CN113109811B - 一种基于可编程超表面的二相编码一维距离成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可编程超表面的二相编码一维距离成像方法，其中超表面为透射式超表面，该超表面由大量亚波长二进制可重构单元构成。通过对这些二进制单元进行编程，该超表面可利用不同的数字辐射相位实现将喇叭天线辐射出的波束转至特定方向，同时可通过编程改变远区场辐射相位，实现二相码的生成，借助遗传算法来帮助选取一定长度下最佳的二相编码。应用二进制可编程超表面和遗传算法得出的二相码生成一维距离像，具有在生成二相编码信号方面机制更简单和在实现成像中拥有良好性能的优点。

Description

一种基于可编程超表面的二相编码一维距离成像方法

技术领域

本发明属于雷达成像领域，尤其涉及一种基于可编程超表面的二相编码一维距离成像方法。

背景技术

作为现代雷达技术的重要组成部分，雷达目标识别技术已经取得长足进展。其中，一维距离成像的目标识别技术引发了越来越多的关注。由于其获取方式简单且在实时成像中拥有良好的性能，一维距离成像在工程实践中已成为最可靠的雷达目标识别技术。目前生成一维距离像最常用的信号为线性调频脉冲信号，因为其拥有完善的理论体系，更加容易实现。但是其距离旁瓣较高，不利于提取目标散射点的距离特性。因此相位编码信号由于其脉冲压缩的优秀性能开始引起研究者的关注，这其中二相编码信号最为常见，虽然现在有许多性能优秀的二相码，例如m序列码、Barker码等，它们仍然受到长度的限制。此外，现代无线电子系统对于数据实时处理能力要求日益增长，在硬件方面也给了天线很多压力。所以天线与传统相控阵列相比，必须具备低成本和低复杂度两大特性。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于可编程超表面的二相编码一维距离成像方法,以解决现有信号距离旁瓣高，不利于提取目标散射点的距离特性和的复杂度高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体技术方案如下：

一种基于可编程超表面的二相编码一维距离成像方法，包括以下步骤：

步骤1、通过控制可编程超表面的单元状态实现不同的数字辐射相位，进而将喇叭天线辐射出的波束转至指定方向，记为u₀，同时通过编程改变远区场辐射相位，实现二相编码的生成，从而获取信息；

步骤2、使用遗传算法来选取二相编码；

步骤3、在可编程超表面上获取数字编码模式；

步骤4、通过在相同远区场模式中引入复数加权因子e^jπ，得到另外一个数字编码模式，两种数字编码产生的波束指向相同方向，但拥有180°的相位差，通过遗传算法选取的二相码切换两种编码模式，接收机在不同时间段接收到相位差为180°的两种信号，因此二相编码信号通过切换上述两种数字编码进行发射。

进一步的，步骤1中生成二相编码包括以下步骤：

发射信号s_t(t)表示为如下式子：

其中，a(t)和分别为发射信号的幅度和相位，f_c为载频，对于二相编码信号，/>只包含两种不同的值：0和π；

u(t)为s_t(t)的复包络，即：

其中，

其中N和τ₀分别为编码长度和单个编码的时宽，将等式(3)以及的值代入等式(2)，得到的u(t)表达式如下：

其中c_k只有1和-1两种不同取值，对应相位为0和π，rect表示矩形窗函数；

U(f)为u(t)的傅里叶变换，即表达式为：

因此，s_t(t)的傅里叶变换S_t(f)为：

S_t(f)＝U(f-f_c) (6)

得到接收信号s_r(t)及其傅里叶变换形式S_r(f)，如下所示：

S_r(f)＝S_t(f)exp(-j2πfτ) (8)

其中τ为发射到接收的时延，j为虚数表示，t为时间；

经过匹配滤波和傅里叶逆变换后，提取到如下所示的信号：

从中读取其包含的散射点的距离信息。

进一步的，步骤1中辐射出的波束转至u₀方向包括以下步骤：

当超表面上的单元对馈源照射误差进行相位补偿后，等相位面应与u₀方向垂直，超表面上每个单元都在馈源的远区场范围内，中心为O点，相位为0，则对于任意的点P(m,n)，其相位可表示为：

其中k为传播常数，R_i和R_o分别为P点和原点到馈源的距离，为P点的位置矢量，即从O点指向P点的矢量，/>为P点的理论相位，在二进制可编程超表面上，该相位必须根据就近原则量化为0或π。

进一步的，步骤2包括如下步骤：

目标的距离像模式为F_target(d)，它满足在目标点对应的距离上归一化幅度趋近于1，在其他点上趋近于0；

获得的距离像模式为F(d)，则其适应度函数为：

cost＝∑∑(F(d)-F_target(d))² (11)

根据其适应度函数来选取一定长度情况下性能最佳的二相编码。

进一步的，步骤3包括如下步骤：

可编程超表面的远区场写为孔径场写为AF(m,n,k)；其中，θ表示远区场的俯仰角，/>表示远区场的方位角，m表示数字单元的行，n表示数字单元的列，k表示离散的时间间隔；超表面的孔径场AF(m,n,k)通过其远区场/>的傅里叶变换获得，将远区场/>的傅里叶变换表示为/>即AF(m,n,k)可从/>获得，从而可得到数字编码模式。

本发明具有以下优点：二相编码由可编程超表面切换状态生成，使在生成二相编码信号方面机制更简单；使用遗传算法来选取一定长度下最佳的二相编码，在实现成像中拥有良好的性能。

附图说明

图1为本发明的基于二进制可编程超表面的目标探测系统示意图；

图2为本发明的幅度比1:1情况下生成的一维距离像；

图3为本发明的幅度比5:4情况下生成的一维距离像；

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。

本发明公开了一种基于可编程超表面的二相编码一维距离成像方法，其中，超表面为透射式超表面，该超表面由大量亚波长二进制可重构单元构成。通过控制可编程超表面的单元状态实现不同的数字辐射相位，进而将喇叭天线辐射出的波束转至指定方向，记为u₀，同时可通过编程改变远区场辐射相位，实现二相码的生成，从而获取不同的信息。

一般的发射信号s_t(t)可以表示为如下式子：

其中，a(t)和分别为发射信号的幅度和相位，f_c为载频。对于二相编码信号，/>只包含两种不同的值：0和π。假设u(t)为s_t(t)的复包络，即：

其中，

其中N和τ₀分别为编码长度和单个编码的时宽。将等式(3)以及的值代入等式(2)，得到的u(t)表达式如下：

其中c_k只有-1和1两种不同取值，对应相位为0和π，rect表示矩形窗函数。假设U(f)为u(t)的傅里叶变换，即表达式为：

因此，s_t(t)的傅里叶变换S_t(f)为：

S_t(f)＝U(f-f_c) (6)

然后，我们可以得到接收信号s_r(t)及其傅里叶变换形式S_r(f)，如下所示：

S_r(f)＝S_t(f)exp(-j2πfτ) (8)

其中τ为发射到接收的时延，j为虚数表示，t为时间；

经过匹配滤波和傅里叶逆变换IFFT后，我们可以提取到如下所示的信号：

从中我们可以读取其包含的散射点的距离信息。

将可编程超表面的远区场和孔径场分别写为和AF(m,n,k)。其中，θ和分别表示远区场的俯仰角和方位角，m和n分别表示数字单元的行和列，k表示离散的时间间隔。则超表面的孔径场AF(m,n,k)可以通过其远区场/>的傅里叶变换获得，即AF(m,n,k)可从/>获得，从而可得到数字编码模式。此外，通过在相同远区场模式中引入复数加权因子e^jπ，可从/>得到另外一个数字编码模式。这两种数字编码产生相同的远区场模式，但拥有180°的相位差。通过遗传算法选取的二相码切换两种编码模式，接收机在不同时间段可以接收到相位差为180°的两种信号。因此二相编码信号可以通过切换上述两种数字编码进行发射。

如图1所示，建立了基于二进制可编程超表面的目标探测系统，包括喇叭天线、二进制可编程超表面以及目标模型，其中前两者构成了发射天线。为了将波束集中至u₀方向，当超表面上的单元对馈源照射误差进行相位补偿后，等相位面应与u₀方向垂直。假设超表面上每个单元都在馈源的远区场范围内，中心为O点，相位为0，则对于任意的点P(m,n)，其相位可表示为：

其中k为传播常数，R_i和R_o分别为P点和原点到馈源的距离，为P点的位置矢量，为P点的理论相位。在二进制可编程超表面上，该相位必须根据就近原则量化为0或π。

上述过程给出了生成一维距离像的基本过程，然而并非所有的二相编码都能够满足低副瓣的条件，低副瓣对于抗干扰能力来说尤为关键，因此借助遗传算法来帮助选取一定长度下最佳的二相编码。目标的距离像模式为F_target(d)，它满足：在目标点对应的距离上归一化幅度趋近于1，在其他点上趋近于0。假设获得的距离像模式为F(d)，则其适应度函数为：

cost＝∑∑(F(d)-F_target(d))² (11)

下面对二相编码信号在生成一维距离像方面分析实验分析：

可编程超表面中包含400个单元，单元可以同时进行独立的配置。此处超表面工作于Ka波段，将波束指向设置为这个方向上两种不同的数字编码，二者相位差为π。为了方便，将相位“0”编码方案记为编码“0”，相位“1”编码方案记为编码“1”。在方向上，二者的幅度相同，但是相位相差π。

在仿真实验中，设置如下参数：

1、信号长度n＝300；

2、信号符号宽度N＝20；

3、比特率为10⁸bit/s；

4、探测距离为50m

假设在距离超表面2m、5m、8m处分别存在1个目标，即存在3个目标，反射系数归一化为1。图2展示了当编码“0”和编码“1”的幅度比为1:1时，在应用遗传算法的情况下的一维距离像，其最大副瓣为-12.66dB，这意味着所得到的二相编码信号在生成一维距离像方面有良好的性能。

考虑到实际情况下编码“0”和编码“1”的幅度不一定一致，因此多加一组仿真实验，该实验设置编码“0”和编码“1”的幅度比为1.25:1，相应的一维距离像如图3所示，从中可看出最大副瓣为-13.32dB，这意味着所选择的二相编码信号在生成一维距离像方面仍然有良好的性能。

本发明由二相编码由可编程超表面切换状态生成，与传统阵列天线相比，基于可编程超表面的实现方式在生成二相编码信号方面机制更简单。而且本发明使用遗传算法来选取一定长度下最佳的二相编码，在实现成像中拥有良好的性能。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (1)

1.一种基于可编程超表面的二相编码一维距离成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过控制可编程超表面的单元状态实现不同的数字辐射相位，进而将喇叭天线辐射出的波束转至指定方向，记为u₀，同时通过编程改变远区场辐射相位，实现二相编码的生成，从而获取信息；

步骤2、使用遗传算法来选取二相编码；

步骤3、在可编程超表面上获取数字编码模式；

步骤4、通过在相同远区场模式中引入复数加权因子e^jπ，得到另外一个数字编码模式，两种数字编码产生的波束指向相同方向，但拥有180°的相位差，通过遗传算法选取的二相码切换两种编码模式，接收机在不同时间段接收到相位差为180°的两种信号，因此二相编码信号通过切换上述两种数字编码进行发射；

所述步骤1中生成二相编码包括以下步骤：

发射信号s_t(t)表示为如下式子：

其中，a(t)和分别为发射信号的幅度和相位，j为虚数表示，f_c为载频，t为时间，对于二相编码信号，/>只包含两种不同的值：0和π；

u(t)为s_t(t)的复包络，即：

其中，

其中N和τ₀分别为编码长度和单个编码的时宽，将等式(3)以及的值代入等式(2)，得到的u(t)表达式如下：

其中c_k只有1和-1两种不同取值，对应相位为0和π，rect表示矩形窗函数，k为0到N-1的累加表示；

U(f)为u(t)的傅里叶变换，即表达式为：

因此，s_t(t)的傅里叶变换S_t(f)为：

S_t(f)＝U(f-f_c) (6)

得到接收信号s_r(t)及其傅里叶变换形式S_r(f)，如下所示：

S_r(f)＝S_t(f)exp(-j2πfτ) (8)

其中τ为发射到接收的时延，j为虚数表示，t为时间；

经过匹配滤波和傅里叶逆变换IFFT后，提取到如下所示的信号：

从中读取其包含的散射点的距离信息；

所述步骤1中辐射出的波束转至u₀方向包括以下步骤：

当超表面上的单元对馈源照射误差进行相位补偿后，等相位面应与u₀方向垂直，超表面上每个单元都在馈源的远区场范围内，中心为O点，相位为0，则对于任意的点P(m,n)，其相位可表示为：

其中k为传播常数，R_i和R_o分别为P点和原点到馈源的距离，为P点的位置矢量，即从O点指向P点的矢量，/>为P点的理论相位，在二进制可编程超表面上，该相位必须根据就近原则量化为0或π；

所述步骤2包括如下步骤：

目标的距离像模式为F_target(d)，它满足在目标点对应的距离上归一化幅度趋近于1，在其他点上趋近于0；

获得的距离像模式为F(d)，则其适应度函数为：

cost＝∑∑(F(d)-F_target(d))² (11)

根据其适应度函数来选取二相编码；

所述步骤3包括如下步骤：

可编程超表面的远区场写为孔径场写为AF(m,n,k)；其中，θ表示远区场的俯仰角，/>表示远区场的方位角，m表示数字单元的行，n表示数字单元的列，k表示离散的时间间隔；超表面的孔径场AF(m,n,k)通过其远区场/>的傅里叶变换获得，将远区场/>的傅里叶变换表示为/>即AF(m,n,k)可从/>获得，从而可得到数字编码模式。