稀疏阵列天线雷达技术及其应用

第1章概论
　　1.1概念与内涵
　　稀疏阵列天线雷达是指利用在空间稀疏布设的多个子阵天线的孔径综合，通过空-时-频多维信号处理，以较少的设备量实现对地成像和运动目标探测的雷达系统。采用稀疏阵列天线，雷达可大幅度减少大尺寸阵列天线子阵及其对应的收发单元数量，这种技术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。
　　孔径综合是指利用在空间优化稀疏布局的多个多发多收子阵天线，获得更小间隔的空间采样点并产生新的天线相位中心，通过在空间重排处理，使稀疏阵列天线相位中心的数量和分布情况与满阵天线相同，在获取全阵高空间分辨率天线波束的同时，避免产生栅瓣和较高的旁瓣。
　　在系统体制上，稀疏阵列天线雷达可看作是各子阵采用正交信号实现宽波束发射，工作在宽发窄收方式下的多发多收雷达系统；其全阵高空间分辨率波束形成中的孔径综合和窄波束接收，可看作是基于子阵级接收数字波束形成处理的。在系统组成上，稀疏阵列天线雷达主要由大型稀疏阵列天线和中央电子设备两大部分组成，其中稀疏阵列天线子阵由多个可两维电扫的有源相控子阵和空间布设机构组成。在应用方向上，稀疏阵列天线雷达不仅可用于地基平台，也可用于机载和艇载平台。
　　1.2研究意义
　　具有三维成像能力的雷达系统在国家基础测绘和战场侦察领域具有广阔的应用前景。常用的干涉合成孔径雷达(inlerferometrlc synrhetic aperture radar，InSAR)通过交轨方向上两幅复图像的干涉相位来反演地物的高程，可生成三维数字高程模型(digital elevation model，DEM)，但不具备地物高程上的分辨能力，只能称为2.5维成像系统。
　　在2004年的欧洲雷达年会上，Giret等提出了机载下视毫米波三维合成孔径雷达(thrcc-dimcnsional synthctic apcrtur cradar，3D-SAR)概念，它采用宽波束天线发射宽带信号，在交轨方向利用机翼上的多个连续均匀布设的子天线实施接收，在顺轨方向以合成孔径方式接收，其高程分辨率由发射信号带宽决定，顺轨方向分辨率由合成孔径长度决定，交轨方向分辨率由多个子天线构成的阵列天线的长度决定。由于3D-SAR的天线垂直指向地面，这种系统不仅可避开地物阴影的影响，小的入射角使合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)的发射功率也可较小，在城市基础测绘方面具有很好的应用前景。为此，2006年德国FGANFHR即开展了低空无人机载毫米波下视三维成像雷达——三维成像和天底观测机载雷达(airborne radar for three-dimensional imaging and nadir observation，ARTINO)(3D-SAR)的研究工作。
　　3D-SAR的交轨分辨率都是南交轨天线的长度决定的，在高空作业中，为了获得足够高的交轨分辨率，就需要较长的交轨天线，由此会产生大量的子天线和接收通道，这使得其应用受到限制。为此，迫切需要采用稀疏阵列天线来降低系统的复杂性。
　　平流层飞艇拥有巨大的空间和超长续航能力，可作为区域预警的重要平台。采用平流层飞艇为平台的雷达系统具有作用距离远、覆盖区域大的特点，可以实现全天候、长时间、稳定的大面积对地观测和运动目标探测。合成孔径雷迭是利用雷达运动产生的空间虚拟孔径合成等效大孔径天线，实现较高的空间分辨率。飞艇悬浮驻留的特点，使其利用合成孔径雷达原理实现对地成像存在困难，但其巨大的体积，又为利用大尺寸天线雷达实现实孔径对地成像和运动目标探测提供了可能。
　　大尺寸的雷达天线为实现实孔径高分辨率成像创造了条件，但与之对应的大量天线单元和接收通道，使雷达系统的体积重量及复杂度增加。为覆盖足够的观测范同，天线波束需扫捕或天线应具有同时多波束处理能力，这使得系统变得更为复杂。解决上述问题的一个途径就是考虑采用具有稀疏特点的阵列天线。
　　本书介绍的稀疏阵列天线雷达技术主要应用方向为机载／艇载稀疏阵列天线雷达对地成像和运动目标高分辨率探测，相关的研究工作对现代雷达技术的发展具有重要意义。
　　1.3国内外研究现状
　　目前，稀疏阵列天线及其孔径综合技术在射电天文望远镜、地基／星载／机载成像辐射计和地基对空观测雷达中已获得了广泛的应用。
　　稀疏阵列天线*为典型的应用是在综合孔径射电天文望远镜和综合孔径微波辐射计中，第二次世界大战后，大批退役雷达的军转民用，促进了射电天文技术的*初起步和发展。从20世纪80年代开始，射电天文望远镜中的孔径综合技术被引入到了对地观测的微波辐射计中，促使了综合孔径微波辐射计的诞生，有效地解决了天线尺寸和分辨率之间的矛盾，给微波辐射计带来了变革性的发展。比较有代表性的是美国航空航天局(National Acronautics and Spacc Administration，NASA)在1988年研制的首个机载一维综合孔径辐射计——电扫稀布阵辐射计(electronically scanned thinned array radiorneter，ESTAR)，以及欧洲航天局土壤湿度和海洋盐度计划(Soil Moisture and Ocean Salinity，SMOS)的二维综合孔径辐射计——合成孔径微波成像辐射计(microwave imaging radiometer using aperturc synthcsis，MIRAS)。国内主要有中国科学院空间科学与应用研究中心研制并已投入使用的机载和星载微波辐射计。一维综合孔径射电天文望远镜和一维综合孔径微波辐射计都采用*小冗余线列阵，作为接收阵列，其空间分辨率由整个阵列尺寸决定，而且不存在稀疏阵旁瓣和积分旁瓣比较高的问题。这两者都采用干涉相关处理技术，要求目标信号空域不相关，这种情况下只适用于被动接收来自天体和地物的电磁辐射。
　　在地基空中运动目标探测雷达方面，20世纪70年代末，法国国家航天局提出将综合脉冲与孔径雷达(synthetic impulse and aperture radar，SIAR)的概念用于米波地基对空观测雷达中．该雷达采用全向天线单元，发射和接收相互正交的信号，在接收端通过匹配滤波处理，综合形成窄脉冲和发射波束，采用数字波束形成(digital beam forming，DBF)技术实现多波束接收。为了提高测角分辨率，发射和接收阵列采用了稀疏阵，但阵列稀疏化同时带来旁瓣高的问题，需要采用综合处理的方式加以解决。国内西安电子科技大学在这方面做了较多的研究工作。
　　在地基对空中运动目标成像的雷达中，文献[9]将阵列天线引入大型天线干涉成像系统中，以改善三天线干涉对位于同一距离-多普勒单元散射点的分辨情况。将型线阵扩展到面阵，并采用稀疏的二维面阵进行三维成像，在解决使用相互垂直天线阵列成像出现的散射点坐标配准问题的同时，可进一步提高成像性能。
　　在机载预警雷达地面运动目标探测方面，针对由于杂波谱在空域和时域存在耦合，用多普勒频移区分目标和杂波困难的问题，1973年Brcnnan等在自适应阵列信号处理基础上提出了*优空时自适应处理(space time adapting processlng，STAP)方法，该方法根据杂波的协方差矩阵构造空时二维滤波器，能够有效抑制杂波。相比满阵天线，稀疏阵列在获得相同室间分辨率情况下，具有降低系统代价的优势，但是稀疏阵列旁瓣较高的特性，使得基于稀疏阵列的空时自适应处理的性能低于使用满阵的性能。Ward指出，进行杂波抑制所需的自由度由阵列配置方式决定，并给出了稀疏阵列杂波秩的上限和下限表达式。
　　在稀疏阵列天线雷达对地成像方面，德国提出的ARTINO(3D-SAR)系统采用稀疏布置的阵列天线实现机载下视三维成像，其发射单元位于机翼交轨阵列两端，接收单元位于阵列中间，采用时分工作方式获得的虚拟满阵天线单元位于发射和接收单元位置中问，获得的相位中心数日为发射单元和接收单元的乘积。AR-TINO系统采用稀疏阵列实现数据获取，但是在成像时使用的还是虚拟满阵天线接收的数据。
　　由于稀疏阵列天线雷达一般采用正交信号（码分和频分信号）实现多发多收，故其也可归类为多输入输出(multi-inputmulti-output，MIMO)体制雷达。为缓解稀疏阵列对成像的影响，2008年Klare也探讨了频率分集和波形分集技术方案。
　　2006年，Donoho提出了压缩感知(compressed sensing，CS)理论12，该理论表明，当信号具有稀疏性时可以通过远少于传统方法的采样数据对信号进行恢复。采用压缩感知理论，可以改变传统的数据获取方式，在数据获取时可以稀疏采样方式直接实现压缩。压缩感知理论一经提出，就在图像处理、雷达成像、无线通信等领域受到了高度关注口3'14]，国内外许多科研机构都针对其理论和应用开展了广泛的研究。
　　基于运动目标信号在空间域的稀疏性，国内的西安电子科技大学将压缩感知理论用于逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar，ISAR)对运动目标的超分辨成像，验证了其技术上的可行性并取得了显著的研究成果。
　　雷达系统的阵列天线可看成是雷达实现空间采样的一种设备，当观测对象信号具有稀疏性时，稀疏阵列天线雷达在原理上应可使用压缩感知理论，此时其信号的稀疏性不仅可定义在空间域，也可定义在频域或变换域。
　　当稀疏阵列天线雷达用于运动目标探测时，由于静止杂波对消后，运动目标场景已具有稀疏性，这给基于压缩感知理论利用稀疏阵列实现运动目标高分辨率探测创造了有利条件。由此可见，研究压缩感知理论在稀疏阵列天线雷达中的应用问题具有重要意义。
　　近年来，中国科学院电子学研究所在对稀疏阵列进行优化没计的基础上，采用码分和频分正交信号，较为系统地研究了机载／艇载稀疏阵列天线雷达对地成像和运动目标高分辨率探测中的重要问题，已取得了一定的研究成果，其研究工作的基本思路如下：
　　在对地观测成像时，一方面利用稀疏阵多相位中心孔径综合，使综合后的相位中心数量和分布情况与满阵天线的相同，从而避免了稀疏阵栅瓣和旁瓣较高的问题，满足对地观测成像的使用要求；另一方面通过多孔径稀疏阵列的信号重构，使连续变化地物场景信号在频域具有窄带特性或变换域具有稀疏性，通过频域滤波处理或引入压缩感知理论直接使用稀疏阵列实现对地成像。
　　在运动目标探测成像时，一方面是将稀疏阵换成满阵利用空时自适应处理抑制杂波实现运动目标探测；另一方面是利用运动目标届示(moving target indication，MTI)处理抑制杂波，使观测场景中的运动目标信号具有稀疏性，将压缩感知理论引入稀疏阵列信号处理过程，根据稀疏阵列构型和脉冲压缩后的信号形式，构造基矩阵，并进一步实现运动目标探测成像。
　　1.4本书的内容安排
　　本书是作者近年来在稀疏阵列天线雷达技术及其应用领域的研究工作总结，共8章，各章具体内容安排如下：
　　第1章为概论，主要介绍了稀疏阵列天线雷达的概念、研究意义、应用方向和研究现状。
　　第2章为稀疏阵列天线优化设计和信号处理方法，主要包括阵列天线形式、稀疏阵列天线设计、阵列孔径综合分析、信号波形分析、成像算法、杂波抑制方法、压缩感知理论、稀疏阵列天线雷达性能分析等内容，是本书的基础部分。
　　第3章为艇载稀疏阵列天线雷达对地成像和运动目标探测，艇载阵列天线构型包括稀疏线阵和共形稀疏阵列两种形式，采用多频正交信号形成多发多收的工作模式，在对地成像时给出了等效相位中心相位补偿和阵列误差补偿方法；在运动目标探测时，引入了压缩感知理论。
　　第4章为码分信号在稀疏阵列天线雷达中的应用，主要包括基于空时自适应处理(space time adapting processing，STAP)技术的机载顺轨稀疏阵列

稀疏阵列天线雷达技术是近年发展起来的一种用于对地成像和目标探测的新体制雷达技术，尤其适用于空间分辨率要求高、设备体积及质量约束条件多的工作环境。
　　《稀疏阵列天线雷达技术及其应用》共8章，首先阐述稀疏阵列天线雷达的概念，提出稀疏阵列天线优化设计和信号处理方法；然后针对机载和艇载平台，介绍稀疏阵列天线雷达在对地成像和运动目标探测方面的应用研究情况，给出部分暗室和实际数据的处理结果；*后讨论高度稀疏阵列孔径综合和对地成像处理方法。

目录
前言
第1章概论1
1.1概念与内涵1
1.2研究意义1
1.3国内外研究现状2
1.4本书的内容安排5
参考文献6
第2章稀疏阵列天线优化设计和信号处理方法9
2.1引言9
2.2阵列天线形式9
2.2.1均匀线列阵9
2.2.2二维平面阵11
2.2.3*小冗余线列阵12
2.3稀疏阵列天线设计13
2.3.1阵列天线基本概念13
2.3.2阵列天线稀疏化方案分析16
2.3.3基于模拟退火算法的稀疏阵列优化设计18
2.3.4稀疏阵列天线设计过程21
2.4阵列孔径综合分析21
2.4.1一维阵列孔径综合22
2.4.2二维阵列孔径综合24
2.5信号波形分析27
2.5.1线性调频信号28
2.5.2相位编码信号28
2.6成像算法30
2.6.1距离徒动算法30
2.6.2后向投影算法31
2.7杂波抑制方法32
2.7.1脉冲对消杂波抑制方法32
2.7.2STAP杂波抑制方法32
2.8压缩感知理论34
2.8.1信号可压缩性描述34
2.8.2测量矩阵和信号重建算法34
2.9稀疏阵列天线雷达性能分析36
2.9.1雷达系统参数示例36
2.9.2信噪比分析37
2.10小结39
参考文献39
第3章艇载稀疏阵列天线雷达对地成像和运动目标探测41
3.1引言41
3.2稀疏线阵天线雷达对地成像41
3.2.1收发方式设计41
3.2.2信号处理方法42
3.2.3实例分析47
3.2.4仿真结果48
3.3稀疏线阵天线雷达对运动目标成像55
3.3.1信号模型分析56
3.3.2基于压缩感知理论的成像算法58
3.3.3仿真分析60
3.4艇载共形稀疏阵列天线雷达对地成像和运动目标探测70
3.4.1成像模型和共形稀疏阵列天线的布阵方式70
3.4.2系统收发方案73
3.4.3对地成像74
3.4.4运动目标探测75
3.4.5仿真实验76
3.5小结81
参考文献82
第4章码分信号在稀疏阵列天线雷达中的应用84
4.1引言84
4.2机载稀疏阵列天线雷达84
4.2.1收发方式设计84
4.2.2码分信号稀疏阵列孔径综合85
4.2.3子空间投影的杂波抑制算法86
4.2.4仿真分析87
4.3艇载稀疏阵列天线雷达92
4.3.1基于多发多收的BP成像算法92
4.3.2运动目标探测方法93
4.3.3仿真分析95
4.4小结99
参考文献100
第5章机载稀疏阵列天线雷达下视三维成像101
5.1引言101
5.2系统描述102
5.2.1成像几何模型102
5.2.2阵列布局103
5.3单发多收系统成像处理104
5.3.1收发方式104
5.3.2信号处理104
5.3.3仿真参数106
5.3.4仿真结果107
5.4多发多收系统成像处理-111
5.4.1收发方式111
5.4.2信号处理112
5.4.3扫描方式和仿真参数117
5.4.4仿真结果119
5.5稀疏重过航飞行成像处理123
5.5.1重过航飞行系统描述123
5.5.2重过航的采样方式124
5.5.3方向图分析126
5.5.4仿真实验132
5.6小结135
参考文献135
第6章稀疏阵列天线暗室成像试验137
6.1引言137
6.2暗室试验系统137
6.3阵列误差校正方法138
6.3.1幅度误差校正138
6.3.2相位误差校正139
6.4试验数据处理140
6.4.1阵列误差估计140
6.4.2阵列误差校正前后成像结果143
6.4.3孔径综合前成像分析145
6.4.4基于压缩感知理论的成像结果146
6.5小结149
参考文献149
第7章机载三孔径稀疏阵列毫米波SAR侧视三维成像150
7.1引言150
7.2系统描述151
7.2.1成像几何模型151
7.2.2交轨向孔径的结构布局152
7.3交轨向阵列方向图分析153
7.4基于波数域算法的侧视三维成像154
7.4.1三维成像算法154
7.4.2仿真实验157
7.4.3实际数据处理结果160
7.5基于压缩感知的侧视三维成像处理161
7.5.1三维成像算法161
7.5.2仿真实验及分析165
7.5.3实际数据处理结果169
7.6小结169
参考文献170
第8章高度稀疏阵列的孔径综合和对地成像处理172
8.1引言172
8.2基于双波段信息的高度稀疏阵列天线孔径综合172
8.2.1高度稀疏阵列的旁瓣抑制方法172
8.2.2双波段稀疏阵列天线孔径综合仿真173
8.3基于连续场景的稀疏阵列SAR侧视三维成像175
8.3.1信号模型175
8.3.2信号处理178
8.3.3干涉SAR二维成像实际数据验证179
8.3.4阵列SAR侧视=i维成像仿真分析181
8.4基于压缩感知的稀疏阵列SAR侧视三维成像-185
8.4.1信号模型185
8.4.2稀疏性分析和处理方法186
8.4.3仿真实验和分析188
8.5小结192
参考文献192