CN109283529B - 一种基于完全随机波束照射的可定制微波成像系统及算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于完全随机波束照射的可定制微波成像系统及算法。每个发射天线经移相器连接到发射端口，接收射天线连接到接收端口，多个发射天线和接收天线布置于待测目标的一侧，多个发射天线阵列排布形成发射天线阵列；通过各个移相器随机调节各个发射天线的激励电流使得所有发射天线的发出随机电磁波束照射到待测目标所在的成像区域；成像后通过不断调整成像分辨率、成像区域的大小、成像距离、发射天线阵列中的发射天线总数、发射天线之间的间距和随机波束照射的次数，获得最优的奇异值分布曲线，最优的奇异值分布曲线上的所有奇异值之和最大。本发明成像系统具有结构紧凑，实现简单、随机性能优良，能量效率高，频谱效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及了一种微波成像系统及算法，尤其是涉及了一种基于完全随机波束照射的可定制微波成像系统及算法。
背景技术
近些年来，微波成像的理论和技术得到了广泛的研究和发展。微波是频率在300MHz-300GHz，对应波长为1m-1mm的电磁波。与可见光波不同，在微波频段具有对非金属物质的穿透能力。利用这一独特性质，微波成像能够对获取目标的位置、形状、材料属性等多种信息量。微波成像具有安全、非接触、成本低等特点，因此广泛应用于安全检查、隔墙监视、医学成像等军用、民用领域。
不同于传统的微波成像方法，基于随机照射的微波成像方法引起了国内外研究人员的关注。参考光学中的ghost成像理论，将随时间变化的随机辐射场照射在物体上，以随机照射的方式获取多组目标散射测量值，通过入射场与散射场的反演计算就能够提取散射体的轮廓和表面信息。不同于传统电磁成像中采用结构复杂的天线阵进行波束扫描的相控阵雷达成像或者移动天线进行空间扫描的合成孔径雷达成像，随机照射方式的微波成像方法在有限空间和无法进行相位扫描的场合有着突出应用价值。从天线的角度来看，这种随机照射可以通过频率扫描天线或者相控阵天线来实现。其中频率扫描天线往往依赖于大带宽，其频谱利用效率低下，极大地浪费了宝贵的频谱资源。而工作于单一频率的成像系统具有频谱效率高的优点。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明是提供了一种基于完全随机波束照射的可定制微波成像系统及算法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、一种基于随机波束照射的可定制微波成像系统：
微波成像系统包括多个发射天线和一个接收天线，每个发射天线经移相器连接到发射端口，接收射天线连接到接收端口，多个发射天线和接收天线布置于待测目标的一侧，多个发射天线阵列排布形成发射天线阵列；通过各个移相器随机调节各个发射天线的激励电流相位使得所有发射天线的发出随机电磁波束照射到待测目标所在的成像区域。
所述的多个发射天线阵列排列方式呈方形或者圆形。
所有发射天线朝向待测目标发出电磁波作为入射场，入射场与待测目标相互作用形成散射场，接收天线对散射场进行接收，收发天线工作于单一频率。
二、一种基于随机波束照射的可定制微波成像算法，方法采用以下步骤：
1)搭建上述微波成像系统进行随机波束照射，采用1比特随机相位调制；
2)经过多次随机波束照射，由接收天线采集的接收信号构建传输矩阵；
3)预设成像分辨率、成像区域的大小、成像距离、发射天线阵列中的发射天线总数、发射天线之间的间距，多次随机波束照射后计算传输矩阵的奇异值分布曲线，通过不断调整成像分辨率、成像区域的大小、成像距离、发射天线阵列中的发射天线总数、发射天线之间的间距和随机波束照射的次数，获得最优的奇异值分布曲线，最优的奇异值分布曲线上的所有奇异值之和最大；
成像分辨率是指成像区域的网格大小。成像距离是指天线和成像区域之间的距离。
4)取最优的奇异值分布曲线下对应的成像分辨率、成像区域的大小、成像距离、发射天线阵列中的发射天线总数、发射天线之间的间距、随机波束照射的次数设置微波成像系统进行成像。
采用1比特随机相位调制的发射天线阵列实现完全随机的波束照射。
所述1比特随机相位调制具体是从0度至360度的相位值中选取任意两个不同的相位值进行调制。
所述1比特随机相位调制通过采用射频开关切换不同长度的传输线实现。
所述的随机波束照射的最少次数与发射天线阵列中的发射天线总数量相同。
本发明具有结构紧凑，随机性能优良，能量效率高，频谱效率高等优点。
附图说明
图1是本发明基于随机波束照射的微波成像示意图。
图2是本发明基于随机波束照射的微波成像系统框图。
图3是本发明实施例归一化奇异值曲线图。
图4是本发明实施例随测量次数和成像距离变化的奇异值分布曲线图。
图5是本发明实施例的图4在测量次数为25处的二维剖面图。
图6是本发明实施例不同天线组阵参数和成像距离和分辨率的关系曲线图。
图7是本发明实施例不同天线单元个数N和成像距分辨率之间的关系曲线图。
图8是本发明实施例的不同成像距离的仿真成像结果图。
图9是本发明实施例的NRMSE随成像距离D的变化曲线图。
图10是本发明实施例的实验重建图像结果图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，详细描述本发明的实施过程。
具体实施如示意图1所示，x-y平面内的发射天线阵列的总数量为N，并标记第i个单元的空间位置为
i＝1,2,…,N。假设每个发射天线阵列的激励电流为
其中I0是一个常数。为了实现随机照射，发射天线阵列中的每个发射天线的相位
由移相器实现1比特移相。
具体实施中经过M次随机波束照射后在成像区域处形成入射场
表达式为：
其中，
j表示虚数，k和η0分别为自由空间中的波数和波阻抗，Φ表示所有N个天线单元随机调相值矩阵，N表示天线单元的总数，
表示第M次测量下的N个天线单元的随机调相向量，
表示第M次测量下的成像区域处的入射场；G为每个发射天线与成像区域上所有点之间的格林函数矩阵；
根据矩阵理论，入射场
的秩
满足：
其中，R(Φ)表示随机调相值矩阵Φ的秩，R(G)表示格林函数矩阵G的秩；
由于格林函数矩阵G的秩不超过N，那么当M等于N时，矩阵
的秩能够达到最大值N。
如图2所示，成像过程中将成像区域划分成N′个网格，其中i′表示网格的序号，i′＝1,2,…,N′。那么对于第m次随机照射，m＝1,2,…,M，对应的传输矩阵H的元素，表达为：
其中，
和
分别是发射天线、接收天线和成像区域第i′个网格上点
之间的传输系数；
表示第m次测量下传输矩阵H中成像区域第i′个网格上点
对应的元素；
表示发射天线阵列中第i个发射天线由移相器控制的随机相位，N表示发射天线的总数。
最终得到成像模型，表达为：
其中，g(M)表示为第M次测量得到的散射场，
表示成像区域中第i′个网格上点
的反射率分布。将上式整理得到线性成像模型，表达为：
g＝Hf
其中，g是测量得到的散射场，H是传输矩阵，f为成像区域的反射率分布。
在M＝N＝N′时，传输矩阵H为一个方阵，通过利用矩阵求逆f＝H-1g重建图像。通过奇异值来评价传输矩阵H的非相关特性，奇异值越大说明矩阵越不相关，所包含的有效信息越多，重建图像的成像结果越好。因此本发明能够通过选取最优的奇异值分布曲线，对于给定的成像分辨率和成像区域大小，获得最优的成像距离、发射天线阵列中的发射天线总数、发射天线之间的间距、随机波束照射的次数的配置，实现最优可定制的成像效果。
不失一般性，假定平面阵列中N＝10×10，组阵间距Δr＝1λ，成像距离D＝5λ，工作频率5.8GHz。为了观察不同随机相位对随机性能的影响，选取了四种不同的1比特随机相位，分别为(0,π),(0,π/2),(0,π/4)和(0,π/8)的高斯随机数。成像区域划分网格数量为N′＝20×20，其间距Δr′＝0.5λ。随机调相次数M取值为140。根据上述参数，H矩阵一个大小M×N′的矩阵。图3为仿真得到的归一化奇异值曲线，当测量次数大于N时奇异值曲线急剧变化到接近零，表明此时新增的行向量之间具有很强的相关性。因此，选择测量次数M等于天线单元个数N。对于不同的调相数值，0和π的相位切换所对应的奇异值曲线最高，是最佳的1比特调相数值。
在成像系统中，作为指标的成像分辨率Δr′和成像距离D是给定的，待设计的参数包括天线单元数量N和组阵间距Δr。为了验证参数之间的相互关系，图 4为随测量次数和成像距离变化的奇异值分布曲线图，其中N＝5×5，Δr＝1λ，Δr′＝2λ，作为系统设置参数。根据奇异值曲线，对于不同的测量次数，存在最优成像距离。图5为图4在测量次数为25处的二维剖面图。因此，可以依据不同的组阵参数得到相应的成像距离和分辨率的关系曲线，见图6。保持组阵间距为典型的半波长，可以得到不同天线单元个数N和成像距分辨率之间的关系曲线，见图7。
本发明的具体实施例如下：
为了验证所设计的成像系统性能，选取和图6相同的系统设置参数，其中H 矩阵是一个25×25的方阵，因此对成像模型公式(9)采用直接矩阵求逆的方法重建图像。成像结果如图8所示，其中，图8(a)为“T”形的原始图像，有目标散射体的位置反射率为1，空气背景的反射率为0。图8(b)(c)(d)分别为距离5λ、10λ和20λ处成像反演的归一化结果，在近距离(5λ)和远距离 (20λ)时，反演结果模糊，而在最佳成像距离10λ处的成像效果最好。
为了得到成像质量随距离D的变化关系，对其进行参数扫描仿真：成像距离D变化范围5λ-70λ，变化间隔1λ。采用归一化均方根误差NRMSE来衡量反演结果的质量：
其中，
fi分别为第i个离散网格处估计值和原始值，N为离散网络的数量，fmax和fmin分别是原始图像的最大值和最小值。图9为不同成像距离D处的 NRMSE曲线，显示在D＝10λ处具有最小的误差值，与相关性分析的优化结果一致。
在硬件电路实现中，1比特随机相位调制可以通过采用射频开关切换不同长度的传输线实现。为了实现0°和180°两种相位的切换，两段不同长度的传输线l1和l2的可以分别为λ/2和λ长度。在电路集成化设计中，电路板顶层为5×5 微带贴片天线，底层主要为功分电路、调相电路和控制电路三大功能模块，并且采用矢量网络分析仪得到H矩阵以及散射场的幅度和相位，利用功率放大器来提高信噪比。
图10为不同形状的目标图案的重建结果，显示均能够对原始目标的形状和位置实现正确成像。
由此上述实施例可见，本发明公开了一种基于完全随机波束照射的可定制微波成像系统及算法。包括采用1比特随机调相的阵列天线实现随机照射，并利用矩阵求逆的方法得到重新图像。本发明工作于单一频率，对于给定的成像分辨率和成像距离，依据奇异值分布曲线，给出天线阵列的单元数量和组阵间距以及测量次数，整个成像系统具有结构紧凑，随机性能优良，能量效率高，频谱效率高等优点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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者替换，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 (5)
1.一种基于随机波束照射的可定制微波成像方法，其特征在于：方法采用以下步骤：
1)搭建微波成像系统进行随机波束照射，采用1比特随机相位调制；
微波成像系统包括多个发射天线和一个接收天线，每个发射天线经移相器连接到发射端口，接收射天线连接到接收端口，多个发射天线和接收天线布置于待测目标的一侧，多个发射天线阵列排布形成发射天线阵列；通过各个移相器随机调节各个发射天线的激励电流相位使得所有发射天线的发出随机电磁波束照射到待测目标所在的成像区域；
2)经过多次随机波束照射，由接收天线采集的接收信号构建传输矩阵；
3)预设成像分辨率、成像区域的大小、成像距离、发射天线阵列中的发射天线总数、发射天线之间的间距，多次随机波束照射后计算传输矩阵的奇异值分布曲线，通过不断调整成像分辨率、成像区域的大小、成像距离、发射天线阵列中的发射天线总数、发射天线之间的间距和随机波束照射的次数，获得最优的奇异值分布曲线，最优的奇异值分布曲线上的所有奇异值之和最大；
4)取最优的奇异值分布曲线下对应的成像分辨率、成像区域的大小、成像距离、发射天线阵列中的发射天线总数、发射天线之间的间距、随机波束照射的次数设置微波成像系统进行成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于随机波束照射的可定制微波成像方法，其特征在于：采用1比特随机相位调制的发射天线阵列实现完全随机的波束照射。
3.根据权利要求1所述的一种基于随机波束照射的可定制微波成像方法，其特征在于：所述1比特随机相位调制具体是从0度至360度的相位值中选取任意两个不同的相位值进行调制。
4.根据权利要求1所述的一种基于随机波束照射的可定制微波成像方法，其特征在于：所述1比特随机相位调制通过采用射频开关切换不同长度的传输线实现。
5.根据权利要求1所述的一种基于随机波束照射的可定制微波成像方法，其特征在于：所述的随机波束照射的最少次数与发射天线阵列中的发射天线总数量相同。
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