本發(fā)明適屬于無線電領(lǐng)域，具體涉及一種近場雙站合成孔徑成像的方法。
背景技術(shù)：
：太赫茲波：太赫茲波(THzwaves)一般指頻率在0.1THz-10THz(波長為3mm-30μm)范圍內(nèi)的電磁波，其頻率范圍處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡的區(qū)域，具有獨(dú)特的物理特性和重要的研究價值。太赫茲成像：太赫茲成像是太赫茲波的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。基于太赫茲波的安全性、高分辨和穿透性等特點(diǎn)，太赫茲成像具有獨(dú)特的優(yōu)勢：相比紅外和光學(xué)成像，太赫茲成像可以穿透諸如衣物、木板和塑料等非極性材料：相比X射頻和微波成像，太赫茲成像往往能夠獲取更高空間分辨率的圖像：相比X射線成像，毫瓦量級功率的太赫茲成像一般認(rèn)為對人體無害。依據(jù)是否有太赫茲源，應(yīng)用于人體安檢的太赫茲成像技術(shù)可以分為主動式和被動式兩種。被動式成像利用輻射熱計探測人體發(fā)射的太赫茲波來形成人體表面圖像。由于人體輻射的太赫茲波非常微弱，被動式成像的成像結(jié)果往往對比度較低，圖像不夠清晰。而主動式成像則一般利用天線發(fā)射毫瓦級別的太赫茲波，太赫茲波穿透人體表面衣服，通過測量反射的太赫茲信號即可得到人體表面圖像。主動式成像不僅圖像對比度高，而且通過合成孔徑的方法，可以取得較高的方位向分辨率。主動式太赫茲成像技術(shù)可以用于機(jī)場、地鐵站等場所的近距離的人體安全檢測。雙站合成孔徑雷達(dá)：雙站合成孔徑雷達(dá)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分置于不同平臺上，其中發(fā)射機(jī)以一定脈沖重復(fù)頻率提供對待觀測區(qū)域的照射信號：接收機(jī)接收地面回波并完成成像處理等任務(wù)。與傳統(tǒng)單站合成孔徑雷達(dá)相比，雙站合成孔徑雷達(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)可以獲取豐富的信息傳統(tǒng)單站合成孔徑雷達(dá)由于工作方式的限制，只能獲取目標(biāo)的后向散射信號，雙站合成孔徑雷達(dá)由于收發(fā)分置，可以利用收發(fā)平臺獲取非后向散射信號進(jìn)行成像，其圖像所含信息不同于單站合成孔徑雷達(dá)圖像，有利于對成像目標(biāo)分類，識別。(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加靈活由于采用收發(fā)分置的方式，即發(fā)射機(jī)與接收機(jī)在各自獨(dú)立的軌道上，因此可以根據(jù)成像應(yīng)用的需要對發(fā)射機(jī)接收機(jī)分別進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)的靈活性高，適用范圍更加廣闊。由于雙站合成孔徑成像是典型的相參雷達(dá)，其成像的核心在于信號的相干處理，這就要求發(fā)射端本振信號源以及接收端本振信號源必須滿足相位同步，否則會嚴(yán)重影響成像處理的結(jié)果甚至無法成像。由于雙站設(shè)置時太赫茲發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分別采用彼此獨(dú)立的本振信號源，因此保持相位同步非常困難?，F(xiàn)有文獻(xiàn)大多是基于遠(yuǎn)場假設(shè)對雙站合成孔徑成像系統(tǒng)的相位同步問題進(jìn)行了研究，而對近場雙站合成孔徑成像系統(tǒng)的相位同步問題尚未有系統(tǒng)研究。此外，遠(yuǎn)場條件使得回波建模都基于平面波假設(shè)，而近場時波前是球面波，適用于遠(yuǎn)場的同步方法并不適用于近場情況，因此需要對近場場景下的太赫茲非同步雙站合成孔徑進(jìn)行研究。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明是為了解決在近場的條件下，太赫茲波段的非同步雙站合成孔徑一維成像應(yīng)用中，發(fā)射端與接收端采用不同本振信號源時存在的非同步問題而進(jìn)行的，目的在于提供一種近場太赫茲雙站合成孔徑一維成像的方法，以解決雙站設(shè)置的太赫茲發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分別采用彼此獨(dú)立的本振信號源難以保持相位同步的問題。本發(fā)明提供了一種近場太赫茲雙站合成孔徑一維成像的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一，對近場成像場景中的目標(biāo)點(diǎn)s、發(fā)射機(jī)T、回波接收機(jī)A、參考接收機(jī)B的位置分別進(jìn)行設(shè)置；步驟二，回波接收機(jī)A對來自發(fā)射機(jī)T發(fā)射的單點(diǎn)頻實信號經(jīng)目標(biāo)點(diǎn)s散射后的信號進(jìn)行采集得到回波實信號，參考接收機(jī)B對來自發(fā)射機(jī)T發(fā)射的單點(diǎn)頻實信號直接進(jìn)行采集得到參考實信號；步驟三，回波接收機(jī)A接收端接收回波實信號后進(jìn)行載頻混頻處理后得到回波中頻實信號并輸出，參考接收機(jī)B接收端接收參考實信號后進(jìn)行載頻混頻處理后得到參考中頻實信號并輸出；步驟四，利用Hilbert變換，將步驟三中的回波中頻實信號和參考中頻實信號分別變換為回波中頻復(fù)信號和參考中頻復(fù)信號；步驟五，將步驟四中的回波中頻復(fù)信號和參考中頻復(fù)信號進(jìn)行混頻得到混頻信號；步驟六，利用相位因子補(bǔ)償法對步驟五中的混頻信號進(jìn)行校正后得到波數(shù)域信號，將該波數(shù)域信號映射到空間域中進(jìn)行計算后得到目標(biāo)點(diǎn)估計散射系數(shù)的一維函數(shù)表達(dá)式，完成一維成像。在本發(fā)明提供的雙站合成孔徑一維成像的方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟一中場景位置設(shè)置具體為：目標(biāo)點(diǎn)s坐標(biāo)為s(xs,0)，發(fā)射機(jī)T固定在坐標(biāo)(xt,zt)，回波接收機(jī)A的接收天線沿著直線路徑運(yùn)動，該直線到目標(biāo)點(diǎn)s的垂直距離為R0，回波接收機(jī)A一個采樣位置的坐標(biāo)為(xa,R0)，參考接收機(jī)B的位置是隨機(jī)的，坐標(biāo)為(xb,zb)。另外，在本發(fā)明提供的雙站合成孔徑一維成像的方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟二中發(fā)射機(jī)T在t時刻發(fā)射單點(diǎn)頻實信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：回波實信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中，Rt(xs)是(xs,0)處目標(biāo)點(diǎn)s與發(fā)射機(jī)的距離，Rr(xa,xs)是目標(biāo)點(diǎn)s與回波接收機(jī)A的距離，f(xs)為目標(biāo)點(diǎn)s的散射系數(shù)，f1為發(fā)射端載波頻率，為發(fā)射端本振的初始相位。另外，在本發(fā)明提供的雙站合成孔徑一維成像的方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟三中回波中頻實信號數(shù)學(xué)表達(dá)式為：參考中頻實信號數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Rref=(xt-xb)2+(zt-zb)2]]>其中,f0是中頻頻率，f0＝f1-f2，為接收端本振初始相位，Rref是發(fā)射機(jī)T與參考接收機(jī)B的距離；為參考接收機(jī)B本振的初始相位，f1為發(fā)射端載波頻率，為發(fā)射端本振的初始相位。另外，在本發(fā)明提供的雙站合成孔徑一維成像的方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟四中回波中頻復(fù)信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：參考中頻復(fù)信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Rref=(xt-xb)2+(zt-zb)2]]>其中，Rref是發(fā)射機(jī)T與參考接收機(jī)B的距離；為參考接收機(jī)本振的初始相位；另外，在本發(fā)明提供的雙站合成孔徑一維成像的方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟六中目標(biāo)點(diǎn)估計散射系數(shù)的一維函數(shù)表達(dá)式為：f^(xs)=∫s5(kx)ej(kxxs-kxtxt2+zt2xs)dkx.]]>發(fā)明的作用與效果根據(jù)本發(fā)明所涉及的雙站合成孔徑一維成像的方法，采用固定發(fā)射機(jī)，并增加一路參考接收機(jī)的裝置結(jié)構(gòu)，利用增加的這一路參考接收信號與回波接收機(jī)的回波信號進(jìn)行混頻處理的方式消除由于發(fā)射端本振與回波接收端本振分置而產(chǎn)生的相位誤差，提高了成像的質(zhì)量。附圖說明圖1是本發(fā)明的實施例中近場太赫茲非同步雙站合成孔徑成像示意圖；圖2是本發(fā)明的實施例中近場太赫茲非同步雙站合成孔徑一維成像實現(xiàn)原理圖；以及圖3是本發(fā)明的實施例中兩個相距2.5cm強(qiáng)散射目標(biāo)實驗結(jié)果與模擬仿真結(jié)果示意圖。具體實施方式為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，以下實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明所涉及的近場太赫茲雙站合成孔徑一維成像的方法作具體闡述。實施例步驟一，對近場成像場景中的目標(biāo)點(diǎn)s、發(fā)射機(jī)T、回波接收機(jī)A、參考接收機(jī)B的位置分別進(jìn)行設(shè)置。圖1是本發(fā)明的實施例中近場太赫茲非同步雙站合成孔徑成像示意圖。如圖1所示，發(fā)射機(jī)T固定在面對目標(biāo)平面的位置(xt,zt)，設(shè)其波束范圍始終覆蓋接收機(jī)的波數(shù)范圍，回波接收機(jī)A沿著直線路徑運(yùn)動，該直線到目標(biāo)點(diǎn)s的垂直距離為R0，參考接收機(jī)B位于隨機(jī)位置(xb,zb)?；夭ń邮諜C(jī)A的一個采樣位置坐標(biāo)為(xa,R0)，從發(fā)射機(jī)T到目標(biāo)點(diǎn)s(xs,0)的距離為從目標(biāo)點(diǎn)s(xs,0)到回波接收機(jī)A的距離為表1參數(shù)表如表1所示的參數(shù)設(shè)置，在目標(biāo)測繪平面上設(shè)置兩個豎直擺放的水平寬度為4cm的兩個金屬板。這兩個金屬板沿X方向的距離為2.5cm。觀測平面與目標(biāo)測繪平面的最短距離為R0＝34cm。將發(fā)射機(jī)T的坐標(biāo)位置固定在(8cm,34cm)，回波接收機(jī)A在零時刻位置坐標(biāo)為(-8cm,34cm)，參考接收機(jī)B的位置坐標(biāo)為(8cm,0cm)。圖2是本發(fā)明的實施例中近場太赫茲非同步雙站合成孔徑一維成像實現(xiàn)原理圖。如圖2所示，發(fā)射端與接收端采用不同本振信號源。如表1所示，設(shè)置發(fā)射端本振信號源頻率為15.3GHz。經(jīng)過12倍倍頻鏈路得到發(fā)射端載波頻率f1＝184GHz；接收端本振信號源頻率為15.25GHz，經(jīng)過12倍倍頻鏈路得到回波接收端本地載頻f2＝183GHz。步驟二，回波接收機(jī)A對來自發(fā)射機(jī)T發(fā)射的單點(diǎn)頻實信號經(jīng)目標(biāo)點(diǎn)s散射后的信號進(jìn)行采集得到回波實信號，參考接收機(jī)B對來自發(fā)射機(jī)T發(fā)射的單點(diǎn)頻實信號直接進(jìn)行采集得到參考實信號。發(fā)射機(jī)T在t時刻發(fā)射單點(diǎn)頻實信號形式為：其中f1為發(fā)射端載波頻率，為發(fā)射端本振的初始相位。發(fā)射信號經(jīng)位于(xs,0)處的點(diǎn)目標(biāo)散射點(diǎn)s散射后，回波接收機(jī)A接收到的信號為：其中Rt(xs)是(xs,0)處目標(biāo)點(diǎn)s與發(fā)射機(jī)T的距離，Rr(xa,xs)是目標(biāo)散射點(diǎn)與回波接收機(jī)A的距離，f(xs)為目標(biāo)散射點(diǎn)s的散射系數(shù)。步驟三，回波接收機(jī)A接收端接收回波實信號后進(jìn)行載頻混頻處理后得到回波中頻實信號并輸出，參考接收機(jī)B接收端接收參考實信號后進(jìn)行載頻混頻處理后得到參考中頻實信號并輸出；經(jīng)過接收端本地載頻混頻處理后，回波接收機(jī)A的中頻輸出信號為其中f0是中頻頻率，f0＝f1-f2，為接收端本振初始相位同理其參考接收機(jī)B的中頻輸出信號為：Rref=(xt-xb)2+(zt-zb)2]]>其中Rref是發(fā)射機(jī)T與參考接收機(jī)B的距離；為參考接收機(jī)B本振的初始相位，該本振與回波接收通道本振同源，通過相位平衡功分器分路實現(xiàn)，因此初始相位可認(rèn)為是相同。步驟四，利用Hilbert變換，將步驟三中的回波中頻實信號和參考中頻實信號分別變換為回波中頻復(fù)信號和參考中頻復(fù)信號。為了正確提取相位信息中目標(biāo)坐標(biāo)信息而實現(xiàn)成像，同時避免實信號直接提取相位時存在的相位模糊，采用Hilbert變換將實信號轉(zhuǎn)為復(fù)信號并進(jìn)行混頻處理，消除由于發(fā)射端本振和接收端本振初始相位不同引起的非同步相位誤差。根據(jù)各個通道獲取的實信號，構(gòu)建出對應(yīng)的正交分量作為虛部，進(jìn)而構(gòu)成其復(fù)信號。則回波接收機(jī)中頻輸出信號的復(fù)信號形式為：參考接收機(jī)中頻輸出信號的復(fù)信號形式為：其中，步驟五，將步驟四中的回波中頻復(fù)信號和參考中頻復(fù)信號進(jìn)行混頻得到混頻信號。對于合成孔徑成像系統(tǒng)來說，其對相位精度的要求很高，若直接基于s2(xa,t)信號進(jìn)行目標(biāo)信息的提取，初始相位誤差的存在，不僅會影響成像偏差，嚴(yán)重時更會引起成像質(zhì)量下降或根本無法完成方位向孔徑合成。因此利用回波接收機(jī)與參考接收機(jī)的中頻輸出信號進(jìn)行混頻消除初始相位即：s3(xa)=s2(xa,t)sref*(t)=∫f(xs)ej2πf0(Rref-((xs-xt)2+(-zt)2+(xa-xs)2+R02)c)dxs=∫f(xs)ejk(xt-xb)2+(zt-zb)2-jk((xs-xt)2+(-zt)2)-jk((xa-xs)2+R02)dxs]]>其中表示波數(shù)；(·)*是共軛操作。步驟六，利用相位因子補(bǔ)償法對步驟五中的混頻信號進(jìn)行校正后得到波數(shù)域信號，將該波數(shù)域信號映射到空間域中進(jìn)行計算后得到目標(biāo)點(diǎn)估計散射系數(shù)的一維函數(shù)表達(dá)式，完成一維成像。進(jìn)行相位補(bǔ)償處理，獲取目標(biāo)散射點(diǎn)的散射系數(shù)估計值，步驟包括：混頻信號s3(xa)的三個指數(shù)相位項中，第一個指數(shù)項與成像目標(biāo)坐標(biāo)無關(guān)，只與參考接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的距離有關(guān)，可以直接利用對應(yīng)的相位補(bǔ)償因子進(jìn)行校正，從而消除此項的影響。第二個指數(shù)項僅與目標(biāo)散射點(diǎn)橫坐標(biāo)xs相關(guān)。令g(xs)=(xs-xt)2+(-zt)2]]>將上式在xs＝0處進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，可得：g(xs)=xt2+zt2-xtxt2+zt2xs+o(xs2)]]>其中為佩亞諾余項。第三個指數(shù)項與回波接收機(jī)以及目標(biāo)散射點(diǎn)坐標(biāo)相關(guān)，其值隨回波接收機(jī)和目標(biāo)散射點(diǎn)相對位置的變化而發(fā)生變化?？衫民v定相位定理對其進(jìn)行化簡。其對應(yīng)駐定相位定理的形式為：φ(xa,xs)=-k((xa-xs)2+R02)-kxxa]]>其中kx為X方向上波數(shù)域頻率分量。利用函數(shù)φ(xa,xs)的一階偏導(dǎo)求得駐點(diǎn)，即時得到相應(yīng)的駐點(diǎn)為：則混頻信號的一維波數(shù)域形式為：s4(kx)=∫s3(xa)e-jkxxadxa=∫f(xs)(∫ejkRref-jk(xt2+zt2-xtxt2+zt2xs)-jkxxs-jkk2-kx2R0dxa)dxs]]>補(bǔ)償距離維方向上的相位偏移。s5(kx)=s4(kx)e-jkRref+jkxt2+zt2+jk2+kx2R0=∫f(xs)(∫ej(kxtxt2+zt2xs-kxxs)dxa)dxs]]>將上述相位補(bǔ)償后的波數(shù)域信號映射到空間域中，目標(biāo)散射點(diǎn)的估計散射系數(shù)表示為f^(xs)=∫s5(kx)ej(kxxs-kxtxt2+zt2xs)dkx]]>從而實現(xiàn)了從目標(biāo)回波信號重構(gòu)出目標(biāo)散射特性的功能，完成一維成像。圖3是本發(fā)明的實施例中兩個相距2.5cm強(qiáng)散射目標(biāo)實驗結(jié)果與模擬仿真結(jié)果示意圖。圖3所示為兩個相距2.5cm的金屬板(金屬板寬度均為4cm)實驗結(jié)果圖與模擬仿真結(jié)果圖，一維仿真(圖中實線曲線)和實驗結(jié)果(圖中虛線曲線)均能正確估計出金屬板的寬度和間隔，實現(xiàn)一維成像。通過本發(fā)明具體的實施方式，以及實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比可以看出，本發(fā)明在一維成像場景中解決了近場太赫茲非同步雙站合成孔徑成像系統(tǒng)中相位非同步的問題。實施例的作用與效果根據(jù)本實施例所涉及的雙站合成孔徑一維成像的方法，采用固定發(fā)射機(jī)，并增加一路參考接收機(jī)的裝置結(jié)構(gòu)，利用增加的這一路參考接收信號與回波接收機(jī)的回波信號進(jìn)行混頻處理的方式消除由于發(fā)射端本振與回波接收端本振分置而產(chǎn)生的相位誤差，提高了成像的質(zhì)量。根據(jù)本實施例所提供的兩個相距2.5cm的金屬板(金屬板寬度均為4cm)實驗結(jié)果圖與模擬仿真結(jié)果圖，一維仿真和實驗結(jié)果均能正確估計出金屬板的寬度和間隔，實現(xiàn)一維成像。通過本發(fā)明具體的實施方式以及實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比可以看出，本發(fā)明在一維成像場景中解決了近場太赫茲非同步雙站合成孔徑成像系統(tǒng)中相位非同步的問題。上述實施方式為本發(fā)明的優(yōu)選案例，并不用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3