CN106374224B - 电磁波成像系统及天线阵列信号校正方法 - Google Patents
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Abstract
公开了电磁波成像系统及天线阵列信号校正方法。在一示例中,电磁波成像系统可以包括:天线阵列,用于接收来自目标物体的电磁波,并将电磁波转换为电信号;信号处理单元,用于对电信号进行处理,以获得目标物体的图像;以及距离测量装置,用于测量目标物体到天线阵列的距离,其中,信号处理单元至少部分地基于所测量的距离来对电信号进行校正。
Description
技术领域
本公开涉及电磁波成像技术领域,具体地,涉及一种能够实时调整焦距的电磁波成像系统及天线阵列信号校正方法。
背景技术
目前,被动式综合孔径电磁波成像技术已在射电天文、地球遥感和探测等领域取得了广泛的应用,频段覆盖整个微波、毫米波、太赫兹波段,随着技术的进步还可以继续向更高频率的电磁波扩展。其成像原理如下。
具体地,在空间中的一个平面内合理布置多个接收天线形成天线阵列。该平面称为天线平面。天线阵列中的第i个天线和第j个天线接收到的信号进行复相关,可得到一个可视度值Vij。假设接收天线的数量是N,那么就可以得到N(N-1)个可视度值。实际上,根据接收天线的布置方式,这N(N-1)个可视度值中存在冗余,可以不计算其中冗余的部分可视度值。根据被动式综合孔径电磁波成像算法,就可以计算出射向天线平面的电磁波的角分布。
当目标物体距离天线平面足够远时(即天线阵列的尺度小于目标物体到天线平面的距离的例如百分之一时;天线阵列的尺度可以用相距最远的两个天线之间的距离表示),就可以认为该角分布即是目标物体各处发射电磁波的强度的空间分布。射电天文、地球遥感和探测等被动式综合孔径电磁波成像技术的传统应用领域都是满足该条件的。
被动式综合孔径电磁波成像算法所需要的可视度值应该是通过天线平面上的天线接受面的电磁波信号计算得出的。但实际上接收到的电磁波要经过天线以及后续电路的传输和处理之后才能获得可视度值,而且各天线以及后续电路的增益也有所不同,因此要对此可视度值进行校正。另外,要对近距离(即天线阵列的尺度大于目标物体到天线平面的距离的例如百分之一)目标物体进行成像,也需要对可视度值进行校正。
一种可行的校正方法如下所述。具体地,用Vij表示实际测量得到的可视度值(即校正前的可视度值),用V‘ij表示被动式综合孔径电磁波成像算法所需要的可视度值(即校正后的可视度值)。假设需要对距离天线平面L的目标物体进行成像,那么可以在天线阵列的轴线上距离天线平面L的位置放置一个点状电磁波源。测量第i个天线和第j个天线的可视度值Vij,令校正因子Cij=Vij。在对目标物体进行成像测量时,就有:V‘ij=Vij/Cij。然后将V‘ij代入被动式综合孔径电磁波成像算法即可得到天线阵列的轴线附近的距离天线平面L的目标物体的清晰图像。我们把L称为该系统的焦距。
但是,采用上述校正方法的被动式综合孔径电磁波成像系统只能对距离天线平面L的目标物体进行清晰成像,当目标物体到天线平面的距离偏离L后其图像就迅速变的模糊不清。要对其它距离的物体进行成像,就需要重新校正以改变系统的焦距到需要的值。这使得这种被动式综合孔径电磁波成像系统在对近距离目标进行成像时使用十分不便,对运动目标更是无法成像。
发明内容
本公开的目的至少部分地在于提供一种电磁波成像系统和一种对天线阵列信号进行校正的方法。
根据本公开的一个方面,提供了一种电磁波成像系统,包括:天线阵列,用于接收来自目标物体的电磁波,并将电磁波转换为电信号;信号处理单元,用于对电信号进行处理,以获得目标物体的图像;以及距离测量装置,用于测量目标物体到天线阵列的距离,其中,信号处理单元至少部分地基于所测量的距离来对电信号进行校正。
根据一实施例,该电磁波成像系统还可以包括:存储单元,存储有一标定点处针对天线阵列中每两个天线之间可视度值的校正因子,其中,对于每两个天线,信号处理单元根据该标定点到这两个天线之间的距离差以及目标物体到这两个天线之间的距离差,从所存储的校正因子得到对电信号进行校正的校正因子。
在一示例中,对于天线阵列中任意两个天线i和j,设标定点A到天线i的距离与到天线j的距离之差为ΔA ij,目标物体B到天线i的距离与到天线j的距离之差为ΔB ij,所存储的针对天线i和j的校正因子为VA ij,则所得到的针对天线i和j的校正因子为:
其中,J是虚数单位,即J2=-1,λ是电磁波的波长,Pij是对信号功率的修正。例如,Pij=1。
根据一实施例,该电磁波成像系统还可以包括:存储单元,存储有一系列标定点处针对天线阵列中每两个天线之间可视度值的校正因子,其中,信号处理单元基于距离测量装置所测量的目标物体到天线阵列的距离,选择与所述一系列标定点中一个或多个相对应的校正因子,作为对电信号进行校正的校正因子。
在一示例中,可以选择与目标物体之间的距离小于一定阈值的标定点相对应的校正因子作为对电信号进行校正的校正因子。例如,可以选择与目标物体之间的距离最小的标定点相对应的校正因子作为对电信号进行校正的校正因子。当选择了与多个标定点相对应的校正因子时,可以将这些校正因子的插值作为对电信号进行校正的校正因子。
根据一实施例,信号处理单元对于根据来自信号处理单元的电信号而获得的天线i和j的可视度值Vij,按如下公式进行校正:V‘ij=Vij/VC ij,其中VC ij是所确定的对电信号进行校正的校正因子,并使用校正后的可视度值V‘ij进行成像。
根据本公开的另一方面,提供了一种对来自天线阵列的电信号进行校正的方法,其中天线阵列接收来自目标物体的电磁波且接收到的电子波被转换为电信号,该方法包括:测量目标物体到天线阵列的距离;至少部分地基于所测量的距离来对电信号进行校正。
根据一实施例,校正可以包括:对于天线阵列中的每两个天线,根据一标定点到这两个天线之间的距离差以及目标物体到这两个天线之间的距离差,从预先利用该标定点得到的针对这两个天线之间可视度值的校正因子,得到对电信号进行校正的校正因子。
根据另一实施例,校正可以包括:预先利用一系列标定点得到的针对天线阵列中每两个天线之间可视度值的校正因子;以及基于目标物体到天线阵列的距离,选择与所述一系列标定点中一个或多个相对应的校正因子,作为对电信号进行校正的校正因子。
根据本公开实施例的电磁波成像系统将可以实时调整焦距,并因此可以对运动目标连续进行清晰的成像。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述,本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚,在附图中:
图1是示出了根据本公开实施例的电磁波成像系统的方框图;
图2是示出了根据本公开实施例的确定校正因子的示意图;以及
图3是示出了根据本公开另一实施例的确定校正因子的示意图。
具体实施方式
以下,将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本公开的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例,而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思,除非上下文另外明确指出。此外,在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义,除非另外定义。应注意,这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义,而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解,方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器,从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
因此,本公开的技术可以硬件和/或软件(包括固件、微代码等)的形式来实现。另外,本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读介质上的计算机程序产品的形式,该计算机程序产品可供指令执行系统使用或者结合指令执行系统使用。在本公开的上下文中,计算机可读介质可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如,计算机可读介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。计算机可读介质的具体示例包括:磁存储装置,如磁带或硬盘(HDD);光存储装置,如光盘(CD-ROM);存储器,如随机存取存储器(RAM)或闪存;和/或有线/无线通信链路。
图1是示出了根据本公开实施例的电磁波成像系统的方框图。
如图1所示,根据该实施例的电磁波成像系统100包括天线阵列102、信号处理单元106和距离测量装置110。另外,图1中还示出了目标物体T。
天线阵列102包括布置在一个平面(“天线平面”)内的多个天线,该平面可以称作天线平面。通常,天线可以按行和列排列,当然也可以按其他形状排列。在被动式系统中,天线可以不发射信号,而是接收来自目标物体T的电磁辐射或者说电磁波(图中虚线所示)。
天线在接收到电磁波时,可以产生电信号(例如,由于谐振)。天线阵列102中各天线所产生的电信号反应了来自目标物体T的电磁波在天线平面上的分布。根据本公开的实施例,系统100还可以包括天线信号处理单元104,用于将天线信号转换为适于处理的数据。这种天线信号处理单元104可以包括各自分别与天线阵列102中各天线相对应的多个转换电路,这些转换电路可以与相应天线结合为一体,从而天线信号处理单元104内置于天线阵列102中。或者,天线信号处理单元104可以与天线阵列102分离设置,彼此电连接(例如,电缆)。
天线信号处理单元104与天线阵列102相配合,得到能够容易地对其进行处理的数据。在本公开中,将天线阵列102和天线信号处理单元104在功能上视为一体,用于将接收电磁波并将电磁波转换为电信号。也即,在本公开的语境中,所谓“天线阵列”,是指接收电磁波并将电磁波转换为适于处理的电信号的模块。本领域存在多种这样的天线阵列。
信号处理单元106可以对转换后的电信号进行处理。例如,信号处理单元106可以根据成像算法,对电信号进行处理,并因此得到目标物体T的图像。本领域存在多种成像算法,在此不再赘述。信号处理单元106可以实现为各种计算装置,例如个人计算机(PC)、工作站、服务器等,并可以从天线阵列(或者说天线信号处理单元)接收电信号(例如,通过有线连接如电缆或者无线连接)。信号处理单元106得到的图像可以通过输出单元108输出。输出单元108可以包括显示器、打印机等。或者,图像可以存储在存储单元(未示出)中,并可以通过有线和/或无线连接发送到其他装置。
距离测量装置110可以(实时)测量目标物体T与天线阵列102(具体地,天线平面或者天线阵列中某天线)之间的距离,并向信号处理单元106提供所测量的目标物体T的(实时)位置信息。距离测量装置110可以提供明示目标物体T与天线阵列102之间距离的信息,或者可以提供暗示目标物体T与天线阵列102之间距离的信息(即,根据该信息可以得到目标物体T与天线阵列102之间的距离)。例如,距离测量装置110可以包括设置在天线阵列102上(例如,可以设置在天线平面上)的一个或多个测距仪,如激光测距仪、超声测距仪等。
在此需要指出的是,距离测量装置110不限于设置在天线阵列102上,可以与天线阵列102分离设置。可以根据距离测量装置110与天线阵列102的相对位置,根据距离测量装置110的测量结果推导得出目标物体T到天线阵列102的距离。
如背景技术部分中所述,在成像(特别是近距离成像)时,需要对电信号进行校正,然后再利用校正后的电信号进行成像。在本公开的技术中,信号处理单元至少部分地基于距离测量装置110所测量的目标物体T到天线阵列102的距离,来对电信号进行校正。
例如,可以预先利用一标定点得到针对天线阵列中每两个天线之间可视度值的校正因子。这些预先得到的校正因子可以存储在存储单元(未示出)中。对于每两个天线,信号处理单元106可以根据该标定点到这两个天线之间的距离差以及目标物体到这两个天线之间的距离差,从所存储的校正因子得到对电信号进行校正的校正因子。
又如,可以预先利用一系列标定点得到针对天线阵列中每两个天线之间可视度值的校正因子。这些预先得到的校正因子可以存储在存储单元(未示出)中。信号处理单元106可以基于距离测量装置110所测量的目标物体到天线阵列的距离,选择与所述一系列标定点中一个或多个相对应的校正因子,作为对电信号进行校正的校正因子。例如,可以选择与目标物体之间的距离小于一定阈值或者与目标物体之间的距离最小的标定点相对应的校正因子,作为对电信号进行校正的校正因子。当选择了与多个标定点相对应的校正因子时,可以将这些校正因子的插值(例如,线性插值)作为对电信号进行校正的校正因子。
上述标定点可以是实际标定点或者“虚拟”标定点。所谓实际标定点,是指利用实际的点状电磁波源,通过实际测量,来获得针对该实际标定点的校正因子;所谓虚拟标定点,是指并不进行实际测量,而是根据例如实际标定点的测量结果,来推断得到针对该虚拟标定点的校正因子。
以下,将结合具体示例,对校正方法进行进一步详细说明。
图2是示出了根据本公开实施例的确定校正因子的示意图。
如图2所示,如图2所示,A点和B点以及C点是天线阵列轴线204上的任意三点。在此需要指出的是,所谓“轴线”,是指垂直于天线平面202的直线。该轴线可以穿过天线平面上的任意点,例如通常可以穿过天线阵列的中心。一般而言,这种成像系统在轴线上以及轴线附近成像较为清晰;越偏离轴线,失真越大。在本申请中,主要考虑轴线附近成像的情景,这是这类成像系统的常规应用场景。因此,在以下,仅图示和考虑了位于轴线上的成像目标点。该成像目标点则代表了经过该点垂直于轴线的平面上该点附近的目标物体。
在确定的成像轴线上,在距天线平面预定距离处的A点(标定点)放置点状电磁波源,根据天线阵列中的第i个天线和天线阵列中第j个天线的输出(通过复相关)计算可视度值VA ij。
在对A点附近的目标物体进行成像时,根据天线阵列中的第i个天线和天线阵列中第j个天线的输出计算可视度值Vij,令V‘ij=Vij/VA ij。将V‘ij代入被动式综合孔径电磁波成像算法即可得到A点附近的目标物体的清晰图像。这里把VA ij称为A点的校正因子。可以在存储单元中存储这种VA ij(对天线阵列中每两个天线(i,j))。
当目标物体不在A点附近,例如在B点处或附近时,设A点到天线阵列中的第i个天线和第j个天线的距离差为ΔA ij,B点到天线阵列中的第i个天线和第j个天线的距离差为ΔB ij(ΔA ij和ΔB ij可以通过A、B两点的位置以及天线阵列中的第i个天线和第j个天线的位置简单计算得到),则B点的校正因子VB ij可以通过以下公式(1)进行计算:
其中,J是虚数单位,即J2=-1;λ是电磁波的波长(在使用环境中的波长;通常,是空气中的波长);Pij是对信号功率的修正,是实数,具体的数值根据具体的系统确定(例如,可以通过精细测量各个天线的方向图后根据方向图和天线位置推导出来),也可忽略(即认为是1)。
B点可以是无穷远点,此时B点到天线阵列中的第i个天线和第j个天线的距离差ΔB ij等于0。
令V‘ij=Vij/VB ij。将V‘ij代入被动式综合孔径电磁波成像算法即可得到B点附近的目标物体的清晰图像。
当目标物体进一步移动到C点处或附近时,可以根据距离测量装置110给出的目标物体的距离以及各个天线的位置可以计算出C点到天线阵列中的第i个天线和第j个天线的距离差ΔCij。则C点的校正因子VC ij可以通过以下公式(2)进行计算:
令V‘ij=Vij/VC ij。将V‘ij代入被动式综合孔径电磁波成像算法即可得到C点附近的目标物体的清晰图像。
根据本公开的另一实施例,根据公式(1)计算的校正因子VB ij可以存储在存储单元中,作为针对“虚拟”标定点B的校正因子(不是通过在B点设置点状电磁波源,而是如上所述通过计算获得)。在对C点处或附近的目标物体成像时,同样也可以利用该虚拟标定点B处的校正因子如下进行:
每次成像都可以采用距离测量装置110给出的目标物体的最新的距离信息计算得到新的校正因子(例如,上述VB ij和VC ij),也可以在目标物体的距离没有发生显著变化时使用上一次成像使用的
于是,通过上述校正,将系统的焦点从A改变为B或C。当目标物体处于运动状态时,可以根据距离测量装置110的实时测量结果,将系统焦点调整到目标物体处或附近,从而可以对运动的目标物体连续进行清晰的成像。
图3是示出了根据本公开另一实施例的确定校正因子的示意图。
如图3所示,Ak点(k=1,2,3,4……)是天线阵列轴线304上由近及远的一系列标定点。在Ak点放置点状电磁波源,根据天线阵列中的第i个天线和天线阵列中第j个天线的输出计算可视度值Vk ij。Ak点到天线平面的距离为dk,dk(k=1,2,3,4……)为已知。同样,不必对Ak中各点逐一进行实际测量,其中某些点Al处的可视度值Vl ij可以根据其他点处的测量值计算获得(参见以上公式(2)或(3)),即,这些点Al是“虚拟”标定点。
在对Ak点附近的目标物体进行成像时,根据天线阵列中第i个天线和天线阵列中第j个天线的输出计算可视度值Vij;令V‘ij=Vij/Vk ij。将V‘ij代入被动式综合孔径电磁波成像算法即可得到Ak点附近的目标物体的清晰图像。这里把Vk ij成为Ak点的校正因子。可以在存储单元中存储这种Vk ij(对所有的标定点Ak,以及对天线阵列中每两个天线(i,j))。
当目标物体不在Ak点附近,例如在C点处或附近时,可以根据距离测量装置110给出的目标物体到天线平面的距离找出与之较近的标定点Ak(例如,目标物体到天线平面的距离与标定点Ak到天线平面的距离之差小于预定阈值,该阈值的选择标准是采用Ak点的校正数据不会导致图像模糊,这样选出来的标定点可能不止一个)或者与之最近的标定点Ak,令V‘ij=Vij/Vk ij。将V‘ij代入被动式综合孔径电磁波成像算法即可得到C点附近的目标物体的清晰图像。
当选出来的标定点不止一个时,可以对选出来的标定点Ak(k=n,n+1,n+2,……n+m,n和m的具体数值由实际情况确定)相对应的校正因子Vk ij进行插值(例如,线性插值),将插值作为C点的校正因子令V‘ij=Vij/VC ij。将V‘ij代入被动式综合孔径电磁波成像算法即可得到C点附近的目标物体的清晰图像。
根据本公开实施例的电磁波成像系统具备动态实时调整焦距的能力,能够在预先标定后对各种距离的目标物体进行清晰的成像,或者对运动的目标物体进行连续的清晰成像,简化了电磁波成像系统的使用,扩展了其能力。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是,这些实施例仅仅是为了说明的目的,而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例,但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围,本领域技术人员可以做出多种替代和修改,这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (15)
1.一种电磁波成像系统,包括:
天线阵列,用于接收来自目标物体的电磁波,并将电磁波转换为电信号;
信号处理单元,用于对电信号进行处理,以获得目标物体的图像;以及
距离测量装置,用于测量目标物体到天线阵列的距离,
存储单元,存储有标定点处针对天线阵列中每两个天线之间可视度值的校正因子,可视度值是对每两个天线接收到的信号进行复相关而得到的,
其中,信号处理单元至少部分地基于所测量的距离,根据所存储的校正因子来对电信号进行校正,所述标定点与所述目标物体位于垂直于天线阵列平面的轴线上。
2.根据权利要求1所述的电磁波成像系统,其中:
存储单元存储有一标定点处针对天线阵列中每两个天线之间可视度值的校正因子,
对于每两个天线,信号处理单元根据该标定点到这两个天线之间的距离差以及目标物体到这两个天线之间的距离差,从所存储的校正因子得到对电信号进行校正的校正因子。
3.根据权利要求2所述的电磁波成像系统,其中,对于天线阵列中任意两个天线i和j,设标定点A到天线i的距离与到天线j的距离之差为ΔA ij,目标物体B到天线i的距离与到天线j的距离之差为ΔB ij,所存储的针对天线i和j的校正因子为VA ij,则所得到的针对天线i和j的校正因子为:
其中,J是虚数单位,即J2=-1,λ是电磁波的波长,Pij是对信号功率的修正。
4.根据权利要求3所述的电磁波成像系统,其中,Pij=1。
5.根据权利要求1所述的电磁波成像系统,其中:
存储单元存储有一系列标定点处针对天线阵列中每两个天线之间可视度值的校正因子,
信号处理单元基于距离测量装置所测量的目标物体到天线阵列的距离,选择与所述一系列标定点中一个或多个相对应的校正因子,作为对电信号进行校正的校正因子。
6.根据权利要求5所述的电磁波成像系统,其中,选择与目标物体之间的距离小于一定阈值的标定点相对应的校正因子作为对电信号进行校正的校正因子。
7.根据权利要求6所述的电磁波成像系统,其中,选择与目标物体之间的距离最小的标定点相对应的校正因子作为对电信号进行校正的校正因子。
8.根据权利要求5所述的电磁波成像系统,其中,当选择了与多个标定点相对应的校正因子时,将这些校正因子的插值作为对电信号进行校正的校正因子。
9.根据权利要求2或5所述的电磁波成像系统,其中,信号处理单元对于根据来自信号处理单元的电信号而获得的天线i和j的可视度值Vij,按如下公式进行校正:V‘ij=Vij/VC ij,其中VC ij是所确定的对电信号进行校正的校正因子,并使用校正后的可视度值V‘ij进行成像。
10.一种对来自天线阵列的电信号进行校正的方法,其中天线阵列接收来自目标物体的电磁波且接收到的电磁波被转换为电信号,该方法包括:
测量目标物体到天线阵列的距离;
存储标定点处针对天线阵列中每两个天线之间可视度值的校正因子,可视度值是对每两个天线接收到的信号进行复相关而得到的;
至少部分地基于所测量的距离,根据所存储的校正因子来对电信号进行校正,所述标定点与所述目标物体位于垂直于天线阵列平面的轴线上。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,校正包括:
对于天线阵列中的每两个天线,根据一标定点到这两个天线之间的距离差以及目标物体到这两个天线之间的距离差,从预先利用该标定点得到的、针对这两个天线之间可视度值的校正因子,得到对电信号进行校正的校正因子。
12.根据权利要求11所述的方法,其中,对于天线阵列中任意两个天线i和j,设标定点A到天线i的距离与到天线j的距离之差为ΔA ij,目标物体B到天线i的距离与到天线j的距离之差为ΔB ij,所存储的针对天线i和j的校正因子为VA ij,则所得到的针对天线i和j的校正因子为:
其中,J是虚数单位,即J2=-1,λ是电磁波的波长,Pij是对信号功率的修正。
13.根据权利要求10所述的方法,其中,校正包括:
预先利用一系列标定点得到的、针对天线阵列中每两个天线之间可视度值的校正因子;以及
基于目标物体到天线阵列的距离,选择与所述一系列标定点中一个或多个相对应的校正因子,作为对电信号进行校正的校正因子。
14.根据权利要求13所述的方法,其中,选择与目标物体之间的距离小于一定阈值或者与目标物体之间的距离最小的标定点相对应的校正因子,作为对电信号进行校正的校正因子,
其中,当选择了与多个标定点相对应的校正因子时,将这些校正因子的插值作为对电信号进行校正的校正因子。
15.根据权利要求11或13所述的方法,其中,根据电信号获得的天线i和j的可视度值Vij,按如下公式进行校正:V‘ij=Vij/VC ij,其中VC ij是所确定的对电信号进行校正的校正因子。
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