CN109917380A - 一种通过功率检测实现综合孔径成像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过功率检测实现综合孔径成像的方法，采用电磁波反射镜面、天线阵列和功率检测器阵列；其中电磁波反射镜面用于反射目标场景辐射的电磁波，天线阵列用于接收目标场景直接辐射的电磁波和经反射镜反射形成的电磁波，功率探测器阵列用于将天线阵列接收到的直接辐射波和反射波形成的干涉信号的功率转换为电信号，通过功率探测阵列获得的电信号可分离出综合孔径成像反演所需的可视度函数值，探测器阵列中的每个探测器获得的可视度函数为对不同基线进行可视度函数采样的结果，可视度函数经过离散傅里叶反变换可得到目标场景的一维图像。

Description

一种通过功率检测实现综合孔径成像的方法

技术领域

本发明涉及综合孔径成像技术领域，具体涉及一种通过功率检测实现综合孔径成像的方法。

背景技术

近年来，太赫兹波的研究和应用在世界范围内受到了极大的关注，太赫兹波是指频率在0.1～10THz(1THz＝10¹²Hz)之间的电磁波，是宏观电子学向微观光子学过渡的重要区域，也是国际学术界公认的重要的前沿科学技术领域。太赫兹成像技术是太赫兹技术应用的一个主要方向。

综合孔径成像技术利用小孔径天线的干涉组合来代替大孔径天线实现高分辨率成像，综合孔径成像技术具有高分辨率成像、宽视场、快速成像、质量轻、体积小、易加工等特点。综合孔径成像技术在微波和毫米波频段已经得到了广泛应用，但在太赫兹频段，传统的综合孔径成像阵列的每个探测单元都需包含射频、本振和中频部分，系统结构复杂，且受到器件工艺和体积的限制，特别是由于每个探测单元都需要本振，当阵列单元数量多时，在太赫兹频段难以满足大功率本振的性能要求，因此这些因素限制了综合孔径成像技术在太赫兹频段的发展。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种通过功率检测实现综合孔径成像的方法。

技术方案

一种通过功率检测实现综合孔径成像的方法，其特征在于采用电磁波反射镜面和接收阵列，接收阵列包括天线阵列和功率检测器阵列，天线阵列包括N个等间距为d排列的相同天线单元，每个天线单元连接一个功率检测器；电磁波反射镜面放置在接收阵列旁垂直阵面方向，第M个接收单元与电磁波反射镜面之间的距离为Md，其中M为天线的单元序号；

点目标辐射的信号一部分直接入射到天线单元，另外一部分电磁波经反射镜反射后入射到天线单元，直射入射信号和反射信号在天线单元形成干涉，也相当于天线单元与其镜像天线单元进行干涉，对于第M个天线单元，其基线长度u_M＝2Md/λ，接收的干涉信号波程差为：

式1中，Md为第M个天线单元与镜面距离，λ为电磁波波长，2Md/λ定义为基线长度；θ为电磁波信号传播方向与镜面的夹角，即电磁波入射角度，0°≤θ＜90°；

天线单元接收信号为直接入射信号v₁和镜面反射信号v₂：

其中，f₀为电磁波频率，t为传播时间；

功率探测器输出的功率P为：

经功率探测器积分测量后，式3中高频项的值为0，可得最后的探测结果为：

由于余弦函数的对称性，对于基线2Md/λ和-2Md/λ得到的可视度函数值相同；因此对天线单元进行一次干涉测量，可同时获得正负基线对应的可视度函数值；

可视度函数V(u_M)为叠加在直流A²上的交流部分，可视度函数V(u_M)可表示为：

V(u_M)＝A²cos(2πu_Mξ) (5)

式中，u_M＝2Md/λ，M＝(-N,-N+1…..N-1,N)；ξ＝sinθ为入射辐射波的方向余弦坐标；

对于非相干的连续源目标，可视度函数可以表示为：

对N个等间隔排列的接收单元的测量，可获得每个基线对应的一系列的可视度函数采样值和相应的负基线的可视度函数采样值；将可视度采样数据进行离散傅里叶反变换即可获得目标场景的一维亮温图像：

T(ξ)为目标场景在θ方向对应的辐射亮温，求出不同θ值对应的目标场景的辐射亮温，最终可获得整个目标场景的亮温图像，即0°≤θ＜90°。

有益效果

本发明以提升国内太赫兹成像应用技术为出发点，提出了一种通过功率检测实现综合孔径干涉成像的方法，这种方法因不需要混频器、本振和中频部分，具有成像系统结构简单、成本低、可实现性好等优点。

附图说明

图1为本发明所述的通过功率探测实现综合孔径成像的方法示意图。

图2为成像流程示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

图1为本发明所述的通过功率检测实现综合孔径成像的结构示意图，主要器件包括：电磁波反射镜面和接收阵列(天线阵列和功率检测器阵列)。电磁波反射镜面用于反射目标场景辐射的电磁波，天线阵列用于接收目标场景直接辐射的电磁波和经反射镜反射形成的电磁波，功率探测器阵列用于将天线阵列接收到的直接辐射波和反射波形成的干涉信号的功率转换为电信号，通过功率探测阵列获得的电信号可分离出综合孔径成像反演所需的可视度函数值，探测器阵列中的每个探测器获得的可视度函数为对不同基线进行可视度函数采样的结果，可视度函数经过离散傅里叶反变换可得到目标场景的一维图像，其具体成像流程示意图如图2所示。

在接收阵列旁垂直阵面方向放置电磁波反射镜，接收阵列包括天线阵列和功率探测器阵列。N个相同的接收单元(天线单元和功率探测器单元)等间距排列，间距为d，第M个接收单元与镜面之间的距离为Md，其中M为单元序号。点目标辐射的信号一部分直接入射到天线单元，另外一部分电磁波经反射镜反射后入射到天线单元，直射入射信号和反射信号在天线单元形成干涉，也相当于天线单元与其镜像天线单元进行干涉，对于第M个天线单元，其基线长度u_M＝2Md/λ，接收的干涉信号波程差为：

式1中，Md为第M个天线单元与镜面距离，λ为电磁波波长，2Md/λ定义为基线长度；θ为电磁波信号传播方向与镜面的夹角，即电磁波入射角度，0°≤θ＜90°。

假设天线单元接收信号为直接入射信号v₁和镜面反射信号v₂：

功率探测器输出的功率P为：

经功率探测器积分测量后，式3中高频项的值为0，可得最后的探测结果为：

可以发现，由于余弦函数的对称性，对于基线2Md/λ和-2Md/λ得到的可视度函数值相同。因此对天线单元进行一次干涉测量，可同时获得正负基线对应的可视度函数值。

可视度函数V(u_M)为叠加在直流A²上的交流部分，可视度函数V(u_M)可表示为：

V(u_M)＝A²cos(2πu_Mξ) (5)

式中，u_M＝2Md/λ，M＝(-N，-N+1…..N-1，N)；ξ＝sinθ为入射辐射波的方向余弦坐标。

对于非相干的连续源目标，可视度函数可以表示为：

对N个等间隔排列的接收单元的测量，可获得每个基线对应的一系列的可视度函数采样值和相应的负基线的可视度函数采样值。如式7所示，将可视度采样数据进行离散傅里叶反变换即可获得目标场景的一维亮温图像。

式7中T(ξ)为目标场景在θ方向对应的辐射亮温，求出不同θ值对应的目标场景的辐射亮温，最终可获得整个目标场景(0°≤θ＜90°)的亮温图像。

本发明可通过功率检测实现综合孔径成像，可以直接应用于太赫兹频段综合孔径成像领域，但需要注意的是，本发明的成像方法应用频段不限于太赫兹频段，也可应用于微波、毫米波和光波频段的综合孔径成像领域。

Claims (1)

1.一种通过功率检测实现综合孔径成像的方法，其特征在于采用电磁波反射镜面和接收阵列，接收阵列包括天线阵列和功率检测器阵列，天线阵列包括N个等间距为d排列的相同天线单元，每个天线单元连接一个功率检测器；电磁波反射镜面放置在接收阵列旁垂直阵面方向，第M个接收单元与电磁波反射镜面之间的距离为Md，其中M为天线的单元序号；

点目标辐射的信号一部分直接入射到天线单元，另外一部分电磁波经反射镜反射后入射到天线单元，直射入射信号和反射信号在天线单元形成干涉，也相当于天线单元与其镜像天线单元进行干涉，对于第M个天线单元，其基线长度u_M＝2Md/λ，接收的干涉信号波程差为：

式1中，Md为第M个天线单元与镜面距离，λ为电磁波波长，2Md/λ定义为基线长度；θ为电磁波信号传播方向与镜面的夹角，即电磁波入射角度，0°≤θ＜90°；

天线单元接收信号为直接入射信号v₁和镜面反射信号v₂：

其中，f₀为电磁波频率，t为传播时间；

功率探测器输出的功率P为：

经功率探测器积分测量后，式3中高频项的值为0，可得最后的探测结果为：

由于余弦函数的对称性，对于基线2Md/λ和-2Md/λ得到的可视度函数值相同；因此对天线单元进行一次干涉测量，可同时获得正负基线对应的可视度函数值；

可视度函数V(u_M)为叠加在直流A²上的交流部分，可视度函数V(u_M)可表示为：

V(u_M)＝A²cos(2πu_Mξ) (5)

式中，u_M＝2Md/λ，M＝(-N，-N+1…..N-1，N)；ξ＝sinθ为入射辐射波的方向余弦坐标；

对于非相干的连续源目标，可视度函数可以表示为：

对N个等间隔排列的接收单元的测量，可获得每个基线对应的一系列的可视度函数采样值和相应的负基线的可视度函数采样值；将可视度采样数据进行离散傅里叶反变换即可获得目标场景的一维亮温图像：

T(ξ)为目标场景在θ方向对应的辐射亮温，求出不同θ值对应的目标场景的辐射亮温，最终可获得整个目标场景的亮温图像，即0°≤θ＜90°。