CN110554387A - 综合孔径干涉近场主动源成像方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种综合孔径干涉近场主动源成像方法和装置，该方法包括对散射目标进行照射并接收散射回波信号；将不同接收单元接收到的回波信号作互相关处理，得到互相关函数；对近场的相位曲面曲率进行校正，得到修正的互相关函数；对修正的互相关函数进行傅里叶变换得到目标亮度函数；将目标亮度函数变换到空间直角坐标系中，即得到目标所在位置。本发明利用空间波数域基线矢量的对称性扩大综合孔径保证较高的方位向分辨率，利用快速傅里叶变换关系保证方法的计算效率，从而实现了高分辨率和高时效性的成像方法。

Description

综合孔径干涉近场主动源成像方法和装置

技术领域

本发明涉及单发多收稀疏排布阵列成像信号处理技术领域，尤其涉及一种综合孔径干涉近场主动源成像方法和装置。

背景技术

成像方法是毫米波雷达系统应用步骤中的一个重要环节，成像方法的准确性和时效性直接决定了雷达系统成像结果的好坏和效率。设计毫米波段基于单频点单发多收稀疏阵列的成像方法主要是在单个发射单元发射单频雷达信号的情况下，利用稀疏的平面接收阵列进行反演成像，该成像方法有效解决了SIMO(单输入多输出)阵列长度，阵列数目和方位向分辨率三者之间的关系，同时基于快速傅里叶变换兼顾了成像效率。常用的综合孔径成像方法直接对接收单元接收到的雷达散射信号进行反演处理，包括常见的后向投影成像方法以及频率-波数域成像方法。传统后向投影方法通过在成像面上选取密集的后向投影点，因此具有较好的方位向分辨率但也因其运算量大，造成方法的计算效率低；而频率-波数域方法利用傅里叶变换处理散射回波数据，方法运算效率高但其利用接收单元绝对位置形成的综合孔径保证其成像结果的方位向分辨率，对天线的采样要求高，造成系统配置复杂，成本高。所述方法将回波信号进行互相关处理，在空间波束域，对基线矢量坐标系下的互相关函数进行处理，根据基线矢量的对称性，所述方法在基线坐标系下形成的综合孔径相较传统综合孔径扩大了一倍，同时利用快速傅里叶变换的计算效率，实现了快速高分辨的目标重建方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种综合孔径干涉近场主动源成像方法和装置，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种综合孔径干涉近场主动源成像方法，包括如下步骤：

A：对散射目标进行照射并接收散射回波信号；

B：将不同接收单元接收到的回波信号作互相关处理，得到互相关函数；

C：对近场的相位曲面曲率进行校正，得到修正的互相关函数；

D：对修正的互相关函数进行傅里叶变换得到目标亮度函数；

E：将目标亮度函数变换到空间直角坐标系中，即得到目标所在位置。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种综合孔径干涉近场主动源成像装置，包括：

存储器，用于存储指令；以及

处理器，用于根据所述指令，执行如上所述的综合孔径干涉近场主动源成像方法。

基于上述技术方案可知，本发明的综合孔径干涉近场主动源成像方法和装置相对于现有技术至少具有以下优势之一：

1、本发明用于毫米波段单频雷达系统的综合孔径干涉近场主动源成像，在稀疏的单发多收平面阵列拓扑结构下，有效解决MIMO(多输入多输出)阵列长度，阵元数目和方位向分辨率三者之间的关系，并同时兼顾运算效率。

2、本发明利用空间波数域基线矢量的对称性扩大综合孔径保证较高的方位向分辨率，利用快速傅里叶变换关系保证方法的计算效率，从而实现了高分辨率和高时效性的成像方法。

附图说明

图1为本发明一实施例的用于毫米波段单频雷达系统的综合孔径干涉近场主动源成像方法的流程图；

图2为本发明一实施例的SIMO仿真场景图；

图3为本发明一实施例的平面稀疏接收阵列拓扑结构示意图；

图4为本发明一实施例的SIMO矩形平面阵列原始目标方位向成像结果图；

图5为本发明一实施例的SIMO矩形平面阵列方位向归一化方位向成像结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种综合孔径干涉近场主动源成像方法，包括如下步骤：

A：对散射目标进行照射并接收散射回波信号；

B：将不同接收单元接收到的回波信号作互相关处理，得到互相关函数；

C：对近场的相位曲面曲率进行校正，得到修正的互相关函数；

D：对修正的互相关函数进行傅里叶变换得到目标亮度函数；

E：将目标亮度函数变换到空间直角坐标系中，即得到目标所在位置。

其中，步骤A中所述对散射目标进行照射的步骤是通过二维SIMO平面阵列的发射单元对位于正前方的二维平面散射目标进行照射来实现的；而接收散射回波信号的步骤则是通过二维SIMO平面阵列的接收阵列中的多个接收单元同时接收散射回波信号来实现的。

其中，所述二维SIMO平面阵列的接收阵列选取的方法包括：按照奈奎斯特采样定律要求，按照间隔为d_R进行等间隔分布，从该均匀分布的阵列上随机选取单元作为接收单元，组成接收阵列。

其中，所述接收单元之间的间距大于或等于0.5λ，其中λ为入射波波长。

其中，在毫米波波段，对所设置的位于xoy平面内的SIMO平面阵列而言，对位于(x_T，y_T，0)处的发射单元，在近场条件下，考虑到传播损耗造成的幅度项衰减，其发射的电磁波信号可用自由空间中的球面波信号表示，表达式如下：

其中，E₀为球面波的初始幅度，j为虚数单位，k＝2π/λ表示自由空间中的传播常数，λ为入射波波长，(x，y，z)表示空间内被电磁波照射的任意坐标位置，表示发射单元(x_T，y_T，0)到散射点(x，y，z)的直线传播距离；

对于所设置的位于SIMO阵列正前方、间隔距离为l的二维平面目标而言，目标处的散射点位置坐标表示为(x，y，l)，其对应位置处的反射系数表示为f(x，y，l)；根据玻恩近似，目标散射点处的散射场信号表示为入射波信号与散射点反射系数的乘积形式，即：

根据电磁波叠加定理，某一接收阵元接收回波信号表示为不同散射点位置(x，y，l)产生的散射波的叠加；在近场条件下，考虑到传播损耗造成的幅度项衰减，散射波信号用自由空间中的球面波信号表示，则接收单元接收到的散射信号表示为：

其中，表示散射点(x，y，l)到接收天线(x_R，y_R，0)的直线距离。

其中，所述步骤B具体包括：

将不同接收单元接收到的回波信号作互相关处理，两个任意接收单元位置处的散射场信号表示为：

其中，分别表示散射点(x，y，l)，(x′，y′，l)分别到接收单元的直线传播距离；

将两接收单元位置处的散射回波信号进行互相关计算，得到互相关函数表示为：

其中，为的复数共轭形式，f^*(x′，y′，l)为f(x′，y′，l)的复数共轭形式；

在毫米波波段，利用不同位置处的散射场信号为非相关信号的原理，即：

(其中(x，y，z)≠(x′，y′，z′)).

则(6)式化简为：

代入(2)式，并进一步化简可知，

在毫米波波段，上式中的R_T，R₁，R₂项作为幅度衰减项，用垂直距离l进行近似；同时，对(8)式中的相位变化项R₁，R₂进行泰勒展开，并保留前两项，表示为：

将上述两式代入(8)式中，化简得如下表达式：

定义空间波数域基线矢量：定义方向矢量：则上式变为：

其中，所述步骤E包括：考虑到近场情况下的传播损耗，会造成幅度项和相位的衰减，另外，近场传播过程中相位面为曲面，对近场的相位曲面曲率进行校正；矫正后得到修正的互相关函数的表达式如下：

其中，所述步骤F包括：

定义目标的亮度函数I(n，m)，其表达式如下：

I(n，m)＝f(x，y，l).f^*(x′，y′，l)； (14)

根据步骤E可知，修正的互相关函数与目标的亮度函数满足如下关系：

V′(u，v)＝∫∫I(n，m)·exp(j2πun+j2πvm)dndm； (15)

由(15)式可知，修正的互相关函数表示为目标亮度函数的傅里叶逆变换形式；对修正的互相关函数在方位向(u，v)进行二维傅里叶变换得到目标亮度函数I(n，m)，表示为：

I(n，m)＝∫∫V′(u，v)·exp(-j2πun-j2πvm)dudv。 (16)

其中，根据方向矢量的定义：将得到的目标亮度函数I(n，m)的坐标乘以l即得到空间直角坐标系下的目标亮度，即目标的位置。

本发明还公开了一种综合孔径干涉近场主动源成像装置，包括：

存储器，用于存储指令；以及

处理器，用于根据所述指令，执行如上所述的综合孔径干涉近场主动源成像方法。

在本发明的一个实施例中，提供了一种用于毫米波段雷达系统的综合孔径干涉近场主动源成像方法。该方法包括：设计一个具有单个发射阵元和N_R个接收阵元按照稀疏排布构成的平面SIMO阵列；从按照奈奎斯特采样定律均匀分布的阵列上随机选取单元位置作为接收单元，其最小间隔为d_R，对位于收发阵列平面正前方二维平面散射目标(x，y)进行照射；考虑天线发射信号以及回波信号的传播损耗，由某一发射阵元(x_T，y_T)发射波长为λ的单频信号E_in(x_T，y_T)，某一接收阵元接收目标散射信号E_n(x_n，y_n)；将不同阵列单元接收到的回波信号E_n(x_n，y_n)进行互相关计算，得到互相关函数V(u，v)，其中(u，v)为任意两接收单元间的空间基线矢量在波长域的表示；考虑到近场相位平面为曲面，对互相关函数V(u，v)进行信号的曲率校正，之后对该互相关函数进行二维傅里叶变换得到平面目标的亮度函数。本文提供了一种在毫米波波段，基于主动源和综合孔径的干涉式成像方法，通过构建稀疏的单发多收平面阵列，设计二维综合孔径干涉式近场成像方法，利用快速的二维-FFT方法，实现了高效率、高方位向分辨率的方位向成像方法，在降低系统成本的同时实现了实时高效成像。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

本发明提供了一种用于毫米波段单频雷达系统的综合孔径干涉近场主动源成像方法，旨在稀疏的单发多收平面阵列条件下，利用空间波数域基线矢量的对称性扩大综合孔径保证较高的方位向分辨率，利用快速傅里叶变换关系保证方法的计算效率，从而实现了高分辨率和高时效性的成像方法。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种用于毫米波段单频雷达系统的综合孔径干涉近场主动源成像方法。图1为根据本发明实施例用于毫米波段单频雷达系统的综合孔径干涉近场主动源成像方法的流程图。如图1所示，本实施例用于毫米波段单频雷达系统的综合孔径干涉近场主动源成像方法包括：

步骤A：设计一个含有1个发射单元和N_R个接收阵元构成的二维稀疏SIMO平面阵列；按照奈奎斯特采样定律要求，按照间隔为d_R进行等间隔分布，从该均匀分布的阵列上随机选取单元作为接收单元，组成稀疏的接收阵列；发射单元对位于正前方的二维平面反射目标(x，y)进行照射，多个接收单元同时接收散射回波信号；图2为本发明的SIMO仿真场景图。

步骤B：考虑该稀疏的单发多收平面阵列，发射阵元坐标为(x_T，y_T)，N_R个接收单元为均匀分布阵列上随机选取的单元，坐标为其中n＝1，2，…，N_R；

图3为平面稀疏接收阵列拓扑结构示意图。稀疏接收阵列为均匀分布阵列上的随机位置，其最小接收单元间距为0.5λ，共有接收单元N_R个。

步骤C：反射目标位于z＝l平面，目标点位置为(x，y)，散射目标的反射系数函数为f(x，y)。在某一发射单元(x_T，y_T)的照射下，考虑到传播损耗，其入射波为波长为λ的单频球面波信号E_in(x_T，y_T)，经过平面目标的散射，某一接收阵元接收回波信号其中n＝1，2，…，N_R；

所述步骤C，包括：

在毫米波波段，对所设置的位于xoy平面内的稀疏SIMO平面阵列而言，对位于(x_T，y_T，0)处的发射单元，在近场条件下，考虑到传播损耗造成的幅度项衰减，其发射的电磁波信号可用自由空间中的球面波信号表示，表达式如下：

其中，E₀为球面波的初始幅度，k＝2π/λ表示自由空间中的传播常数，(x，y，z)表示空间内被电磁波照射的任意坐标位置，表示发射单元(x_T，y_T，0)到散射点(x，y，z)的直线传播距离。

对于所设置的位于SIMO阵列正前方、间隔距离为l的二维平面目标而言，目标处的散射点位置坐标表示为(x，y，l)，其对应位置处的反射系数表示为f(x，y，l)。根据玻恩近似，目标散射点处的散射场信号可以表示为入射波信号与散射点反射系数的乘积形式，即：

根据电磁波叠加定理，某一接收阵元接收回波信号可以表示为不同散射点位置(x，y，l)产生的散射波的叠加。在近场条件下，考虑到传播损耗造成的幅度项衰减，散射波信号可用自由空间中的球面波信号表示，则接收单元接收到的散射场信号表示为：

其中，表示散射点(x，y，l)到接收天线(x_R，y_R，0)的直线距离。

步骤D：将不同接收单元接收到的回波信号作互相关处理，两两互相关得到互相关函数V(u，v)，其中(u，v)为任意两接收单元间的空间基线矢量在波长域的表示；

所述步骤D，包括：

将不同接收单元接收到的回波信号作互相关处理，两个任意接收单元位置处的散射场信号表示为：

其中，分别表示散射点(x，y，l)，(x′，y′，l)分别到接收单元的直线传播距离。

将两天线位置处的散射回波信号进行互相关计算，得到互相关函数表示为：

在毫米波波段，利用不同位置处的散射信号为非相关信号的原理，即：

则(6)式可化简为：

代入(2)，并进一步化简可知，

在毫米波波段，上式中的R_T，R₁，R₂项作为幅度衰减项，可用垂直距离l进行近似。同时，对(8)式中的相位变化项R₁，R₂进行泰勒展开，并保留前两项，表示为：

将上述两式代入(8)式中，化简可得如下表达式：

定义空间波数域基线矢量：定义方向矢量：则上式变为：

由(12)式可知，在空间波数域中，在某一固定频率下，互相关函数与接收点坐标、目标散射点坐标的绝对位置无关，只有坐标间相对位置(即基线长度)有关。

步骤E：考虑到近场情况下的传播损耗造成的幅度和相位的衰减，对近场的相位曲面曲率进行校正，得到修正的互相关函数；

所述步骤E，包括：

考虑到近场情况下的传播损耗，会造成幅度项和相位的衰减，另外，近场传播过程中相位面为曲面，必须对近场的相位曲面曲率进行校正。矫正后得到修正的互相关函数的表达式如下：

步骤F：对修正的互相关函数在方位向(u，v)进行二维傅里叶变换得到目标亮度函数I(n，m)，其中(n，m)为定义的目标方向矢量。将(n，m)域的目标亮度函数变换到空间直角坐标系中，即可得到目标所在位置。

所述步骤F，包括：

定义目标的亮度函数I(n，m)，其表达式如下：

I(n，m)＝f(x，y，l)·f^*(x′，y′，l) (14)

根据步骤E可知，修正的互相关函数与目标的亮度函数满足如下关系：

V′(u，v)＝∫∫I(n，m)·exp(j2πun+j2πvm)dndm (15)

由(15)式可知，修正的互相关函数可以表示为目标亮度函数的傅里叶逆变换形式。则，对修正的互相关函数在方位向(u，v)进行二维傅里叶变换得到目标亮度函数I(n，m)，表示为：

I(n，m)＝∫∫V′(u，v)·exp(-j2πun-j2πvm)dudv (16)

根据方向矢量的定义：将得到的目标亮度函数I(n，m)的坐标乘以1即可得到空间直角坐标系下的目标亮度，即目标的位置。

本实施例中，图4给出了SIMO矩形平面阵列方位向成像结果，即目标亮度分布函数I(n，m)的归一化方位向成像结果。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明用于毫米波段单频雷达系统的综合孔径干涉近场主动源成像方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本发明通过建立SIMO平面稀疏阵列，结合后向投影方法与频率-波数域成像方法，设计毫米波频段二维方位向成像方法，利用空间波数域基线矢量的对称性扩大综合孔径保证较高的方位向分辨率，利用快速傅里叶变换关系保证方法的计算效率，从而实现了高分辨率和高时效性的成像方法。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种综合孔径干涉近场主动源成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

A：对散射目标进行照射并接收散射回波信号；

B：将不同接收单元接收到的回波信号作互相关处理，得到互相关函数；

C：对近场的相位曲面曲率进行校正，得到修正的互相关函数；

D：对修正的互相关函数进行傅里叶变换得到目标亮度函数；

E：将目标亮度函数变换到空间直角坐标系中，即得到目标所在位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤A中所述对散射目标进行照射的步骤是通过二维SIMO平面阵列的发射单元对位于正前方的二维平面散射目标进行照射来实现的；而接收散射回波信号的步骤则是通过二维SIMO平面阵列的接收阵列中的多个接收单元同时接收散射回波信号来实现的。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述二维SIMO平面阵列的接收阵列选取的方法包括：按照奈奎斯特采样定律要求，按照间隔为d_R进行等间隔分布，从该均匀分布的阵列上随机选取单元作为接收单元，组成接收阵列。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，

所述接收单元之间的间距大于或等于0.5λ，其中λ为入射波波长。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，

在毫米波波段，对所设置的位于xoy平面内的SIMO平面阵列而言，对位于(x_T，y_T，0)处的发射单元，在近场条件下，考虑到传播损耗造成的幅度项衰减，其发射的电磁波信号可用自由空间中的球面波信号表示，表达式如下：

其中，E₀为球面波的初始幅度，j为虚数单位，k＝2π/λ表示自由空间中的传播常数，λ为入射波波长，(x，y，z)表示空间内被电磁波照射的任意坐标位置，表示发射单元(x_T，y_T，0)到散射点(x，y，z)的直线传播距离；

对于所设置的位于SIMO阵列正前方、间隔距离为l的二维平面目标而言，目标处的散射点位置坐标表示为(x，y，l)，其对应位置处的反射系数表示为f(x，y，l)；根据玻恩近似，目标散射点处的散射场信号表示为入射波信号与散射点反射系数的乘积形式，即：

根据电磁波叠加定理，某一接收阵元接收回波信号表示为不同散射点位置(x，y，l)产生的散射波的叠加；在近场条件下，考虑到传播损耗造成的幅度项衰减，散射波信号用自由空间中的球面波信号表示，则接收单元接收到的散射信号表示为：

其中，表示散射点(x，y，l)到接收天线(x_R，y_R，0)的直线距离。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，

所述步骤B具体包括：

将不同接收单元接收到的回波信号作互相关处理，两个任意接收单元位置处的散射场信号表示为：

其中，分别表示散射点(x，y，l)，(x′，y′，l)分别到接收单元的直线传播距离；

将两接收单元位置处的散射回波信号进行互相关计算，得到互相关函数表示为：

其中，为的复数共轭形式，f^*(x′，y′，l)为f(x′，y′，l)的复数共轭形式；

在毫米波波段，利用不同位置处的散射场信号为非相关信号的原理，即：

(其中(x，y，z)≠(x′，y′，z′))；

则(6)式化简为：

代入(2)式，并进一步化简可知，

在毫米波波段，上式中的R_T，R₁，R₂项作为幅度衰减项，用垂直距离l进行近似；同时，对(8)式中的相位变化项R₁，R₂进行泰勒展开，并保留前两项，表示为：

将上述两式代入(8)式中，化简得如下表达式：

定义空间波数域基线矢量：定义方向矢量：则上式变为：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述步骤E包括：考虑到近场情况下的传播损耗，会造成幅度项和相位的衰减，另外，近场传播过程中相位面为曲面，对近场的相位曲面曲率进行校正；矫正后得到修正的互相关函数的表达式如下：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述步骤F包括：

定义目标的亮度函数I(n，m)，其表达式如下：

I(n，m)＝f(x，y，l)·f^*(x′，y′，l)； (14)

根据步骤E可知，修正的互相关函数与目标的亮度函数满足如下关系：

V′(u，v)＝∫∫I(n，m)·exp(j2πun+j2πvm)dndm； (15)

由(15)式可知，修正的互相关函数表示为目标亮度函数的傅里叶逆变换形式；对修正的互相关函数在方位向(u，v)进行二维傅里叶变换得到目标亮度函数I(n，m)，表示为：

I(n，m)＝∫∫V′(u，v)·exp(-j2πun-j2πvm)dudv。 (16)

9.根据权利要求8所述的成像方法，其特征在于，

根据方向矢量的定义：将得到的目标亮度函数I(n，m)的坐标乘以l即得到空间直角坐标系下的目标亮度，即目标的位置。

10.一种综合孔径干涉近场主动源成像装置，包括：

存储器，用于存储指令；以及

处理器，用于根据所述指令，执行如权利要求1-9任一项所述的综合孔径干涉近场主动源成像方法。