CN109061638A - 相控阵近距离数字成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的相控阵近距离数字成像方法，包括：步骤一、确定探测空域；步骤二、确定每个天线单元的空间坐标；步骤三、处理和检测每个天线单元接收到的信号；步骤四、确定粗成像检测的检测区域；步骤五、剖分检测区域，并计算每个网格节点的坐标；步骤六、确定每个天线单元的移相量；步骤七、确定每个天线单元到检测区域剖分网格节点的电波传播加权系数；步骤八、计算检测区域的像场；步骤九、根据成像区域的场值分布情况检测目标；步骤十、测量目标的坐标。本发明的相控阵近距离数字成像方法提供一种近距离相控阵探测、成像一体化解决方案，在实现目标探测的同时提供高精度目标成像，充分利用有限的硬件条件，实现了高性能的一体化目标探测和成像识别。

Description

相控阵近距离数字成像方法
技术领域
本发明涉及无线电定位和探测领域，特别是涉及一种相控阵近距离数字成像方法。
背景技术
在无线电定位和探测领域，广义上的目标成像探测技术有合成孔径成像 (SAR)、逆合成孔径成像(ISAR)以及一维距离像(HRRP)等，这些技术能够识别出目标某些形状和尺寸信息。在近距离探测方面，数字波束合成(DBF) 能够根据需要形成合适的探测多波束，能够实现多目标同时探测，以上这些技术在实际生活中都有广泛应用。
第一种为合成孔径成像。该方法中探测设备通常安装在飞机和卫星上，利用自身的航迹信息和目标回波信号来测距和合成二维像，但当自身运动航迹不规则或目标运动时，会造成图像散焦，成像效果变差。
第二种为逆合成孔径成像。该方法中探测设备通常是静止的，通过分析目标回波信号的距离延时和多普勒频移来获得目标的二维像，该方法需要目标与探测设备存在相对运动，并且目标的各部分的相对运动速度需要有差异，此外还需要高精度的运动补偿。
第三种为一维距离像。该方法是用宽带探测信号获取目标的回波信号，一维距离像实际为目标上各距离单元的散射强度分布图。一维距离像与目标的姿态是紧密相关的，由于事实上很难获得各种目标的一维距离像先验数据，实际应用有限。
第四种为数字波束合成。该方法通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，形成所需的合成接收信号，从天线方向图(pattern)来看，这样做相当于形成了某一空间指向上的接收波束。该方法只是一种探测技术，不具备成像识别能力。
综上所述，在无线电定位和探测领域，目标探测与成像技术在成本和适用性等方面存在不足，特别在近距离探测与成像方面，需要开发低成本、高可行性的探测识别技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低成本、高可行性的相控阵近距离数字成像方法。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，包括：
步骤一、确定探测空域；
步骤二、确定天线阵中每个天线单元的空间坐标；
步骤三、处理和检测天线阵中每个天线单元接收到的信号；
步骤四、确定粗成像检测的检测区域；
步骤五、剖分检测区域，并计算每个网格节点的坐标；
步骤六、确定每个天线单元的移相量；
步骤七、确定每个天线单元到检测区域剖分网格节点的电波传播加权系数；
步骤八、计算检测区域的像场；
步骤九、根据成像区域的场值分布情况检测目标；
步骤十、测量目标的坐标。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，还包括：
步骤十一、对每个目标精确成像探测，改变等效透镜焦距和像距，搜索最佳聚焦成像，精确测量目标坐标和观察识别目标成像细节特征。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，步骤四确定粗成像检测的检测区域包括：
分步骤401、确定等效透镜的焦距F的取值，F＝min(k1D,Rmax/k2)，k1＝0.2～5， k2>10，D为天线阵半径，Rmax为探测远界；
分步骤402、计算像距V，V≈F；
分步骤403、确定检测区域，所述检测区域的范围确定为[-Ftan(Θmax), Ftan(Θmax)]，Θmax为最大扫描角。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，步骤五剖分检测区域，并计算每个网格节点的坐标包括：
分步骤501，计算剖分参考数据，依据相控阵的波束宽度进行检测区域的剖分，合成波束宽度Φ依据下面的公式计算：
分步骤502，计算剖分单元数，以整波束剖分时，单元数为P＝1+2Θmax/Φ，以半波束剖分时，单元数为P＝1+4Θmax/Φ；
分步骤503，计算成像检测区域的中心，建立以天线阵的法线方向为y轴的空间直角坐标系，坐标原点位于天线阵的中心，成像检测区域的中心坐标为：
y0＝V
z0＝Rcosθ0
为像中心的球坐标值，对于粗成像的检测区域，则有x0＝0,y0＝V,z0＝0；
分步骤504，计算成像检测区域范围，
x坐标范围为:x＝x0±dx
z坐标范围为:z＝z0±dz
对于精确成像的检测区域dx,dz取较小值，对于粗成像的检测区域，则取：
dx＝dz＝Vtan(Θmax)；
分步骤505，计算检测区域网格剖分间隔，剖分间隔为
分步骤506，计算检测区域的每个网格节点的空间坐标(xmn,ymn,zmn)，其中m,n＝1,2,…P，
xmn＝x0-dx+(m-1)Δx
ymn＝V
zmn＝z0-dz+(n-1)Δz。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，确定每个天线单元的移相量包括：
分步骤601，计算天线单元距离天线阵中心的距离，建立以天线阵的法线方向为y轴的空间直角坐标系，坐标原点位于天线阵中心，每个天线单元的坐标为(XMN，0，ZMN),M、N取决于实际的天线单元数，
天线单元距离天线阵中心的距离为：
分步骤602，计算每个天线单元的移相量，每个天线单元移相量与等效透镜的焦距F以及天线单元距离天线阵中心的距离有关，天线单元的移相量为：
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，所述步骤七确定每个天线单元到检测区域剖分网格节点的电波传播加权系数包括：
分步骤701，计算天线单元到检测区域剖分网格节点的距离：
分步骤702，计算天线单元到检测区域剖分网格节点的传播相移：
分步骤703，计算传播方向性增益系数ρmn,MN，ρmn,MN结合波达方向估计算法进行测算，当不考虑波达方向的影响时，统一取ρmn,MN＝1；
分步骤704，计算天线单元到检测区域剖分网格节点的电波传播加权系数：
取α＝2，当不考虑传播衰减及波达方向的影响时，将加权系数简化为： k＝ej ψmn，MN。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，步骤八计算检测区域的像场包括如下：计算每个天线单元的接收信号在每个检测区域网格节点的叠加场，每个网格节点的叠加场的计算公式：
EMN为每个天线单元接收到的信号。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，步骤九根据成像区域的场值分布情况检测目标包括：
分步骤901、计算噪声基底
分步骤902，目标检测，包括：
当网格节点处的场值与噪声基底的比值大于系统检测信噪比SNR 时，即当时，确认该处存在目标；
通过检测成像区域的目标成像的极值点个数，确定目标的个数。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，步骤十测量目标的坐标包括：
分步骤1001、测量像的角度位置来间接测量目标的角度坐标，设像中心的直角坐标为(x0，V，z0)，变换成球坐标有：
分步骤1002、计算真实目标的角度坐标，则真实目标相当等效透镜中心的角度坐标为：
θ＝π-θ0。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，步骤十测量目标的坐标还包括：
分步骤1003、计算像中心点的坐标，像中心点的坐标为(x0,V,z0)，像距为V；
分步骤1004、计算物距U，物距为：
分步骤1005、计算目标距离，目标的距离R为：
其中，
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，步骤十一对每个目标精确成像探测，改变等效透镜焦距和像距，搜索最佳聚焦成像，精确测量目标坐标和观察识别目标成像细节特征包括：
分步骤1101、根据目标分布情况，放大并设置等效透镜焦距F；
分步骤1102、根据每个不同的目标，进行成像聚焦搜索，包括：
子步骤一、计算像距V的迭代初始值，利用目标角度和距离坐标，
计算出此时的目标像距初始值：
子步骤二、调整成像检测区域的位置到y＝V的位置；
子步骤三、计算成像检测区域的范围；
子步骤四、成像检测区域剖分网格并按权利要求4的方法计算网格节点坐标；
子步骤五、按权利要求5的方法计算每个天线单元的移相量；
子步骤六、按权利要求6的方法计算天线单元到检测区域剖分网格节点的电波传播加权系数；
子步骤七、按权利要求7的方法计算成像检测区域的像场；
子步骤八、按权利要求8的方法检测像场，计算目标成像幅度；
子步骤九、按权利要求9的方法计算目标角度坐标；
子步骤十、计算目标距离坐标；
子步骤十一、迭代微调像距V的值，重复子步骤二至子步骤十，直至像面积最小或像幅值最大时停止迭代，此时完成最佳聚焦搜索；
分步骤1103、输出目标成像探测结果。
本发明的相控阵近距离数字成像方法提供了一种近距离相控阵探测、成像一体化解决方案，在实现目标探测的同时提供高精度目标成像，充分利用有限的硬件条件，实现了高性能的一体化目标探测和成像识别。
本发明的技术方案采用了一种不需要测量时延的被动测距方法，可以在不需要时间同步的背景下测定目标距离，因而可以应用在各种被动、主动以及半主动探测系统中。该方法利用物体及其像之间的对应关系，通过测定像距从而间接测定目标的距离。
本发明的技术方案提供了一种同时实现宽角度探测范围和高精度测角的一体化实现方案，该方法利用类似于透镜成像原理来探测目标，探测范围只取决于成像检测区域的大小，而成像检测范围可以根据需要设置较大的范围。该方法在测角时通过测量像的角度间接测量目标角度，在天线规模较小的相控阵中，此时测角精度要远大于常规的数字波束合成(DBF)和传统波束测角精度。
本发明设计了一种可以采用数字信号处理手段的成像探测方案，除天线单元本身外，其它部分都可以采用信号处理软件来实现，在某些应用场合中，天线单元的移相器也可以做成移相量固定的移相器，因而系统的硬件结构简单，工程实现容易。
本发明采用了一种有别于合成孔径、逆合成孔径、数字波束合成等现有技术的新体制成像探测技术，算法简单，应用限制少，技术实现难度小，解决了复杂运动目标的探测与成像识别的技术难题。
附图说明
图1为本发明的相控阵近距离数字成像方法的原理示意图；
图2为本发明的相控阵近距离数字成像方法的信号处理算法的总体框图；
图3为一不规则物体及其反射信号天线阵口径场分布图；
图4为利用本发明的相控阵近距离数字成像方法对不规则物体成像探测结果；
图5为利用本发明的相控阵近距离数字成像方法近距离目标探测示意图；
图6为利用本发明的相控阵近距离数字成像方法对图5所示两个不同距离的目标成像探测识别结果；
图7为本发明成像探测系统对图5所示两个相同距离的目标成像探测识别结果。
具体实施方式
如图1所示，当采用某种规律对天线阵每个单元的信号进行复杂加权处理后，可以实现对不同目标回波信号的分离，从而在天线阵后方对应位置处形成清晰可辨的像。在这种成像探测机制中，对回波信号的加权处理包括天线单元移相加权和传播加权两部分，如图2所示，并且天线单元的移相特性不同于传统的数字波束合成(DBF)的相位差相同的特性。
本发明的相控阵近距离数字成像方法主要基于等效透镜成像原理，包括：
步骤一、确定探测空域，探测空域往往由系统使用需求确定，包括探测远界、探测近界、最大扫描角等；
步骤二、确定天线阵中每个天线单元的空间坐标，每个天线单元的空间位置是固定不变的，可以通过测量手段确定；
步骤三、处理和检测天线阵中每个天线单元接收到的信号，必要时可以对每个天线单元的接收信号进行混频、滤波、检波和离散化等处理；
步骤四、确定粗成像检测的检测区域，设定等效透镜的粗成像焦距，计算粗成像像距，计算检测区域范围；
步骤五、剖分检测区域，以传统相控阵合成波束宽度为基本依据，剖分检测区域，并计算每个网格节点的坐标；
步骤六、根据等效透镜的焦距F以及天线单元距离天线阵中心的距离确定每个天线单元的移相量；
步骤七、确定每个天线单元到检测区域剖分网格节点的电波传播加权系数；
步骤八、计算检测区域的像场；
步骤九、根据成像区域的场值分布情况检测目标；
步骤十、测量目标的坐标，测量目标坐标主要指测量目标的距离、角度等坐标。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，还包括：
步骤十一、对每个目标精确成像探测，改变等效透镜焦距和像距，搜索最佳聚焦成像，精确测量目标坐标和观察识别目标成像细节特征。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，步骤四确定粗成像检测的检测区域包括：
分步骤401、确定等效透镜的焦距F的取值，F＝min(k1D,Rmax/k2)，k1＝0.2～5， k2>10，D为天线阵半径。例如，一种较为合适的取值为F＝Rmax/15；
分步骤402、计算像距V，由于实际天线阵规模较小，物距U通常远大于天线阵孔径D，此时可以认为物距U远大于等效透镜焦距F，即U>>F，此时有像距V≈F；
分步骤403、确定检测区域，所述检测区域的范围确定为[-Ftan(Θmax), Ftan(Θmax)]，Rmax为探测远界、Θmax为最大扫描角。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，步骤五剖分检测区域，并计算每个网格节点的坐标包括：
分步骤501，计算剖分参考数据，依据相控阵的波束宽度进行检测区域的剖分，合成波束宽度Φ依据下面的经验公式计算：
分步骤502，计算剖分单元数，以整波束剖分时，单元数为P＝1+2Θmax/Φ，以半波束剖分时，单元数为P＝1+4Θmax/Φ，当需要较高分辨率时，还可以进一步加大P的值，当精确成像检测时，可以采用更精细的网格进行剖分；
分步骤503，计算成像检测区域的中心，建立天线阵的法线方向为y轴的空间直角坐标系，坐标原点位于天线阵中心，成像检测区域的中心坐标为：
y0＝V
z0＝Rcosθ0
为像中心的球坐标值。对于粗成像的检测区域，则有x0＝0,y0＝V,z0＝0。
分步骤504，计算成像检测区域范围，
x坐标范围为:x＝x0±dx
z坐标范围为:z＝z0±dz
精确成像检测时，dx、dz可以根据需要取某一合适的较小的值，对于粗成像的检测区域，则有：
dx＝dz＝Vtan(Θmax)
分步骤505，计算检测区域网格剖分间隔，剖分间隔为
分步骤506，计算检测区域的每个网格节点的空间坐标(xmn,ymn,zmn)，其中m,n＝1,2,…P，
xmn＝x0-dx+(m-1)Δx
ymn＝V
zmn＝z0-dz+(n-1)Δz。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，根据等效透镜的焦距F以及天线单元距离天线阵中心的距离确定每个天线单元的移相量包括：
分步骤601，计算天线单元距离天线阵中心的距离，建立天线阵的法线方向为y轴的空间直角坐标系，坐标原点位于天线阵中心，每个天线单元的坐标为(XMN，0，ZMN),M、N取决于实际的天线单元数，
天线单元距离天线阵中心的距离为：
分步骤602，计算每个天线单元的移相量，每个天线单元移相量与等效透镜的焦距F以及天线单元距离天线阵中心的距离有关，天线单元的移相量为：
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，所述步骤七确定每个天线单元到检测区域剖分网格节点的电波传播加权系数包括：
分步骤701，计算天线单元到检测区域剖分网格节点的距离：
分步骤702，计算天线单元到检测区域剖分网格节点的传播相移：
分步骤703，计算传播方向性增益系数ρmn,MN，ρmn,MN可结合波达方向估计(Direction Of Arrival)算法进行测算。当不考虑波达方向的影响时，可统一取ρmn,MN＝1。
分步骤704，计算天线单元到检测区域剖分网格节点的电波传播加权系数：
通常取α＝2，当不考虑传播衰减及波达方向的影响时，可将加权系数简化为：k＝ejψmn,MN。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，步骤八计算检测区域的像场包括如下：计算每个天线单元的接收信号在每个检测区域网格节点的叠加场，每个网格节点的叠加场的计算公式：
其中EMN为每个天线单元接收到的信号。
图3为结构类似哑铃的金属体及其在天线阵处的电场分布，每个天线单元的接收信号是该电场分布的离散化序列。图4是对每个天线单元回波信号采用成像方法处理后得到的像场，在图中可以清晰分辨出其中两个球体对应的强电磁散射点。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，步骤九根据成像区域的场值分布情况检测目标包括：
分步骤901、计算噪声基底采用恒虚警检测时，可以先计算整个成像区域的噪声基底
分步骤902，目标检测，包括：
当网格节点处的场值与噪声基底的比值大于系统检测信噪比SNR 时，即当时，确认该处存在目标；
通过检测成像区域的目标成像的极值点个数，确定目标的个数。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，步骤十测量目标的坐标包括：
分步骤1001、测量像的角度位置来测量目标的像的角度坐标，测量目标角度坐标时，由于没有形成传统意义上的天线接收波束，因而目标的角度坐标的测量不能由波束指向来确定，在等效透镜成像规律中，目标和成像之间的连线穿过等效透镜的中心，因而可以测量像的角度位置来确定目标的角度坐标，设像中心的直角坐标为(x0，V，z0)，变换成球坐标有：
分步骤1002、计算真实目标的角度坐标，则真实目标相当等效透镜中心的角度坐标为：
θ＝π-θ0。
测量目标的距离具有两种方法，一种是传统雷达技术中通过测量时延来确定距离，在此不再多述，在本发明中还可以通过成像规律来测量坐标。
利用成像规律测量目标距离时，需要在最佳聚焦情况下进行，此时的实际像距与理论像距是一致的，成像精度与准确度也最佳。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，步骤十测量目标的坐标还包括：
分步骤1003、计算像中心点的坐标，像中心点的坐标为(x0,V,z0)，像距为V；
分步骤1004、计算物距U，物距为：
分步骤1005、计算目标距离，目标的距离R为：
其中，
采用上述方法精确测距时，需要迭代搜索最佳聚焦成像，优点是不需要时钟同步，也不需要确定探测信号的发射时刻。但当物距U远大于焦距F时，有V≈F，此时测距准确度降低。
本发明的相控阵近距离数字成像方法，其中，步骤十一对每个目标精确成像探测，改变等效透镜焦距和像距，搜索最佳聚焦成像，精确测量目标坐标和观察识别目标成像细节特征包括：
分步骤1101、根据目标分布情况，放大并设置等效透镜焦距F，根据目标分布情况，放大并设置合理的等效透镜焦距F，例如可以采用定步长法增加焦距：Fk+1＝Fk+ΔF，也可以采用等比例法增大焦距：Fk+1＝qFk，其中q>1；
分步骤1102、根据每个不同的目标，进行成像聚焦搜索，包括：
子步骤一、计算像距V的迭代初始值，利用目标角度和距离坐标，计算出此时的目标像距初始值：
子步骤二、调整成像检测区域的位置到y＝V的位置；
子步骤三、计算成像检测区域的范围；
子步骤四、成像检测区域剖分网格并按权利要求4的方法计算网格节点坐标；
子步骤五、按权利要求5的方法计算每个天线单元的移相量；
子步骤六、按权利要求6的方法计算天线单元到检测区域剖分网格节点的电波传播加权系数；
子步骤七、按权利要求7的方法计算成像检测区域的像场；
子步骤八、按权利要求8的方法检测像场，计算目标成像幅度；
子步骤九、按权利要求9的方法计算目标角度坐标；
子步骤十、计算目标距离坐标；
子步骤十一、迭代微调像距V的值，重复子步骤二至子步骤十，直至像面积最小或像幅值最大时停止迭代，此时完成最佳聚焦搜索；；
分步骤1103、输出目标成像探测结果。
图5给出了一个天线阵及两个目标(RCS不同)的位置示意图，图6给出了两个目标物距不同时的精确成像结果，图7给出了两个目标物距相等时的精确成像结果，其目标分辨效果和角度测量精度均高于传统的数字波束合成 (DBF)探测方法。
本发明的目的是提供一种近距离相控阵探测、成像一体化解决方案，在实现目标探测的同时提供高精度目标成像，充分利用有限的硬件条件，实现了高性能的一体化目标探测和成像识别。
本发明的相控阵近距离数字成像方法的实施例，具体包括以下步骤：
步骤一，确定探测空域，探测空域往往由系统使用需求确定，包括探测远界Rmax、探测近界Rmin、最大扫描角Θmax等；
步骤二，确定每个天线单元的空间坐标，每个天线单元的空间位置是固定不变的，可以通过测量手段确定，
建立空间直角坐标系，例如，建立天线阵的法线方向为y轴的空间直角坐标系，坐标原点位于天线阵中心，每个天线单元的坐标为(XMN,0,ZMN),其中 M，N取决于实际的天线单元数；
步骤三，处理和检测每个天线单元接收到的信号。必要时可以对每个天线单元的接收信号进行混频、滤波、检波和离散化等处理，
每个天线单元的接收信号为：EMN，其中M，N取决于实际的天线单元数；
步骤四，确定粗成像的检测区域，
由于实际天线阵规模较小，物距U通常远大于天线阵孔径，此时可以认为物距U远大于等效透镜焦距F，即U>>F，此时有像距V≈F，
焦距F的取值范围一般为F＝min(k1D,Rmax/k2)，其中一般取k1＝0.2～5， k2>10，D为天线阵半径。例如，一种较为合适的取值为F＝Rmax/15，
此时由于U>>F，像距取值V≈F，
检测区域的范围确定为[-Ftan(Θmax),Ftan(Θmax)]；
步骤五，剖分检测区域。检测区域的剖分可以依据传统相控阵的波束宽度进行，传统相控阵中，其合成波束宽度Φ可以依据下面的经验公式计算：
以整波束剖分时，单元数为P＝1+2Θmax/Φ，以半波束剖分时，单元数为 P＝1+4Θmax/Φ。当需要较高分辨率时，还可以加大P的值，
检测区域的剖分间隔为
检测区域的每个网格节点的空间坐标为(xmn,ymn,zmn)，其中m,n＝1,2,…P。
xmn＝-Ftan(Θmax)+(m-1)Δx
ymn＝V
zmn＝-Ftan(Θmax)+(n-1)Δz；
步骤六，确定每个天线单元的移相量，每个天线单元移相量与等效透镜的焦距F以及天线单元距离天线阵中心的距离有关，
天线单元距离天线阵中心的距离为：
天线单元的移相量为：
步骤七，确定每个天线单元到检测区域剖分网格节点的电波传播加权系数，
加权系数的一般形式为：
其中ρ为传播方向性增益系数，Γ为天线单元到检测区域剖分网格节点的距离，ψ为天线单元到检测区域剖分网格节点的传播相移，通常可以取α＝2。其中：
传播方向性增益系数ρ可用波达方向估计(Direction Of Arrival)算法进行测算，在传播衰减效应可以忽略时，此时可以将加权系数简化为：k＝ρejψ。
当成像点位于波束传播范围内时ρ＝1，位于波束传播范围外时ρ＝0。当不考虑传播方向的影响时，还可以统一取ρ＝1，此时k＝ejψ；
步骤八，计算检测区域的像场。需要计算每个天线单元的接收信号在每个检测区域网格节点的叠加场，
每个点的叠加场的计算公式：
步骤九，检测目标。通过检测成像区域的场值分布情况，即可确定目标的存在情况及角度坐标。
采用恒虚警检测时，可以先计算整个成像区域的噪声基底：
当网格节点处的场值与噪声基底的比值大于系统检测信噪比SNR时，认为该处存在目标。即当时，在该处网格节点检测到目标。通过检测成像区域的目标成像的极值点个数，即可以初步确定目标的个数。
步骤十，测量目标坐标。测量目标坐标主要指测量目标的距离、角度等坐标，
测量目标角度坐标时在该技术体制中，由于没有形成传统意义上的天线接收波束，因而目标的角度坐标的测量不能由波束指向来确定。在等效透镜成像规律中，目标和成像之间的连线穿过等效透镜的中心，因而可以测量像的角度位置来确定目标的角度坐标。设像中心的直角坐标为(x0,V,z0)，变换成球坐标有：
则目标相当等效透镜中心的角度坐标为：
θ＝π-θ0
测量目标的距离具有两种方法，一种是传统雷达技术中通过测量时延来确定距离，另一种是通过成像规律来测量坐标。
采用延时测距方法时，此时需要测定目标回波信号的延时Δt，目标的距离为：
其中c＝3×108m/s为光速。
利用成像规律测量目标距离时，需要在最佳聚焦情况下进行，此时的实际像距与理论像距是一致的，成像精度与准确度也最佳，
像中心点的坐标为(x0,V,z0)，此时的像距为V，则物距为：
则有目标的距离R为：
采用这种方法精确测距时，需要迭代搜索最佳聚焦成像，优点是不需要时钟同步，也不需要确定探测信号的发射时刻。但当物距U远大于焦距F时，有V≈F，此时测距准确度降低；
步骤十一，针对每个目标精确成像探测。通过上述的初步成像探测，可以初略探测出目标个数，在能够确定时延的情况下，还可以测量出目标的距离，
1.增大透镜的焦距F。例如可以采用定步长法增加焦距：Fk+1＝Fk+ΔF。也可以采用等比例法增大焦距：Fk+1＝qFk，其中q>1；
2.计算每个目标的相距初始值。利用步骤十获得的目标角度和距离坐标，可以求出此时的目标像距：
3.确定每个目标的精确成像检测区域初始值并精确剖分，
精确成像检测区域的中心坐标为：
y0＝V
z0＝Rcosθ0；
4.成像检测与聚焦搜索，
迭代微调像距V，重复3、步骤六、步骤七、步骤八、步骤九，获得目标的精确成像，检测成像聚焦效果，当聚焦效果较佳时停止迭代。
重复步骤十，精确测量目标坐标；
5.调整焦距观察成像细节，
重复上述1、2、3、4步骤，测量目标坐标和观察成像细节。
针对现有技术的缺点，本发明解决了宽角度探测范围与高精度测角之间的矛盾，同时解决了常规相控阵探测体制无法对目标进行成像识别的难题，该成像探测技术同时具备被动测距能力，本发明硬件结构简单，成本低，工程实现难度低。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以调整步骤顺序、整合步骤内容以及作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种相控阵近距离数字成像方法，其特征在于，包括：
步骤一、确定探测空域；
步骤二、确定天线阵中每个天线单元的空间坐标；
步骤三、处理和检测天线阵中每个天线单元接收到的信号；
步骤四、确定粗成像检测的检测区域；
步骤五、剖分检测区域，并计算每个网格节点的坐标；
步骤六、确定每个天线单元的移相量；
步骤七、确定每个天线单元到检测区域剖分网格节点的电波传播加权系数；
步骤八、计算检测区域的像场；
步骤九、根据成像区域的场值分布情况检测目标；
步骤十、测量目标的坐标。
2.如权利要求1所述的相控阵近距离数字成像方法，其特征在于，还包括：
步骤十一、对每个目标精确成像探测，改变等效透镜焦距和像距，搜索最佳聚焦成像，精确测量目标坐标和观察识别目标成像细节特征。
3.如权利要求2所述的相控阵近距离数字成像方法，其特征在于，步骤四确定粗成像检测的检测区域包括：
分步骤401、确定等效透镜的焦距F的取值，F＝min(k1D,Rmax/k2)，k1＝0.2～5，k2>10，D为天线阵半径，Rmax为探测远界；
分步骤402、计算像距V，V≈F；
分步骤403、确定检测区域，所述检测区域的范围确定为[-Ftan(Θmax),Ftan(Θmax)]，Θmax为最大扫描角。
4.如权利要求3所述的相控阵近距离数字成像方法，其特征在于，步骤五剖分检测区域，并计算每个网格节点的坐标包括：
分步骤501，计算剖分参考数据，依据相控阵的波束宽度进行检测区域的剖分，合成波束宽度Φ依据下面的公式计算：
分步骤502，计算剖分单元数，以整波束剖分时，单元数为P＝1+2Θmax/Φ，以半波束剖分时，单元数为P＝1+4Θmax/Φ；
分步骤503，计算成像检测区域的中心，建立以天线阵的法线方向为y轴的空间直角坐标系，坐标原点位于天线阵的中心，成像检测区域的中心坐标为：
y0＝V
z0＝Rcosθ0
R,θ0为像中心的球坐标值，对于粗成像的检测区域，则有x0＝0,y0＝V,z0＝0；
分步骤504，计算成像检测区域范围，
x坐标范围为:x＝x0±dx
z坐标范围为:z＝z0±dz
对于精确成像的检测区域dx,dz取较小值，对于粗成像的检测区域，则取：
dx＝dz＝Vtan(Θmax)；
分步骤505，计算检测区域网格剖分间隔，剖分间隔为
分步骤506，计算检测区域的每个网格节点的空间坐标(xmn,ymn,zmn)，其中m,n＝1,2,…P，
xmn＝x0-dx+(m-1)Δx
ymn＝V
zmn＝z0-dz+(n-1)Δz。
5.如权利要求4所述的相控阵近距离数字成像方法，其特征在于，确定每个天线单元的移相量包括：
分步骤601，计算天线单元距离天线阵中心的距离，建立以天线阵的法线方向为y轴的空间直角坐标系，坐标原点位于天线阵中心，每个天线单元的坐标为(XMN，0，ZMN),M、N取决于实际的天线单元数，
天线单元距离天线阵中心的距离为：
分步骤602，计算每个天线单元的移相量，每个天线单元移相量与等效透镜的焦距F以及天线单元距离天线阵中心的距离有关，天线单元的移相量为：
6.如权利要求5所述的相控阵近距离数字成像方法，其特征在于，所述步骤七确定每个天线单元到检测区域剖分网格节点的电波传播加权系数包括：
分步骤701，计算天线单元到检测区域剖分网格节点的距离：
分步骤702，计算天线单元到检测区域剖分网格节点的传播相移：
分步骤703，计算传播方向性增益系数ρmn,MN，ρmn,MN结合波达方向估计算法进行测算，当不考虑波达方向的影响时，统一取ρmn,MN＝1；
分步骤704，计算天线单元到检测区域剖分网格节点的电波传播加权系数：
取α＝2，当不考虑传播衰减及波达方向的影响时，将加权系数简化为：
7.如权利要求6所述的相控阵近距离数字成像方法，其特征在于，步骤八计算检测区域的像场包括如下：计算每个天线单元的接收信号在每个检测区域网格节点的叠加场，每个网格节点的叠加场的计算公式：
EMN为每个天线单元接收到的信号。
8.如权利要求7所述的相控阵近距离数字成像方法，其特征在于，步骤九根据成像区域的场值分布情况检测目标包括：
分步骤901、计算噪声基底
分步骤902，目标检测，包括：
当网格节点处的场值与噪声基底的比值大于系统检测信噪比SNR时，即当时，确认该处存在目标；
通过检测成像区域的目标成像的极值点个数，确定目标的个数。
9.如权利要求8所述的相控阵近距离数字成像方法，其特征在于，步骤十测量目标的坐标包括：
分步骤1001、测量像的角度位置来间接测量目标的角度坐标，设像中心的直角坐标为(x0，V，z0)，变换成球坐标有：
分步骤1002、计算真实目标的角度坐标，则真实目标相当等效透镜中心的角度坐标为：
θ＝π-θ0。
10.如权利要求9所述的相控阵近距离数字成像方法，其特征在于，步骤十测量目标的坐标还包括：
分步骤1003、计算像中心点的坐标，像中心点的坐标为(x0,V,z0)，像距为V；
分步骤1004、计算物距U，物距为：
分步骤1005、计算目标距离，目标的距离R为：
其中，
11.如权利要求10所述的相控阵近距离数字成像方法，其特征在于，步骤十一对每个目标精确成像探测，改变等效透镜焦距和像距，搜索最佳聚焦成像，精确测量目标坐标和观察识别目标成像细节特征包括：
分步骤1101、根据目标分布情况，放大并设置等效透镜焦距F；
分步骤1102、根据每个不同的目标，进行成像聚焦搜索，包括：
子步骤一、计算像距V的迭代初始值，利用目标角度和距离坐标，
计算出此时的目标像距初始值：
子步骤二、调整成像检测区域的位置到y＝V的位置；
子步骤三、计算成像检测区域的范围；
子步骤四、成像检测区域剖分网格并按权利要求4的方法计算网格节点坐标；
子步骤五、按权利要求5的方法计算每个天线单元的移相量；
子步骤六、按权利要求6的方法计算天线单元到检测区域剖分网格节点的电波传播加权系数；
子步骤七、按权利要求7的方法计算成像检测区域的像场；
子步骤八、按权利要求8的方法检测像场，计算目标成像幅度；
子步骤九、按权利要求9的方法计算目标角度坐标；
子步骤十、计算目标距离坐标；
子步骤十一、迭代微调像距V的值，重复子步骤二至子步骤十，
直至像面积最小或像幅值最大时停止迭代，此时完成最佳聚焦搜索；
分步骤1103、输出目标成像探测结果。
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