本發(fā)明涉及天線設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種單發(fā)射天線的雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像方法。
背景技術(shù)：
關(guān)聯(lián)成像，又稱鬼成像，是利用量子糾纏現(xiàn)象發(fā)展起來(lái)的一種新型成像技術(shù)。鬼成像的發(fā)展先后經(jīng)歷了糾纏雙光子鬼成像、贗熱光鬼成像、真熱光鬼成像、反射光鬼成像和計(jì)算鬼成像等階段。1995年，馬里蘭大學(xué)史硯華小組首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于糾纏雙光子對(duì)的鬼成像。2006年，scarcelli等人利用經(jīng)典的贗熱光源實(shí)現(xiàn)了無(wú)透鏡熱光鬼成像。隨后吳令安小組利用銣空心陰極電子管作為光源實(shí)現(xiàn)了真熱光鬼成像。
雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像技術(shù)是從光學(xué)鬼成像技術(shù)發(fā)展而來(lái)，是利用時(shí)空獨(dú)立隨機(jī)分布的微波輻射場(chǎng)進(jìn)行成像的一種新型成像體制。在雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像中，隨機(jī)輻射場(chǎng)通過(guò)計(jì)算得到，可以通過(guò)合理設(shè)置發(fā)射源(一個(gè)發(fā)射天線為一個(gè)微波子源，每個(gè)子源與其他子源都是相互獨(dú)立的，每個(gè)子源發(fā)射信號(hào)在時(shí)間上也是獨(dú)立同分布的)得到具有高分辨率的時(shí)空兩維獨(dú)立隨機(jī)輻射場(chǎng)；散射回波信號(hào)為一時(shí)間序列信號(hào)，包含目標(biāo)信息但沒(méi)有空間分辨率，通過(guò)隨機(jī)輻射場(chǎng)與散射回波信號(hào)的關(guān)聯(lián)處理得到清晰目標(biāo)像。雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像分辨率取決于輻射源的分布特性，足夠大的照射/輻射源是高分辨率成像的基礎(chǔ)。
雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像發(fā)射陣列配置雖與傳統(tǒng)成像雷達(dá)相似，但其成像過(guò)程和體制是完全不同的。首先，單個(gè)發(fā)射天線是無(wú)法進(jìn)行關(guān)聯(lián)成像的，為達(dá)到較好的對(duì)比度，對(duì)于一維均勻天線陣，要求具有至少8個(gè)以上發(fā)射陣元且各陣元的發(fā)射信號(hào)時(shí)空兩維獨(dú)立隨機(jī)的；其次，需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多次照射，通過(guò)接收散射回波與輻射場(chǎng)作信息關(guān)聯(lián)處理把目標(biāo)的像反演出來(lái)。
現(xiàn)有的雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像技術(shù)受限于輻射源的大小和各陣元發(fā)射信號(hào)間的時(shí)空不相關(guān)性，因此對(duì)設(shè)備場(chǎng)地以及發(fā)射天線饋電要求較高，成本巨大。此外，通過(guò)增加發(fā)射陣元來(lái)提高時(shí)空不相關(guān)性，將導(dǎo)致探測(cè)距離大大縮減。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是要解決目前雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像利用大規(guī)模發(fā)射陣列來(lái)獲取隨機(jī)輻射場(chǎng)，對(duì)場(chǎng)地和發(fā)射陣列饋電網(wǎng)絡(luò)要求復(fù)雜的問(wèn)題，提出一種單發(fā)射體制的雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像方法，來(lái)降低發(fā)射系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本，保證探測(cè)距離的同時(shí)并能夠使關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)同時(shí)具備對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量的功能。
本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
一種單發(fā)射體制的雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像方法，該方法包括：
(1)以獲取探測(cè)精度最高為準(zhǔn)則，獲取超材料反射板尺寸、各散射單元間距、數(shù)量以及排布形狀；獲得散射單元分布探測(cè)精度最高的排布方式；
(2)利用hfss軟件對(duì)超材料反射板進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)并制作能夠?qū)Πl(fā)射信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制的超材料調(diào)制反射板；
(3)實(shí)現(xiàn)單發(fā)射天線的雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像裝置包括發(fā)射天線、調(diào)制反射板、成像目標(biāo)、接收天線、數(shù)據(jù)處理器。發(fā)射天線發(fā)射出的電磁波信號(hào)經(jīng)調(diào)制反射板隨機(jī)調(diào)制照射到成像目標(biāo)上，經(jīng)目標(biāo)散射后散射回波被接收天線接收；數(shù)據(jù)處理器用于對(duì)計(jì)算得到輻射場(chǎng)與接收到的散射回波進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理得到目標(biāo)的像?；趩伟l(fā)射天線的雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高質(zhì)量、高分辨率和遠(yuǎn)距離成像。
以散射單元分布獲取探測(cè)精度最高為準(zhǔn)則獲取排布方式的步驟包括：
根據(jù)獲取的反射板尺寸、散射單元最小間距以及數(shù)量，在發(fā)射天線位置處選定坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，根據(jù)電磁波傳播特性，利用二階關(guān)聯(lián)法推導(dǎo)出照射在目標(biāo)上的散斑大小表達(dá)式，根據(jù)獲取散斑最小即探測(cè)精度最高的排布方式作為最終結(jié)果。
利用hfss軟件對(duì)探測(cè)精度最高的排布方式的超材料反射板進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)控制電路并加工制作方形反射板，反射板上散射單元排布為方形、圓形或隨機(jī)排列。
利用調(diào)制反射板對(duì)單發(fā)射天線發(fā)射出的電磁波信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制，構(gòu)建時(shí)空獨(dú)立隨機(jī)分布的電磁波信號(hào)照射目標(biāo)，在目標(biāo)區(qū)域形成具有隨機(jī)漲落特性的輻射場(chǎng)。利用已知的反射板調(diào)制函數(shù)計(jì)算出目標(biāo)區(qū)域的輻射場(chǎng)，接收被目標(biāo)散射形成的散射回波信號(hào)，與輻射場(chǎng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理獲得目標(biāo)像。
本發(fā)明具有的有益技術(shù)效果是：
(1)單一發(fā)射天線，與現(xiàn)有的雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像發(fā)射系統(tǒng)相比，不需要大規(guī)模發(fā)射天線組陣，避免各陣元發(fā)射信號(hào)間存在相關(guān)性引起成像誤差；
(2)成本低，單發(fā)射天線對(duì)場(chǎng)地需求減少帶來(lái)的是建造成本的降低，且不需要建造新雷達(dá)，只需對(duì)現(xiàn)有雷達(dá)接收機(jī)數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行改造即可；
(3)具有跟蹤測(cè)量功能，與現(xiàn)有的雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像技術(shù)相比，單發(fā)射體制既可以進(jìn)行成像，又可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測(cè)量，獲取目標(biāo)更精細(xì)信息。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明一種單發(fā)射體制的雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像方法的示意圖；
圖2為本發(fā)明的流程圖；
圖3為本發(fā)明調(diào)制反射板正方形下均勻排布分布圖；
圖4為關(guān)聯(lián)成像算法仿真結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明的基本思想是將調(diào)制反射板引入雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單一發(fā)射天線進(jìn)行雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種單發(fā)射體制的雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像方法的流程圖。如圖2所示，該方法主要包括如下步驟：
步驟a、利用發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)激勵(lì)調(diào)制反射板，以達(dá)到對(duì)電磁波信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制的目的；
步驟b、利用調(diào)制后的探測(cè)信號(hào)照射目標(biāo)，在目標(biāo)區(qū)域形成具有隨機(jī)漲落特性的輻射場(chǎng)，通過(guò)已知的反射板相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算出該目標(biāo)區(qū)域的輻射場(chǎng)；
步驟c、利用接收天線接收含有目標(biāo)信息的散射回波，將回波信號(hào)與輻射場(chǎng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，通過(guò)重構(gòu)算法得到目標(biāo)像。
假設(shè)單發(fā)射天線發(fā)射出的電磁波電場(chǎng)強(qiáng)度分布是es，調(diào)制反射板對(duì)電場(chǎng)的隨機(jī)調(diào)制函數(shù)為ρ(rn,t)。因此在目標(biāo)處，探測(cè)信號(hào)形成的時(shí)空獨(dú)立分布輻射場(chǎng)為：
假設(shè)目標(biāo)上的散射系數(shù)分布為σ(r)，即目標(biāo)對(duì)輻射場(chǎng)的調(diào)制記為σ(r)，對(duì)于目標(biāo)以外的位置，σ(r)＝0，探測(cè)信號(hào)沒(méi)有被目標(biāo)散射，不會(huì)有散射回波被接收天線接收。則從目標(biāo)反射的回波到達(dá)接收系統(tǒng)被接收時(shí)的電場(chǎng)為：
通過(guò)接收散射回波信號(hào)和探測(cè)信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)處理可以獲得成像區(qū)域內(nèi)任意位置r'探測(cè)目標(biāo)散射點(diǎn)的散射系數(shù)，如下式表示：
上式等價(jià)為：
本實(shí)例中，成像平面被離散化成多個(gè)子成像區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域近似由其中心的坐標(biāo)表示，該子區(qū)域的散射特性記為其中心點(diǎn)處目標(biāo)的散射系數(shù)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，雷達(dá)關(guān)聯(lián)方程可以寫成矩陣形式，經(jīng)過(guò)處理能夠反演出目標(biāo)區(qū)域物體的像。矩陣如下：
仿真條件：本仿真根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)流程圖，采用圖1所示的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。仿真時(shí)的各參數(shù)均依照雷達(dá)真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)定，調(diào)制反射板為圖3所示的邊長(zhǎng)1.6米的5×5二維正方形均勻排布。
仿真內(nèi)容與結(jié)果：利用關(guān)聯(lián)成像重構(gòu)算法對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行成像仿真，選取其中一些點(diǎn)作為目標(biāo)，認(rèn)為這些目標(biāo)點(diǎn)的反射系數(shù)為1，而其余各點(diǎn)的反射系數(shù)為0。圖4表明單發(fā)射體制的雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像技術(shù)能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行成像。從成像結(jié)果而言，采用單發(fā)射天線激勵(lì)的雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像技術(shù)同樣實(shí)現(xiàn)了利用構(gòu)建大規(guī)模輻射源的現(xiàn)有雷達(dá)關(guān)聯(lián)成像技術(shù)所獲取的高分辨目標(biāo)像。通過(guò)數(shù)值分析的方法，驗(yàn)證了本發(fā)明的正確性、可實(shí)現(xiàn)性和可靠性。
以上所描述的實(shí)施例，僅為本發(fā)明所涉及的實(shí)例之一。本發(fā)明保護(hù)范圍并不局限于此，任何在本發(fā)明原理和精神內(nèi)的改動(dòng)，都應(yīng)理解為本發(fā)明申請(qǐng)保護(hù)的權(quán)利范圍。