CN104569975A - 微波凝视关联成像系统中时空随机辐射场的远场测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波凝视关联成像系统中时空随机辐射场的远场测量方法，其包括：在成像区域中选取M个测量点以及一参考点，在相同的辐照条件下对第一个测量点处的辐射场与参考点处的辐射场进行同步连续的无扰测量及记录；在不改变辐射系统构型与激励信号的情况下，更换下一个测量点，并对该测量点处的辐射场与参考点处的辐射场进行同步连续的无扰测量及记录，直到遍历所有测量点；以参考点处记录的辐射场变化为时间维匹配基准，将所有测量点处的记录的辐射场在时间维对齐；提取不同时间片段测量点处的辐射场分布，获得辐射场随时间与空间两维变化的信息。该方法能够准确测量辐射场时间维和空间维的变化，可用于辐射场标定或者关联成像。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种微波凝视关联成像系统中时空随机辐射场的远场测量方法。
背景技术
现有技术中的微波凝视成像，其通过构建具备时、空两维随机分布特征的辐射场，其与被探测目标相互作用后，将接收的散射回波与已知辐射场进行关联处理，获得目标反演像，该方法克服了传统实孔径雷达空间分辨率取决于天线孔径的缺陷，能实现高分辨的微波凝视成像；时空两维随机辐射场是上述微波凝视成像的关键，其随机特征表现为时空两维的非相关特性。
传统雷达成像的分析多从信号层面进行，而微波凝视关联成像完全从场的角度分析成像过程。凝视关联成像系统中各阵元天线辐射非相干场，以多相位中心的形式在远区形成时空两维随机辐射场，同时通过回波信号反演回波场的分布，将随机辐射场与回波场通过场与场关联的方法得到目标区域的图像。因此，微波凝视成像的方法需得到与回波场关联的辐射场，辐射场的准确性影响了成像的质量与分辨率。
传统单天线近场分布通过测量或者电磁计算方法得到，再根据惠更斯原理进行近远场外推，得到天线的远区场的幅相分布，单天线的远场分布通常使用方向图描述，主要关心远区功率的分布情况，而凝视成像系统关联处理时需要随机辐射雷达阵列远区辐射场的幅度及相位分布。
微波凝视关联成像系统中各阵元天线的激励信号具有较大带宽，且具有不同的调制方式，各天线的类型、形状及尺寸可不一致，极化方式也可能不相同，此外系统多天线辐射存在天线近场的耦合现象，以上因素导致微波凝视关联成像系统构造的远区辐射场具有时空两维随机的特性，远区场的获取存在较大难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波凝视关联成像系统中时空随机辐射场的远场测量方 法，可以测量得到微波凝视关联成像中远区辐射场的时空变化，可用于辐射场标定或者关联成像。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种微波凝视关联成像系统中时空随机辐射场的远场测量方法，该方法包括：
在成像区域中选取M个测量点以及一参考点，在相同的辐照条件下对第一个测量点处的辐射场与参考点处的辐射场进行同步连续的无扰测量及记录；
在不改变辐射系统构型与激励信号的情况下，更换下一个测量点，并对该测量点处的辐射场与参考点处的辐射场进行同步连续的无扰测量及记录，直到遍历所有测量点；
以参考点处记录的辐射场变化为时间维匹配基准，将所有测量点处的记录的辐射场在时间维对齐；
提取不同时间片段测量点处的辐射场分布，获得辐射场随时间与空间两维变化的信息。
进一步的，在相同的辐照条件下对第一个测量点处的辐射场与参考点处的辐射场进行同步连续的无扰测量及记录；在不改变辐射系统构型与激励信号的情况下，更换下一个测量点，并对该测量点处的辐射场与参考点处的辐射场进行同步连续的无扰测量及记录，直到遍历所有测量点的步骤包括：
搭建微波随机辐射系统，在随机辐射系统的辐照场景中放置一弱散射平板，板上铺吸波材料并划分网格；选取的M个测量点的位置为r1,...ri,...,rM；
选取一参考点，位置为r0，同时在第一个测量点r1和参考点r0处放置一标准测量小天线接收直达的辐射场信号，并且输入接收机同步测量两点辐射场的变化并且记录，得到一组两点的辐射场变化测量数据；
在不改变辐射系统构型与激励信号的情况下，更换下一个测量点，并重复上述测量，直到遍历所有M个测量点；第i(i＝1,...,M)次测量得到一组离散数据包括xi(n),xoi(n)，n＝1,...,N，其中xi(n)表示测量得到ri处的辐射场变化，xoi(n)表示对应的参考点处辐射场的变化，N表示一次测量的采样点数。
进一步的，所述以参考点处记录的辐射场变化为时间维匹配基准，将所有测量点处的记录的辐射场在时间维对齐包括：
将xo1(n)记为xo(n)，计算关于k变量的函数取得最大值处的自变量值ki，此时xoi(n-ki)与xo(n)变化一致，参考信号时间维对齐，而 xi(n)是与xoi(n)同步测量得到，则xi(n-ki),i＝1,...,M为各测量点处在时间维对齐后辐射场随时间的变化。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，以连续测量记录辐射场时间维的变化，成像区域多点测量记录其空间维的变化，并且选择一参考点，记录参考点处场的变化作为时间维匹配的基准，用于各测量点辐射场时间维的对齐，通过上述方式克服了微波关联成像系统成像区域辐射场时空两维随机特性对测量带来的困难，能够准确测量辐射场时间维和空间维的变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例微波关联成像的场景示意图；
图2为本发明实施例提供的一种微波凝视关联成像系统中时空随机辐射场的远场测量方法的流程图；
图3为本发明实施例测量场景示意图；
图4为本发明实施例测量辐射场变化示意图；
图5为本发明实施例各测量点辐射场的对齐；
图6为本发明实施例一次均匀致密测量时测量点的位置；
图7为本发明实施例获取不同时刻各测量点辐射场分布示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
微波关联成像通过在成像区域构建具备时、空两维随机分布特征的辐射场，其与被探测目标相互作用后，根据接收到的散射回波信号反演回波场，并将回波场与已知辐射场进行关联处理，实现了场与场的关联处理，最终获得目标反演像。该方法克服了传统 实孔径雷达空间分辨率取决于天线孔径的缺陷，能实现高分辨的微波凝视成像；时空两维随机辐射场是上述微波凝视成像的关键，而如何得到准确的随机阵列远区辐射场为非常重要一环，直接关系到成像结果的可靠性。
图1给出了微波关联成像的场景示意图。随机辐射源阵列D对凝视成像区域S进行辐照，成像区域辐射场的分布函数为Einc(t,r)，辐射场与目标作用后的散射场被接收天线接收，为Esca(t,r0′)，将Einc(t,r)与Esca(t,r0′)进行关联处理，可得到成像区域目标的后向散射系数分布。随机辐射源阵列远区辐射场分布Einc(t,r)直接影响到成像结果的可靠性及质量，由于各阵元天线的激励信号具有较大带宽，且具有不同的调制方式，各天线的类型、形状及尺寸可不一致，极化方式也可能不相同，此外系统多天线辐射存在天线近场的耦合现象，导致了Einc(t,r)具有时空两维随机的特性，给测量带来了较大困难。
本发明实施例，可以克服微波关联成像系统成像区域辐射场时空两维随机特性对测量带来的困难，能够准确测量辐射场时间维和空间维的变化；具体如下：
实施例
图2为本发明实施例提供的一种微波凝视关联成像系统中时空随机辐射场的远场测量方法的流程图。如图2所示，该方法主要包括如下步骤：
步骤21、在成像区域中选取M个测量点以及一参考点，在相同的辐照条件下对第一个测量点处的辐射场与参考点处的辐射场进行同步连续的无扰测量及记录。
步骤22、在不改变辐射系统构型与激励信号的情况下，更换下一个测量点，并对该测量点处的辐射场与参考点处的辐射场进行同步连续的无扰测量及记录，直到遍历所有测量点。
具体来说，步骤21～步骤22可以通过如下方式来实现：
搭建微波随机辐射系统，在随机辐射系统的辐照场景中放置一弱散射平板，板上铺吸波材料并划分网格，所形成的格点有助于记录测量点位置；选取的M个测量点的位置为r1,...ri,...,rM；
选取一参考点，位置为r0，同时在第一个测量点r1和参考点r0处放置一标准测量小天线接收直达的辐射场信号，并且输入接收机同步测量两点辐射场的变化并且记录，得到一组两点的辐射场变化测量数据；x1(n),xo1(n)n＝1,...,N，N为一次测量中记录的点数，其中x1(n)表示r1处辐射场变化，xo1(n)表示与其对应的r0处辐射场变化。
图3给出了测量场景示意图，标准接收天线接收的直达辐射场信号经低噪声放大器后 接入高采样率存储深度大的示波器，观察并存储参考点及测量点处的接收波形，测量点处的示波器采样波形反应了各观察点处直达辐射场的变化规律。为最大限度地避免接收测量器件对辐射场分布的扰动，将它们置于平板背面(如图3(a)所示)，同时，这大大缩短了天线到低噪声放大器(LNA)及LNA到高采样率示波器之间同轴线的长度，降低了信号的衰减，但标定验证场景受到实际条件的限制不能将接收测量器件置于平板背面时，需采用图3(b)所示的方法，采用吸波材料包裹的同轴线将天线接收到的信号引到较远的地方放大接收，该方法中，选取小尺寸LNA，将其紧邻天线放置而不是放在示波器处，是为了改善示波器采样信号的信噪比。高采样率大存储示波器直接对标准测量天线接收到的射频信号进行采样，保留了辐射场变化的细节，为后续的信号处理提供了更多的信息。
在不改变辐射系统构型与激励信号的情况下，更换下一个测量点，并重复上述测量，直到遍历所有M个测量点；第i(i＝1,...,M)次测量得到一组离散数据包括xi(n),xoi(n)，n＝1,...,N，其中xi(n)表示测量得到ri处的辐射场变化，xoi(n)表示对应的参考点处辐射场的变化，N表示一次测量的采样点数。如图4为测量的波形示意图。
步骤23、以参考点处记录的辐射场变化为时间维匹配基准，将所有测量点处的记录的辐射场在时间维对齐。
图4中每组测量数据在相同的辐射系统构型和激励信号下获得，参考点处辐射场变化只有细微的差别，由辐照条件不可能完全一致及测量误差引起，可以将其作为时间维匹配基准；将所有测量点处的辐射场变化数据在时间维对齐的步骤如下：将xo1(n)记为xo(n)，求关于k变量的函数取得最大值处的自变量值ki(其中xoi(n)的自变量取n-k时得到xoi(n-k)，表示xoi(n-k)的共轭复数)，此时xoi(n-ki)与xo(n)(即xo1(n))变化一致，参考信号时间维对齐，如图5(a)所示。而xi(n)与xoi(n)同步测量得到，则xi(n-ki),i＝1,...,M为各测量点处在时间维对齐后辐射场随时间的变化，如图5(b)所示。
步骤24、提取不同时间片段测量点处的辐射场分布，获得辐射场随时间与空间两维变化的信息。
各测量点辐射场时间维对齐后，得到各测量点辐射场变化xi(n-ki),i＝1,...,M，当n取相同的值时得到同一时刻各测量点上辐射场的分布。如图6为在一次均匀致密的测量条件下测量点的位置分布，测量点数目M＝100，使用如上的方法测量，一次测量的采样点数为N＝16000，各测量点处辐射场变化时间维对齐后如图7(a)所示，提取n＝T0,T1两时刻的辐射场分布，分布图如7(b)所示。
本发明实施例中，以连续测量记录辐射场时间维的变化，成像区域多点测量记录其空间维的变化，并且选择一参考点，记录参考点处场的变化作为时间维匹配的基准，用于各测量点辐射场时间维的对齐，通过上述方式克服了微波关联成像系统成像区域辐射场时空两维随机特性对测量带来的困难，能够准确测量辐射场时间维和空间维的变化。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种微波凝视关联成像系统中时空随机辐射场的远场测量方法，其特征在于，该方法包括：
在成像区域中选取M个测量点以及一参考点，在相同的辐照条件下对第一个测量点处的辐射场与参考点处的辐射场进行同步连续的无扰测量及记录；
在不改变辐射系统构型与激励信号的情况下，更换下一个测量点，并对该测量点处的辐射场与参考点处的辐射场进行同步连续的无扰测量及记录，直到遍历所有测量点；
以参考点处记录的辐射场变化为时间维匹配基准，将所有测量点处的记录的辐射场在时间维对齐；
提取不同时间片段测量点处的辐射场分布，获得辐射场随时间与空间两维变化的信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在相同的辐照条件下对第一个测量点处的辐射场与参考点处的辐射场进行同步连续的无扰测量及记录；在不改变辐射系统构型与激励信号的情况下，更换下一个测量点，并对该测量点处的辐射场与参考点处的辐射场进行同步连续的无扰测量及记录，直到遍历所有测量点的步骤包括：
搭建微波随机辐射系统，在随机辐射系统的辐照场景中放置一弱散射平板，板上铺吸波材料并划分网格；选取的M个测量点的位置为r1,...ri,...,rM；
选取一参考点，位置为r0，同时在第一个测量点r1和参考点r0处放置一标准测量小天线接收直达的辐射场信号，并且输入接收机同步测量两点辐射场的变化并且记录，得到一组两点的辐射场变化测量数据；
在不改变辐射系统构型与激励信号的情况下，更换下一个测量点，并重复上述测量，直到遍历所有M个测量点；第i(i＝1,...,M)次测量得到一组离散数据包括xi(n),xoi(n)，n＝1,...,N，其中xi(n)表示测量得到ri处的辐射场变化，xoi(n)表示对应的参考点处辐射场的变化，N表示一次测量的采样点数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以参考点处记录的辐射场变化为时间维匹配基准，将所有测量点处的记录的辐射场在时间维对齐包括：
将xo1(n)记为xo(n)，计算关于k变量的函数取得最大值处的自变量值ki，此时xoi(n-ki)与xo(n)变化一致，参考信号时间维对齐，而xi(n)是与xoi(n)同步测量得到，则xi(n-ki),i＝1,...,M为各测量点处在时间维对齐后辐射场随时间的变化。2 -->
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