CN102798858B - 全息型主动式微波成像方法 - Google Patents

Abstract

全息型主动式微波成像方法，系统的结构包括，发射天线(1)和信号接收装置(4)与处理控制装置(3)连接，接收天线(5)与信号接收装置(4)连接，设发射天线(1)位于原点，接收天线(5)在X轴上，散射点(2)位于X-Y面。采用一维或二维微波主动全息成像，通过对点源响应、实际源分布、接收信号的谐以傅里叶反变换得到测量模拟全息图像，降低观测系统的复杂度，减少成本；提高系统的精确度和稳定性。在航空航天等领域，对于近、中、远距离目标的速度、距离等参数都具备高精度测量的特点，实现全息投影测量的雷达工具。

Description

全息型主动式微波成像方法

技术领域

本发明涉及国际专利分类G01R测量电、磁变量或G02F用于控制声、光、电、磁波的强度、颜色、相位、偏振或方向的发射或接收的技术或工艺，属于信息获取与成像技术领域，尤其是全息型主动式微波成像方法。

背景技术

现有技术中，大气、海洋和陆地土壤水分遥感的应用对被动微波遥感器的空间分辨率提出了越来越高的要求。但是传统的微波辐射成像技术在分辨率达到一定高度时，由于波束在每个分辨像元的驻留时间越来越短，以致对辐射亮温的测量分辨率产生了影响，这就使得采用传统扫描成像技术来提高空间分辨率的技术路径成为不可能，如激光雷达虽然短距离精确度高但在大气中衰减严重。近年来发展起来的一种微波辐射成像技术——全息式被动微波成像技术,或称为综合孔径微波辐射成像技术。全息式被动成像技术经过二十余年的发展，尤其在星载研究计划的背景下，使得对这种技术逐步成熟并开始进人各实际应用领域。风云3号(FY-3)微波成像仪采用天线绕轴旋转形成圆锥形跨轨的扫描方式,根据微波成像仪观测几何、仪器空间位置和指向建立了遥感图像观测像元与地面位置之间关系的模型,其中包括根据卫星位置计算实时速度的算法模型,将计算结果与实际遥感图像比较以及通过地面控制点定位精度统计分析,给出遥感图像地理定位，精度达到像元级。

在各种观测频段中，微波频段特点较为突出，不但具有全天时、全天候以及很强的穿透力等特点，还可以通过极化测量，增加对地物和目标的识别能力。对自然地物，许多在可见光图像中无法分辨的信息，如潮湿与干燥的草地，在微波辐射图像中其含水量将被一览无遗。另外，天线阵结构是全息成像系统的关键部分，利用最少的天线单元实现地物及目标的辐射成像是全息测量的主要目的。其中合成孔径雷达的空间分辨率已经达到甚至超过可见光频段的能力，成为多种应用卫星特别是军事侦察卫星的重要载荷。但是，合成孔径雷达等有源微波遥感也存在一些弱点。其一是重量功耗较大，但由于自由空间传输距离的损耗，回波信号十分微弱，必须通过提高发射功率来获得一定强度的回波，因此发射功率通常要达到几千瓦，这又对卫星能源系统提出较高的要求；其二是隐蔽性较差，特别是机载系统，发射电磁波必然暴露自己，使对方找到攻击目标。激光立体成像微波雷达的功能相对强大，它受电磁干扰小、探测距离远、精度较高，但对近距离的测距精度、测速精度就会差一些。作为“十一五”863计划之一的“全息式毫米波成像辐射计关键技术研究”标志着对地观测与导航领域的不断发展。

对于涉及微波遥感技术涉及尖端科技，可供了解的知识较少，尤其是微波成像的设备以及技术较少公开。

相关专利文献包括：专利申请号201080019157一种便携式辐射测量成像设备及相关方法，其找到一种用以在例如机场或火车站检测乘客所携带的物体、或者行李之中所包含的物体的特定应用。所述设备包括：多个接收器天线（1，2），所述多个接收器天线（1，2）用于获取来自物体或物品的多个部位（Ｐ1，Ｐ2）的电磁辐射，并将它们转换成代表所述辐射的多个信号；多个接收器模块（5，6），所述多个接收器模块（5，6）与天线相连，用于接收代表辐射的信号并将它们转换成多个电信号；以及数字处理器单元（3），所述数字处理器单元（3）用于响应于电信号以产生代表电磁辐射的、用于显示在显示器上作为物体或物品的图像的一个或更多个数字信号。提供相关器模块（4）用于将电信号相关，以形成代表来自物体或物品的两个部位的相交部分的电磁辐射的信号。

专利申请号CN01144135.6一种微波对地观测技术的星载旋转扫描全息式成像微波辐射计。它包括天线A，天线A扫描机构，伸杆A，卫星的三轴稳定部分，卫星的自旋部分，天线B，伸杆B，天线C，伸杆C；伸杆A安装在卫星的三轴稳定部分的一侧，卫星的自旋部分安装在卫星的三轴稳定部分的另一侧，伸杆B和伸杆C沿径向安装在卫星的自旋部分上，天线A扫描机构一端与伸杆A连接，另一端与天线A连接，天线B和天线C分别固定在伸杆B和伸杆C的顶端；所述的卫星的自旋部分中放置有公共本振、相关器AB、相关器AC和数字处理部分。本发明在相同天线体积和重量的限制条件下，可比现有技术方案在低轨道对地观测卫星上实现更高的被动微波遥感的空间分辨力。

专利申请号200710063609一种用于全息式成像微波辐射计的扫描装置，包括一种用于全息式成像微波辐射计的扫描装置，包括转动装置；还包括至少两个天线单元分别通过连接装置与转动装置相连，使得天线单元能够共轴地在同一平面内独立旋转；所述至少两个天线单元的相位中心到转动轴的距离有两种，分别为第一距离和第二距离，所述第一距离大于第二距离。

专利申请号201120188563一种相控阵原理演示仪，其技术领域为一种物理测量和演示实验仪。现有的相控阵雷达是一种用微波作为探测波源并且用电子扫描方式来控制波束方向进行目标探测的现代化雷达设备，其通过相位调制来控制探测波的波束方向的原理比较抽象，扫描的速度也非常快，不便于进行教学研究。

专利申请号201110259631利用跳频实现高度扫描的微波系统，与具有被配置为扫描水平方向的辐射器阵列的微波天线共同使用的、用于扫描垂直方向的方法。在第一微波频率发送具有第一带宽的第一ＦＭＣＷ微波信号，如果存在回波，用辐射器阵列接收。在不同的中心频率发送具有第二带宽的第二ＦＭＣＷ微波信号，如果存在回波，用辐射器阵列接收。不同的频率导致接收到的信号的高度偏移。收到的回波随后被处理以识别导致回波的一个或多个物体的一个或多个位置，并将该一个或多个位置发送给用户。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种全息型主动式微波成像方法,该方法是一种微波或毫米波电磁波反演成像的方法，该方法利用空间域与频率的关系，极大的减少了运算量，从而较为轻松的算出物体的空间坐标。

实现本发明的发明目的措施在于：系统的结构包括，发射天线和信号接收装置与处理控制装置连接，接收天线与信号接收装置连接，设发射天线位于原点，接收天线在X轴上，散射点位于X-Y面；设发射天线位于原点，简称点源，接收天线在X轴上，散射点位于与X轴平行，Y轴坐标为d的直线上。

对一维或二维非全息测量模拟，由发射天线1向散射点2发射微波信号，经过散射点2返回的微波信号被接收天线5接收后由接收装置4处理进入处理控制装置3测得原始图像，再相应的对得到的振幅接收信号和相位接收信号以傅里叶函数处理，得到PSF的谱，进一步得到接收信号的谱，再得到高频未截断改正后的接收信号谱，再得到高频已截断改正后的接收信号谱，最后得到改正后信号谱的傅里叶变换图像，即重建后的图像，该图像与测的原始图像基本一致。

本发明的优点在于，采用一维或二维微波主动全息成像，通过对点源响应、实际源分布、接收信号的谐以傅里叶反变换得到测量模拟全息图像，降低观测系统的复杂度，减少成本；提高系统的精确度和稳定性。在航空航天等领域，对于近、中、远距离目标的速度、距离等参数都具备高精度测量的特点，实现全息投影测量的雷达工具。

附图说明

图1是本发明中成像设备系统的结构示意图

图2是本发明中实施例1一维情况下的成像原理示意图

图3是本发明中实施例1中测得原始图像

图4是本发明中实施例1中振幅接收信号图像

图5是本发明中实施例1中相位接收信号图像

图6是本发明中实施例1中PSF的谱图像

图7是本发明中实施例1中接收信号的谱图像

图8是本发明中实施例1中高频未截断改正后的接收信号谱图像

图9是本发明中实施例1中高频已截断改正后的接收信号谱图像

图10是本发明中实施例1中改正后信号谱的Fourier反变换图像

图11是本发明中实施例2二维情况下的成像原理示意图

图12是本发明中实施例2中4小球分布在空间中原始图像

图13是本发明中实施例2中为反演之后的4小球图像

附图标记包括：

发射天线1，散射点2，处理控制装置3，信号接收装置4，接收天线5；

具体实施方式

以下通过实施例进一步说明。

本发明中成像设备系统的结构包括，发射天线1和信号接收装置4与处理控制装置3连接，接收天线5与信号接收装置4连接，设发射天线1位于原点，接收天线5在X轴上，散射点2位于X-Y面。

对一维或二维非全息测量模拟，由发射天线1向散射点2发射微波信号，经过散射点2回波被接收天线5接收后由接收装置4处理进入处理控制装置3测得原始图像，再相应的对得到的振幅接收信号和相位接收信号以傅里叶Fourier函数处理，得到PSF的谱，进一步得到接收信号的谱，再得到高频未截断改正后的接收信号谱，再得到高频已截断改正后的接收信号谱，最后得到改正后信号谱的傅里叶变换图像，即重建后的图像，该图像与测的原始图像基本一致。

设中央即x=0有一个点源，该点源的响应函数为：

$S_{\mathrm{psf}}(X_I,Y_I)=e^{-\mathrm{ik}\sqrt{{X_I}^2+{Y_I}^2}}$

如此，对于实际的源分布O(x,y)接收到信号为：

$s(X_I,Y_I)=\∫0(x,y)e^{-\mathrm{ik}\sqrt{{(X_I-x)}^2+{(Y_I-y)}^2}}\mathrm{dxdy}$

接收信号实际上为源分布于点源响应函数的卷积。即：

S(X_I,Y_I)＝(0*s_psf)(X_I,Y_I)

由卷积定理，接收信号的谱可以表示为：

S(ω)＝(O·S_psf)(ω)

以及，

O(ω)＝S(ω)/S_psf(ω)

得到了O(ω)，用二维Fourier反变换，可以获得O(x,y)。

实施例1：一维成像系统通常是指只在方向图函数的某一方向上的角谱域进行相关全息来实现孔径综合，而在另一方向上仍然保持传统的真实孔径方向图。为了实现成像观测，要求天线单元的真实孔径方向上的方向图较窄，而综合孔径方向上的方向图较宽，即形成扇性波束，因此通常采用杆状天线，然后整个天线阵借助于沿真实孔径方向上的推扫来实现扫描成像。换句话说，一维成像就是在交轨方向上采用全息孑L径综合技术实现高分辨率，而在顺轨方向仍采用真实大孔径实现高分辨率，并借助沿顺轨方向的推扫来得到观测图像。

在一维情况下，本发明实施方式包括：

设发射天线1位于原点，简称点源，接收天线5在X轴上，散射点2位于与X轴平行，Y轴坐标为d的直线上。

一维测量方法为：

设中央即x=0有一个点源，该点源的响应函数为：

$S_{\mathrm{psf}}\left(X_I\right)=e^{-\mathrm{ik}\sqrt{X_I^2+d^2}}$

如此，对于实际的源分布O(x)接收到信号为：

$s\left(X_I\right)=\∫0{\left(x\right)e}^{-\mathrm{ik}\sqrt{{(X_I-x)}^2+d^2}}\mathrm{dx}$

接收信号实际上为源分布与点源响应函数的卷积。即：

s(X_I)＝(0*s_psf)(X_I)

由卷积定理，接收信号的谱可以表示为：

S(ω)＝(O·S_psf)(ω)

以及，

O(ω)＝S(ω)/S_psf(ω)

得到了O(ω)，用Fourier反变换，可以获得O(x)。

这里需要特别注意的是：因为与接收天线5连接的信号接收装置4是固定间隔的，所以S_psf(ω)的最高截止频率为k。

例如：

对一维非全息测量模拟，测得原始图像，对振幅接收信号和相位接收信号以傅里叶函数处理，得到PSF的谱，进一步得到接收信号的谱，再得到高频未截断改正后的接收信号谱，再得到高频已截断改正后的接收信号谱，最后得到改正后信号谱的傅里叶变换图像，即重建后的图像，该图像与测的原始图像基本一致。

对比图3和图10，可验证反演方法正确。

实施例2：二维即时成像系统采用同定天线阵结构，可以在一个积分时间内完成所有空间频率域的采样，即一次得到所有成像所需的可视度函数采样数据，因此可以在很短的时间内对地物及目标进行成像观测，具有很高的时间分辨率，因此人们也称之为微波照相机。

在二维情况下，本发明实施方式包括：

设发射天线1位于二维坐标系原点，散射点2位于X-Y平面，接收天线5等间隔分布在X轴上，采用一个喇叭天线的发射天线1作为发射源，8个全向天线为接收天线5，并在Y轴方向等间隔扫描。

二维测量方法为：

设中央即x=0有一个点源，该点源的响应函数为：

$S_{\mathrm{psf}}(X_I,Y_I)=e^{-\mathrm{ik}\sqrt{{X_I}^2+{Y_I}^2}}$

如此，对于实际的源分布O(x,y)接收到信号为：

$s(X_I,Y_I)=\∫0(x,y)e^{-\mathrm{ik}\sqrt{{(X_I-x)}^2+{(Y_I-y)}^2}}\mathrm{dxdy}$

接收信号实际上为源分布与点源响应函数的卷积。即：

S(X_I,Y_I)＝(0*s_psf)(X_I,Y_I)

由卷积定理，接收信号的谱可以表示为：

S(ω)＝(O·S_psf)(ω)

以及，

O(ω)＝S(ω)/S_psf(ω)

得到了O(ω)，用二维Fourier反变换，可以获得O(x,y)。

二维非全息测量模拟结果如：

4小球分布在空间中测量实际结果原始图像与二维非全息反演之后的4小球图像基本一致。

对比图12和图13，可验证反演方法正确。

本发明提供了一个由控制主机和位于坐标原点的一个以点阵方式安装有超声信号发射头的超声波发射源，以及一个分布在x轴上的接收天线，通过控制主机逐步改变在水平方向超声发射头间的信号相位差，从而使发出的超声波波束的传播在水平方向发生偏转，而超声波波束的偏转角度与调制信号相位差的关系则可通过接收天线检验。

本发明对二维全息式微波成像仪地面实验系统的天线阵列进行了稀疏孔径设计。设计目标是:考虑方案的物理可实现性,即平台应用中的工程技术约束条件,在能够得到同样的空间频域覆盖的情况下,采用尽量少的全息天线单元。理论分析和数值模拟结果表明,设计后的天线阵列满足了地面实验系统工程设计要求；设计后,6单元阵列实现了零冗余,7单元阵列冗余度仅为9.1%；空间频域的采样点对空间频域覆盖的完备性良好,为有效地进行亮温图像反演提供了可靠的可见度函数。

在以上实施例中，未及叙述的涉及实施的其他必要技术等采用现有技术，不再依次列举详述。

Claims (4)

1.全息型主动式微波成像方法，其特征是：系统的结构包括，发射天线(1)和信号接收装置(4)与处理控制装置(3)连接，接收天线(5)与信号接收装置(4)连接，在二维情况下，设发射天线(1)位于原点，接收天线(5)在X轴上，散射点(2)位于X-Y面；在一维情况下，设发射天线(1)位于原点，简称点源，接收天线(5)在X轴上，散射点(2)位于与X轴平行，Y轴坐标为d的直线上；

一维测量方法为：

设中央即x＝0有一个点源，该点源的响应函数为：

$S_{\mathrm{psf}}\left(X_I\right)=e^{-\mathrm{ik}\sqrt{X_I^2+d^2}}$

如此，对于实际的源分布0(x)，接收到信号为：

$s\left(X_I\right)=\∫0\left(x\right)e^{-\mathrm{ik}\sqrt{{(X_I-x)}^2+d^2}\mathrm{dx}}$

接收信号实际上为源分布与点源响应函数的卷积，即：

s(X_I)＝(O*s_psf)(X_I)

由卷积定理，接收信号的谱可以表示为：

S(ω)＝(O·S_psf)(ω)

以及，

O(ω)＝S(ω)/S_psf(ω)

得到了O(ω)，用Fourier反变换，可以获得O(x)；

与接收天线(5)连接的信号接收装置(4)是固定间隔的，此时S_psf(ω)的最高截止频率为k。

2.如权利要求1所述的全息型主动式微波成像方法，其特征在于，对一维非全息测量模拟，测得原始图像，对振幅接收信号和相位接收信号以傅里叶函数处理，得到PSF的谱，进一步得到接收信号的谱，再得到高频未截断改正后的接收信号谱，再得到高频已截断改正后的接收信号谱，最后得到改正后信号谱的傅里叶变换图像，即重建后的图像，该图像与测的原始图像基本一致。

3.如权利要求1所述的全息型主动式微波成像方法，其特征在于，在二维情况下，设发射天线(1)位于二维坐标系原点，散射点(2)位于X-Y平面，接收天线(5)等间隔分布在X轴上，采用一个喇叭天线的发射天线(1)作为发射源，8个全向天线为接收天线(5)，并在Y轴方向等间隔扫描。

4.如权利要求3所述的全息型主动式微波成像方法，其特征在于，二维测量方法为：

设中央即x＝0有一个点源，该点源的响应函数为：

$s_{\mathrm{psf}}(X_I,Y_I)=e^{-\mathrm{ik}\sqrt{{X_I}^2+{Y_I}^2}}$

如此，对于实际的源分布0(x，y)，接收到信号为：

$s(X_I,Y_I)=\∫0(x,y)e^{-\mathrm{ik}\sqrt{{(X_I-x)}^2+{(Y_I-y)}^2}\mathrm{dxdy}}$

接收信号实际上为源分布与点源响应函数的卷积，即：

S(X_I,Y_I)＝(0*s_psf)(X_I,Y_I)

由卷积定理，接收信号的谱可以表示为：

S(ω)＝(O·S_psf)(ω)

以及，

O(ω)＝S(ω)/S_psf(ω)

得到了O(ω)，用二维Fourier反变换，可以获得O(x,y)。