一種基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統與成像方法
2023-12-09 11:28:21 1
一種基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統與成像方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統與成像方法，所述系統包括浮空平臺、密集陣列天線輻射單元、接收單元、隨機輻射場演算單元，關聯成像單元。在浮空平臺下部或兩側搭載密集排布陣列天線，輻射單元輻射非相關、正交隨機信號，在目標區域形成微波凝視關聯成像所需的時、空兩維隨機性輻射場，與觀測目標相互作用後形成的散射回波信號由接收單元採集接收，而隨機輻射場由隨機輻射場演算單元預先得到，兩者通過關聯成像單元進行關聯處理，得到目標的反演圖像。在浮空成像平臺有限空間的條件下，提高微波輻射場的時、空隨機特性，實現對目標的高質量、超分辨關聯成像。
【專利說明】一種基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統與成像方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種雷達成像【技術領域】，尤其涉及一種基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統與成像方法。
【背景技術】
[0002]微波凝視成像是一種在微波頻段以相對靜止或準靜止方式獲取目標圖像信息的遠距離成像模式，以系留氣球平臺、懸浮汽艇等浮空器平臺，具有全天時、全天候工作特徵，在對重點區域和特定目標的凝視觀測中，更要求具備遠距離、高分辨成像特性，在敏感地區、重點目標軍事監視、抗震救災和城市動態變化監測等領域有著強烈的應用需求。
[0003]光學強度關聯成像技術(又稱『鬼成像』)是國際上近幾年發展起來的一種全新成像體制，它通過利用熱光源光場在時間-空間域獨特的「統計漲落」特性，通過「關聯成像」來獲取目標圖像及控制圖像質量，這一嶄新的圖像信息獲取方式受到國際學術界的廣泛重視，開展了諸多研究計劃。
[0004]將「鬼成像」技術「隨機漲落、強度關聯」的核心思想延展至微波域，以突破天線口徑對成像解析度的限制，微波凝視關聯成像的提出開闢一條新的微波成像思路，引起了人們的積極探索研究。
[0005]微波凝視關聯成像系統雷達陣列在目標面上形成滿足時、空兩維隨機分布的輻射場，而關聯成像則利用隨機輻射場和目標散射回波信號之間的時、空相互關聯，實現波束內目標信息的解耦，實現波束內超分辨。
[0006]「時、空兩維隨機輻射場」是一個嶄新的概念，具備時間和空間上統計、獨立的隨機分布特徵。對於時域隨機，隨機輻射陣列發射的是隨機信號，提高了輻射場的時間維信息容量，增加了雷達回波所獲得的目標信息；對於空域隨機，各個陣元發射的信號之間在空間上非相干，形成若干個相位中心，這將增強波束內輻射場波前信息的差異性，使得成像系統具備了波束內的超分辨能力，因此，如何形成具備理想時空隨機特性的輻射場是微波關聯成像的關鍵。
[0007]影響時空兩維隨機輻射場的隨機特性因素主要包括雷達天線陣列的空間排布、陣列規模以及發射脈衝信號的形式、帶寬等。在基於浮空平臺的微波凝視關聯成像場景下，現有的雷達稀疏天線陣列技術需要大空間的天線排布，難以適應浮空平臺有限的空間限制，影響了微波輻射場的理想時空隨機特性，成像效果差，解析度低，限制了其在實際中的應用。
【發明內容】
[0008]本發明實施例的目的是提供一種基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統與成像方法，實現對目標的高質量、超分辨關聯成像。
[0009]本發明實施例的目的是通過以下技術方案實現的:[0010]一種基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統，包括浮空平臺、密集陣列天線輻射單元、隨機輻射場演算單元、接收單元以及關聯成像單元:
[0011]所述密集陣列天線輻射單元設置於所述浮空平臺，所述密集陣列天線輻射單元發射非相關、正交微波隨機信號，隨機輻射場演算單元得到所述微波脈衝信號在目標區域形成時、空兩維隨機特性的輻射場，目標區域中觀測目標的散射回波由所述接收單元接收，所述關聯成像單元將所述散射回波與所述輻射場進行關聯處理，得到觀測目標的反演成像。
[0012]一種基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像方法，包括:
[0013]根據密集陣列天線輻射單元發射非相關、正交微波隨機信號，通過隨機輻射場演算單元，獲得微波脈衝信號在目標區域形成時、空兩維隨機特性的輻射場；
[0014]將目標區域中觀測目標的散射回波與所述輻射場進行關聯處理，得到觀測目標的反演成像。
[0015]由上述本發明實施例提供的技術方案可以看出，利用浮空成像平臺的有限空間，採用大規模、密集天線陣列排布，從工程上實現了微波凝視關聯成像所需的、更為接近理想的時、空兩維隨機輻射場，聯合接收的目標散射回波和隨機輻射場樣本進行關聯成像，得到的目標成像效果更好，解析度更高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。
[0017]圖1為本發明實施例基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統的構成示意圖。
[0018]圖2為本發明實施例基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像方法的基本流程不意圖。
[0019]圖3為本發明實施例基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統應用示意圖。
[0020]圖4為本發明實施例基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統理想Gaussian隨機輻射場的不同時刻二維分布示意圖和輻射場的時間、空間相關函數示意圖。
[0021]圖5為本發明實施例基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統中微波凝視關聯成像仿真場景構型示意圖。
[0022]圖6為本發明實施例基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統中微波凝視關聯成像觀測區域目標後向散射係數分布圖示意圖。
[0023]圖7(a)和圖7(b)是本發明實施例基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統中在稀疏天線陣列陣元間距d=10 λ、陣元規模在6X6情況下，微波隨機輻射場Erad(t,r)不同時刻二維分布和輻射場的時間、空間相關函數示意圖。
[0024]圖8 (a)和圖8 (b)是本發明實施例基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統中在密集天線陣列陣元間距d= λ /2、陣元規模在100Χ 100情況下，微波隨機輻射場Erad(t,r)不同時刻二維分布和輻射場的時間、空間相關函數示意圖。[0025]圖9為本發明實施例基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像方法具體步驟流程圖。
[0026]圖10為本發明實施例基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統在稀疏陣列天線相鄰陣元間距d= 10λ、陣元規模在6X6情況下，對圖6目標的仿真成像結果。
[0027]圖11為本發明實施例基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統在密集陣列天線相鄰陣元間距d= λ/2、陣元規模在100X 100情況下，對圖6目標的仿真成像結果。
【具體實施方式】
[0028]下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明的保護範圍。
[0029]如圖1所示，本發明實施例提供一種基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統，包括浮空平臺11、密集陣列天線輻射單元12、隨機輻射場演算單元13、接收單元14以及關聯成像單元15:
[0030]密集陣列天線輻射單元12設置於浮空平臺11，密集陣列天線輻射單元12發射非相關、正交微波隨機信號，隨機輻射場演算單元13得到所述微波脈衝信號在目標區域形成時、空兩維隨機特性的輻射場，目標區域中觀測目標的散射回波由接收單元14接收，關聯成像單元15將所述散射回波與所述輻射場進行關聯處理，得到觀測目標的反演成像。
[0031]由上述本發明實施例提供的技術方案可以看出，利用浮空成像平臺的有限空間，採用大規模、密集天線陣列排布，從工程上實現了微波凝視關聯成像所需的、更為接近理想的時、空兩維隨機輻射場，聯合接收的目標散射回波和隨機輻射場樣本進行關聯成像，得到的目標成像效果更好，解析度更高。
[0032]可選的，浮空平臺11可以包括系留氣球或者懸浮飛艇等，所述密集陣列天線輻射單元可以設置於所述浮空平臺的下部或兩側。
[0033]具體的，密集陣列天線輻射單元12可以包括多個天線單元，構成具有一定規模、數量的密集天線陣列；所述天線單元以二維平面排列或以三維立體排列；所述天線單元相鄰間距(Κλ/2，其中λ表示微波隨機信號載波波長。接收單元14可以是接收機，採用高靈敏度、低噪聲係數的接收機。通常，一般接收機可以放置在天線陣列的中央位置，但不受此限制。
[0034]可見，浮空平臺用於搭載所述的密集陣列天線系統的各類浮空器，密集陣列天線輻射單元是由密集排布、一定規模的天線陣列單元構成，各單元輻射非相關、正交微波隨機信號，在目標區域形成微波凝視關聯成像所需的時、空兩維隨機性輻射場，該輻射場與觀測目標相互作用，形成散射回波信號，由高靈敏、低噪聲係數接收機接收，接收的回波採集數據和預先演算的微波輻射場通過關聯成像處理器處理，得到目標的反演成像。與稀疏天線陣列相比，在同樣雷達天線所佔面積裡，浮空平臺密集天線陣列包含有更多數量的天線輻射單元，所形成的不同時刻觀測目標區域輻射場觀測矩陣具備更接近理想的時空兩維隨機輻射場。[0035]隨機輻射場演算單元13具體用於:將所述目標區域被離散化為N個目標分辨單元，其中N=P * Q, P為目標區域的橫向分辨單元數，Q為目標區域的縱向分辨單元數。其中，rn為第η個目標分辨單元位置，η = I, 2,..., N, σ (rn)為目標分辨單元rn處後向散射係數；
[0036]總的成像觀測時間T劃分為M個觀測時刻，第m個採樣時刻為tm，目標區域中輻射場二維矩陣向量為:
【權利要求】
1.一種基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統，其特徵在於，包括浮空平臺、密集陣列天線輻射單元、隨機輻射場演算單元、接收單元以及關聯成像單元: 所述密集陣列天線輻射單元設置於所述浮空平臺，所述密集陣列天線輻射單元發射非相關、正交微波隨機信號，隨機輻射場演算單元得到所述微波脈衝信號在目標區域形成時、空兩維隨機特性的輻射場，目標區域中觀測目標的散射回波由所述接收單元接收，所述關聯成像單元將所述散射回波與所述輻射場進行關聯處理，得到觀測目標的反演成像。
2.根據權利要求1所述的基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統，其特徵在於，所述密集陣列天線輻射單元包括多個天線單元，所述天線單元以二維平面排列或以三維立體排列； 所述天線單元相鄰間距d〈 λ/2，其中λ表示微波隨機信號載波波長。
3.根據權利要求1或2所述的基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統，其特徵在於，所述目標區域被離散化為N個目標分辨單元，其中N=P * Q，P為目標區域的橫向分辨單元數，Q為目標區域的縱向分辨單元數。
4.根據權利要求1或2所述的基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像系統，其特徵在於，所述浮空平臺包括系留氣球或者懸浮飛艇，所述密集陣列天線輻射單元設置於所述浮空平臺的下部或兩側。
5.一種基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像方法，包括: 根據密集陣列天線輻射單元發射的非相關、正交微波隨機信號，得到微波脈衝信號在目標區域形成時、空兩維隨機特性的輻射場； 將目標區域中觀測目標的散射回波與所述輻射場進行關聯處理，得到觀測目標的反演成像。
6.根據權利要求5所述的基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像方法，其特徵在於，所述密集陣列天線輻射單元包括多個天線單元，所述天線單元以二維平面排列或以三維立體排列；所述天線單元相鄰間距d〈 λ/2，其中λ表示微波隨機信號載波波長。
7.根據權利要求6所述的基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像方法，其特徵在於，得到微波脈衝信號在目標區域形成時、空兩維隨機特性的輻射場，包括: 將所述目標區域被離散化為N個目標分辨單元，其中N=P * Q，P為目標區域的橫向分辨單元數，Q為目標區域的縱向分辨單元數，觀測目標後向散射係數向量矩陣為σ =[σ O1), σ (r2),...，σ (rN)]T,其中，rn 為第 η 個目標分辨單元位置,η = I, 2,..., N, σ (rn)為目標分辨單元rn處後向散射係數； 將總的成像觀測時間T劃分為M個觀測時刻，第m個採樣時刻為tm，目標區域中輻射場二維矩陣向量為:
8.根據權利要求7所述的基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像方法，其特徵在於，將目標區域中觀測目標的散射回波與所述輻射場進行關聯處理，得到觀測目標的反演成像，包括: 得到M個觀測時刻的M個散射回波的一維矩陣向量為Esca =[EsIt1), Esea (t2)，...，Esca(tM)]T，其中，位置在rs處的接收機接收散射回波:
9.根據權利要求8所述的基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像方法，其特徵在於， 基於正則化的抗噪微波凝視關聯成像算法為直接正則化算法或者迭代正則化算法。
10.根據權利要求9所述的基於浮空平臺密集陣列天線的微波凝視關聯成像方法，其特徵在於， 直接正則化算法包括=Tikhonov正則化算法或者截斷奇異值分解TSVD算法；迭代正則化算法包括:總變差TV正則化算法。
【文檔編號】G01S13/89GK103837873SQ201410098619
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月14日 優先權日:2014年3月14日
【發明者】郭圓月, 王東進, 陳衛東, 陸廣華, 陳暢, 田超 申請人:中國科學技術大學