本發(fā)明涉及一種高效的時(shí)間反演成像技術(shù)，屬于微波成像領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
：

微波成像是指以微波作為信息載體的一種成像手段，其原理是用微波照射被測物體，然后通過物體外部散射場的測量值來重構(gòu)物體的形狀或(復(fù))介電常數(shù)分布。微波成像的算法很多，但由于散射場和散射體之間的非線性關(guān)系，以及電磁逆散射問題的解具有非唯一性和不穩(wěn)定性的特征，人們很難得到電磁逆散射問題的解析解；絕大多數(shù)情況下只能通過數(shù)值方法求解，而且只能從諸多解中選擇一個(gè)最優(yōu)的解作為最終解，這些解具有非唯一性、不穩(wěn)定性、非線性等特點(diǎn)。同時(shí)，這些方法有兩個(gè)難以避免的缺陷：

1)必須多站發(fā)多站收，并且一般都是多站包圍著目標(biāo)，這使得對未知目標(biāo)的成像幾乎無法進(jìn)行，特別是運(yùn)動的未知目標(biāo)，多站要求基本無法滿足。

2)沒有考慮周圍環(huán)境、多徑效應(yīng)等因素對目標(biāo)成像的影響，特別是目標(biāo)置于多個(gè)強(qiáng)散射體環(huán)境中，甚至目標(biāo)不在發(fā)射天線的視距范圍內(nèi)時(shí)。

時(shí)間反演具有空間聚焦和時(shí)間壓縮的雙重特性，即空時(shí)聚焦特性，這種空時(shí)聚焦特征不需要任何先驗(yàn)知識，對環(huán)境是自適應(yīng)的，能利用信道的多徑效應(yīng)擴(kuò)大接收陣列有效口徑，提取有用信號進(jìn)行成像，克服了上述算法的兩個(gè)缺陷，但又帶來新的問題：

(1)空空多態(tài)響應(yīng)矩陣在傳統(tǒng)的時(shí)間反演成像中起著十分關(guān)鍵的作用，但獲取空空多態(tài)響應(yīng)矩陣相當(dāng)繁復(fù)，需要時(shí)間反演陣列的每個(gè)天線單元依次向探測區(qū)域發(fā)射電磁波，所有天線單元接收目標(biāo)的反射回波信號并存儲。因此，目標(biāo)聚焦的實(shí)時(shí)性很難得到滿足，也不能實(shí)現(xiàn)主動源目標(biāo)及被動散射其它入射信號的被動源目標(biāo)的聚焦成像，當(dāng)然更不能實(shí)現(xiàn)對快速移動目標(biāo)的聚焦成像。

(2)在每一頻點(diǎn)，通過奇異值分解空-空多態(tài)響應(yīng)矩陣獲取回傳向量會產(chǎn)生依賴于頻率的隨機(jī)相位，進(jìn)行傅里葉逆變換后得到回傳信號波形將會隨之改變，每個(gè)天線單元發(fā)射的回傳信號將不會在目標(biāo)處實(shí)現(xiàn)相干疊加，影響成像精度。如果傳輸媒質(zhì)為隨機(jī)媒質(zhì)，媒質(zhì)的介電常數(shù)振蕩劇烈，使得產(chǎn)生的隨機(jī)相位劇烈變化，這一現(xiàn)象變得更加突出，甚至?xí)崛〔怀稣５臅r(shí)間反演信號。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，本發(fā)明的目的是提供一種高效的時(shí)間反演成像方法，基于空頻分解的時(shí)間反演成像，克服傳統(tǒng)時(shí)間反演成像算法的缺陷。

本發(fā)明的目的是通過如下的手段實(shí)現(xiàn)的：

一種高效時(shí)間反演成像方法，使用超寬帶天線陣列采集非合作目標(biāo)散射的時(shí)域信號，通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換成頻域信號，建立頻域空頻多態(tài)響應(yīng)矩陣，奇異值分解頻域空頻多態(tài)響應(yīng)矩陣得到信號子空間與噪聲子空間向量；采用下面兩個(gè)點(diǎn)之一為目標(biāo)聚焦成像位置實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的選擇性聚焦成像：1)信號子空間向量與探測區(qū)域內(nèi)場點(diǎn)所對應(yīng)的背景格林函數(shù)向量的內(nèi)積達(dá)到最大處；2)噪聲子空間向量與探測區(qū)域內(nèi)場點(diǎn)所對應(yīng)的背景格林函數(shù)向量的共軛內(nèi)積正交，即向量的內(nèi)積為零處。

利用向量相鄰單元相位差波動累加值作為衡量該向量屬于信號子空間還是噪聲子空間的依據(jù)，確定非合作目標(biāo)的個(gè)數(shù)。

本發(fā)明方法使用超寬帶天線陣列采集非合作目標(biāo)散射的時(shí)域信號，通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換成頻域信號，建立頻域空頻多態(tài)響應(yīng)矩陣，奇異值分解該矩陣得到信號子空間與噪聲子空間向量。信號子空間向量與探測區(qū)域內(nèi)場點(diǎn)所對應(yīng)的背景格林函數(shù)向量的內(nèi)積在目標(biāo)點(diǎn)位置處達(dá)到最大，利用這一特性可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的選擇性聚焦成像；噪聲子空間向量與探測區(qū)域內(nèi)場點(diǎn)所對應(yīng)的背景格林函數(shù)向量的共軛內(nèi)積在目標(biāo)點(diǎn)位置處相互正交，即向量的內(nèi)積為零，利用這一特性同樣可以完成對目標(biāo)的選擇性聚焦成像。

傳統(tǒng)的時(shí)間反演成像技術(shù)，需要時(shí)間反演天線陣列的每個(gè)天線單元依次向探測區(qū)域發(fā)射電磁波，所有天線單元接收目標(biāo)的反射回波信號并存儲，建立空空多態(tài)響應(yīng)矩陣。因此，目標(biāo)聚焦的實(shí)時(shí)性很難得到滿足，也不能實(shí)現(xiàn)主動源目標(biāo)及被動散射其它入射信號的被動源目標(biāo)的聚焦成像，當(dāng)然更不能實(shí)現(xiàn)對快速移動目標(biāo)的聚焦成像。

采用本發(fā)明方法，只需要天線陣列采集的一次散射場數(shù)據(jù)，即可建立空頻多態(tài)響應(yīng)矩陣，既能實(shí)現(xiàn)主動源目標(biāo)及被動散射其它入射信號的被動源目標(biāo)的聚焦成像，也能實(shí)現(xiàn)快速移動目標(biāo)的聚焦成像，成像對象范圍廣，成像效率高，既能實(shí)現(xiàn)主動源目標(biāo)及被動散射其它入射信號的被動源目標(biāo)的聚焦成像，也能實(shí)現(xiàn)快速移動目標(biāo)的聚焦成像，時(shí)間反演回傳向量不會產(chǎn)生依賴于頻率的隨機(jī)相位，成像效率、準(zhǔn)確性、可靠性、抗干擾能力等均很高，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1天線陣列與目標(biāo)設(shè)置示意圖。

圖2散射波到達(dá)天線陣列示意圖。

圖3相位差波動累加值分。

圖4本發(fā)明方法利用信號子空間向量對目標(biāo)成像結(jié)果，(a)目標(biāo)T1的成像結(jié)果(b)目標(biāo)T2的成像結(jié)果。本發(fā)明具體實(shí)施時(shí)在探測區(qū)域內(nèi)設(shè)置了T1與T2兩個(gè)目標(biāo)，即P＝2。

圖5傳統(tǒng)的TD-DORT方法利用信號子空間向量對目標(biāo)成像結(jié)果，(a)目標(biāo)T1的成像結(jié)果；(b)目標(biāo)T2的成像結(jié)果。

圖6本發(fā)明方法利用噪聲子空間向量對目標(biāo)成像。

圖7傳統(tǒng)的UWB-MUSIC方法利用噪聲子空間向量對目標(biāo)成像。

具體實(shí)施方式

如圖1,探測區(qū)域內(nèi)包含P個(gè)散射體目標(biāo)，在探測區(qū)域的一側(cè)設(shè)置N個(gè)收發(fā)合置的天線，組成時(shí)間反演天線陣列，且P<N。任取一個(gè)天線單元發(fā)射時(shí)域探測信號，所有天線單元接收非合作目標(biāo)反射的回波信號，對每個(gè)天線單元接收的時(shí)域信號k_n(t),n＝1,2,…,N進(jìn)行傅里葉變換，得到頻域信號k_n(ω),n＝1,2,…,N，進(jìn)而得到空頻多態(tài)響應(yīng)矩陣：

矩陣K的第n行與第n個(gè)天線單元的接收信號相對應(yīng)，為第n個(gè)天線單元采集的時(shí)域信號通過傅里葉變換后的頻域離散值。奇異值分解矩陣K，即K＝UΛV^H。U是一個(gè)N×N階的左奇異向量矩陣，V是一個(gè)M×M階的右奇異向量矩陣，Λ是一個(gè)N×M階的實(shí)對稱奇異值矩陣。通過上式，矩陣K也看作為頻域信源到接收天線空間位置的一種映射，當(dāng)p≤P時(shí)，U_p表示U矩陣的第p列左奇異向量，對應(yīng)第p個(gè)目標(biāo)，含有天線陣列與第p個(gè)目標(biāo)的空域信息，反映天線陣列與第p個(gè)目標(biāo)位置的空間關(guān)系；V_i是M×1階的右奇異向量，V_i包含有接收信號的頻域信息。

左奇異向量矩陣U中，與P個(gè)較大奇異值相對應(yīng)的向量U_p,p＝1,2,…P可展成信號子空間，余下的(N-P)個(gè)與較小奇異值相對應(yīng)的向量展成噪聲子空間，噪聲子空間向量與信號子空間向量相互正交。

由于目標(biāo)個(gè)數(shù)未知，信號子空間向量的個(gè)數(shù)也未可知。如圖2所示，天線陣列相鄰兩天線單元的間距均為d，目標(biāo)處于天線陣列的遠(yuǎn)場區(qū)域，散射波到達(dá)天線陣列時(shí)可近視看作為平行波束，且與天線陣列的夾角為θ。對某一波數(shù)為k的單一頻點(diǎn)信號而言，相鄰天線接收信號的相位差為kd cos(θ)。設(shè)為相鄰第n與第(n+1)個(gè)天線單元接收信號的相位差，相位差的平均值為表示，每個(gè)相位差相對平均值的偏離用表示，則得到相鄰天線單元相位差波動累加值：

如果上式累加值較小，則對應(yīng)信號來源于一個(gè)真實(shí)目標(biāo)的散射，否則，該信號可當(dāng)作噪聲。當(dāng)目標(biāo)位于天線陣列的無窮遠(yuǎn)處時(shí)，累加值趨近于零。既然U_p,p≤P反映天線陣列與目標(biāo)的空間關(guān)系，將其相鄰分量的相位差代入上式，得到的累加值將較小，而U_p,p＞P為噪聲子空間向量，其對應(yīng)累加值較大，以此作為判別該列向量是否屬于信號子空間的依據(jù)。

設(shè)任意搜索點(diǎn)r的背景格林函數(shù)向量為g(r,ω)，既然信號子空間向量U_p的幅度與相位反映了天線陣列與第p個(gè)目標(biāo)位置的空間關(guān)系，信號子空間向量與探測區(qū)域內(nèi)場點(diǎn)所對應(yīng)的背景格林函數(shù)向量的內(nèi)積在目標(biāo)點(diǎn)位置處達(dá)到最大，利用U_p及探測頻域信號S(ω)，得到第p個(gè)目標(biāo)成像偽譜為：

Ω為信號帶寬。成像偽譜中未出現(xiàn)依賴于頻率的隨機(jī)相位，不會影響成像精度。又由于噪聲子空間向量與探測區(qū)域內(nèi)場點(diǎn)所對應(yīng)的背景格林函數(shù)向量的共軛內(nèi)積在目標(biāo)點(diǎn)位置處相互正交，即向量的內(nèi)積為零，因此，當(dāng)搜索點(diǎn)r剛好與第p個(gè)目標(biāo)位置重合，g(r_p,ω)與左奇異向量矩陣U的(N-P)個(gè)噪聲子空間向量正交，得到所有目標(biāo)的成像偽譜為：

如圖1所示，沿x軸放置包含7個(gè)理想天線單元的時(shí)間反演天線陣列，天線單元的間隔為0.3m，中心天線單元位于(1.5m,0m)處，探測區(qū)域?yàn)?m×3m 的二維空間，設(shè)置兩個(gè)PEC點(diǎn)目標(biāo)分別置于T1(0.9m,1.2m)和T2(1.8m,2.0m)，即P＝2，探測信號為中心頻率是500MHz高斯脈沖波，在接收的回波信號中疊加信噪比為10dB的白噪聲。求取累加值如圖3所示，圖中有兩個(gè)累加值明顯小于其它值，說明探測區(qū)域內(nèi)有兩個(gè)目標(biāo)。本發(fā)明方法利用信號子空間向量對兩個(gè)目標(biāo)的成像結(jié)果如圖4所示；利用噪聲子空間向量對兩個(gè)目標(biāo)的成像結(jié)果如圖6所示。為了對比本發(fā)明方法成像的精確度，同時(shí)展示傳統(tǒng)方法的成像結(jié)果。傳統(tǒng)成像方法要求所有天線單元依次發(fā)射探測信號，天線陣列記錄目標(biāo)的散射回波，傳統(tǒng)TD-DORT利用信號子空間向量對兩個(gè)目標(biāo)的成像結(jié)果如圖5所示；傳統(tǒng)UWB-MUSIC方法利用噪聲子空間向量對兩個(gè)目標(biāo)的成像結(jié)果如圖7所示；由于依賴于頻率的隨機(jī)相位的影響，傳統(tǒng)TD-DORT方法對目標(biāo)T2的成像區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)許多雜斑，影響成像效果，傳統(tǒng)UWB-MUSIC方法對目標(biāo)T2的成像基本失敗。

由成像結(jié)果可知，本發(fā)明方法利用信號子空間向量成像時(shí)，具有較強(qiáng)的抗噪聲能力；利用噪聲子空間向量成像時(shí)，具有較好的成像分辨率。在實(shí)際應(yīng)用中，如果環(huán)境噪聲較小，可以選擇噪聲子空間向量成像，否則，如果環(huán)境噪聲較大，只能選擇信號子空間向量成像，成像分辨率會降低，但仍優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。