CN1770007A - 利用正交横向模式分集的相干成像 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于用电磁辐射的相干波束将目标成像的技术，包括：通过一组正交横向空间模式使相干波束的至少一部分序列化以及将从该组正交横向空间模式得到的输出信号相加。为产生目标的图像，相干波束应用到目标上的多个点并在每个点处通过同一组正交横向空间模式被序列化。从序列化产生的输出信号被逐点相加。

Description

利用正交横向模式分集的相干成像

技术领域

本发明涉及利用正交横向模式分集(orthogonal transverse modediversity)的相干成像。

背景技术

用电磁辐射的相干波束将目标成像经常受到散斑现象的困扰，即孔径和视场上的交替的相长和相消干涉产生的图像的随机的亮和暗的粒状外观。如果电磁辐射源是完全相干的，则散斑的严重程度将取决于三个无量纲参数：以波长为单位的均方根目标粗糙度、用波长表示的表面特征之间的平均横向间距、和照明区域中的特征数量。因为在照明区域内其高度偏离平均高度大约半个光波长或更多的特征数量巨大，所以许多种激光照明(尤其是全息技术)引起散斑问题。与相干成像对比，非相干成像不受散斑影响，因为任何一组从光源到目标到检测器(例如，视网膜、胶片、CCD阵列)的光路仅对涉及的一小部分波长是相消的。

处理相干成像系统中的散斑的一些技术利用频率分集或角度分集以减少交替的相长和相消干涉的发生。虽然这些技术可以减少散斑，但是频率分集的有效性受到感兴趣的特定微波区域中频谱缺乏的限制，而角度分集的有效性受到了机械和成本方面考虑的限制。

为此，需要减少散斑并可以有效实施的相干成像技术。

发明内容

用于用电磁辐射的相干波束将目标成像的技术包括：通过一组正交横向空间模式使相干波束的至少一部分序列化以及将从该组正交横向空间模式得出的输出信号相加。为产生目标的图像，相干波束施加到目标上的多个点并在每个点处通过同一组正交横向空间模式被序列化。序列化产生的输出信号被逐点相加。在每个点处通过一组正交横向空间模式使相干波束的至少一部分序列化给成像系统增加了正交横向模式分集，并减少了所获图像信息中的散斑。

从结合附图作为示例举例说明本发明原理的以下详细说明，本发明的其他方面和优点将变得清楚。

附图说明

图1描述了根据本发明的实施例，被构造为利用正交横向模式分集实现相干成像的成像系统的实施例。

图2描述了成像系统的实施例，其中发送波束控制器被构造成代替接收波束控制器来通过该组正交横向空间模式使相干波束序列化。

图3是根据本发明的实施例，相干成像操作的高阶处理流程图。

图4是根据本发明的实施例，用于将目标成像的方法的处理流程图。

图5A-5D描述了相干波束的厄密-高斯(Hermite-Gaussian)模式的例子。

图6描述了在实-虚平面中的示例波束向量。

在整个说明书中相似的标号用于标示相似的元件。

具体实施方式

用于用电磁辐射的相干波束将目标成像的技术包括：通过一组正交横向空间模式使相干波束的至少一部分序列化以及将从该组正交横向空间模式得到的输出信号相加。为产生目标的图像，相干波束应用到目标上的多个点并在每个点处通过同一组正交横向空间模式被序列化。从序列化产生的输出信号逐点相加。

图1描述了成像系统10的实施例，其被构造成利用正交横向模式分集实现相干成像。成像系统包括发送系统12、接收系统14、加法逻辑16、系统控制器18和输出系统20，这些部分被构造来将目标22成像。发送系统包括相干发送器26和发送波束控制器28。相干发送器形成电磁辐射的相干波束30，其被导向发送波束控制器。存在于相干发送器、发送波束控制器和目标之间的相干波束部分在此处称为“发送波束”。虽然未示出，但是相干发送器可以包括如本领域所知的电磁辐射源和天线。在此处描述的实施例中，相干发送器产生射频(RF)范围(例如，从大约3KHz到300GHz)的电磁辐射，但其他范围的电磁辐射(包括可见的、X光和红外的范围)也是可以的。

发送波束控制器28被构造成接收来自相干发送器26的发送波束并将发送波束聚焦到目标22的点32上。为扫描目标，发送波束控制器还被构造成移动发送波束的聚焦点。发送波束控制器可以利用机械或电的控制机构来聚焦和移动发送波束。可以使用的机械机构包括万向节、透镜、反射镜或其任意组合。可以使用的电控制机构包括相控阵列或反射阵列。用于控制发送波束的其他机构是可以的，包括机械和电的机构的组合。如线42所示，发送波束控制器响应于来自系统控制器18的信号而控制相干波束。

接收系统14包括相干接收器36和接收波束控制器38。接收波束控制器接收一部分反射离开目标22的相干波束30。通常，目标具有随机的表面凹凸，其散射入射相干波束以使得只有一部分入射相干波束被朝向接收系统反射。此外，朝向接收系统反射的该部分入射相干波束受到相前畸变，这可能大大减少实际接收到的能量。存在于目标、接收波束控制器和相干接收器之间的相干波束部分在此处称为“接收波束”。在操作期间，为使得到的信号强度最大化，将接收波束控制器聚焦到目标上与发送波束控制器相同的点32上。接收波束控制器也相对于其聚集点和相干接收器定向，使得将接收波束朝向相干接收器反射。接收波束控制器利用类似于发送波束控制器的机械或电的控制机构来调节聚焦点并将反射的接收波束导向相干接收器。如线44所示，响应来自系统控制器18的信号调节接收波束控制器。

根据本发明，接收波束控制器38还被构造成通过一组正交横向空间模式使接收波束序列化，其中正交横向空间模式通常定义为在焦平面上其相互重叠的部分积分为零的电磁模式。正交横向空间模式的例子包括厄密-高斯模式(Hermite-Gaussian mode)，下面参考图5A-5D更详细描述。通过一组正交横向空间模式使接收波束序列化给成像系统10增加了正交横向模式分集，如下所述这减少了所获取图像信息中的散斑。接收波束控制器使用机械机构、电机构或其任意组合来形成正交横向空间模式。例如相控阵列或反射阵列的电机构尤其适合于聚焦相干波束、导引相干波束和通过一组正交横向空间模式使相干波束序列化的任务。如图1所示，控制接收波束控制器的信号包括模式形成信号。

相干接收器36接收反射离开接收波束控制器38的接收波束并产生响应输出信号。输出信号代表接收的电磁辐射的能量。输出信号被提供到加法逻辑16以取决于实施方式而作为模拟或数字信号进行处理。虽然未示出，但是相干接收器可以包括本领域所知的天线和接收电子设备。

加法逻辑16将来自相干接收器36的输出信号相加并产生代表所接收总能量的相加值。加法逻辑被构造成将取决于实施方式的模拟或数字信号相加。在一个实施例中，输出信号作为数字信号处理。加法逻辑可以基于硬件、软件或固件，或其组合。如以下将更详细描述的，通常对于扫描的每个新点，加法逻辑都复位(如线46所示，响应于来自系统控制器的复位信号)。如线48所示，由加法逻辑产生的相加值被提供到系统控制器。

系统控制器18控制成像系统10的操作。具体地，系统控制器管理发送波束控制器28和接收波束控制器38的操作以及加法逻辑16的复位。对于发送和接收波束控制器，系统控制器提供控制信号，其使得波束控制器同时聚焦到目标22上的相同点32上并为扫描目标的所期望区域而移动聚焦点。系统控制器还将控制信号(即模式形成信号)提供到接收波束控制器，这通过一组正交横向空间模式使得接收波束被序列化。此外，系统控制器将复位信号提供到加法逻辑，从加法逻辑16接收相加值，并如线50所示，将输出信号(即成像信息)提供到输出系统20。在图1的实施例中，系统控制器是基于微处理器的系统，其利用硬件和软件的组合来控制成像系统并提供成像信息。

输出系统20支持来自系统控制器18的成像信息的输出。输出系统可以包括本领域所知的显示设备、打印机设备、存储器设备或其任意组合。在一个实施例中，成像信息作为目标的图形显示图像输出。例如，在以人体为目标的安全检测应用中，成像信息可以表示为身体以及可能在身体上外带的某种物体(例如武器、爆炸物等)的详细图像。

在操作中，通过成像系统的移动、目标的移动或两者的组合使成像系统10和目标22处于彼此可接受的范围内。在微波应用中可接受的范围取决于所期望的分辨率。为了更高的空间分辨率，该范围可以与发送/接收控制器的孔径直径相当。如果较少考虑空间分辨率，那么该范围可以任意大。由相干发送器26形成电磁辐射的相干波束，以使得相干波束30(即，发送波束)从相干发送器行进到发送波束控制器28。发送波束控制器将发送波束反射并聚焦到目标上的点32上。发送波束的某些部分向着接收波束控制器从目标反射。如上所述，目标、接收波束控制器38和相干接收器36之间存在的相干波束的部分在此处被称为“接收波束”。由于接收波束控制器的构造，将接收波束从接收波束控制器导向相干接收器。在发送和接收波束控制器聚焦到目标的相同点上的同时，接收波束控制器通过一组正交横向空间模式使接收波束序列化，并且发送波束控制器将发送波束维持在紧密聚焦的无节点模式(tightly focused node-freemode)中。在一个示例中，取决于实施方式，接收波束控制器在每个不同的点处通过一组1-10个不同的正交横向空间模式使相干波束序列化。在相干接收器处接收不同模式的接收波束。来自相干接收器的输出信号被提供到加法逻辑并对各个点相加。对各个点的相加值接着被提供给系统控制器。

一旦接收波束控制器38已经通过该组正交横向空间模式完成了序列化，就调节发送波束控制器28和接收波束控制器38以同时聚焦到目标22上的下一个点上。一旦聚焦在下一个点上，就通过同一组正交横向空间模式使接收波束序列化，且累加新的总和并提供给系统控制器。对所期望的多点重复此过程。在扫描操作中，系统以线性逐行方式按顺序将发送和接收波束聚焦到目标的多个点上。在每个点通过一组正交横向空间模式使接收波束序列化并逐点将输出信号相加，由此提供的分集减少了用电磁辐射的相干波束成像所导致的散斑。

在图1的实施例中，接收波束控制器38负责通过该组正交横向空间模式使接收波束序列化。可选的，通过该组正交横向空间模式使接收波束的至少一部分序列化的任务可以移交给发送波束控制器28。图2描述了成像系统10的一个实施例，其中发送波束控制器被构造成代替接收波束控制器来通过该组正交横向空间模式使发送波束序列化。图2的成像系统的操作类似于图1的成像系统，除了在发送波束控制器处响应于来自系统控制器18的模式形成信号来形成正交横向空间模式。

图3是上述成像操作的高阶处理流程图。在开始目标扫描(100)时，形成相干波束(框102)。在框104处，发送和接收系统聚焦到目标上的相同点上。在框106处，通过一组正交横向空间模式使相干波束的至少一部分序列化。如上关于图2和图3所述，取决于实施方式，可以在发送或接收系统处产生正交横向空间模式。在框108处，对各个点将通过该组正交横向空间模式序列化得到的输出信号相加。在决定点110处，判断扫描是否完成。如果扫描未完成，则在框112处，发送和接收系统聚焦到目标上的下一个点上。一旦发送和接收系统聚焦到下一个点上，过程就返回到框106，在该处通过该组正交横向空间模式使相干波束的至少一部分序列化。重复框106、108和112的操作直到完成扫描，此时结束扫描(114)。

图4是用于将目标成像的方法的处理流程图。在框120处，电磁辐射的相干波束施加到目标上的某点。在框122处，通过一组正交横向空间模式使相干波束的至少一部分序列化。在框124处，在相干波束已经施加到目标之后接收相干波束的该组正交横向空间模式。在框126处，将从接收相干波束的该组正交空间模式得到的信号相加。

如上所述，正交横向空间模式的特别合适的选择是一组厄密-高斯模式。在量子力学中，厄密-高斯函数作为谐振子问题的本征函数出现；在光纤光学中，其作为具有平方率分布的光纤的本征模式出现。本征函数和本征模式是数学上等价的问题。这些函数的一些极引人注意的属性是(1)定域性、(2)正交归一性、(3)可分离性以及(4)它们是其自身的傅立叶变换。属性(1)和(4)意味着可以使用实用光学器件聚焦波束，且事实上属性(4)给出了方法。属性(2)意味着模式之间显著的反相关性。属性(3)表明函数满足分为两个一维微分方程的一个二维微分方程。事实上，二维厄密-高斯就是一维厄密-高斯的乘积。这不是必需的但却是常见且有用的属性。

完全抑制散斑所需的正交横向空间模式的数量与每照明区域的表面特征数量相当。对于全息技术，基(basis)必须很庞大。对于已扫描的紧密聚焦的微波束，模式的数量可以在1-10量级。也就是说，在紧密聚焦的情况中散斑实际上是局部问题，而不像其在典型激光照明中是高度非局部的问题以及在全息技术中是全局问题。图6所示一维(曲线)的离散示例有助于解释实际的二维(表面)连续情况中的行为。设想跨越目标的三个特征的一维照明点，这等价于三个具有复振幅a、b、c的发射极(emitter)，其在图6的实-虚平面中用向量表示。理想的是与其相位无关地，估计这些发射极的非相干和|a|^2+|b|^2+|c|^2。三个小波函数可定义为：

$W0=\left(\mathrm{1,1,1}\right)/\sqrt{3},W1=(-\mathrm{1,0,1})/\sqrt{2},W2=(1,-\mathrm{2,1})/\sqrt{6}$

小波对曲线采样并因此得到点积V_i＝W_i·(a，b，c)。通过计算|V1|^2+|V2|^2+|V3|^2＝|a|^2+|b|^2+|c|^2，精确地得到非相干和。注意如图4所示，如果只使用W0(类似于常用的无分集单信道)，则将得到零(例如，散斑图样中的完全暗斑)。

在傅立叶分析中上述结果被称作巴塞伐尔定理。或者，这就是量子力学或散射理论中的幺正特性。其源自基不仅正交而且完备的事实。该定理可推广到任意维数。其也可推广到连续的情况，但此处严格完备性需要无穷数量的基函数。然而，目标不是发射极的非相干和(现在是积分)的精确度量而只是其估算，仅仅无穷扩展中开始的最低阶几项即可满足。

正交横向模式分集未带来任何额外成本。由于每个厄密-高斯直到不相关全局相位都是其自身的傅立叶变换，所以与用于最低阶模式相同的光学装置通过空间相位(和振幅)调制即可有效。这可以通过机械方式实现，但以相控阵列或反射阵列通过电方式实现甚至更容易。空间分辨率仅有轻微降低，因为这是由发送和接收波束点的积确定的。如果使用厄密-高斯，则这些波束中的一个(比如，发送)是最低阶00模式而另一个(接收)通过有限的一组模式比如{00，10，01}或也许是{00，10，01，20，11，02}被序列化。如果模式mm承载能量的大部分，则x和y方向上的分辨率损失Px和Py如下给出：

$\mathrm{Px}=\sqrt{4m-1}/\sqrt{2m-1}---\mathrm{Py}=\sqrt{4n-1}/\sqrt{2n-1}$

在需要全部无穷的该组厄密-高斯作为分集基的限制中，径向分辨率只比仅使用00接收模式的情况差 (分辨面积为两倍大)。对正交横向模式分集仅有的其他损失是对于相同的SNR，扫描时间与分集因子成正比。

参考图1和图2的功能框图描述的功能性可以与所示不同地划分。例如，系统控制器和加法单元可以集成在同一基于微处理器的计算机系统内。此外，虽然参考图1和图2描述了特定布置，但具体元件的其他布置也是可以的。

虽然相干成像系统是按照微波和毫米波谱应用来描述的，但是相干成像系统可以用于电磁辐射的其他频带。

虽然已经描述和说明了根据本发明的具体实施例，但是本发明不限于如所描述和说明部分的具体形式和布置。本发明仅由权利要求所限。

Claims (20)

1.一种成像系统，包括：

发送系统，其被构造为形成电磁辐射的相干波束并将所述相干波束聚焦到目标的点上；

接收系统，其被构造为接收反射离开所述目标的所述相干波束的一部分；

所述发送系统和所述接收系统中的一个包括波束控制器，所述波束控制器被构造为通过一组正交横向空间模式使聚焦到所述目标的点上的所述相干波束或者反射离开所述目标的所述相干波束的所述部分序列化；和

加法逻辑，其与所述接收系统进行信号通讯并被构造为将响应于所述相干波束的所述一组正交横向空间模式而产生的信号相加。

2.如权利要求1所述的成像系统，其中所述发送系统包括发送波束控制器，所述发送波束控制器被构造为通过所述一组正交横向空间模式使所述相干波束序列化。

3.如权利要求1所述的成像系统，其中所述接收系统包括接收波束控制器，所述接收波束控制器被构造为通过所述一组正交横向空间模式使所述相干波束的一部分序列化。

4.如权利要求1所述的成像系统，其中所述发送系统和接收系统分别包括发送波束控制器和接收波束控制器。

5.如权利要求4所述的成像系统，还包括系统控制器，所述系统控制器被构造为同时将所述发送波束控制器和接收波束控制器聚焦到所述目标上的相同点上。

6.如权利要求5所述的成像系统，其中所述系统控制器还被构造为通过顺序地将所述聚焦点移动到所述目标上的不同点来扫描所述目标的区域。

7.如权利要求6所述的成像系统，其中所述系统控制器还被构造为每次移动所述聚焦点时复位所述加法逻辑。

8.如权利要求1所述的成像系统，其中所述一组正交横向空间模式对应于厄密-高斯模式。

9.一种将目标成像的方法，所述方法包括：

将电磁辐射的相干波束施加到目标上的点；

通过一组正交横向空间模式使所述相干波束的至少一部分序列化；

在所述相干波束已施加到所述目标后接收所述相干波束的所述一组正交横向空间模式；以及

将接收所述相干波束的所述组正交空间模式得到的信号相加。

10.如权利要求9所述的方法，还包括将所述相干波束施加到所述目标上的下一个点，并与将所述相干波束施加到所述下一个点相对应地使相加复位。

11.如权利要求9所述的方法，其中在所述相干波束施加到所述目标之前，通过所述一组正交横向空间模式将所述相干波束序列化。

12.如权利要求9所述的方法，其中在所述相干波束施加到所述目标之后，通过所述一组正交横向空间模式将所述相干波束序列化。

13.如权利要求9所述的方法，其中所述一组正交横向空间模式对应于厄密一高斯模式。

14.一种成像系统，包括：

发送系统，其包括相干发送器和发送波束控制器，所述相干发送器被构造为形成导向所述发送波束控制器的电磁辐射的相干波束，所述发送波束控制器被构造为将所述相干波束聚焦到目标上的点上；

接收系统，其包括相干接收器和接收波束控制器，所述接收波束控制器被构造为将反射离开所述目标的所述相干波束导向所述相干接收器，所述相干接收器被构造为接收来自所述接收波束控制器的所述相干波束；

所述发送波束控制器和接收波束控制器中的一个被附加构造成通过一组正交横向空间模式使聚焦到所述目标的点上的所述相干波束或者反射离开所述目标的所述相干波束的一部分序列化；和

加法逻辑，其与所述接收系统进行信号通信并被构造为将来自所述相干接收器的信号相加。

15.如权利要求14所述的成像系统，其中所述发送波束控制器和接收波束控制器是相控阵列或反射阵列。

16.如权利要求14所述的成像系统，还包括系统控制器，所述系统控制器被构造为同时将所述发送波束控制器和接收波束控制器聚焦到所述目标上的相同点上。

17.如权利要求16所述的成像系统，其中所述系统控制器还被构造为通过顺序地将所述聚焦点移动到所述目标上的不同点来扫描所述目标的区域。

18.如权利要求17所述的成像系统，其中所述系统控制器还被构造为每次移动所述聚焦点时复位所述加法逻辑。

19.如权利要求14所述的成像系统，其中所述一组正交横向空间模式对应于厄密一高斯模式。

20.如权利要求14所述的成像系统，其中在通过所述一组正交横向空间模式使所述相干波束序列化后复位所述加法逻辑。

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