專利名稱：基于稀疏陣列的微波關聯成像系統與成像方法
技術領域：
本發明屬于雷達技術領域，涉及微波關聯成像系統與成像方法，可用于稀布陣列天線構造、信號的采集處理和最優化算法應用。
背景技術：
利用糾纏光子對實現量子關聯成像的方案是蘇聯學者David NikolaevichKlyshko于1988年首次在理論上提出的。美國馬里蘭大學的史硯華、T.B.Pittman等人于1995年利用自發參量下轉換SPDC過程產生的糾纏光子對，結合符合測量技術，實現了一種量子關聯成像和干涉現象。2004年，意大利的Lugiato小組從理論上提出了利用普通經典熱光源也可以實現關聯成像。2005年，史硯華小組使用激光入射毛玻璃產生的贗熱光完成了第一個熱光源的關聯成像實驗。2006年，史硯華小組首次實現了無透鏡的關聯成像。2011史硯華小組實現了利用日光照射源的關聯成像試驗。與糾纏源關聯成像相比，熱光源關聯成像發射源產生簡單，信號穩定度高，更容易在實際工程中應用。基于稀疏約束和冗余表象的數據采集和信號重構理論是近30年發展起來的不同與經典香農信息論的全新信息理論，已在壓縮感知CS等領域顯示出巨大的應用潛力。D.Donoho,E.Candes和Terence Tao等多位著名學者的大量工作已經從數學上嚴格證明了在遠低于奈奎斯特采樣極限的情況下，使用壓縮感知采樣可以高概率重構目標信息。壓縮感知采樣要求目標具有稀疏特性或者目標在某些表象下具有稀疏特性，并且其探測矩陣需要滿足受限等距特性RIP。在真實成像中，稀疏特性是比較容易滿足的，而高斯隨機矩陣、伯努利隨機矩陣以及托普利茲隨機矩陣等均已被證明滿足受限等距特性RIP條件。目前，壓縮感知理論正在向包括醫學成像、信道編碼、人臉識別、通信、超光譜成像、雷達和生命科學等領域發展并獲得了許多研究成果。
如上所述，量子關聯成像從最初使用糾纏光源，后來用贗熱光源、日光源實現，說明不具備量子特性的經典信號源實現關聯成像是可行的。但由于光信號穿透力弱，容易受到大氣等自然環境影響，很難實現全天時全天候成像，而在雷達系統中，使用微波信號作為發射信號，可以實現全天時全天候成像；在收集和處理方面，微波信號有成熟的采集和處理芯片，比糾纏光源和贗熱光源系統更容易構建；采用微波信號實現關聯成像的關鍵是實現能模擬光場的空時隨機漲落的微波場，現有方法是在構建大型傳統面天線的基礎上，輻射高斯隨機信號來實現空時隨機漲落的微波輻射場，系統復雜度很高。壓縮感知理論作為近些年提出的全新的信息理論，在許多領域都顯示出巨大的應用潛力，但其在微波關聯成像領域的應用研究還比較少。現有技術在雷達天線與目標沒有非徑向相對運動時，成像效果差，分辨率低。
發明內容
本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種基于稀疏陣列的微波關聯成像系統及成像方法，將關聯成像理論從光學拓展到微波領域并利用壓縮感知理論解決相應的問題，提高成像效果和分辨率。為實現上述目的，本發明基于稀疏陣列的微波關聯成像系統，包括:發射天線1、目標2、接收機3和信號處理器5，利用發射天線I產生的微波輻射場對目標2進行照射產生目標的散射回波，存儲目標2表面相應的微波輻射場4，接收機3接收目標的散射回波，接收機3接收到的目標散射回波和預存的微波輻射場4通過信號處理器5處理，得到目標的成像，其特征在于:所述發射天線1，采用由多個陣元稀疏排布構成的稀布陣列天線，各陣元發射不同的微波編碼信號在空間非相干疊加形成微波福射場，該微波福射場具有贗熱光福射場的空時隨機波動特性；所述接收機3，采用單天線、單通道模式。作為優選，本發明基于稀疏陣列的微波關聯成像系統，其特征在于，發射天線I相鄰兩陣元間距d滿足 />|，其中λ是信號的波長；作為優選，本發明基于稀疏陣列的微波關聯成像系統，其特征在于，發射天線I產生的微波輻射場對目標2的照射次數M遠小于目標2的分辨單元總數N，其中N = PXQ，P為目標2的橫向分辨單元數，Q為目標2的縱向分辨單元數。為實現上述目的，本發明基于稀疏陣列的微波關聯成像方法，包括如下步驟:I)獲取目標的福射場矩陣Φ和散射回波向量y ；2)根據目標在空間的分布特征選擇稀疏基矩陣Ψ ；3)將輻射場矩陣Φ與所選稀疏基矩陣Ψ相乘，得到測量矩陣O = ΦΨ ;4)通過散射回波向量公式y= Θ α + ε，其中ε為高斯白噪聲向量，求解下式得到稀疏系數向量α:
權利要求
1.一種基于稀疏陣列的微波關聯成像系統，包括:發射天線(I)、目標(2)、接收機(3)和信號處理器(5)，利用發射天線(I)產生的微波輻射場對目標(2)進行照射產生目標散射回波，存儲目標(2)表面的微波輻射場(4)，接收機(3)接收目標散射回波，接收機(3)接收到的目標散射回波和預存的微波輻射場(4)通過信號處理器(5)處理，得到目標的成像，其特征在于: 所述發射天線(I)，采用由多個陣元稀疏排布構成的稀布陣列天線，各陣元發射不同的微波編碼信號在空間非相干疊加形成微波福射場，該微波福射場具有贗熱光福射場的空時隨機波動特性； 所述接收機(3)，采用單天線、單通道模式。
2.如權利要求1所述的基于稀疏陣列的微波關聯成像系統，其特征在于，發射天線(I)相鄰兩陣元間距d滿足其中λ是信號的波長。
3.如權利要求1所述的基于稀疏陣列的微波關聯成像系統，其特征在于，發射天線(I)產生的微波輻射場對目標⑵的照射次數M遠小于目標⑵的分辨單元總數N，其中N =PXQ，P為目標⑵的橫向分辨單元數，Q為目標⑵的縱向分辨單元數。
4.一種基于稀疏陣列的微波關聯成像方法，包括如下步驟: 1)獲取目標的輻射場矩陣Φ和散射回波向量y; 2)根據目標在空間的分布特征選擇稀疏基矩陣Ψ； 3)將輻射場矩陣Φ與所選稀疏基矩陣Ψ相乘，得到測量矩陣O= ΦΨ ; 4)通過散射回波向量公式y=Θα + ε，其中ε為高斯白噪聲向量，求解下式得到稀疏系數向量Ct:` ^IIaL+(1/2^ll0a-y|l2 其中11.I U1為加權Li范數，表示為:I1t1 = ^AlCh I.I表示取復數的模值，稀 n=i疏系數向量a = [q，ζ2，…，ζη，…，ζΝ]Ηε CNX1，H表示向量的共軛轉置，C表示復數空間；[W1, ω2,…，ωη>…，ωΝ]Τ e RNX1為給定的非負權值向量，T表不向量的轉置，R表不實數空間；11.I I2為L2范數，Y為與噪聲水平有關的常數； 5)將步驟4求得的稀疏系數向量a代入公式X=Ψ a，解得目標的后向散射系數向量X ; 6)將目標的后向散射系數向量X重排為與目標大小PXQ對應的矩陣，利用重排后得到的矩陣成像，即得到目標的成像。
5.如權利要求4所述的基于稀疏陣列的微波關聯成像方法，其特征在于，步驟2)所述的根據目標在空間的分布特性選擇稀疏基矩陣Ψ，按如下方式進行: 當目標在空間為稀疏分布時，則選擇單元矩陣作為稀疏基矩陣Ψ ； 當目標在空間為非稀疏分布時，則選擇離散余弦變換DCT或離散小波變換DWT矩陣作為稀疏基矩陣Ψ。
6.如權利要求4所述的基于稀疏陣列的微波關聯成像方法，其特征在于，步驟3)所述的由輻射場矩陣Φ與所選稀疏基矩陣Ψ相乘得到測量矩陣 = ΦΨ，該測量矩陣 滿足壓縮感知理論中的受限等距特性RIP，即對于一個正整數S，存在一個常數δ s，使得測量矩陣 能保證如下不等式成立:，其中Ss滿足O < δ S<1，β為稀疏度不超過s的任意向量，即向量β中最多含有s個非零值，Il.112表示向量的L2范數 。
全文摘要
本發明公開了一種基于稀疏陣列的微波關聯成像系統與成像方法，主要解決現有技術在雷達天線與目標沒有非徑向相對運動時成像效果差，分辨率低的問題。該系統包括發射天線(1)、目標(2)、接收機(3)和信號處理器(5)，發射天線(1)由稀布陣列天線構成，各陣元發射不同的微波編碼信號在空間非相干疊加形成微波輻射場，通過該微波輻射場對目標(2)進行照射產生目標散射回波，存儲目標(2)表面的微波輻射場(4)，接收機(3)采用單天線、單通道接收目標散射回波；接收機(3)接收到的目標散射回波和預存的微波輻射場(4)通過信號處理器(5)處理，得到目標的成像。本發明能夠在雷達天線與目標沒有非徑向相對運動時，實現對目標的無模糊、超分辨成像，可用于機載前視雷達、球載雷達對目標的超分辨成像。
文檔編號G01S13/89GK103235298SQ201310167360
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月8日 優先權日2013年5月8日
發明者李軍, 伊孟磊, 廖桂生, 董曉飛, 劉長贊, 邵自力 申請人:西安電子科技大學