CN106680813A - 一种高效时间反演成像技术方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效时间反演成像方法，使用超宽带天线阵列采集非合作目标散射的时域信号，通过傅里叶变换转换成频域信号，建立频域空频多态响应矩阵，奇异值分解频域空频多态响应矩阵得到信号子空间与噪声子空间向量；采用下面两个点之一为目标聚焦成像位置实现目标的选择性聚焦成像：1)信号子空间向量与探测区域内场点所对应的背景格林函数向量的内积最大处；2)噪声子空间向量与探测区域内场点所对应的背景格林函数向量的共轭内积为零处。采用本发明方法，只需要天线阵列采集的一次散射场数据，即可建立空频多态响应矩阵。既能实现主动源目标及被动散射其它入射信号的被动源目标的聚焦成像，也能实现快速移动目标的聚焦成像，成像效率、准确性、可靠性、抗干扰能力等均很高。

Description

一种高效时间反演成像技术方法

技术领域：

本发明涉及一种高效的时间反演成像技术，属于微波成像领域。

背景技术：

微波成像是指以微波作为信息载体的一种成像手段，其原理是用微波照射被测物体，然后通过物体外部散射场的测量值来重构物体的形状或(复)介电常数分布。微波成像的算法很多，但由于散射场和散射体之间的非线性关系，以及电磁逆散射问题的解具有非唯一性和不稳定性的特征，人们很难得到电磁逆散射问题的解析解；绝大多数情况下只能通过数值方法求解，而且只能从诸多解中选择一个最优的解作为最终解，这些解具有非唯一性、不稳定性、非线性等特点。同时，这些方法有两个难以避免的缺陷：

1)必须多站发多站收，并且一般都是多站包围着目标，这使得对未知目标的成像几乎无法进行，特别是运动的未知目标，多站要求基本无法满足。

2)没有考虑周围环境、多径效应等因素对目标成像的影响，特别是目标置于多个强散射体环境中，甚至目标不在发射天线的视距范围内时。

时间反演具有空间聚焦和时间压缩的双重特性，即空时聚焦特性，这种空时聚焦特征不需要任何先验知识，对环境是自适应的，能利用信道的多径效应扩大接收阵列有效口径，提取有用信号进行成像，克服了上述算法的两个缺陷，但又带来新的问题：

(1)空空多态响应矩阵在传统的时间反演成像中起着十分关键的作用，但获取空空多态响应矩阵相当繁复，需要时间反演阵列的每个天线单元依次向探测区域发射电磁波，所有天线单元接收目标的反射回波信号并存储。因此，目标聚焦的实时性很难得到满足，也不能实现主动源目标及被动散射其它入射信号的被动源目标的聚焦成像，当然更不能实现对快速移动目标的聚焦成像。

(2)在每一频点，通过奇异值分解空-空多态响应矩阵获取回传向量会产生依赖于频率的随机相位，进行傅里叶逆变换后得到回传信号波形将会随之改变，每个天线单元发射的回传信号将不会在目标处实现相干叠加，影响成像精度。如果传输媒质为随机媒质，媒质的介电常数振荡剧烈，使得产生的随机相位剧烈变化，这一现象变得更加突出，甚至会提取不出正常的时间反演信号。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种高效的时间反演成像方法，基于空频分解的时间反演成像，克服传统时间反演成像算法的缺陷。

本发明的目的是通过如下的手段实现的：

一种高效时间反演成像方法，使用超宽带天线阵列采集非合作目标散射的时域信号，通过傅里叶变换转换成频域信号，建立频域空频多态响应矩阵，奇异值分解频域空频多态响应矩阵得到信号子空间与噪声子空间向量；采用下面两个点之一为目标聚焦成像位置实现目标的选择性聚焦成像：1)信号子空间向量与探测区域内场点所对应的背景格林函数向量的内积达到最大处；2)噪声子空间向量与探测区域内场点所对应的背景格林函数向量的共轭内积正交，即向量的内积为零处。

利用向量相邻单元相位差波动累加值作为衡量该向量属于信号子空间还是噪声子空间的依据，确定非合作目标的个数。

本发明方法使用超宽带天线阵列采集非合作目标散射的时域信号，通过傅里叶变换转换成频域信号，建立频域空频多态响应矩阵，奇异值分解该矩阵得到信号子空间与噪声子空间向量。信号子空间向量与探测区域内场点所对应的背景格林函数向量的内积在目标点位置处达到最大，利用这一特性可实现目标的选择性聚焦成像；噪声子空间向量与探测区域内场点所对应的背景格林函数向量的共轭内积在目标点位置处相互正交，即向量的内积为零，利用这一特性同样可以完成对目标的选择性聚焦成像。

传统的时间反演成像技术，需要时间反演天线阵列的每个天线单元依次向探测区域发射电磁波，所有天线单元接收目标的反射回波信号并存储，建立空空多态响应矩阵。因此，目标聚焦的实时性很难得到满足，也不能实现主动源目标及被动散射其它入射信号的被动源目标的聚焦成像，当然更不能实现对快速移动目标的聚焦成像。

采用本发明方法，只需要天线阵列采集的一次散射场数据，即可建立空频多态响应矩阵，既能实现主动源目标及被动散射其它入射信号的被动源目标的聚焦成像，也能实现快速移动目标的聚焦成像，成像对象范围广，成像效率高，既能实现主动源目标及被动散射其它入射信号的被动源目标的聚焦成像，也能实现快速移动目标的聚焦成像，时间反演回传向量不会产生依赖于频率的随机相位，成像效率、准确性、可靠性、抗干扰能力等均很高，具有很大的实际应用价值。

附图说明

图1天线阵列与目标设置示意图。

图2散射波到达天线阵列示意图。

图3相位差波动累加值分。

图4本发明方法利用信号子空间向量对目标成像结果，(a)目标T1的成像结果(b)目标T2的成像结果。本发明具体实施时在探测区域内设置了T1与T2两个目标，即P＝2。

图5传统的TD-DORT方法利用信号子空间向量对目标成像结果，(a)目标T1的成像结果；(b)目标T2的成像结果。

图6本发明方法利用噪声子空间向量对目标成像。

图7传统的UWB-MUSIC方法利用噪声子空间向量对目标成像。

具体实施方式

如图1,探测区域内包含P个散射体目标，在探测区域的一侧设置N个收发合置的天线，组成时间反演天线阵列，且P<N。任取一个天线单元发射时域探测信号，所有天线单元接收非合作目标反射的回波信号，对每个天线单元接收的时域信号k_n(t),n＝1,2,…,N进行傅里叶变换，得到频域信号k_n(ω),n＝1,2,…,N，进而得到空频多态响应矩阵：

矩阵K的第n行与第n个天线单元的接收信号相对应，为第n个天线单元采集的时域信号通过傅里叶变换后的频域离散值。奇异值分解矩阵K，即K＝UΛV^H。U是一个N×N阶的左奇异向量矩阵，V是一个M×M阶的右奇异向量矩阵，Λ是一个N×M阶的实对称奇异值矩阵。通过上式，矩阵K也看作为频域信源到接收天线空间位置的一种映射，当p≤P时，U_p表示U矩阵的第p列左奇异向量，对应第p个目标，含有天线阵列与第p个目标的空域信息，反映天线阵列与第p个目标位置的空间关系；V_i是M×1阶的右奇异向量，V_i包含有接收信号的频域信息。

左奇异向量矩阵U中，与P个较大奇异值相对应的向量U_p,p＝1,2,…P可展成信号子空间，余下的(N-P)个与较小奇异值相对应的向量展成噪声子空间，噪声子空间向量与信号子空间向量相互正交。

由于目标个数未知，信号子空间向量的个数也未可知。如图2所示，天线阵列相邻两天线单元的间距均为d，目标处于天线阵列的远场区域，散射波到达天线阵列时可近视看作为平行波束，且与天线阵列的夹角为θ。对某一波数为k的单一频点信号而言，相邻天线接收信号的相位差为kd cos(θ)。设为相邻第n与第(n+1)个天线单元接收信号的相位差，相位差的平均值为表示，每个相位差相对平均值的偏离用表示，则得到相邻天线单元相位差波动累加值：

如果上式累加值较小，则对应信号来源于一个真实目标的散射，否则，该信号可当作噪声。当目标位于天线阵列的无穷远处时，累加值趋近于零。既然U_p,p≤P反映天线阵列与目标的空间关系，将其相邻分量的相位差代入上式，得到的累加值将较小，而U_p,p＞P为噪声子空间向量，其对应累加值较大，以此作为判别该列向量是否属于信号子空间的依据。

设任意搜索点r的背景格林函数向量为g(r,ω)，既然信号子空间向量U_p的幅度与相位反映了天线阵列与第p个目标位置的空间关系，信号子空间向量与探测区域内场点所对应的背景格林函数向量的内积在目标点位置处达到最大，利用U_p及探测频域信号S(ω)，得到第p个目标成像伪谱为：

Ω为信号带宽。成像伪谱中未出现依赖于频率的随机相位，不会影响成像精度。又由于噪声子空间向量与探测区域内场点所对应的背景格林函数向量的共轭内积在目标点位置处相互正交，即向量的内积为零，因此，当搜索点r刚好与第p个目标位置重合，g(r_p,ω)与左奇异向量矩阵U的(N-P)个噪声子空间向量正交，得到所有目标的成像伪谱为：

如图1所示，沿x轴放置包含7个理想天线单元的时间反演天线阵列，天线单元的间隔为0.3m，中心天线单元位于(1.5m,0m)处，探测区域为3m×3m 的二维空间，设置两个PEC点目标分别置于T1(0.9m,1.2m)和T2(1.8m,2.0m)，即P＝2，探测信号为中心频率是500MHz高斯脉冲波，在接收的回波信号中叠加信噪比为10dB的白噪声。求取累加值如图3所示，图中有两个累加值明显小于其它值，说明探测区域内有两个目标。本发明方法利用信号子空间向量对两个目标的成像结果如图4所示；利用噪声子空间向量对两个目标的成像结果如图6所示。为了对比本发明方法成像的精确度，同时展示传统方法的成像结果。传统成像方法要求所有天线单元依次发射探测信号，天线阵列记录目标的散射回波，传统TD-DORT利用信号子空间向量对两个目标的成像结果如图5所示；传统UWB-MUSIC方法利用噪声子空间向量对两个目标的成像结果如图7所示；由于依赖于频率的随机相位的影响，传统TD-DORT方法对目标T2的成像区域内出现许多杂斑，影响成像效果，传统UWB-MUSIC方法对目标T2的成像基本失败。

由成像结果可知，本发明方法利用信号子空间向量成像时，具有较强的抗噪声能力；利用噪声子空间向量成像时，具有较好的成像分辨率。在实际应用中，如果环境噪声较小，可以选择噪声子空间向量成像，否则，如果环境噪声较大，只能选择信号子空间向量成像，成像分辨率会降低，但仍优于传统方法。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高效时间反演成像方法，其特征在于，使用超宽带天线阵列采集非合作目标散射的时域信号，通过傅里叶变换转换成频域信号，建立频域空频多态响应矩阵，奇异值分解频域空频多态响应矩阵得到信号子空间与噪声子空间向量；采用下面两个点之一为目标聚焦成像位置实现目标的选择性聚焦成像：1)信号子空间向量与探测区域内场点所对应的背景格林函数向量的内积达到最大处；2)噪声子空间向量与探测区域内场点所对应的背景格林函数向量的共轭内积正交，即向量的内积为零处。

2.根据权利要求1所述的高效时间反演成像方法，其特征在于，利用向量相邻单元相位差波动累加值作为衡量该向量属于信号子空间还是噪声子空间的依据，确定非合作目标的个数。

3.根据权利要求1或2所述的高效时间反演成像方法，其特征在于，探测区域内包含P个散射体目标，在探测区域的一侧设置N个收发合置的天线，组成时间反演天线阵列，且P<N；任取一个天线单元发射时域探测信号，所有天线单元接收非合作目标反射的回波信号，对每个天线单元接收的时域信号k_n(t)，n＝1，2，…，N，进行傅里叶变换，得到频域信号k_n(ω),n＝1,2,…,N，进而得到空频多态响应矩阵：

矩阵K的第n行与第n个天线单元的接收信号相对应，为第n个天线单元采集的时域信号通过傅里叶变换后的频域离散值；奇异值分解矩阵K，即K＝UΛV^H；U是一个N×N阶的左奇异向量矩阵，V是一个M×M阶的右奇异向量矩阵，Λ是一个N×M阶的实对称奇异值矩阵；矩阵K也看作为频域信源到接收天线空间位置的一种映射，当p≤P时，U_p表示U矩阵的第p列左奇异向量，对应第p个目标，含有天线阵列与第p个目标的空域信息，反映天线阵列与第p个目标位置的空间关系；V_i是M×1阶的右奇异向量，V_i包含有接收信号的频域信息；

左奇异向量矩阵U中，与P个较大奇异值相对应的向量U_p,p＝1,2,…P可展成信号子空间，余下的(N-P)个与较小奇异值相对应的向量展成噪声子空间，噪声子空间向量与信号子空间向量相互正交。