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阵列天线可利用小孔径天线单元组成大孔径天线,获得与大孔径天线相同的空间分辨率。而采用稀疏阵列天线结构则可大幅度减少子阵及其对应收发单元的数量,因此该天线形式尤其适用于空间分辨率要求高、设备体积重量约束条件多的工作环境。研究稀疏阵列天线雷达及其信号处理技术,对现代雷达的发展具有重要的意义。
本文研究了稀疏阵列天线在雷达成像和目标探测中的应用问题,主要研究内容包括以下几个部分:
1.研究了机载稀疏阵列天线雷达的下视三维成像处理问题。将稀疏阵列天线应用于载机的交轨方向,实现对观测场景的下视三维成像。各子阵同时收发频分正交信号,利用多相位中心孔径综合原理将稀疏阵列天线等效为满阵,从而避免稀疏阵列天线旁瓣较高的问题。利用与空间位置有关的匹配滤波器,完成对回波信号的匹配滤波处理,再将子带信号合成宽带信号,以提高距离向分辨率。采用可扫描的子阵结构,利用ScanSAR模式和SweepSAR模式相结合的扫描方式扩大成像幅宽。
2.研究了机载稀疏阵列天线雷达的稀疏重过航问题。为了提高机载下视三维成像雷达的交轨向分辨率,考虑采用重过航的方式在交轨向获得一个等效大阵。为了减少重过航飞行的次数,提出了稀疏重过航飞行方案,并考虑以Barker码作为随机稀疏采样的准则。利用子阵方向图加权的方法,抑制稀疏阵列天线栅瓣的影响,改善其峰值旁瓣比和积分旁瓣比。
3.研究了机载交轨三孔径稀疏阵列毫米波SAR侧视三维成像问题。利用交轨向三个孔径一发三收产生的三个等效相位中心构成交轨向稀疏阵列结构,可实现对观测场景的三维成像。而由三个等效相位中心构成的交轨向阵列长度有限,导致交轨向分辨率较低,通过发射毫米波信号可改善交轨向分辨率。系统工作在侧视模式,交轨向分辨率与高程向分辨率会产生耦合,使得较低的交轨向分辨率部分转化为高程向的不确定。分析了由三个等效相位中心构成的交轨向稀疏阵列的方向图,利用真实孔径方向图加权的方法,改善稀疏阵列天线的峰值旁瓣比和积分旁瓣比。利用交轨向频谱的加窗预处理,进一步抑制交轨向旁瓣较高对成像的影响。点目标和仿真场景的成像结果验证了用该系统实现侧视三维成像的可行性。并且利用中国科学院电子学研究所研制的机载交轨三基线毫米波InSAR原理样机采集的数据,对实际场景的侧视三维成像处理进行了有益的尝试。
4.研究了艇载共形稀疏阵列天线雷达对地成像和运动目标探测的问题。基于平流层飞艇平台,给出了一种与艇身共形的稀疏阵列天线布局结构。雷达采用实孔径方式成像,各子阵同时发射多脉冲频分正交信号。利用各子阵多发多收的回波信号,采用后向投影算法完成各子带信号对地成像处理,再将子带信号成像结果相参累加以提高距离向分辨率;利用各子阵一发多收的多脉冲回波信号,完成静止杂波抑制后,采用压缩感知的方法完成各子带信号对运动目标图像的重建,再将子带信号重建的结果非相参累加以提高对运动目标探测的信噪比。