一种基于稀疏MIMO线阵的毫米波下视三维成像雷达

任芳芳， 许高升， 孙铭芳， 王 征

（北京华航无线电测量研究所，北京100013）

0 引言

稀疏化MIMO线阵天线的出现使得下视三维成像雷达的实现成为可能。下视三维成像雷达能够克服SAR成像中固有的阴影效应、顶底倒置等问题，在保留了SAR成像优点的基础上，增加了跨航向分辨率，能够对地形起伏剧烈的区域进行真实三维成像，在测绘、救援等方面具有广阔的应用前景。目前，针对毫米波下视三维成像技术的研究多停留在算法层面，尚未见到三维成像雷达系统的工程实现，本文从工程实现的角度出发，给出了一种基于稀疏MIMO线阵的毫米波下视三维成像雷达的系统设计方案。

1 基础

国际上，2004年法国航空航天研究院（ONERA）的R.Giret，H.Jeuland和P.Enert提出了一种无人机上的三维毫米波成像雷达系统［1］，该系统在无人机的机翼上安装一个实阵列，发射线性调频信号，利用下视波束来进行三维SAR成像，从而克服了因地形遮挡带来的阴影效应，给出了单点在距离向、沿航向、跨航向的点扩散函数仿真结果。

2005年，德国FGAN研究所利用Ka波段调频连续波雷达进行三维SAR成像技术研究，即机载三维成像天底观测雷达（Airborne Radar for Three Dimensionally Imaging and Nadir Observation：ARTINO）［2］，该系统是在无人机的机翼上安装一个线阵天线，天线垂直照射成像区域。可安装的线阵的长度为4 m，飞行速度（10～15）m/s，发射信号采用调频连续波体制，后来该团队陆续发表了针对点目标的算法仿真和工程实现结果［3］，开展了一些飞行试验［4，5］，但至今未见到有基于飞行试验数据的成像结果发表。

同年，ONERA电磁雷达部开始开发针对无人机应用平台的三维成像雷达DRIVE［6］，并于2006年9月完成首飞，搭载平台为S10-VT电动滑翔机。DRIVE采用调频连续波体制，工作于Ka波段，中心频率为35 GHz，带宽800 MHz。后续针对3D DRIVE又开展了天线与机翼整合、天线结构及天线特性仿真等方面的研究。

德国FGAN研究所分别于2010年和2013年开发了X波段静态MIMO三维成像系统MIRA-CLE X，以及Ka波段的静态MIMO三维成像系统 MIRA-CLE，对典型目标进行了远近成像，成像结果与目标实际位置吻合良好。

国内，电子科技大学、中科院电子所、国防科技大学等单位也在研究三维成像技术。他们在算法研究方面做了许多工作，并采用测试设备搭建了验证系统。截至目前，尚未见到有毫米波稀疏MIMO线阵下视三维成像雷达的工程实现成果。

2 几何模型

如图1所示，系统采用线阵天线垂直向下照射，通过天线在方位向的移动形成合成孔径获取方位向分辨率，线阵天线与平台运动方向垂直，发射阵元在两边，接收阵元在中间，通过等效得到的实孔径获得跨航向分辨率，距离向分辨率通过天线收发的时域宽带调频信号获得。

3 系统组成

系统硬件由天线、毫米波收发前端、频综、中频接收机、信号处理分机、测控成像处理计算机和电源组成，如图2所示。

下视三维成像跨航向分辨率与发射信号频率、线阵长度、飞行高度均有关。为了在200 m高度处得到1 m×1 m×1 m的三维分辨率，发射信号采用Ka波段线性调频脉冲，天线阵元为32个。为了节约后续信号处理硬件资源，收发均采用分时控制，实现分时分组MIMO收发。

4 稀疏MIMO线阵天线设计

4.1 天线阵型及阵元数量

采用发射阵元在两边、接收阵元在中间的线阵天线阵型，根据等效相位中心原理，对所需阵元个数进行稀疏化后，得到所需的实际发射与接收阵元均为16个，天线形式如图3所示，间距d为半个波长。

4.2 天线收发控制策略

为减少硬件开销，天线发射、接收采用分时分组循环控制方式。所有接收阵元被分为4组：第一组为 R1、R5、R9、R13；第二组 R2、R6、R10、R14；第三组 R3、R7、R11、R15；第四组 R4、R8、R12、R16。每个PRT内只有一个发射阵元发射信号，只有一组接收阵元同时接收信号。第一个PRT内，T1发射，R1、R5、R9、R13同时接收；第二个PRT内，T1发射，R2、R6、R10、R14同时接收；第三个 PRT 内，T1发射，R3、R7、R11、R15同时接收；第四个PRT内，T1发射，R4、R8、R12、R16同时接收。然后，T2发射，四组接收按T1发射时的接收顺序接收。如此，发射单元逐一轮换，直至轮换到T16发射。至此，完成一个完整的发射循环。接下来的每个发射循环均重复上述过程。

4.3 回波重组

由于接收采用分时分组控制，使得16×4=64个PRT才能完成一个MIMO循环，得到一个完整的256个等效阵元回波。由于发射阵元在两边，接收阵元在中间，需要对64个PRT内的回波进行重组，才能得到对应256个阵元的回波。

5 系统软件设计

雷达主控软件主要是接收测控与成像计算机（上位机）的指令，产生控制指令和脉冲，对雷达分机进行工作状态控制，接收处理结果，并向上位机发送处理结果，主控软件控制流程如图4所示。测控与成像计算机主要是向主控发送指令控制雷达完成雷达自检、校正和成像处理等功能，同时接收、回波数据，并进行校正、成像等。测控与成像计算机软件流程，如图5所示。

6 下视三维成像雷达系统仿真

系统仿真参数，如表1所示。

采用本文所提系统方案，对点目标和面目标进行三维成像，成像结果分别如图6、图7所示。从仿真结果可以看出，系统方案能够实现三维空间散射点的良好聚焦。在图6中，成像目标是在三个维度均匀分布的7个点目标，最小间距均为3 m。可以看到，成像后的结果能够将7个点目标在三个维度准确分辨开，表明本文方案具有三维成像能力，且最小分辨率可达到1 m×1m×1.2 m。在图7中，成像目标是一个25 m×25 m×16 m的锥状面目标。仿真结果表明，本文方案可以对面目标进行精确成像。

表1 毫米波稀疏MIMO线阵下视三维成像雷达系统参数

7 结论

本文给出了一种基于稀疏MIMO线阵的毫米波下视三维成像雷达系统设计方案，给出了系统主要参数、控制策略、硬件设计、软件设计等，并对所提方案进行了系统仿真，仿真结果表明系统设计合理、有效。

目前，由于收发都采用分时控制，系统的有效重频被降低，当飞行速度较高时，为避免多普勒模糊，重频要求会更高，后续考虑引入正交波形发射方式，降低对重频的要求，以适应更高飞行速度。

此外，在同一高度上，线阵三维成像雷达的分辨率与等效阵元个数密切相关，但阵元个数的增加会直接增加回波数据量，使得成像处理压力增大，后续考虑在现有系统基础上，引进利用少量回波数据进行较高分辨率成像的方法。同时，还可通过引入GPU计算模块来提高成像速度。