m,n)(θ,φ)为权系数;c为电磁波的传播速度;f0为所述宽带调频连续波信号的起始频率;T为所述宽带调频连续波信号的脉冲宽度,B为信号带宽,α=B/T为调频率;
步骤252:将不同时刻获取的所述三维雷达复图像与雷达系统初始获得的参考时刻雷达复图像结合,得到所述雷达相位干涉图像,所述雷达相位干涉图像中每个像素点的干涉相位值为
其中*表示复共轭,ang(·)表示求相角运算。
说明书 :
一种地基干涉虚拟孔径形变监测雷达系统及工作方法
技术领域
背景技术
展。隧道是埋置于地层内的工程建筑物,在高速公路、高速铁路、城市地铁建设总里程占有
很大比重。在隧道施工和运营过程中,围岩的快速收敛或岩土的快速异常形变会导致隧道
塌方,造成安全事故,对人们的生命和财产安全构成极大威胁。为研究隧道形变的触发机理
并实现快速准确的预测预报,迫切需要有效的隧道监测仪器与设备。为了有效避免隧道坍
塌造成伤害,需要对隧道壁的形变进行实时监测,有多种传统监测方法已用于隧道监测领
域,例如收敛计、水准仪、测距仪、全站仪等。虽然这些方法能够测量出隧道监测点处的位移
量,但需要耗费大量的人力物力与时间,无法实现自动化测量。
光的反射及干涉原理,利用光的某种变化量与应变的关系来计算位移形变量。该方法可实
现位移测量与通信的一体化设计,但在实际使用中存在温度与应变交叉敏感问题;另外,光
纤非常脆弱,在施工过程中容易造成损坏。(2)微机电系统传感器方法:该方法将内含微机
电系统的柔性线缆式传感设备安装在隧道壁上,对隧道周边的地层进行形变监测。但是作
为一种接触式测量手段,同样存在安装繁琐、不方便移动的问题。(3)近景摄影测量方法:该
方法通过计算机技术和数字影像处理技术将二维数字影像恢复三维坐标,对比不同时刻的
三维坐标变化得出结构的形变情况。该方法成本较低,能快速获得形变信息和实时画面,但
测量精度较低,易受环境因素影响。(4)三维激光扫描测量方法:该方法利用激光测距原理,
记录被测物体表面大量密集点的三维坐标等信息。它的优点是可以进行多点测量,获取百
万点以上的点云数据绘制物体轮廓。但三维激光扫描仪价格昂贵,在隧道中大规模使用成
本较高;另外,激光易受周围环境因素的影响,隧道中的粉尘和光照会降低系统的测量精
度,甚至完全失效。
的雷达主要有两种类型:(1)地基真实孔径雷达,以澳大利亚GROUND PROBE公司的SSR
(Slope Stability Radar)雷达为代表。(2)地基合成孔径雷达,以意大利IDS公司的IBIS
(Image By Interferometric Survey)和Hydra‑U(HYper Definition Radar‑
Underground)雷达为代表。这些雷达系统具有全天候、自动化、高精度、非接触的优点,主要
应用于远距离边坡形变监测。这些雷达系统整体造价高昂,体积大而笨重,安装使用不方
便,不具有便携性,不适用于狭小的隧道场景。
发明内容
转台上,雷达子系统实现特定区域扫描,二维转台实现全域扫描。在隧道内壁上安装无源角
发射器。工作方法为,雷达子系统采用分布在矩形四条边上的均匀稀疏线阵向隧道内壁辐
射毫米波频段的宽带调频连续波信号并接收回波信号,得到初始雷达回波数据;经过第一
次虚拟孔径处理即MIMO处理后,实现孔径扩展;执行距离向傅里叶变换;或者再执行第二次
虚拟孔径处理即预测外推处理,进一步实现孔径扩展;经相位补偿校正和数字波束形成处
理后得到三维雷达复图像,从主副图像中获取包含差分相位的干涉图,对干涉图解缠校正
后,可得到隧道内壁形变情况并传输到数据显示子系统。
放置于所述二维转台上,实现所述雷达子系统随所述二维转台进行机械转动,所述雷达子
系统与所述数据显示子系统无线通讯连接;所述雷达子系统发射雷达信号至所述隧道内
壁,并接收所述隧道内壁的监测点反射的回波信号,并生成所述内壁的三维雷达复图像,获
取所述内壁的形变信息。
理电路和无线传输模块;所述发射阵列连接所述功率放大器,所述功率放大器连接所述控
制电路和所述信号发生单元,所述控制电路连接所述信号发生单元和所述信号处理电路;
所述接收阵列连接所述低噪声放大器,所述低噪声放大器连接所述混频器,所述混频器连
接所述中频滤波器,所述中频滤波器连接所述模数转换器,所述模数转换器连接所述信号
处理电路;所述信号处理电路连接所述无线传输模块;所述信号发生单元连接所述混频器。
元,每一个所述接收天线阵元均连接由一个所述低噪声放大器、所述混频器、所述中频滤波
器和所述数模转换器构成的信号混频传输电路。
边上分别布置一个所述接收阵列;每个所述发射天线阵元由多个微带贴片通过并联馈线相
连构成,贴片等间隔横向排列;每个所述接收天线阵元由多个所述微带贴片通过所述并联
馈线相连构成,贴片等间隔纵向排列;每个所述发射天线阵元与每个所述接收天线阵元均
采用超低副瓣技术对所述微带贴片构成的阵列进行幅度加权处理。
带贴片个数及幅度加权系数,并得到超低副瓣的天线阵元方向图;
元数量。
器到达所述发射阵列中的所述发射天线阵元;所述控制电路对所述功率放大器的打开和关
闭进行控制,令每个时刻所述发射阵列中只有一个所述发射天线阵元发送所述宽带调频连
续波信号;所述接收阵列中的所述接收天线阵元接收所述隧道内壁或所述无源角反射器反
射的回波信号,并传输至所述低噪声放大器,再经过所述混频器、所述中频滤波器、所述模
数转换器后传输至所述信号处理电路,所述信号处理电路对所述回波信号进行处理得到隧
道内壁形变信息,并通过所述无线传输模块传输至所述数据显示子系统;所述接收阵列中
的所有所述接收天线阵元同时接收所述回波信号;所述控制电路对所述功率放大器的控
制,使得所述雷达子系统以时分复用的方式进行工作,保证MIMO信号正交性。
仰向进行线性预测外推处理,进一步实现孔径扩展,得到第二次虚拟孔径处理结果,即获得
更多虚拟阵元数据,第二次扩展阵列孔径;
或者对所述步骤23得到的所述第二次虚拟孔径处理结果,使用所述二维数字波束形成处
理,实现所述方位向和所述俯仰向聚焦,得到更高分辨率的所述三维雷达复图像;
复图像与参考时刻雷达复图像结合,得到所述雷达相位干涉图像;
的权值;所述线性预测外推的处理过程为:
采用二维线性预测方法,二维矩阵为Y,所述维数为M1×N1,所述Y的所述第(m,n)元素为y(m,
n);
N1/2),1≤m≤M2/2,1≤n≤N2/2;
为所述宽带调频连续波信号的脉冲宽度,B为信号带宽,α=B/T为调频率;
述雷达复图像,是所述对到未发生形变时的图像,得到所述雷达相位干涉图像,所述雷达相
位干涉图像中每个像素点的所述干涉相位值为
号与安装无源角反射器的监测点距离有关。
隧道内的雷达系统,雷达系统包括三脚架、设置于三脚架上的二维转台、固定放置于二维转
台上的雷达子系统,雷达子系统可随二维转台机械转动,使得发射的雷达波覆盖隧道内监
测范围,雷达子系统中用于发射宽带调频连续波信号的发射阵列和接收无源角反射器反射
回波信号的接收阵列构成稀疏线阵,发射天线阵元和接收天线阵元由微带贴片通过并联馈
线构成,并采用超低副瓣技术进行幅度加权处理;对于接收的回波信号在雷达系统的信号
处理电路中进行第一次虚拟孔径处理即MIMO处理、距离向傅里叶变换、第二次虚拟孔径处
理即预测外推处理、数字波束形成和相位干涉测量处理,得到隧道内壁的三维雷达复图像
以及相位干涉图,根据相位干涉图得到隧道内安装无源角反射器的监测点的位移情况信
息,从而判断隧道内是否发生形变。
附图说明
发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据
提供的附图获得其他的附图。
线阵元,235‑低噪声放大器,236‑混频器,237‑中频滤波器,238‑模数转换器,239‑控制电
路,2310‑信号处理电路,2311‑无线传输模块,24‑数据显示子系统。
具体实施方式
本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例,都属于本发明保护的范围。
脚架21上,雷达子系统23固定放置于二维转台22上,实现雷达子系统23随二维转台22进行
机械转动,雷达子系统23与数据显示子系统24无线通讯连接;雷达子系统23发射雷达信号
至隧道1内壁,并接收隧道1内壁的监测点反射的回波信号,并生成内壁的三维雷达复图像,
获取内壁的形变信息。
236、若干中频滤波器237、若干模数转换器238、信号处理电路2310和无线传输模块2311;发
射阵列233连接功率放大器232,功率放大器232连接控制电路239和信号发生单元231,控制
电路239连接信号发生单元231和信号处理电路2310;接收阵列234连接低噪声放大器235,
低噪声放大器235连接混频器236,混频器236连接中频滤波器237,中频滤波器237连接模数
转换器238,模数转换器238连接信号处理电路2310;信号处理电路2310连接无线传输模块
2311;信号发生单元231连接混频器236。
括若干个接收天线阵元2341,每一个接收天线阵元2341均连接由一个低噪声放大器235、混
频器236、中频滤波器237、数模转换器238构成的信号混频传输电路。
上下两条边上分别布置一个接收阵列234;每个发射天线阵元2331由多个微带贴片通过并
联馈线相连构成,贴片等间隔横向排列;每个接收天线阵元2341由多个微带贴片通过并联
馈线相连构成,贴片等间隔纵向排列;每个发射天线阵元2331与每个接收天线阵元2341均
采用超低副瓣技术对微带贴片构成的阵列进行幅度加权处理。
器11的作用是增强反射回波,可在隧道关键区域安装角反射器,提高监测效果。
加权系数,并得到超低副瓣的天线阵元方向图;其中天线阵元的波束宽度可以确定稀疏线
阵的视场角范围;
器232到达发射阵列233中的发射天线阵元2331;控制电路239对功率放大器232的打开和关
闭进行控制,令每个时刻发射阵列233中只有一个发射天线阵元2331发送宽带调频连续波
信号;接收阵列234中的接收天线阵元2341接收隧道1内壁或无源角反射器11反射的回波信
号,并传输至低噪声放大器235,再经过混频器236、中频滤波器237、模数转换器238后传输
至信号处理电路2310,信号处理电路2310对回波信号进行处理得到隧道内壁形变信息,并
通过无线传输模块2311传输至数据显示子系统24;接收阵列234中的所有接收天线阵元
2341同时接收回波信号;控制电路239对功率放大器232的控制,使得雷达子系统23以时分
复用的方式进行工作,保证MIMO信号正交性。
和时域采样数据;
测外推处理,得到第二次虚拟孔径处理结果,获得更多的虚拟阵元数据,实现第二次孔径扩
展;
为Y,维数为M1×N1,Y的第(m,n)元素为y(m,n);
1≤n≤N2/2;
时刻获取的三维雷达复图像与参考时刻雷达复图像结合,得到雷达相位干涉图像;具体步
骤如下:
脉冲宽度,B为信号带宽,α=B/T为调频率;
为
径雷达系统2由三脚架21、二维转台22、雷达子系统23和数据显示子系统24构成;数据显示
子系统24包括加固平板电脑终端。雷达子系统23放置在固定在三脚架21上的二维转台22
上,通过机械转动令雷达子系统21的波束范围覆盖隧道1内的所有监测区域。雷达子系统21
通过发射阵列233向隧道1发射毫米波频段的宽带调频连续波信号,隧道1内壁及无源角反
射器11反射信号,雷达子系统的接收阵列234接收到隧道1内壁以及无源角反射器11反射的
回波信号并进行处理,得到雷达复图像和相位干涉图。通过相位信息计算出隧道1内壁的形
变量,将数据通过无线传输模块2311传送到数据显示子系统24,技术人员可通过加固平板
电脑终端查看监测点形变数据,分析隧道结构的稳定性。
转换器238、控制电路239、信号处理电路2311和无线传输模块2311构成;发射阵列233由多
个发射天线阵元2331组成,每个发射天线阵元又由多个微带贴片构成;接收阵列234由多个
接收天线阵元2341组成,每个接收天线阵元又由多个微带贴片构成。信号发生单元231用于
产生毫米波频段的宽带调频连续波信号,信号发生单元231产生的宽带调频连续波信号通
过由控制电路239控制的功率放大器232到达发射阵列233中的发射天线阵元2331。
信号处理电路2310将得到的初始雷达回波数据进行处理,包括第一次虚拟孔径处理即MIMO
处理、距离向傅里叶变换、第二次虚拟孔径处理即预测外推处理、数字波束形成和相位干涉
测量等,得到隧道内壁的三维雷达复图像以及相位干涉图。无线传输模块2311将这些数据
发送给数据显示子系统24。在雷达工作过程中,控制电路239对功率放大器232的打开和关
闭进行控制。使得每个时刻发射阵列233中只有一个发射天线阵元2331发送毫米波频段的
宽带调频连续波信号,接收阵列234中的所有接收天线阵元2341同时接收回波信号,采用这
种方式使雷达子系统23以时分复用的方式进行工作。
此相位的变化量可计算得到监测点的位移量。
上分别布置2个接收阵列234;或者在矩形的左右两条边上分别布置2个接收阵列234,在矩
形的上下两条边上分别布置2个发射阵列233,发射阵列233与接收阵列234都是稀疏分布的
均匀线阵。
表示等效虚拟接收阵元(m,n)的位置坐标,其表达式为:
和。
纵向排列,每个接收天线阵元的结构都相同;相邻微带贴片之间的间隔均为λ/2,λ为波长。
图会产生栅瓣。天线阵元方向图为每个单元的天线阵元的方向图。合成阵列方向图为等效
虚拟面阵的方向图,其孔径越大,波束越窄,为减小栅瓣对合成阵列方向图的影响,在本发
明中,采用如下解决方法:天线阵元采用超低副瓣技术,对微带贴片阵列进行幅度加权处
理,例如采用切比雪夫权;改变稀疏线阵的阵元间距和天线阵元的贴片数量,使稀疏线阵的
栅瓣位于视场角范围之外,落在天线阵元的副瓣内,从而减少对雷达系统的干扰。
在天线阵元方向图的副瓣中。
易落在天线阵元方向图主瓣以内,从而造成较大干扰;如果减小阵元间距则阵元数量增加,
一方面需要更多的发射接收通道,另一方面收发串扰也会增加。
阵元的波束宽度,确定天线阵元的微带贴片个数及幅度加权系数,得到天线阵元方向图;在
天线阵的视场角内,从λ/2开始逐渐增加稀疏线阵的阵元间距,直到栅瓣位于天线阵元方向
图的第一副瓣内,从而确定稀疏线阵的阵元间距、阵元数量和角度分辨率。
的等效虚拟面阵,C为将先前得到的等效虚拟面阵通过第二次虚拟孔径处理即预测外推得
到的等效虚拟面阵,进一步扩展了虚拟阵元个数和天线孔径。
现对虚拟阵元快拍数据的预测和估计。空间中等间隔分布的各个阵元可以对应于线性预测
滤波器中的各个延迟节点,各节点的时间延迟对应于空域中两相邻阵元之间的间距。
上,左上,左下,右下)扩展,得到第二次虚拟孔径处理结果。第二次虚拟孔径处理的过程如
下:
≤k1≤K1,0≤k2≤K2,a(0,0)=1。
m≤M2/2,1≤n≤N2/2。
离向分辨率取决于信号带宽,带宽越宽,分辨率越高,本发明采用宽带调频连续波信号,雷
达距离向分辨率可达到厘米级。假设天线阵的真实孔径为Drx×Dry,目标处于远场时的最小
2 2
距离为Rmin=max{2(Drx) /λ,2(Dry)/λ},经过两次虚拟孔径扩展处理后的天线孔径为Dvx×
Dvy,方位向孔径扩展倍数kx=Dvx/Drx,俯仰向孔径扩展倍数为ky=Dvy/Dry;对应的方位向角
分辨率为δθ=0.886·λ/Dvx=51°·λ/Dvx,俯仰向角分辨率为δφ=0.886·λ/Dvy=51°·λ/
Dvy。R1为俯仰分辨单元,R2为方位分辨单元,R3为距离分辨单元。可以得出雷达角分辨率与天
线孔径参数有关,提高角分辨率最直接的方法是增加雷达天线尺寸,但是由于雷达体积、重
量等物理因素的制约,无法安装大的物理孔径天线。在本发明中,采用两次虚拟孔径处理可
以将天线孔径扩展至原物理尺寸的3~4倍,方位向和俯仰向角分辨率可达到1~2°。
个数分别为方位向虚拟接收阵元数量、俯仰向虚拟接收阵元数量和时域采样点数。通过
MIMO处理,雷达增加了方位向和俯仰向的虚拟接收阵元数量,实现天线阵列孔径的第一次
扩展。
由此可得到距离向的雷达数据。
号,实现雷达距离向数据的聚焦,由于只对有限采样点数进行运算,所以大大减少了后续信
号处理过程中的运算量,提升系统的实时性。
的虚拟接收阵元数量,实现天线阵列孔径的第二次扩展。
升信号发射功率的同时使雷达发射阵列233以时分复用的形式发射信号。雷达波束覆盖监
测区域,接收阵列234同时接收回波信号,经过低噪声放大器235、混频器236、中频滤波器
237和模数转换器238后进入信号处理电路2310。
速度。
孔径。
为所述宽带调频连续波信号的脉冲宽度,B为信号带宽,α=B/T为调频率。
需要对干涉相位数据进行相位解缠与大气相位校正处理,得到实际干涉相位。
相位中的 与发射天线阵元、接收天线阵元以及目标位
置都有关,即存在距离和方向耦合问题。传统的雷达采用后向投影(Back Projection,BP)
成像算法,将成像区域划分为一系列像素点,求解每一个像素点到不同发射阵元和接收阵
元组合的时延相位项,补偿之后相干叠加即可得到该像素点的聚焦成像,循环遍历所有像
素点完成成像。这种串行处理方式导致运算效率低下。
为:
第3项与监测点来波方向以及发射天线阵元坐标和接收天线阵元坐标有关,与经过虚拟孔
径处理得到的虚拟面阵导引矢量相同。由于解决了距离与方向的耦合问题,本发明中将传
统BP算法中的延迟相加过程转化为应用二维数字波束形成处理中的数字波束扫描过程,大
大简化了算法的运算量。
而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说
明即可。
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。