CN116679269B - 扫频型随机辐射源q值表征方法及频率扫描间隔确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扫频型随机辐射源Q值的表征方法及频率扫描间隔确定方法。该表征方法包括：在扫频型随机辐射源工作频带内通过频率扫描，获得在目标区域的时空两维随机辐射场矩阵；计算中心频率与其他频点的随机辐射场相关系数；用中心频率与其两侧相关系数下降到0.3的带宽的比值作为扫频型随机辐射源频率维随机性的品质因数Q值，根据得出的品质因数Q值可以准确确定频率扫描间隔。本发明可作为时空两维随机辐射场在频率维随机性的评价标准。

Description

扫频型随机辐射源Q值表征方法及频率扫描间隔确定方法
技术领域
本发明涉及微波凝视关联成像领域，尤其涉及一种扫频型随机辐射源Q值表征方法及频率扫描间隔确定方法。
背景技术
传统的天线Q值是反映天线性能优劣的一个重要参数。Q值越高，表示天线的能量损耗越小，天线效率越高，其频带宽度越窄，其灵敏度和选择性也会更好。
在微波凝视关联成像系统中，随机辐射源被用来产生相互正交的随机辐射场。这些相互正交的随机辐射场可以提供对待测物体的高分辨成像。目前应用最广泛的是扫频型随机辐射源，利用其单元对不同频率导波耦合的差异特性，通过频率扫描能够快速得到大量的时空两维随机辐射场。但为了符合成像实验的要求，时空两维随机辐射场之间要满足较好的随机性，即两两非相关。而扫频型随机辐射源的频率扫描间隔决定了时空两维随机辐射场之间的非相关性，频率扫描间隔过小，随机辐射场之间就会出现高度的相关性，这将影响成像的精度和稳定性。因此合理设置扫频型随机辐射源的频率扫描间隔保证产生的随机辐射场具有较好的随机性是至关重要的。而目前并没有时空两维随机辐射场在频率维随机性的评价标准，无法衡量扫频型随机辐射源产生低相关随机辐射场的能力，也无法确定合适的频率扫描间隔。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供了一种扫频型随机辐射源Q值表征方法及频率扫描间隔确定方法，能得出作为扫频型随机辐射源产生的时空随机辐射场在频率维随机性评价标准的Q值，进而衡量扫频型随机辐射源产生低相关随机辐射场的能力，准确确定频率扫描间隔，很好的解决现有技术中存在的上述技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种扫频型随机辐射源Q值表征方法，包括：
步骤S1，通过在扫频型随机辐射源工作频带内进行频率扫描，得到在目标区域的时空两维随机辐射场矩阵；
步骤S2，计算所述扫频型随机辐射源的中心频率的时空两维随机辐射场矩阵与其他频点的时空两维随机辐射场矩阵之间的相关系数；
步骤S3，根据步骤S2得出的相关系数，用所述扫频型随机辐射源的中心频率与该中心频率两侧相关系数下降到0.3的带宽的比值作为扫频型随机辐射源频率维随机性的品质因数Q值。
一种扫频型随机辐射源频率扫描间隔确定方法，包括：
在微波凝视关联成像系统中，扫频型随机辐射源在成像过程的频率扫描间隔设置为，在扫频型随机辐射源的工作频带f1-fM内能扫描的频率点数量K为：
；
其中，Q为通过本发明所述的扫频型随机辐射源Q值表征方法得出的该扫频型随机辐射源的频率维随机性品质因数值；fM表示在扫频型随机辐射源工作频带内的最后一个扫频点的频率；f1表示在扫频型随机辐射源工作频带内的第1个扫频点的频率；fc表示扫频型随机辐射源的中心频率。
与现有技术相比，本发明所提供的扫频型随机辐射源Q值表征方法及频率扫描间隔确定方法，其有益效果包括：
通过频率扫描先得到在目标区域的时空两维随机辐射场矩阵，进而计算出中心频率与其他频点的时空两维随机辐射场矩阵之间的相关系数，将中心频率与该中心频率两侧频率的时空两维随机辐射场矩阵之间的相关系数下降到0.3的带宽的比值作为扫频型随机辐射源的频率维随机性的品质因数Q值，利用时空两维随机辐射场之间相关系数满足低于0.3的弱相关时达到成像质量要求的条件，确定了扫频型随机辐射源的频率维随机性的品质因数Q值，能在微波凝视关联成像领域，为扫频型随机辐射源在频率维产生的时空两维随机辐射场随机性提供评价标准，在设计阶段具有指导性意义，也为计算出适合成像的频率扫描间隔提供依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1是本发明实施例提供的扫频型随机辐射源Q值表征方法的流程图。
图2是本发明实施例提供的扫频型随机辐射源在目标区域产生时空两维随机辐射场的示意图。
图3是本发明实施例提供的扫频型随机辐射源中心频率的时空两维随机辐射场矩阵与其他频点的时空两维随机辐射场矩阵之间的相关系数曲线示意图。
图4是本发明实施例提供的扫频型超材料孔径天线的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的扫频型超材料孔径天线的时空两维随机辐射场之间的相关系数图。
图6是本发明实施例提供的扫频型超材料孔径天线的中心频率的时空两维随机辐射场矩阵与其他频点的时空两维随机辐射场矩阵之间的相关系数曲线图。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素（如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等），应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
下面对本发明所提供的结直肠内窥镜视频的实时息肉检测系统及方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如图1所示，本发明实施例提供一种扫频型随机辐射源Q值的表征方法，包括：
步骤S1，通过在扫频型随机辐射源工作频带内进行频率扫描，得到在目标区域的时空两维随机辐射场矩阵；
步骤S2，计算所述扫频型随机辐射源的中心频率的时空两维随机辐射场矩阵与其他频点的时空两维随机辐射场矩阵之间的相关系数；
步骤S3，根据步骤S2得出的相关系数，用所述扫频型随机辐射源的中心频率与该中心频率两侧相关系数下降到0.3的带宽的比值作为扫频型随机辐射源频率维随机性的品质因数Q值。
优选的，上述方法的步骤S1中，所述的扫频型随机辐射源包括：通过扫频得到具有差异化的时空两维随机辐射场的一维或者二维的超材料天线、反射式超表面天线、透射式超表面天线中的任一种。
优选的，上述方法的步骤S1中，得到的目标区域的时空两维随机辐射场的空间采样间隔d不超过中心频率波长λc的一半,即d≤λc/2。
优选的，上述方法的步骤S1中，在扫频型随机辐射源工作带内按扫频点f=[f1,...,fm,...,fM]进行频率扫描，得到每个扫频点在目标区域的时空两维随机辐射场矩阵E为：
；
其中，M表示扫频点数量；N表示目标区域被划分为目标分辨单元的数量；fm表示在扫频型随机辐射源工作频带内的任一扫频点的频率，m=1,...,M；n表示目标区域第n个目标分辨单元，n=1,...,N；表示在扫频点fm的第n个目标分辨单元的电场，表示为：
；
其中，、/>分别是第n个目标分辨单元在扫频点fm的电场幅值与相位；j表示复数符号。
优选的，上述方法的步骤S2中，按以下公式计算所述扫频型随机辐射源的中心频率与其他频点的时空两维随机辐射场矩阵之间的相关系数,公式为：
；
其中，中心频率fc=(f1+fM)/2；表示在中心频率fc的目标区域N个目标分辨单元电场的均值；/>表示在扫频点fm的目标区域的N个目标分辨单元电场的均值；*表示复共轭；/>表示在扫频点fc的第i个目标分辨单元的电场；/>表示在扫频点fm的第i个目标分辨单元的电场；/>表示在扫频点fm的第j个目标分辨单元的电场。
优选的，上述方法的步骤S3中，根据步骤S2得出的相关系数，按以下公式计算所述扫频型随机辐射源的中心频率与该中心频率两侧相关系数下降到0.3的带宽Δf的比值作为扫频型随机辐射源频率维随机性的品质因数Q值，公式为：
。
本发明实施例还提供一种扫频型随机辐射源频率扫描间隔确定方法，包括：
在微波凝视关联成像系统中，扫频型随机辐射源在成像过程的频率扫描间隔设置为，在扫频型随机辐射源的工作频带f1～fM内能扫描的频率点数量K为：
；
其中，Q为通过本发明的扫频型随机辐射源Q值表征方法得出的该扫频型随机辐射源的频率维随机性品质因数值；fM表示在扫频型随机辐射源工作频带内的最后1个扫频点的频率；f1表示在扫频型随机辐射源工作频带内的第1个扫频点的频率；fc表示扫频型随机辐射源的中心频率。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的扫频型随机辐射源Q值表征方法进行详细描述。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种扫频型随机辐射源Q值表征方法，包括：
步骤S1，通过在扫频型随机辐射源工作频带内进行频率扫描，获得在目标区域的时空两维随机辐射场矩阵；
步骤S2，计算扫频型随机辐射源中心频率的时空两维随机辐射场矩阵与其他频点的时空两维随机辐射场矩阵之间的相关系数；
步骤S3，根据步骤S2得出的相关系数，用扫频型随机辐射源的中心频率的时空两维随机辐射场与该中心频率两侧频率的时空两维随机辐射场之间的相关系数下降到0.3的带宽的比值作为该扫频型随机辐射源的频率维随机性的品质因数Q。
上述步骤S1中，图2所示是扫频型随机辐射源201在目标区域202产生的随机辐射场示意图。获得扫频型随机辐射源工作频带f1～fM内每个扫频点在目标区域的时空两维随机辐射场，获得所有时空两维随机辐射场矩阵，为：
；
其中，M表示扫频点数量；N表示目标区域被划分目标分辨单元的数量；fm表示在扫频型随机辐射源工作频带内的任一扫频点的频率 ，m=1,...,M；fM表示在扫频型随机辐射源工作频带内的最后1个扫频点的频率；n表示目标区域第n个目标分辨单元，n=1,...,N，N为目标区域被划分目标分辨单元的数量；表示在扫频点fm的第n个目标分辨单元的电场，表示为：
；
其中，、/>是该目标分辨单元的电场幅值和相位；j表示复数符号。
上述目标区域划分的目标分辨单元203的间距d不超过中心频率波长λc的一半，即d≤ λc/2。
上述步骤S2中，计算中心频率fc与其他频点在目标区域的时空两维随机辐射场之间的相关系数的公式为：
；
其中，中心频率fc=(f1+fM)/2；表示在扫频点fc的目标区域N个目标分辨单元电场的均值；/>表示在扫频点fm的目标区域N个目标分辨单元电场的均值；*表示复共轭；/>表示在中心频率fc的第i个目标分辨单元的电场；/>表示在扫频点fm的第i个目标分辨单元的电场；/>表示在扫频点fm的第j个目标分辨单元的电场。
上述步骤S3中，如图3所示，计算得到的中心频率与每个频点的时空两维随机辐射场之间的相关系数，由于时空两维随机辐射场之间相关系数满足低于0.3的弱相关时达到成像质量要求，因此计算中心频率fc两侧频率的时空两维随机辐射场之间的相关系数下降到0.3时的带宽Δf，以中心频率fc与带宽Δf的比值作为扫频型随机辐射源品质因数Q值，即：
。
实施例2
本实施例提供一种扫频型随机辐射源频率扫描间隔确定方法，包括：
在微波凝视关联成像系统中，扫频型随机辐射源在成像过程的频率扫描间隔设置为，在工作频带f1～fM内可扫描的频率点数量K为：
；
其中，Q为通过实施例1的扫频型随机辐射源Q值表征方法得出的该扫频型随机辐射源的频率维随机性品质因数值；fM表示在扫频型随机辐射源工作频带内的最后1个扫频点的频率；f1表示在扫频型随机辐射源工作频带内的第1个扫频点的频率；fc表示扫频型随机辐射源的中心频率。
实施例3
本发明实施例提供一种扫频型随机辐射源Q值表征方法，扫频型随机辐射源具体为扫频型超材料孔径天线，图4所示是该扫频型超材料孔径天线的结构示意图。该天线工作在17GHz～27GHz的K波段，其表面均匀刻蚀100个非共振圆形辐射孔，四周引入金属过孔栅栏，采用同轴底馈的方式发射导波激励天线面板，圆形辐射孔将导波耦合至自由空间，在目标区域形成时空两维随机辐射场。
该扫频型超材料孔径天线共三层结构，第一层为金属辐射层，第二层为介质基板，该介质基板采用Rogers 4003，介电常数εr=3.55, 介电损耗角正切tanδ=0.0027，厚度为1.58mm，第三层为金属地，其工作频带为：17GHz～27GHz，物理尺寸为230mm×230mm。
目标区域设置在距离该天线正前方的0.3m处，大小为：0.3m×0.3m。在CST电磁仿真软件中，引入探针测量目标区域的时空两维随机辐射场。目标区域的空间测量采样间隔为小于半波长的d=5mm，频率扫描间隔为10MHz，因此共获取1001个61×61的时空两维随机辐射场矩阵。计算每个时空两维随机辐射场矩阵之间的相关系数，得到如图5所示的相关系数图。如图6所示是扫频型超材料孔径天线的中心频率的时空两维随机辐射场与其他频点的时空两维随机辐射场之间的相关系数曲线图，计算中心频率两侧频率的时空两维随机辐射场之间的相关系数下降到0.3时的带宽Δf=0.454GHz，计算该扫频型超材料孔径天线的Q值为：Q=fc/Δf=48.46。
实施例4
本发明实施例提供一种扫频型随机辐射源频率扫描间隔确定方法，是用于确定实施例3的扫频型超材料孔径天线在工作频带内能扫描的频点数量K的方法，具体是根据公式：，将各参数的具体值带入公式，其中Q=48.46，fM=27GHz，f1=17GHz，fc=22GHz。计算得出该扫频型超材料孔径天线的扫频点数量K=41。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种扫频型随机辐射源Q值的表征方法，其特征在于，包括：
步骤S1，通过在扫频型随机辐射源工作频带内进行频率扫描，得到在目标区域的时空两维随机辐射场矩阵；
步骤S2，计算所述扫频型随机辐射源的中心频率的时空两维随机辐射场矩阵与其他频点的时空两维随机辐射场矩阵之间的相关系数；
步骤S3，根据步骤S2得出的相关系数，用所述扫频型随机辐射源的中心频率与该中心频率两侧相关系数下降到0.3的带宽的比值作为该扫频型随机辐射源频率维随机性的品质因数Q值。
2.根据权利要求1所述的扫频型随机辐射源Q值的表征方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述的扫频型随机辐射源包括：通过扫频得到具有差异化的时空两维随机辐射场的一维或者二维的超材料天线、反射式超表面天线、透射式超表面天线中的任一种。
3.根据权利要求1所述的扫频型随机辐射源Q值的表征方法，其特征在于，所述步骤S1中，得到的目标区域的时空两维随机辐射场的空间采样间隔d不超过中心频率波长λc的一半,即d≤λc/2。
4.根据权利要求1-3任一项所述的扫频型随机辐射源Q值的表征方法，其特征在于，所述步骤S1中，在扫频型随机辐射源工作频带内按扫频点f=[f1,...,fm,...,fM]进行频率扫描，得到每个扫频点在目标区域的时空两维随机辐射场矩阵E为：
；
其中，M表示扫频点数量；N表示目标区域被划分为目标分辨单元的数量；fm表示在扫频型随机辐射源工作频带内的任一扫频点的频率，m=1,...,M；n表示目标区域第n个目标分辨单元，n=1,...,N；表示在扫频点fm的第n个目标分辨单元的电场，表示为：
；
其中，、/>分别是第n个目标分辨单元在扫频点fm的电场幅值与相位；j表示复数符号。
5.根据权利要求4所述的扫频型随机辐射源Q值的表征方法，其特征在于，所述步骤S2中，按以下公式计算所述扫频型随机辐射源的中心频率与其他频点的时空两维随机辐射场矩阵之间的相关系数,公式为：
；
其中，中心频率fc=(f1+fM)/2；表示在中心频率fc的目标区域N个目标分辨单元电场的均值；/>表示在扫频点fm的目标区域的N个目标分辨单元电场的均值；*表示复共轭；/>表示在中心频率fc的第i个目标分辨单元的电场；/>表示在扫频点fm的第i个目标分辨单元的电场；/>表示在扫频点fm的第j个目标分辨单元的电场。
6.根据权利要求1-3任一项所述的扫频型随机辐射源Q值的表征方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据步骤S2得出的相关系数，按以下公式计算所述扫频型随机辐射源的中心频率与该中心频率fc两侧相关系数下降到0.3的带宽Δf的比值作为扫频型随机辐射源频率维随机性的品质因数Q值，公式为：
。
7.一种扫频型随机辐射源频率扫描间隔确定方法，其特征在于，包括：
在微波凝视关联成像系统中，扫频型随机辐射源在成像过程的频率扫描间隔设置为，在扫频型随机辐射源的工作频带f1～fM内能扫描的频率点数量K为：
；
其中，Q为通过权利要求1-6任一项所述的扫频型随机辐射源Q值表征方法得出的该扫频型随机辐射源的频率维随机性品质因数值；fM表示在扫频型随机辐射源工作频带内的最后一个扫频点的频率；f1表示在扫频型随机辐射源工作频带内的第1个扫频点的频率；fc表示扫频型随机辐射源的中心频率。
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