CN112444809B - 一种基于智能反射面的分布式计算成像方法 - Google Patents

一种基于智能反射面的分布式计算成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于智能反射面的分布式计算成像方法。该方法将发射天线、接收天线和智能反射面分布在场景内不同的空间位置，从而构造出四种不同的探测信号传播模型，利用智能反射面的可重构无源元件对探测信号的相位和幅度进行随机调制，实现探测信号的时空不相干性，并将待探测区域细分为网格单元集合，使得每一个网格单元拥有相应的等效散射系数，从而将场景重建过程构造成稀疏恢复问题。本发明相对于传统集中式的计算成像方法相比，能够产生更多的信号传播模式，不需要大量的射频链和复杂的信号调制技术，以较低的硬件成本实现了较高的频谱效率和能量效率，并且可以达到出色的成像性能，最终有效地对目标进行重建。

Description

一种基于智能反射面的分布式计算成像方法
技术领域
本发明涉及通信领域的计算成像和智能反射面技术，具体涉及一种基于智能反射面的分布式计算成像方法。
背景技术
无线通信系统的性能很大程度上与无线信道息息相关，因此信道参数估计是无线通信系统中的一项关键技术。然而，在传统的通信场景中，对于一个相对固定的场景，用户每次通信前都需要重复进行信道估计，从接收数据中将假定的某个信道模型的模型参数估计出来，而场景中固有的环境信息(如场景内的散射体、反射体的空间布局等)却不能充分利用。因此，如果能主动对通信场景进行感知，就可以将信道从统计模型转变成确定性模型。这种确定性建模的思想在下一代无线通信的环境感知和场景重建方面有着重大的意义。
近年来，计算成像技术被广泛的应用于遥感和成像领域。该技术与传统的雷达成像不同，它不需要依赖于目标与发射天线的相对运动，有着较短的成像时间，并且可以突破天线口径带来的分辨率瑞利极限。然而由于现有的计算成像系统都是使用收发一体的天线阵列作为收发机，需要使用大量射频链路、混频器、数模转换器等，系统的硬件成本和功耗非常高；并且需要对每一个发射天线单独进行调制，涉及到非常复杂的信号处理技术；而收发一体式的系统也不利于系统在不同场景不同地形下进行灵活部署。
下一代无线通信系统中，智能反射面作为一项非常具有发展前景的技术，可以实现高频谱效率和高能量效率。智能反射面是由大量无源单元组成的平面阵列，不需要代价高昂的射频链、混频器、模数转换器等硬件。通过控制连接在智能反射面上的控制器，每个反射单元都能够独立地调节其幅度和/或相位特性。此外，智能反射面具有全频段响应，可以工作在sub-6G、毫米波、太赫兹等频段。
当前关于智能反射面的应用研究主要集中在通信领域，即如何利用智能反射面来辅助通信，增加无线通信信道的容量，从而提高无线通信的频谱效率。而在现有的计算成像系统中，实现的做法通常为采用收发天线一体，直接向待探测目标区域发射探测信号。这种情况下，首先需要对天线阵列的发射信号进行随机调制，此时成像分辨率极大的受制于调制技术。而收发一体的收发机发出的探测信号传播的模式也非常单一，只有探测信号发射到待探测区域再反射回来这一种信号传播模式。面对不同通信场景或地形，现有的计算成像系统也无法做到灵活部署，从而影响最终的成像效果。因此，要探索计算成像在场景感知和确定性建模方面的潜力，本专利提出的一种智能反射面的分布式计算成像方法，可以有效解决上述所提到的传统计算成像系统中存在的问题，从而为下一代移动通信系统中新型的环境感知与场景重建技术提供有价值的参考。
发明内容
本发明提出了一种基于智能反射面的分布式计算成像方法，目的在于解决计算成像场景下功耗高，硬件成本高以及复杂信号处理技术复杂的问题，并且有利于系统的灵活部署。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于智能反射面的分布式计算成像方法，包括以下步骤：
(1)发射天线放置在空间向量为
Figure BDA0002747776930000021
的位置，接收天线放置在空间向量为
Figure BDA0002747776930000022
的位置。智能反射面由N个可独立调节的被动无源反射单元组成，第n个智能反射面单元的位置向量为
Figure BDA0002747776930000023
(2)将待成像区域进行空间划分，对于待成像区域，首先将其划分为I个均匀的立方体空间网格，每一个网格单元均拥有其对应的等效散射系数，第i个网格单元的位置向量为
Figure BDA0002747776930000024
(3)发射天线发射的探测信号在空间中传播，并被待成像区域中的待成像目标所构成的散射体或智能反射面反射。信号具有以下不同的传播路径：
(a)发射天线-待探测物体-智能反射面-接收天线
发射天线发射探测信号STx到待成像区域，然后被待成像目标反射之后照射到智能反射面上，最终(a)路径接收机接收信号S'Rx叠加后被接收机接收。
探测信号STx在经过时延
Figure BDA0002747776930000025
之后照射到待成像区域划分出的第i个网格单元，信号经过待成像目标反射之后的信号表示为
Figure BDA0002747776930000026
其中
Figure BDA0002747776930000027
是位于
Figure BDA0002747776930000028
的网格单元的等效散射系数，t表示探测信号的发射时刻，c为电磁波在自由空间中的传播速度。
接下来，探测信号在经过时延
Figure BDA0002747776930000029
之后照射到智能反射面上。对于每一个智能反射面单元，反射信号会被引入对应的相移和幅度衰减，探测信号经过智能反射面反射后的信号表示为
Figure BDA0002747776930000031
其中βn∈[0,1]，表示第n个单元的幅度衰减系数，
Figure BDA0002747776930000032
表示第n个单元的相移，j为虚数符号；
最终，接收信号则是在经过所有智能反射面单元反射后的信号的叠加，对应的时延则是电磁波从智能反射面传播到接收机所经过的时间
Figure BDA0002747776930000033
接收信号表示为
Figure BDA0002747776930000034
(b)发射天线-智能反射面-待探测物体-接收天线
发射天线发射探测信号STx到智能反射面上，然后被智能反射面反射并照射到待探测目标上，
Figure BDA0002747776930000035
为(b)路径探测信号经过待成像目标反射之后的信号，
Figure BDA0002747776930000036
为(b)路径探测信号经过智能反射面反射后的信号，最终(b)路径接收机接收信号S”Rx为待成像区域划分的所有网格反射的信号的叠加。
Figure BDA0002747776930000037
Figure BDA0002747776930000038
Figure BDA0002747776930000039
(c)发射天线-待探测物体-接收天线
探测信号STx在被目标反射后直接由接收机接收，
Figure BDA00027477769300000310
为(c)路径探测信号经过待成像目标反射之后的信号，S”'Rx为(c)路径接收机接收信号：
Figure BDA00027477769300000311
Figure BDA00027477769300000312
将路(a)、(b)、(c)中的公式整合后得到以下表达式：
Figure BDA00027477769300000313
其中，
Figure BDA0002747776930000041
表示发射天线-待探测物体-智能反射面-接收天线的时延,
Figure BDA0002747776930000042
表示发射天线-智能反射面-待探测物体-接收天线的时延,
Figure BDA0002747776930000043
表示发射天线-待探测物体-接收天线的时延。
(4)对接收信号在不同时刻进行总共K次采样，采样时刻为tk,k＝1,…,K。
(5)图像重建。首先将接收信号表示成矩阵形式，
SRx＝S·σ+ω
Figure BDA0002747776930000044
其中，
Figure BDA0002747776930000045
表示第tk时刻照射在第i个网格单元
Figure BDA0002747776930000046
上的参考信号，ωi是第i个网格单元的高斯噪声项。
然后使用稀疏恢复算法求解上述矩阵等式，得到每一个待成像区域网格单元的等效散射系数
Figure BDA00027477769300000411
从而得到待成像区域每个网格单元的散射特性，实现待成像区域的重建和成像。
进一步地，通过控制连接在智能反射面上的控制器，实时调整每个单元的反射系数，从而独立地调整入射信号的幅度和相位变化。
进一步地，智能反射面每个单元的反射系数为对角矩阵
Figure BDA0002747776930000047
的对角元素，智能反射面单元的幅度和相移为有限的离散值，总共b个比特表示q＝2b个量化值。因此离散的相移可以表示为
Figure BDA0002747776930000048
其中离散相位步长
Figure BDA0002747776930000049
离散的幅度可以表示为βn＝{0,Δβ,2Δβ,…,(q-1)Δβ},其中离散幅度步长Δβ＝1/q。
进一步地，发送天线发送经过随机调制的探测信号STx(t)，其中t表示探测信号的发射时刻,A(t),M,rect(),Tp,fc,fm分别是探测信号的幅值，探测信号的脉冲数，矩形窗函数，探测信号的脉冲宽度，探测信号的载频，探测信号的跳频间隔。
Figure BDA00027477769300000410
本发明的有益效果：本发明提出的基于智能反射面的分布式计算成像方法，与现有的传统计算成像系统相比，不需要大量射频链路、混频器、数模转换器等，降低了系统的硬件成本和功耗；并且相对于传统计算成像系统中对每一个天线单独进行调制，本发明不需要复杂的信号处理技术；由收发一体式的系统转变成发射天线、接收天线和智能反射面分布式系统也有利于系统在不同场景下部署的灵活性。本发明提出的方法可以达到出色的成像性能并有效地重建目标，对下一代通信系统的成像技术和通信场景确定性建模有重要参考意义。
附图说明
图1是本发明提出的基于智能反射面的分布式计算成像方法的探测信号传播模式示意图；
图2是本发明提出的方法中成像区域网格划分示意图；
图3是在不同稀疏恢复算法下成像结果均方误差随载频数量的变化曲线；
图4是在不同稀疏恢复算法下成像结果均方误差随采样数的变化曲线；
图5是在不同稀疏恢复算法下成像结果均方误差随信噪比大小的变化曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于智能反射面的分布式计算成像方法，包括分布式计算成像系统，由一根发射天线，一根接收天线和智能反射面组成，放置在待探测的目标之前。发射天线放置在空间向量为
Figure BDA0002747776930000051
的位置，接收天线放置在空间向量为
Figure BDA0002747776930000052
的位置。智能反射面由4×4个可独立调节的被动无源反射单元组成，第n个智能反射面单元的位置向量为
Figure BDA0002747776930000053
通过控制连接在智能反射面上的控制器，实时调整每个单元的反射系数，从而独立地调整入射信号的幅度和相位变化。
Figure BDA0002747776930000054
是第n个单元的反射系数，其中βn∈[0,1]表示第n个单元的幅度衰减系数，
Figure BDA0002747776930000055
表示第n个单元的相移。智能反射面单元的幅度和相移为有限的离散值，总共2个比特表示q＝4个量化值。因此离散的相移可以表示为
Figure BDA0002747776930000056
其中离散相位步长
Figure BDA0002747776930000057
离散的幅度可以表示为βn＝{0,Δβ,2Δβ,3Δβ},其中离散幅度步长Δβ＝1/4。
本发明提出的基于智能反射面的分布式计算成像方法，具体包括以下步骤：
(1)将待成像区域进行空间划分。首先将其划分为8个均匀的立方体空间网格，对于每个立方体网格，进一步将其划分为8个更小的立方体网格，总共划分2次。最终待成像区域如图2所示，被划分成I＝64个网格单元，每一个网格单元均拥有其对应的等效散射系数，第i个网格的位置向量为
Figure BDA0002747776930000058
Figure BDA0002747776930000059
是位于
Figure BDA00027477769300000510
的网格空间的等效散射系数。
(2)发送天线发送经过随机调制的探测信号STx(t)，其中t表示探测信号的发射时刻t,探测信号的幅值A(t)＝1，探测信号的脉冲数M＝8，探测信号的脉冲宽度Tp＝5μs，探测信号的跳频间隔fm＝{-1GHz,-800MHz,-600MHz,…,600MHz,800MHz,1GHz}，探测信号的中心频率fc＝29GHz。图3是在不同稀疏恢复算法下成像结果均方误差随载频数量的变化曲线，载频数目的增加可以降低成像结果均方误差。
Figure BDA0002747776930000061
(3)发射天线发射的探测信号在空间中传播，并被待成像区域中的待成像目标所构成的散射体或智能反射面反射。信号具有以下不同的传播路径：
(a)发射天线-待探测物体-智能反射面-接收天线
发射天线发射探测信号STx到待成像区域，然后被待成像目标反射之后照射到智能反射面上，最终(a)路径接收机接收信号S'Rx叠加后被接收机接收。
探测信号STx在经过时延
Figure BDA0002747776930000062
之后照射到待成像区域划分出的第i个网格单元，信号经过待成像目标反射之后的信号表示为
Figure BDA0002747776930000063
其中
Figure BDA0002747776930000064
是位于
Figure BDA0002747776930000065
的网格单元的等效散射系数，t表示探测信号的发射时刻，c为电磁波在自由空间中的传播速度。
接下来，探测信号在经过时延
Figure BDA0002747776930000066
之后照射到智能反射面上。对于每一个智能反射面单元，反射信号会被引入对应的相移和幅度衰减，探测信号经过智能反射面反射后的信号表示为
Figure BDA0002747776930000067
其中βn∈[0,1]，表示第n个单元的幅度衰减系数，
Figure BDA0002747776930000068
表示第n个单元的相移，j为虚数符号；
最终，接收信号则是在经过所有智能反射面单元反射后的信号的叠加，对应的时延则是电磁波从智能反射面传播到接收机所经过的时间
Figure BDA0002747776930000069
接收信号表示为
Figure BDA00027477769300000610
(b)发射天线-智能反射面-待探测物体-接收天线
发射天线发射探测信号STx到智能反射面上，然后被智能反射面反射并照射到待探测目标上，
Figure BDA0002747776930000071
为(b)路径探测信号经过待成像目标反射之后的信号，
Figure BDA0002747776930000072
为(b)路径探测信号经过智能反射面反射后的信号，最终(b)路径接收机接收信号S”Rx为待成像区域划分的所有网格反射的信号的叠加。
Figure BDA0002747776930000073
Figure BDA0002747776930000074
Figure BDA0002747776930000075
(c)发射天线-待探测物体-接收天线
探测信号STx在被目标反射后直接由接收机接收，
Figure BDA0002747776930000076
为(c)路径探测信号经过待成像目标反射之后的信号，S”'Rx为(c)路径接收机接收信号：
Figure BDA0002747776930000077
Figure BDA0002747776930000078
(d)发射天线-智能反射面-接收天线
探测信号STx照射在智能反射面后直接被接收机接收，该过程中没有经过目标物体的反射，(d)路径接收机接收信号为S””Rx，
Figure BDA0002747776930000079
为(d)路径探测信号经过智能反射面反射后的信号。
Figure BDA00027477769300000710
Figure BDA00027477769300000711
(4)滤除第四条传播路径，即发射天线-智能反射面-接收天线的信号。由于该情况下所接收的信号不包含关于待检测物体的任何信息，因此应当从所接收的信号中去除。控制天线与智能反射面之间的距离小于天线与目标之间的距离，从发射天线到智能反射面到接收天线的信号传播时间小于从发射天线到目标再到接收天线的传播时间，从而根据接收信号的时延滤除该条路径上的信号。
(5)接收天线对待探测空间中反射回来的信号进行接收。接收信号可以表示为下式，
Figure BDA0002747776930000081
其中，
Figure BDA0002747776930000082
表示发射天线-待探测物体-智能反射面-接收天线的时延,
Figure BDA0002747776930000083
表示发射天线-智能反射面-待探测物体-接收天线的时延,
Figure BDA0002747776930000084
表示发射天线-待探测物体-接收天线的时延。
(6)对接收信号在不同时刻进行总共K＝200次采样，采样时刻为tk,k＝1,…,K。图4是在不同稀疏恢复算法下成像结果均方误差随采样数的变化曲线，采样数越高，相应的成像结果均方误差越低；
(7)图像重建。首先将接收信号表示成矩阵形式，
SRx＝S·σ+ω
Figure BDA0002747776930000085
其中，
Figure BDA0002747776930000086
表示第k时刻照射在网格单元
Figure BDA0002747776930000087
上的参考信号，ω则是高斯噪声项。图5是在不同稀疏恢复算法下成像结果均方误差随信噪比大小的变化曲线，信噪比越高，成像结果均方误差越低。
进一步地，使用稀疏恢复算法求解上述矩阵等式，得到每一个待成像区域网格单元的等效散射系数
Figure BDA0002747776930000088
从而得到待成像区域每个网格空间的散射特性，最终根据每个位置的散射特性恢复出完整的散射特性，实现待成像区域的重建和成像。
以上实施例用于理解本发明的方法和核心思想,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,进行任何可能的变化或替换,均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于智能反射面的分布式计算成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)发射天线放置在空间向量为
Figure FDA0003981618430000011
的位置，接收天线放置在空间向量为
Figure FDA0003981618430000012
的位置；智能反射面由N个可独立调节的被动无源反射单元组成，第n个智能反射面单元的位置向量为
Figure FDA0003981618430000013
(2)将待成像区域进行空间划分，对于待成像区域，首先将其划分为I个均匀的立方体空间网格，每一个网格单元均拥有其对应的等效散射系数，第i个网格单元的位置向量为
Figure FDA0003981618430000014
(3)发射天线发射的探测信号在空间中传播，并被待成像区域中的待成像目标所构成的散射体或智能反射面反射；信号具有以下不同的传播路径：
(a)发射天线-待探测物体-智能反射面-接收天线
发射天线发射探测信号STx到待成像区域，然后被待成像目标反射之后照射到智能反射面上，最终(a)路径接收机接收信号S'Rx在叠加后被接收机接收；
探测信号STx在经过时延
Figure FDA0003981618430000015
之后照射到待成像区域划分出的第i个网格单元，信号经过待成像目标反射之后的信号表示为
Figure FDA0003981618430000016
其中
Figure FDA0003981618430000017
是位于
Figure FDA0003981618430000018
的网格单元的等效散射系数，t表示探测信号的发射时刻，c为电磁波在自由空间中的传播速度；
接下来，探测信号在经过时延
Figure FDA0003981618430000019
之后照射到智能反射面上；对于每一个智能反射面单元，反射信号会被引入对应的相移和幅度衰减，探测信号经过智能反射面反射后的信号表示为
Figure FDA00039816184300000110
其中βn∈[0,1]，表示第n个单元的幅度衰减系数，
Figure FDA00039816184300000111
表示第n个单元的相移，j为虚数符号；
最终，接收信号则是在经过所有智能反射面单元反射后的信号的叠加，对应的时延则是电磁波从智能反射面传播到接收机所经过的时间
Figure FDA00039816184300000112
接收信号表示为
Figure FDA0003981618430000021
(b)发射天线-智能反射面-待探测物体-接收天线
发射天线发射探测信号STx到智能反射面上，然后被智能反射面反射并照射到待探测目标上，
Figure FDA0003981618430000022
为(b)路径探测信号经过待成像目标反射之后的信号，
Figure FDA0003981618430000023
为(b)路径探测信号经过智能反射面反射后的信号，最终(b)路径接收机接收信号S”Rx为待成像区域划分的所有网格反射的信号的叠加；
Figure FDA0003981618430000024
Figure FDA0003981618430000025
Figure FDA0003981618430000026
(c)发射天线-待探测物体-接收天线
探测信号STx在被目标反射后直接由接收机接收，
Figure FDA0003981618430000027
为(c)路径探测信号经过待成像目标反射之后的信号，S”’Rx为(c)路径接收机接收信号：
Figure FDA0003981618430000028
Figure FDA0003981618430000029
将路(a)、(b)、(c)中的公式整合后得到以下表达式：
Figure FDA00039816184300000210
其中，
Figure FDA00039816184300000211
表示发射天线-待探测物体-智能反射面-接收天线的时延,
Figure FDA00039816184300000212
表示发射天线-智能反射面-待探测物体-接收天线的时延,
Figure FDA00039816184300000213
表示发射天线-待探测物体-接收天线的时延；
(4)对接收信号在不同时刻进行总共K次采样，采样时刻为tk,k＝1,…,K；
(5)图像重建；首先将接收信号表示成矩阵形式，
SRx＝S·σ+ω
Figure FDA0003981618430000031
其中，
Figure FDA0003981618430000032
表示第tk时刻照射在第i个网格单元
Figure FDA0003981618430000033
上的参考信号，ωi是第i个网格单元的高斯噪声项；
然后使用稀疏恢复算法求解上述矩阵等式，得到每一个待成像区域网格单元的等效散射系数
Figure FDA0003981618430000034
从而得到待成像区域每个网格单元的散射特性，实现待成像区域的重建和成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面的分布式计算成像方法，其特征在于，通过控制连接在智能反射面上的控制器，实时调整每个单元的反射系数，从而独立地调整入射信号的幅度和相位变化。
3.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面的分布式计算成像方法，其特征在于，智能反射面每个单元的反射系数为对角矩阵
Figure FDA0003981618430000035
的对角元素，智能反射面单元的幅度和相移为有限的离散值，总共b个比特表示q＝2b个量化值；因此离散的相移表示为
Figure FDA0003981618430000036
其中离散相位步长
Figure FDA0003981618430000037
离散的幅度表示为βn＝{0,Δβ,2Δβ,…,(q-1)Δβ},其中离散幅度步长Δβ＝1/q。
4.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面的分布式计算成像方法，其特征在于，发送天线发送经过随机调制的探测信号STx(t)，其中t表示探测信号的发射时刻,A(t),M,rect(),Tp,fc,fm分别是探测信号的幅值，探测信号的脉冲数，矩形窗函数，探测信号的脉冲宽度，探测信号的载频，探测信号的跳频间隔；
Figure FDA0003981618430000038
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