CN106291544B - 一种混合模式成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合模式成像装置及方法，成像装置包括：通过物理接口连接的发射机和接收机；所述的发射机包括调制模块、第一信号处理模块与发射模块；所述的接收机包括接收模块、第二信号处理模块、目标定位与相干成像模块和混合成像模块；混合成像模块根据非相干发射信号与非相干接收信号、目标定位与相干成像模块所得到的目标位置信号与第二信号处理模块输出的环境参数，估计目标特征参数，并结合相干成像结果，通过融合处理的方法完成目标成像。通过该发明可以同时保留相干雷达成像系统和非相干雷达成像系统的优点，即成像系统本身具有目标定位功能，且成像分辨率能突破雷达孔径的限制。

Description

一种混合模式成像装置及方法

技术领域

本发明涉及雷达成像领域，特别涉及一种混合模式成像装置及方法。

背景技术

现有的雷达成像技术均基于相干成像模式或者非相干成像模式，相干成像机制下，由发射机发射相干信号照射目标，利用单一或者多个相干接收机接收目标回波信号，然后利用发射信号与目标回波信号之间的关系对目标进行定位并成像。相干模式的雷达成像系统包括实孔径雷达成像系统，合成孔径雷达成像系统以及焦平面雷达成像系统。相干模式雷达成像系统可以直接对目标进行距离测定，距离测定精度取决于相干系统的整体带宽，而相干模式雷达成像系统的方位向分辨率则取决于发射或者接收雷达阵列的口径，实孔径雷达成像系统与焦平面雷达成像系统的方位向分辨率取决于雷达阵列真实孔径，而合成孔径雷达成像系统则取决于雷达合成孔径。而合成孔径雷达成像系统的方位向分辨率还受制于目标的运动的情况。

雷达关联成像系统(鬼成像系统)是一种单纯的非相干成像系统，其发射必须为阵列，且阵元的激励信号为随机调制以产生空间时间不相关的随机辐射场，接收单元为单一雷达或者相干雷达阵列，通过随机辐射场与回波信号之间的相关性提取目标图像。

现有技术至少存在以下问题：

相干雷达成像系统方位向分辨率受限于天线口径(真实口径或者合成口径)，而且重复测量的信号的使用效率非常低；非相干成像系统本身无法进行目标定位，只能依靠辅助设备，代价高且误差不易控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合模式成像装置以及方法，通过该发明可以同时保留相干雷达成像系统和非相干雷达成像系统的优点，即成像系统本身具有目标定位功能，且成像分辨率能突破雷达孔径的限制。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种混合模式成像装置，包括：通过物理接口连接的发射机和接收机；

所述的发射机包括调制模块、第一信号处理模块与发射模块；

调制模块，用于通过随机参量产生算法进行非相干发射信号的参数随机化参数配置，同时通过参数设置完成相干发射信号离散化参数配置，将相干与非相干发射信号输出给第一信号处理模块，同时将参数配置信息输出给接收机；

第一信号处理模块，用于将调制模块输出的相干信号与非相干信号进行变频和叠加，并实现两种信号的时间同步，并将合成数字信号输出给发射模块；

发射模块，用于将第一信号处理模块输出的数字信号转化为模拟信号并以电磁波的形式发送出去；

所述的接收机包括接收模块、第二信号处理模块、目标定位与相干成像模块和混合成像模块；

接收模块，用于接收被目标反射的回波信号并转换为数字信号，并将数字信号输出给第二信号处理模块；

第二信号处理模块，用于从接收模块输出信号中提取发射信号所携带的环境参数，并利用该参数完成接收信号的矫正；并分离相干回波信号与非相干回波信号，并将分离后的信号分别传送给目标定位与相干成像模块和混合成像模块；

目标定位与相干成像模块，用于利用第一信号处理模块的输出信号生成匹配滤波器，利用匹配滤波器从相干接收信号中提取目标位置信息，并将目标位置信息输出给混合成像模块，利用相干接收信号对目标进行相干成像；

混合成像模块，用于根据非相干发射信号与非相干接收信号、目标定位与相干成像模块所得到的目标位置信号与第二信号处理模块输出的环境参数，估计目标特征参数，并结合相干成像结果，通过融合处理的方法完成目标成像。

优选地，所述的调制模块包括相干信号处理单元与非相干信号处理单元；

相干信号处理单元，用于对相干信号进行配置，在一个或多个频点上配置线性调频信号，并将配置后的信号输出给所述第一信号处理模块；

非相干信号处理单元，用于对非相干信号参数随机化参数配置，并将配置后的信号输出给所述第一信号处理模块。

优选地，所述的发射模块包括数模转换模块和多通道发射模块；数模转换模块用于将数字信号转换为模拟信号，多通道发射模块用于将模拟信号发射到目标空间；

所述的接收模块包括模拟接收模块和模数转换模块；模拟接收模块用于接受模拟信号，模数转换模块用于将模拟信号转换成数字信号。

优选地，所述的第二信号处理模块包括接收数字信号处理DSP单元与信号分离模块；

所述的接收数字信号处理DSP单元，用于处理接收模块输出的数字信号，利用接收回波信号对信号所经路径的环境参数进行提取，并将所提取的环境参数用于对目标位置估计矫正与混合成像过程数据进行矫正；并将矫正后的数据输出给信号分离模块；

所述的信号分离模块，用于将接收数字信号处理DSP单元输出的信号分离为相干信号部分与非相干信号部分，并将相干信号输出给目标定位与相干成像模块，将非相干信号输出给混合成像模块。

一种混合模式成像方法，包括以下步骤：

步骤A，发射机通过随机参量产生算法进行非相干发射信号的参数随机化参数配置，同时通过参数设置完成相干发射信号离散化参数配置，并将相干信号与非相干信号合成为一个时间发射信号，然后将发射信号以电磁波的方式发送出去；

步骤B，接收机接收目标回波信号并将信号转化为数字信号，提取发射信号所携带的环境参数，并利用该参数完成接收信号的矫正，以及分离相干信号与非相干信号；

步骤C，接收机利用分离相干信号与非相干信号生成匹配滤波器，再利用相干信号与匹配滤波器完成目标位置信息提取，并对目标进行相干成像；

步骤D，根据步骤C得到的目标位置信息、步骤A的非相干信号随机配置信息以及步骤B接收非相干回波信息进行非相干目标图像重构；结合相干成像结果，通过融合处理的方法完成目标成像。

作为本发明的进一步改进，步骤A中，相干信号与非相干信号合成为一个时间发射信号是指将相干信号与非相干信号进行变频和叠加，并实现两种信号的时间同步。

作为本发明的进一步改进，步骤C中，分离后的相干信号为离散配置线性调频信号，并利用已知信息构造匹配滤波器，载利用匹配滤波器与接收的相干信号实现目标的位置定位；

目标相干成像所使用的信息包括目标与成像系统之间相对运动引起的多普勒信息以及微多普勒信息；在相干信号不全部占用整个发射信号带宽的条件下，目标位置估计精度与全部占用整个发射信号带宽条件下目标位置估计精度一致；相干成像对运动目标的细节成像效果与传统的逆合成孔径雷达一致。

作为本发明的进一步改进，步骤D中，利用发射信号的配置信息与目标位置信息获取目标位置处的辐射场信息，并利用所述目标位置处的辐射场信息与非相干回波信息进行非相干目标图像重构；

目标图像重构算法包括基于相关的成像算法与基于所有测试数据的优化成像算法。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明的装置具有调制模块对相干与非相干发射信号进行参数配置，再通过第一信号处理模块进行相干信号与非相干信号进行变频和叠加，与传统雷达成像装置相比，该装置为混合配置宽带雷达成像系统，该雷达成像系统使得相干目标探测、成像与非相干成像有机的结合为一个系统，可以大幅提高雷达成像质量。通过该发明，该成像系统同时保留了相干雷达成像系统和非相干雷达成像系统的优点，即成像系统本身具有目标定位功能，且成像分辨率能突破雷达孔径的限制。

本混合模式成像方法的效果为，通过步骤A、B完成混合配置信号对目标的探测；通过步骤C则完成了基于宽带离散配置相干信号的目标探测与基于回波信号多普勒信息的相干成像，目标探测精度与成像效果都可以得到保障。通过步骤D可以综合非相干成像与相干成像的优点，大幅提高雷达成像质量。

进一步，基本成像算法具有高抗干扰特性，并能大幅提高成像分辨率；优化成像算法可以极大提高成像分辨率，同等条件下，成像所需计算较长；本成像方法对运动目标和静止目标均可以实现超分辨率成像。

附图说明

图1本发明所列举实施例的混合模式成像装置示意图；

图2本发明所举实例的成像场景示意图；

图3为本发明实施例所提供混合成像方法的流程图；

图4本发明所举实例静止目标场景的成像结果；

图5本发明所举实例动目标场景的成像结果。

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。

如图1所示，本发明实施例提供一种混合模式成像装置，包括：

发射机1和接收机2，发射机1与接收机2通过物理接口相连；

发射机1包括调制模块11，第一信号处理模块12与发射模块13；调制模块11，第一信号处理模块12与发射模块13依次相连；接收机2包括接收模块21，第二信号处理模块22，目标定位与相干成像模块23与混合成像模块24；接收模块21、第二信号处理模块22、目标定位与相干成像模块23与混合成像模块24之间互相连接；

调制模块11，用于通过随机参量产生算法进行非相干发射信号的参数随机化配置(可以通过如下，但不限于随机幅度，随机相位，随机频率等)，同时通过参数设置完成相干发射信号离散化配置，将发射信号输出给第一信号处理模块12，同时将参数配置信息输出给接收机2；

第一信号处理模块12用于将调制模块11输出的相干信号与非相干信号进行变频和叠加，并实现两种信号的时间同步，可以通过信号处理的方法分别恢复两种信号；并将合成信号输出给发射模块13；

发射模块13用于将第一信号处理模块12输出的数字信号转化为模拟信号并以电磁波的形式发送出去；

接收模块21用于将被目标反射(透射、反射)的回波信号进行接收并转换为数字信号，并将接收信号输出给第二信号处理模块21；

第二信号处理模块22，用于从接收模块21输出信号中提取探测信号所携带的环境参数，并利用该参数完成接收信号的矫正；用于分离相干回波信号与非相干回波信号，并将分离后的信号分别传送给目标定位与相干成像模块23与混合成像模块24；

目标定位与相干成像模块23，用于利用第一信号处理模块22的输出信号生成匹配滤波器，利用匹配滤波器从相干接收信号中提取目标位置信息，并将目标位置信息输出给混合成像模块24，利用相干接收信号对目标进行相干成像；

混合成像模块24，用于利用非相干发射信号与非相干接收信号，目标定位与相干成像模块23所得到的目标位置信号与第二信号处理模块22输出的环境参数，估计目标特征参数，并结合相干成像结果，通过融合处理的方法完成目标成像；

进一步地，调制模块11包括相干信号处理单元111与非相干信号处理单元112，相干信号处理单元111与非相干信号处理单元112均与第一信号处理模块12相连；

相应地，相干信号处理单元111，用于对相干信号进行配置，在多个频点(包括但不限于单一频点，两个直至多个频点)上配置线性调频信号，并将配置后的信号输出给所述第一信号处理模块12；

非相干信号处理单元112，用于对非相干信号配置随机参数(包括但不限于随机幅度，随机相位以及随机频率)，并将配置后的信号输出给所述第一信号处理模块12；

进一步地，第二信号处理模块22包括接收数字信号处理DSP单元221与信号分离模块222；所述接收数字信号处理DSP单元221与信号分离模块222通过电性连接；

相应地，接收数字信号处理DSP单元221用于接收模块21输出的数字信号，利用接收回波信号对信号所经路径的环境参数进行提取，并将所提取的环境参数用于对目标位置估计矫正与混合成像过程数据进行矫正；并将矫正后的数据输出给信号分离模块222；

信号分离模块222用于将接收数字信号处理DSP单元221输出的信号分离为相干信号部分与非相干信号部分，并将相干信号输出给目标定位与相干成像模块23，将非相干信号输出给混合成像模块24；

进一步地，发射模块13包括数模转换模块131与多通道发射模块132；

数模转换模块131完成将数字信号转换为模拟信号，多通道发射模块132包括多个发射通道，模拟器件以及上变频功能，用于将模拟信号发射到目标空间；

进一步地，接收模块21包括模拟接收模块211与模数转换模块212；

模拟接收模块211包括射频接收器件与下变频功能，模数转换模块212用于完成模拟信号到数字信号的转换；

所述发射模块包括多个发射单元；处于多发射单元模式，各所述发射单元的非相干激励信号部分具有不相关特性；

所述接收模块包括一个或者多个接收单元；可以处于多接收单元模式，各所述接收单元的接收信号为相干接收；同时，也可以处于单接收单元模式；

进一步地，目标定位与相干成像模块23用于同时对目标定位与相干成像功能，其包括于一个DSP芯片或者FPGA芯片；

更进一步地，混合成像模块包括非相干成像功能，并完成相干成像结果与非相干成像结果的融合，进一步提高目标成像效果。

本发明提供了一种基于上述混合模式成像装置的混合模式成像方法。

采用图2所示的成像场景，图中目标在成像过程中是静止或者运动的。下面结合附图对本发明实施例作进一步的详细描述，如图3所示为本发明实施例所提供的混合模式成像方法流程图，所述方法包括以下步骤：

步骤201：发射机1通过调制模块11完成相干信号与非相干信号的配置，第一信号处理模块12将相干信号与非相干信号合成为一个时间信号，并将该信号输出给所述发射模块13，通过发射模块13将信号以电磁波的方式发送出去；

其中，调制模块11所配置的相干信号为多载频线性调频信号，路数为多路或者单路信号，所配置的非相干信号为随机调制信号，非相干信号为多路信号(路数大于等于2)；

其中，相干信号与非相干信号起始时间同步，时域信号合成，可以无损恢复各自的信号；

其中，相干信号与非相干信号可以处于一个相近的频带范围内，比如同处光频或者微波频率，也可以不处于一个相近范围内，比如分别处于光频或者微波频段；

其中，发射模块13为多通道发射模式，发射通道之间是同步的或者其发射时延精确可知；

步骤202：接收机2通过接收模块21接收目标回波信号并将信号转化为数字信号，通过第二信号处理模块22完成环境参数提取，接收信号矫正以及相干信号与非相干信号的分离；并将相干信号与非相干信号分别输出给目标定位与相干成像模块23和混合成像模块24；

其中，接收模块21在模拟域完成下变频，并实现数字模拟信号的转换；接收模块21的接收单元可以是单个接收单元，也可以是多个接收单元组成的接收阵列；

相应地，环境参数的提取来自相干信号，对传输中所探测到的发射信号频域失真进行矫正，并对环境干扰进行评估；失真矫正效果随着接收单元数量的增加而提高；

进一步地：发射机1所进行的信号调制和发射过程中，相干信号为多路发射时，其目标定位的方位向分辨率取决于发射阵的口径；当接收机1的接收设备为接收阵列时，目标定位方位向分辨率取决于接收阵列口径。

相应地：目标定位方位向分辨率为接收阵与发射阵所构成口径中的较大的一方；目标定位距离向分辨率取决于相干信号所分布的整个频带宽度；

步骤203：目标定位与相干成像模块23利用相干信号与匹配滤波器完成目标位置信息提取，并对目标进行相干成像；

其中，目标定位与相干成像模块23根据配置信息构建所用线性调频发射信号的匹配滤波器，利用匹配滤波器与接收信号完成目标的位置定位；

进一步地，利用相干信号进行目标回波所携带多普勒信息的提取可以将动目标的局部特征更加清晰的反演；

更进一步地：该目标定位方法可以实现快速目标定位和跟踪；

相应地，本定位方法对目标运动情况敏感，在实现过程中可以大幅减小估计误差；

步骤204：混合成像模块24利用目标位置信息、非相干信号随机配置信息以及接收非相干回波信息在非相干成像模块完成目标图像重构；结合相干成像结果，通过融合处理的方法完成目标成像；

其中，混合成像模块24根据非相干信号的配置信息得到目标平面处的电磁场在空间内的随机分布，利用空间随机分布电磁场与回波信号之间的相关性进行目标特征参数提取，完成非相干成像；

其中，非相干成像结果与相干成像结果通过优化融合方法进行图像增强；

进一步地：非相干成像模块所用成像算法为基于基本相关法的成像算法以及优化成像算法；

基本成像算法具有高抗干扰特性，并能大幅提高成像分辨率；优化成像算法可以极大提高成像分辨率，同等条件下，成像所需计算较长；本成像方法对运动目标和静止目标均可以实现超分辨率成像。

在本实施例中，成像所用发射天线阵列为11阵元，单接收单元，成像距离为1000米，发射信号中心频率为9.8GHz，成像目标离散点间隔为0.3米；成像算法采用优化方法，静止目标成像结果如图4所示，运动目标(运动速度为250米/秒)的成像结果如图5所示，成像分辨率与取决于发射雷达阵列口径的传统成像分辨率相比，有10倍左右的提升。

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 (9)

1.一种混合模式成像装置，其特征在于，包括：通过物理接口连接的发射机(1)和接收机(2)；

所述的发射机(1)包括调制模块(11)、第一信号处理模块(12)与发射模块(13)；

调制模块(11)，用于通过随机参量产生算法进行非相干发射信号的参数随机化参数配置，同时通过参数设置完成相干发射信号离散化参数配置，将相干与非相干发射信号输出给第一信号处理模块(12)，同时将参数配置信息输出给接收机(2)；

第一信号处理模块(12)，用于将调制模块(11)输出的相干信号与非相干信号进行变频和叠加，并实现两种信号的时间同步，并将合成数字信号输出给发射模块(13)；

发射模块(13)，用于将第一信号处理模块(12)输出的数字信号转化为模拟信号并以电磁波的形式发送出去；

所述的接收机(2)包括接收模块(21)、第二信号处理模块(22)、目标定位与相干成像模块(23)和混合成像模块(24)；

接收模块(21)，用于接收被目标反射的回波信号并转换为数字信号，并将数字信号输出给第二信号处理模块(22)；

第二信号处理模块(22)，用于从接收模块(21)输出信号中提取发射信号所携带的环境参数，并利用该参数完成接收信号的矫正；并分离相干回波信号与非相干回波信号，并将分离后的信号分别传送给目标定位与相干成像模块(23)和混合成像模块(24)；

目标定位与相干成像模块(23)，用于利用第二信号处理模块(22)的输出信号生成匹配滤波器，利用匹配滤波器从相干接收信号中提取目标位置信息，并将目标位置信息输出给混合成像模块(24)，利用相干接收信号对目标进行相干成像；

混合成像模块(24)，用于根据非相干发射信号与非相干接收信号、目标定位与相干成像模块(23)所得到的目标位置信号与第二信号处理模块(22)输出的环境参数，估计目标特征参数，并结合相干成像结果，通过融合处理的方法完成目标成像。

2.根据权利要求1所述的一种混合模式成像装置，其特征在于，所述的调制模块(11)包括相干信号处理单元(111)与非相干信号处理单元(112)；

相干信号处理单元(111)，用于对相干信号进行配置，在一个或多个频点上配置线性调频信号，并将配置后的信号输出给所述第一信号处理模块(12)；

非相干信号处理单元(112)，用于对非相干信号参数随机化参数配置，并将配置后的信号输出给所述第一信号处理模块(12)。

3.根据权利要求1所述的一种混合模式成像装置，其特征在于，所述的发射模块(13)包括数模转换模块(131)和多通道发射模块(132)；数模转换模块(131)用于将数字信号转换为模拟信号，多通道发射模块(132)用于将模拟信号发射到目标空间；

所述的接收模块(21)包括模拟接收模块(211)和模数转换模块(212)；模拟接收模块(211)用于接受模拟信号，模数转换模块(212)用于将模拟信号转换成数字信号。

4.根据权利要求1所述的一种混合模式成像装置，其特征在于，所述的第二信号处理模块(22)包括接收数字信号处理DSP单元(221)与信号分离模块(222)；

所述的接收数字信号处理DSP单元(221)，用于处理接收模块(21)输出的数字信号，利用接收回波信号对信号所经路径的环境参数进行提取，并将所提取的环境参数用于对目标位置估计矫正与混合成像过程数据进行矫正；并将矫正后的数据输出给信号分离模块(222)；

所述的信号分离模块(222)，用于将接收数字信号处理DSP单元(221)输出的信号分离为相干信号部分与非相干信号部分，并将相干信号输出给目标定位与相干成像模块(23)，将非相干信号输出给混合成像模块(24)。

5.一种混合模式成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，发射机通过随机参量产生算法进行非相干发射信号的参数随机化参数配置，同时通过参数设置完成相干发射信号离散化参数配置，并将相干信号与非相干信号合成为一个时间发射信号，然后将发射信号以电磁波的方式发送出去；

步骤B，接收机接收目标回波信号并将信号转化为数字信号，提取发射信号所携带的环境参数，并利用该参数完成接收信号的矫正，以及分离相干信号与非相干信号；

步骤C，接收机利用分离相干信号与非相干信号生成匹配滤波器，再利用相干信号与匹配滤波器完成目标位置信息提取，并对目标进行相干成像；

步骤D，根据步骤C得到的目标位置信息、步骤A的非相干信号随机配置信息以及步骤B接收非相干回波信息进行非相干目标图像重构；结合相干成像结果，通过融合处理的方法完成目标成像。

6.根据权利要求5所述的一种混合模式成像方法，其特征在于，步骤A中，相干信号与非相干信号合成为一个时间发射信号是指将相干信号与非相干信号进行变频和叠加，并实现两种信号的时间同步。

7.根据权利要求5所述的一种混合模式成像方法，其特征在于，步骤C中，分离后的相干信号为离散配置线性调频信号，并利用已知信息构造匹配滤波器，再利用匹配滤波器与接收的相干信号实现目标的位置定位；

目标相干成像所使用的信息包括目标与成像系统之间相对运动引起的多普勒信息以及微多普勒信息；在相干信号不全部占用整个发射信号带宽的条件下，目标位置估计精度与全部占用整个发射信号带宽条件下目标位置估计精度一致；相干成像对运动目标的细节成像效果与传统的逆合成孔径雷达一致。

8.根据权利要求5所述的一种混合模式成像方法，其特征在于，步骤D中，利用发射信号的配置信息与目标位置信息获取目标位置处的辐射场信息，并利用所述目标位置处的辐射场信息与非相干回波信息进行非相干目标图像重构。

9.根据权利要求8所述的一种混合模式成像方法，其特征在于，目标图像重构算法包括基于相关的成像算法与基于所有测试数据的优化成像算法。