CN113820711B

CN113820711B - 阵列快速成像方法及其应用

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Publication number: CN113820711B
Application number: CN202111181177.2A
Authority: CN
Inventors: 张继龙; 张鑫; 张继康; 张艺恒; 宋雨花; 俞晓琳
Original assignee: Suzhou Weimo Electronic Information Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Weimo Electronic Information Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-13
Filing date: 2021-10-11
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2041-10-11
Also published as: CN113820711A; CN112612024A

Abstract

本发明涉及光学成像、微波成像、雷达探测、无线通信、声呐、超声成像以及基于声、光、电等媒介的目标探测与成像识别技术领域，具体涉及一种阵列快速成像方法及其在上述各领域中的应用。本发明方法基于透镜成像原理，结合电磁场理论，根据天线阵列接收到的目标信号，通过单元信号的幅度、相位加权，采用高效并行算法，获得目标对应的像场分布。本发明方法能够实现宽视角、实时、多目标高效成像与探测，是低成本、高实时性、高精度的探测与成像识别技术。可广泛应用于光学成像、微波成像、雷达探测、声呐、超声成像以及声、光、电等为媒介的目标探测、成像识别、无线通信领域。

Description

阵列快速成像方法及其应用

技术领域

本发明涉及光学成像、微波成像、雷达探测、声呐、超声成像以及基于声、光、电等媒介的目标探测、成像识别、无线通信技术领域，具体涉及一种阵列快速成像方法及其在上述各领域中的应用。

背景技术

在微波成像领域，现有的技术类型主要分为以下四类：

第一类以传统雷达技术为代表，探测设备通过大孔径阵列形成极窄的探测波束，用多个波位去覆盖所需要探测的空间区域，从而获得目标的像。主要缺点是需要大孔径阵列，所需成像时间较长，并且成本较高。而采用数字波束合成技术(Digital Beam Forming，DBF)进行成像，通常合成的波束数量有限，合成的波束越多，则对硬件计算资源的要求越高。并且此类技术对近场目标成像时效果变差，会导致成像模糊和失真。

第二类以现代雷达技术为代表，合成孔径(Synthetic Aperture Radar，SAR)和逆合成孔径(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)是两种主要形式，通过单个天线或一维阵列的运动，形成等效的大孔径阵列，通过对不同位置的接收信号的综合分析获得目标的像。存在的主要缺点是需要目标与阵列单元之间存在不同的相对运动，所需成像时间较长，算法极其复杂，运动补偿较困难。

第三类以焦平面成像技术为代表，主要通过微波透镜或微波阵列透镜在焦平面上形成目标的像，然后用精密的传感器在焦平面处提取目标的成像信息。存在的主要缺点是成像效果不理想，成像分辨率较低，高精度传感器研制难度大。

第四类以近场微波全息成像技术为代表，其采用类似于激光全息成像的技术，通过参考照射源获取目标全息信息，通过三维空间谱获得目标的像。存在的主要缺点是成像时间较长，算法复杂，硬件成本高。并且此类技术仅对近场目标成像有效，对远距离目标探测和成像无效。

综上所述，成像领域，现有技术在成本和普适性等方面存在不足，需要开发低成本、高实时性、高精度的探测与成像识别技术。

发明内容

为了克服传统成像技术存在的上述缺陷和不足，本发明提供了一套解决方案。

如附图1所示，建立成像系统的坐标系，其中：P为目标，Q为目标的像，天线阵列位于z＝0的平面上，X表示收发天线单元。阵列单元接收目标回波信号，对此回波信号进行成像处理即可获得目标的像。

信号经过单程R1、R2传播时引入的传播相移为：

其中对成像聚焦有用的部分为：

其中，φ₁为散射源P到阵列单元的传播相移，φ₂为阵列单元到像点Q的传播相移，

为波数，U为物距，V为像距；(ζ，ξ)为目标坐标，(x，y)为阵列单元坐标，(δ，σ)为像点坐标。

将天线阵列等效为焦距为F的透镜，则透镜单元的有效相移为：

其中，φ_L为阵列单元的透镜相移，F为焦距。

天线单元收到目标回波信号后，以球面波的形式进行二次散射。则目标回波信号经过不同的传输路径R₁、R₂和透镜移相后到达像平面处的场强为：

其中，

为像场分布，

为目标反射信号。代入φ₁、φ₂、φ_L的表达式整理后得：

其中，

当满足成像条件时：

此时有Ψ₁＝0，令

整理得：

对于理想矩形透镜阵面：

代入上式进行定积分得：

其中Sinc表示辛克函数，当阵列口径较大时，此函数表现出冲激函数的特性，可以看出，此时像场分布与目标之间存在良好的线性映射关系。

对于实际的离散阵列成像系统，假设收发天线单元接收到的目标发射信号为E，成像时则需要对阵列接收到的目标回波信号作如下处理：

其中，

为阵列单元接收到的场，A_mn为阵列单元的幅度加权系数。将上式展开并整理后得：

其中，

当满足成像条件时：

此时有ψ₁＝0。

令x_m＝x₀+mΔ_x，y_n＝y₀+nΔ_y，m、n分别为阵列单元x方向与y方向的序号，Δ_x、Δ_y分别为x方向、y方向的阵列单元间距，(x₀,y₀)为阵列起始单元坐标。带入上式化简整理得：

其中，

上式右边的系数满足

反映了像场的空间波动特性，对成像基本无影响，可忽略。求和运算可用二维IFFT进行快速求解，则像场计算公式为：

其中，IFFT表示二维快速傅里叶逆变换。IFFT计算结果对应的ω_δ、ω_σ取值范围为：ω_δ∈[0，2π]、ω_σ∈[0，2π]，进行fftshift运算后将ω_δ、ω_σ取值范围变换为：ω_δ∈[-π，π]、ω_σ∈[-π，π]，此时的像才是符合实际分布的像，并且与源场之间具有良好的线性映射关系。

结合阵列天线理论可知，上述成像计算公式与阵列天线远场方向图计算公式具有相似的形式，因而可用阵列天线理论对像场坐标进行修正：ω_δ＝kΔ_x sinθ_δ、ω_σ＝kΔ_y sinθ_σ，符号sin表示正弦函数。方向图无栅瓣条件为：

此时不会出现成像混叠现象。

最后，采用阵列天线理论对像点扫描角坐标进行修正：

其中，符号sin^-1表示反正弦函数。

在上述认识的基础上，本发明提供了一种阵列快速成像方法，该方法基于透镜成像原理，结合电磁场理论，根据天线阵列接收到的目标信号，通过单元信号的幅度、相位加权，采用高效并行算法，获得目标对应的像场分布。

进一步地，该方法中所述通过单元信号的幅度、相位加权，采用高效并行算法，获得目标对应的像场分布，其具体算法如下：

其中：j为虚数单位，e为欧拉常数，

为像场分布，

为阵列单元接收到的目标信号，A_mn为阵列单元幅度加权系数，φF_mn为聚焦相位加权系数，φS_mn为扫描相位加权系数，M为x方向的阵列单元数量，N为y方向的阵列单元数量，(x_m，y_n)为阵列单元的坐标，(δ，σ)为像点的坐标，V为像距，即成像平面到阵列平面的距离，m、n分别为阵列单元x方向与y方向的序号，

为波数，λ为波长，符号∑代表求和运算。

在大角度成像条件下，上述成像公式的像场坐标会出现较大误差，需要进行修正。对于均匀离散阵列，高精度像场计算公式为：

其中，ω_δ＝kΔ_x sinθ_δ、ω_σ＝kΔ_y sinθ_σ，Δ_x为x方向阵列单元间距，Δ_y为y方向阵列单元间距，θ_δ、θ_σ分别为像点相对阵列中心的扫描角坐标。

具体而言，本发明阵列快速成像方法包括下述步骤：

步骤一：对阵列单元信号进行幅度加权以降低副瓣电平；

步骤二：对阵列单元信号进行扫描相位加权以调整成像系统中心视角方向；

步骤三：对阵列单元信号进行聚焦相位加权以实现成像聚焦；

步骤四：采用高效并行算法，对阵列单元的信号进行快速成像处理；

步骤五：解算像场坐标，对像场进行坐标反演获得真实目标的位置。

进一步地，本发明方法步骤一中所述幅度加权的方法包括但不限于均匀分布、余弦加权、汉明窗、Taylor分布、切比雪夫分布及混合加权方法。

进一步地，本发明方法步骤二中所述扫描相位加权调整成像系统中心视角方向，其扫描相位加权的相位计算公式为：

其中：

分别为x、y方向的阵列相邻单元之间的相位差，其计算公式分别为：

其中：Δ_x、Δ_y分别为x方向、y方向的阵列单元间距，θ_ζ、θ_ξ为中心视角方向指向源坐标(ζ，ξ)时的x、y方向的扫描角坐标，其计算公式分别为：

其中：U为物距，即目标所在平面到阵列平面的距离。

进一步地，本发明方法步骤三中包括：利用聚焦相位加权方法，对阵列单元信号进行聚焦相位加权以实现成像聚焦，其中：

自动对焦相位加权的聚焦相位计算公式为：

变焦或定焦相位加权的聚焦相位计算公式为：

其中，F为焦距，且F＜U、F＜V。

进一步地，本发明方法步骤四中包括：采用高效并行算法，对阵列单元的幅度、相位加权后的信号进行快速成像处理；所述高效并行算法包含但不限于二维或三维FFT、IFFT、非均匀FFT、稀疏FFT，其计算公式为：

其中：

为像，符号

表示高效并行算法函数，

为阵列单元接收到的目标散射场，A为阵列单元幅度加权系数，φ_F为聚焦相位加权系数，φs为扫描相位加权系数；

上述像场计算结果对应的ω_δ、ω_σ取值范围为：ω_δ∈[0，2π]、ω_σ∈[0，2π]，进行fftshift运算后将ω_δ、ω_σ取值范围变换为：ω_δ∈[-π，π]、ω_σ∈[-π，π]，此时的像是符合实际分布的像：

进一步地，本发明方法步骤五中包括：对高效并行算法获得的像场进行坐标解算，并对像场进行坐标反演，获得真实目标的分布情况；其中：

对于IFFT类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：

对于FFT类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：

像的直角坐标计算公式为：

δ＝V tanθ_δ，

σ＝V tanθ_σ；

真实目标的坐标反演计算公式为：

进一步地，本发明方法中设置阵列单元间距

以避免出现成像混叠现象。

此外，本发明还提供了一种阵列快速成像方法，所述快速成像方法用于远距离成像，包括：选取U＝∞，则有φ_F＝0，适用于远距离成像的简化公式为：

采用上述高效并行算法计算像场，通过一次运算获得宽视角范围内的目标分布情况。

进一步地，本发明方法既适用于被动成像系统，又适用于半主动系统和常规相控阵系统，即采用额外天线作为照射源的半主动系统以及所有阵列单元同时收发信号的常规相控阵系统，均可以采用本发明方法进行快速成像。

同时，本发明还涉及上述方法在光学成像、微波成像、雷达探测、声呐、超声成像以及声、光、电目标探测、成像识别、无线通信领域中的应用。

综上，本发明阵列快速成像方法具有以下优点：

1)运算量小，硬件成本低，成像速度快

本发明采用“相位补偿-IFFT”的算法架构，相比传统数字波束合成技术，本发明方法具有运算速度快、硬件成本低、成像速度快等特点。

2)可兼容远、中、近距离成像

本发明采用“相位补偿-IFFT”的算法架构，其相位补偿量与距离相关，因而能够适用于远、中、近不同距离情况下的成像，具有良好的兼容性。

3)可兼容被动、半主动、主动等不同成像系统

本发明成像方法，既适用于被动成像系统，又适用于半主动系统和常规相控阵系统，即采用额外天线作为照射源的半主动系统以及所有阵列单元同时收发信号的常规相控阵系统，均可采用本发明方法进行快速成像。

另外，本发明方法具有良好的应用前景，可广泛应用于以声、光、电等为媒介的目标探测及无线通信技术领域，当探测媒介为电磁波时，本技术适用于微波成像、雷达探测、无线通信、合成孔径雷达、逆合成孔径雷达；当探测媒介为声波、超声波时，本技术适用于声呐、超声成像、合成孔径声呐；当探测媒介为光时，本技术适用于光学成像、合成孔径光学成像。

附图说明

为了更清楚地说明现有技术和本发明实施例的技术方案，下面将对现有技术和本发明实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，以下附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明阵列成像系统坐标系；

图2为本发明阵列快速成像方法的算法框图；

图3为不同幅度加权的快速成像仿真结果，其中，(a)为目标模型，(b)为成像仿真结果；

图4为本发明的阵列快速成像结果与传统数字波束合成技术成像结果对比，其中，(a)为目标距离0.1m，(b)为目标距离100m。

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，下面将结合具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

同时，应理解，本发明的保护范围并不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1：一种阵列快速成像方法(参见附图1-2)，本方法基于透镜成像原理，结合电磁场理论，根据天线阵列接收到的目标信号，通过单元信号的幅度、相位加权，采用高效并行算法，获得目标对应的像场分布，其具体算法如下：

其中：j为虚数单位，e为欧拉常数，

为像场分布，

为阵列单元接收到的目标信号，A_mn为阵列单元幅度加权系数，

为聚焦相位加权系数，

为扫描相位加权系数，M为x方向的阵列单元数量，N为y方向的阵列单元数量，(x_m，y_n)为阵列单元的坐标，(δ，σ)为像点的坐标，V为像距，即成像平面到阵列平面的距离，m、n分别为阵列单元x方向与y方向的序号，

为波数，λ为波长，符号∑代表求和运算。

具体而言，本方法包括下述步骤：

步骤一：对阵列单元信号进行幅度加权以降低副瓣电平；

其中，所述幅度加权的方法包括均匀分布、余弦加权、汉明窗、Taylor分布、切比雪夫分布及混合加权方法。

其中，所述扫描相位加权调整成像系统中心视角方向，其扫描相位加权的相位计算公式为：

其中：m、n分别阵列单元x方向与y方向的序号，

其中：Δ_x、Δ_y分别为x方向、y方向的阵列单元间距，符号sin代表正弦函数，θ_ζ、θ_ξ为中心视角方向指向源坐标(ζ，ξ)时的x、y方向的扫描角坐标，其计算公式分别为：

其中：U为物距，即目标所在平面到阵列平面的距离，符号tan^-1代表反正切函数。

具体包括：利用聚焦相位加权方法，对阵列单元信号进行聚焦相位加权以实现成像聚焦，其中：

自动对焦相位加权的聚焦相位计算公式为：

变焦或定焦相位加权的聚焦相位计算公式为：

其中，F为焦距，且F<U、F<V。

具体包括：采用高效并行算法，对阵列单元的幅度、相位加权后的信号进行快速成像处理；所述高效并行算法包含二维或三维FFT、IFFT、非均匀FFT、稀疏FFT，其计算公式为：

其中：

为像，符号

表示高效并行算法函数，

为阵列单元接收到的目标散射场，A为阵列单元幅度加权系数，φ_F为聚焦相位加权系数，φ_S为扫描相位加权系数；

上述像场计算结果对应的ω_δ、ω_σ取值范围为：ω_δ∈[0,2π]、ω_σ∈[0,2π]，进行fftshift运算后将ω_δ、ω_σ取值范围变换为：ω_δ∈[-π,π]、ω_σ∈[-π,π]，此时的像是符合实际分布的像：

步骤五：解算像场坐标，对像场进行坐标反演获得真实目标的位置；

具体包括：对高效并行算法获得的像场进行坐标解算，并对像场进行坐标反演，获得真实目标的分布情况；其中：

对于IFFT类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：

对于FFT类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：

像的直角坐标计算公式为：

δ＝V tanθ_δ，

σ＝V tanθ_σ；

真实目标的坐标反演计算公式为：

此外，本发明方法中设置收发天线的单元间距

以避免出现成像混叠现象。

实施例2：本发明阵列快速成像(实施例1方法)的不同幅度加权成像结果，包括：

采用一种余弦幅度加权方法：

其中R_L为阵列有效孔径半径，α为阵列边缘的最小幅度加权值，可根据需要选择α∈(0,1]。

目标模型为十字形金属物，位于阵列法线上，距离阵列中心10m，阵列孔径为2m_×2m，单元间距为0.5λ，照射平面波频率为10GHz，成像结果见附图3。

实施例3：本发明阵列快速成像(实施例1方法)与传统数字波束合成技术的成像结果对比，包括：

目标模型为一理想点源目标，位于阵列法线方向上，阵列规模为32_×32，单元间距为0.5λ，照射平面波频率为10GHz。目标距离分别为0.1m、100m两种情况，进行成像仿真，成像结果见附图4。

实施例4：一种阵列快速成像方法，该方法用于远距离成像，包括：选取U＝∞，则有φ_F＝0，适用于远距离成像的简化公式为：

采用上述高效并行算法计算像场，通过一次运算即可获得宽视角范围内的所有目标分布情况。

进一步地，选取ω_δ＝0、ω_σ＝0，成像计算公式便退化为传统有源相控阵雷达目标回波计算公式：

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以借助软件加必要的硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，EPROM，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者嵌入式设备等)执行本发明实施方案所述的方法。

最后应当说明的是：以上叙述仅用以说明本发明的基本技术方案，而非对其限制；尽管参照上述内容对本发明进行了详细的说明，任何熟悉本领域的技术人员可以对前述的技术方案进行修改完善或适当删减，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明中的各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、替换等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。