CN107024693B - 一种单发射体制的雷达关联成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单发射体制的雷达关联成像方法，获取超材料反射板尺寸、各散射单元间距、数量以及排布形状；获得散射单元分布探测精度最高的排布方式；利用HFSS软件对超材料反射板进行仿真分析，设计超材料调制反射板，实现单发射天线的雷达关联成像。发射天线发射出的电磁波信号经调制反射板随机调制照射到成像目标上，经目标散射后散射回波被接收天线接收；数据处理器对计算得到辐射场与接收到的散射回波进行处理得到目标的像。基于单发射天线的雷达关联成像可实现对目标的高质量、高分辨率和远距离成像。本发明降低发射系统的复杂程度和成本，保证探测距离的同时并能够使关联成像雷达同时具备对目标进行跟踪测量的功能。

Description

一种单发射体制的雷达关联成像方法

技术领域

本发明涉及天线设计技术领域，特别是涉及一种单发射天线的雷达关联成像方法。

背景技术

关联成像，又称鬼成像，是利用量子纠缠现象发展起来的一种新型成像技术。鬼成像的发展先后经历了纠缠双光子鬼成像、赝热光鬼成像、真热光鬼成像、反射光鬼成像和计算鬼成像等阶段。1995年，马里兰大学史砚华小组首次实验实现了基于纠缠双光子对的鬼成像。2006年，Scarcelli等人利用经典的赝热光源实现了无透镜热光鬼成像。随后吴令安小组利用铷空心阴极电子管作为光源实现了真热光鬼成像。

雷达关联成像技术是从光学鬼成像技术发展而来，是利用时空独立随机分布的微波辐射场进行成像的一种新型成像体制。在雷达关联成像中，随机辐射场通过计算得到，可以通过合理设置发射源(一个发射天线为一个微波子源，每个子源与其他子源都是相互独立的，每个子源发射信号在时间上也是独立同分布的)得到具有高分辨率的时空两维独立随机辐射场；散射回波信号为一时间序列信号，包含目标信息但没有空间分辨率，通过随机辐射场与散射回波信号的关联处理得到清晰目标像。雷达关联成像分辨率取决于辐射源的分布特性，足够大的照射/辐射源是高分辨率成像的基础。

雷达关联成像发射阵列配置虽与传统成像雷达相似，但其成像过程和体制是完全不同的。首先，单个发射天线是无法进行关联成像的，为达到较好的对比度，对于一维均匀天线阵，要求具有至少8个以上发射阵元且各阵元的发射信号时空两维独立随机的；其次，需要对目标进行多次照射，通过接收散射回波与辐射场作信息关联处理把目标的像反演出来。

现有的雷达关联成像技术受限于辐射源的大小和各阵元发射信号间的时空不相关性，因此对设备场地以及发射天线馈电要求较高，成本巨大。此外，通过增加发射阵元来提高时空不相关性，将导致探测距离大大缩减。

发明内容

本发明的目的是要解决目前雷达关联成像利用大规模发射阵列来获取随机辐射场，对场地和发射阵列馈电网络要求复杂的问题，提出一种单发射体制的雷达关联成像方法，来降低发射系统的复杂程度和成本，保证探测距离的同时并能够使关联成像雷达同时具备对目标进行跟踪测量的功能。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种单发射体制的雷达关联成像方法，该方法包括：

(1)以获取探测精度最高为准则，获取超材料反射板尺寸、各散射单元间距、数量以及排布形状；获得散射单元分布探测精度最高的排布方式；

(2)利用HFSS软件对超材料反射板进行仿真分析，设计并制作能够对发射信号进行随机调制的超材料调制反射板；

(3)实现单发射天线的雷达关联成像装置包括发射天线、调制反射板、成像目标、接收天线、数据处理器。发射天线发射出的电磁波信号经调制反射板随机调制照射到成像目标上，经目标散射后散射回波被接收天线接收；数据处理器用于对计算得到辐射场与接收到的散射回波进行关联处理得到目标的像。基于单发射天线的雷达关联成像可实现对目标的高质量、高分辨率和远距离成像。

以散射单元分布获取探测精度最高为准则获取排布方式的步骤包括：

根据获取的反射板尺寸、散射单元最小间距以及数量，在发射天线位置处选定坐标原点，建立直角坐标系，根据电磁波传播特性，利用二阶关联法推导出照射在目标上的散斑大小表达式，根据获取散斑最小即探测精度最高的排布方式作为最终结果。

利用HFSS软件对探测精度最高的排布方式的超材料反射板进行仿真，设计控制电路并加工制作方形反射板，反射板上散射单元排布为方形、圆形或随机排列。

利用调制反射板对单发射天线发射出的电磁波信号进行随机调制，构建时空独立随机分布的电磁波信号照射目标，在目标区域形成具有随机涨落特性的辐射场。利用已知的反射板调制函数计算出目标区域的辐射场，接收被目标散射形成的散射回波信号，与辐射场进行关联处理获得目标像。

本发明具有的有益技术效果是：

(1)单一发射天线，与现有的雷达关联成像发射系统相比，不需要大规模发射天线组阵，避免各阵元发射信号间存在相关性引起成像误差；

(2)成本低，单发射天线对场地需求减少带来的是建造成本的降低，且不需要建造新雷达，只需对现有雷达接收机数据处理单元进行改造即可；

(3)具有跟踪测量功能，与现有的雷达关联成像技术相比，单发射体制既可以进行成像，又可以对目标进行跟踪测量，获取目标更精细信息。

附图说明

图1为本发明一种单发射体制的雷达关联成像方法的示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明调制反射板正方形下均匀排布分布图；

图4为关联成像算法仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例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。本发明的基本思想是将调制反射板引入雷达关联成像系统，实现了单一发射天线进行雷达关联成像。

图2为本发明实施例提供的一种单发射体制的雷达关联成像方法的流程图。如图2所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤a、利用发射天线发射信号激励调制反射板，以达到对电磁波信号进行随机调制的目的；

步骤b、利用调制后的探测信号照射目标，在目标区域形成具有随机涨落特性的辐射场，通过已知的反射板相关的关键参数计算出该目标区域的辐射场；

步骤c、利用接收天线接收含有目标信息的散射回波，将回波信号与辐射场进行关联处理，通过重构算法得到目标像。

假设单发射天线发射出的电磁波电场强度分布是E_s，调制反射板对电场的随机调制函数为ρ(r_n,t)。因此在目标处，探测信号形成的时空独立分布辐射场为：

假设目标上的散射系数分布为σ(r)，即目标对辐射场的调制记为σ(r)，对于目标以外的位置，σ(r)＝0，探测信号没有被目标散射，不会有散射回波被接收天线接收。则从目标反射的回波到达接收系统被接收时的电场为：

通过接收散射回波信号和探测信号之间的关联处理可以获得成像区域内任意位置r'探测目标散射点的散射系数，如下式表示：

上式等价为：利用此式就可以恢复出目标的像。

本实例中，成像平面被离散化成多个子成像区域，每个子区域近似由其中心的坐标表示，该子区域的散射特性记为其中心点处目标的散射系数。经过多次测量，雷达关联方程可以写成矩阵形式，经过处理能够反演出目标区域物体的像。矩阵如下：

仿真条件：本仿真根据图2所示的系统流程图，采用图1所示的系统模型进行仿真。仿真时的各参数均依照雷达真实应用场景设定，调制反射板为图3所示的边长1.6米的5×5二维正方形均匀排布。

仿真内容与结果：利用关联成像重构算法对目标区域进行成像仿真，选取其中一些点作为目标，认为这些目标点的反射系数为1，而其余各点的反射系数为0。图4表明单发射体制的雷达关联成像技术能够对目标进行成像。从成像结果而言，采用单发射天线激励的雷达关联成像技术同样实现了利用构建大规模辐射源的现有雷达关联成像技术所获取的高分辨目标像。通过数值分析的方法，验证了本发明的正确性、可实现性和可靠性。

以上所描述的实施例，仅为本发明所涉及的实例之一。本发明保护范围并不局限于此，任何在本发明原理和精神内的改动，都应理解为本发明申请保护的权利范围。

Claims (3)

1.一种单发射体制的雷达关联成像方法，其特征在于，该方法包括：

(1)以获取探测精度最高为准则，获取超材料反射板尺寸、各散射单元间距、数量以及排布形状；获得散射单元分布探测精度最高的排布方式；

以散射单元分布获取探测精度最高为准则获取排布方式的步骤包括：

根据获取的反射板尺寸、散射单元最小间距以及数量，在发射天线位置处选定坐标原点，建立直角坐标系，根据电磁波传播特性，利用二阶关联法推导出照射在目标上的散斑大小表达式，根据获取散斑最小即探测精度最高的排布方式作为最终结果；

(2)利用HFSS软件对超材料反射板进行仿真分析，设计并制作能够对发射信号进行随机调制的超材料调制反射板；

(3)为发射天线(1)发射出的电磁波信号经调制反射板(2)随机调制照射到成像目标(3)上，经目标散射后散射回波被接收天线(4)接收；数据处理器(5)用于对计算得到辐射场与接收到的散射回波进行关联处理得到目标(3)的像，基于单发射天线的雷达关联成像可实现对目标的高质量、高分辨率和远距离成像。

2.根据权利要求1所述的一种单发射体制的雷达关联成像方法，其特征在于，利用HFSS软件对探测精度最高的排布方式的超材料反射板进行仿真，设计控制电路并加工制作方形反射板，反射板上散射单元排布为方形、圆形或随机排列。

3.根据权利要求1所述的一种单发射体制的雷达关联成像方法，其特征在于，利用调制反射板对单发射天线发射出的电磁波信号进行随机调制，构建时空独立随机分布的电磁波信号照射目标，在目标区域形成具有随机涨落特性的辐射场，利用已知的反射板调制函数计算出目标区域的辐射场，接收被目标散射形成的散射回波信号，与辐射场进行关联处理获得目标像。