曲面阵列快速成像方法

技术领域

本发明涉及光学成像、微波成像、雷达探测、声呐、超声成像以及基于声、光、电等媒介的目标探测、成像识别、无线通信技术领域，具体涉及一种曲面阵列快速成像方法及其在上述各领域中的应用。

背景技术

在目标探测和无线通信领域，尤其是雷达探测技术中，曲面阵列应用非常广泛，如许多地基雷达采用球面阵列或柱面阵列，而舰载和机载雷达中，则更多地采用共形阵列，这些非平面阵列可统称为曲面阵列。对于曲面阵列，采用成像探测技术能够极大地提高探测效率。

虚拟透镜成像算法是一种新型阵列成像技术，本发明人之前申请的发明专利“适用于被动成像与主动成像的快速成像方法”和“圆柱扫描微波成像方法”，仅适用于平面阵列以及圆柱阵列，无法应用于一般的曲面阵列。因而需要开发一种适用于一般曲面阵列的快速成像技术，解决普通曲面阵列的快速成像难题。

发明内容

为了将虚拟透镜成像技术应用于曲面阵列成像，本发明提供了一套解决方案。

如附图1所示，建立曲面阵列成像系统的坐标系，P为目标，Q为目标的像，曲面阵列的中心位于z＝0的平面上。

不失一般性，假设曲面阵列单元到理想阵列平面的距离误差为Δ

信号经过单程R

其中：φ

忽略φ

将曲面阵列等效为焦距为F的透镜，则透镜单元的有效相移为：

其中：φ

在被动成像时，天线单元不发射探测信号，仅用来接收目标的散射信号，天线收到目标散射信号后，以球面波的形式进行二次散射，则经过不同的传输路径R

在全息成像时，信号从天线单元发出，到目标反射后被天线单元所接收，信号经历了路程为R

比较上述两种情况下的成像公式，通过引入辅助的对象选择性参数η，可统一上述两个公式如下：

其中，η＝1适用于被动成像，η＝2适用于主动全息成像。

在实际成像时，仅需要进行如下处理即可：

天线单元接收到的目标信号为E，A为幅度加权系数。代入φ

其中，

当满足成像条件

对于实际的离散系统，用(x

其中，符号exp表示以欧拉常数e为底的指数函数，

令x

其中，

上式右边的系数满足

其中，

上述计算结果对应的空间谱ω

其中，

结合阵列天线理论对空间谱ω

由于离散FFT变换的重复周期为2π，若要求不出现图像混叠，则应有:

|ω|≤π；

设单元间距为Δ，从而有：

通常θ的有效范围为[-π/2,π/2]，保证上式始终成立的条件为：

半空域图像无混叠条件为：

采用阵列天线理论对像点扫描角坐标进行修正：

用目标斜距R代替物距参数U，可改善大角度情况下的成像性能：

在上述认识的基础上，本发明提供了一种曲面阵列快速成像方法，本方法基于透镜成像原理，结合电磁场理论，根据天线阵列接收到的目标信号，通过单元信号的幅度、相位加权，采用高效并行算法，获得目标对应的像场分布，其具体算法如下：

其中：j为虚数单位，e为欧拉常数，

进一步地，本发明方法通过选择不同的参数η值，可适用于不同的成像系统，具体而言：

选择η＝1时，适用于被动成像系统、半主动成像系统以及常规相控阵系统；

选择η＝2时，适用于主动全息成像系统、合成孔径成像系统。

进一步地，本发明方法包括下述步骤：

步骤一：对阵列单元信号进行幅度加权以降低副瓣电平；

步骤二：对阵列单元信号进行聚焦相位加权以实现成像聚焦；

步骤三：对阵列单元信号进行曲面阵列相位补偿以改善成像性能；

步骤四：对阵列单元信号进行波束扫描相位加权以调整成像系统中心视角方向；

步骤五：采用高效并行算法，对阵列单元信号进行快速成像处理；

步骤六：解算像场坐标，对像场进行坐标反演获得真实目标的位置。

进一步地，本发明方法步骤一中所述幅度加权的方法包括但不限于均匀分布、余弦加权、汉明窗、Taylor分布、切比雪夫分布及混合加权方法。

进一步地，本发明方法步骤二中所述对阵列单元信号进行聚焦相位加权以实现成像聚焦，其中：

自动对焦相位加权的聚焦相位计算公式为：

其中，R为目标斜距，即目标到阵列中心的距离；

变焦或定焦相位加权的聚焦相位计算公式为：

其中，F为焦距，V为像距，即成像平面到接收阵列所在平面的距离，且F

进一步地，本发明方法步骤三中所述对阵列单元信号进行曲面阵列相位补偿以改善成像性能，其中：

阵列单元相位补偿系数的计算公式为：

其中，

进一步地，本发明方法步骤四中所述扫描相位加权调整成像系统中心视角方向，其扫描相位加权的相位计算公式为：

其中：

其中：Δ

其中：U为物距，即目标所在平面到阵列平面的距离。

进一步地，本发明方法步骤五中所述采用高效并行算法，对阵列单元信号进行快速成像处理；所述高效并行算法包含二维或三维FFT、IFFT、非均匀FFT、稀疏FFT，其计算公式为：

其中：

上述像场计算结果对应的空间谱ω

进一步地，本发明方法步骤六中包括：对高效并行算法获得的像场进行坐标解算，并对像场进行坐标反演，获得真实目标的位置；其中：

对于IFFT类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：

对于FFT类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：

像的直角坐标计算公式为：

δ＝Vtanθ

σ＝Vtanθ

真实目标的坐标反演计算公式为：

进一步地，本发明方法中设置收发天线的间距满足：

此外，本发明曲面阵列快速成像方法还可用于远距离成像，包括：选取U＝∞，则有φ

采用上述高效并行算法计算像场，通过一次运算获得宽视角范围内的目标分布情况。

说明：以上公式中出现的参数，有下标mn者特指第m、n个单元的数据，适用于离散系统；无下标mn者代表整个阵列的数据，不局限于某个单元，适用于连续系统；二者是个体和整体的区别。

同时，本发明还涉及上述方法在光学成像、微波成像、雷达探测、声呐、超声成像以及声、光、电目标探测、成像识别、无线通信领域中的应用。

综上，本发明曲面阵列快速成像方法具有以下优点：

1)创立了适用于曲面阵列的快速成像方法

本发明实现了一种低成本、快速曲面阵列成像，其运算量要远低于主动全息成像体制和数字波束合成体制以及传统合成孔径体制，可以大量节省硬件资源、提高成像速度。

2)创立了兼容被动成像和主动成像的曲面阵列成像方法

采用本发明方法，可先用被动成像技术实现对目标的超快速扫描，当发现嫌疑物体时，可采用主动成像技术详细观察物体的细节，且两种成像方法可共用一套信号处理系统，从而大幅降低了硬件成本，提高了扫描速度，为实际应用提供了极大地便利。

另外，本发明方法具有良好的应用前景，可广泛应用于以声、光、电等为媒介的目标探测及无线通信技术领域，当探测媒介为电磁波时，本技术适用于微波成像、雷达探测、无线通信、合成孔径雷达、逆合成孔径雷达；当探测媒介为声波、超声波时，本技术适用于声呐、超声成像、合成孔径声呐；当探测媒介为光时，本技术适用于光学成像、合成孔径光学成像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，以下附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明曲面阵列成像方法的成像系统坐标系示意图。

图2为本发明曲面阵列成像方法的算法框图。

图3为利用本发明成像方法进行的曲面阵列成像仿真结果图，其中：(a)为电磁仿真模型，(b)为曲面阵列成像结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

同时，应理解，本发明的保护范围并不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1：一种曲面阵列快速成像方法(参见附图1-2)，本方法基于透镜成像原理，结合电磁场理论，根据天线阵列接收到的目标信号，通过单元信号的幅度、相位加权，采用高效并行算法，获得目标对应的像场分布，其具体算法如下：

其中：j为虚数单位，e为欧拉常数，

具体而言，本成像方法包括下述步骤：

步骤一：对阵列单元信号进行幅度加权以降低副瓣电平；

幅度加权的方法包括但不限于均匀分布、余弦加权、汉明窗、Taylor分布、切比雪夫分布及混合加权方法。

步骤二：对阵列单元信号进行聚焦相位加权以实现成像聚焦；

其中：自动对焦相位加权的聚焦相位计算公式为：

其中，R为目标斜距，即目标到阵列中心的距离；

变焦或定焦相位加权的聚焦相位计算公式为：

其中，F为焦距，V为像距，即成像平面到接收阵列所在平面的距离，且F

步骤三：对阵列单元信号进行曲面阵列相位补偿以改善成像性能；

阵列单元相位补偿系数的计算公式为：

其中，

步骤四：对阵列单元信号进行波束扫描相位加权以调整成像系统中心视角方向；

其扫描相位加权的相位计算公式为：

其中：

其中：Δ

其中：U为物距，即目标所在平面到阵列平面的距离。

步骤五：采用高效并行算法，对阵列单元信号进行快速成像处理；

高效并行算法包含二维或三维FFT、IFFT、非均匀FFT、稀疏FFT，其计算公式为：

其中：

上述像场计算结果对应的空间谱ω

步骤六：解算像场坐标，对像场进行坐标反演获得真实目标的位置；

其中：对于IFFT类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：

对于FFT类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：

像的直角坐标计算公式为：

δ＝Vtanθ

σ＝Vtanθ

真实目标的坐标反演计算公式为：

此外，本成像方法中设置收发天线的间距满足：

实施例2：本成像方法(实施例1方法)的成像效果验证试验

试验条件：工作频率10GHz，阵列为半径1m的半球形阵列，单元间距为半波长，目标为“V”字形金属物，见附图3(a)；试验时用平面波照射“V”字形金属物，计算阵列单元的场分布，然后采用本发明方法进行曲面阵列成像，成像结果见附图3(b)。

实施例3：一种曲面阵列快速成像方法，该方法用于远距离成像，包括：选取U＝∞，则有φ

采用实施例1方法中的高效并行算法计算像场，通过一次运算即可获得宽视角范围内的所有目标分布情况。

本发明中的各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、替换等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。