專利名稱：基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波成像領(lǐng)域，具體為一種基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法。
背景技術(shù)：
由于微波毫米波能夠穿透云霧、植被、衣物、箱包等非金屬物質(zhì)，因此微波毫米波雷達(dá)不僅廣泛應(yīng)用于軍事偵察、地理遙感等遠(yuǎn)距離成像領(lǐng)域，也可用于無損探測等近距離成像場景。受限于應(yīng)用環(huán)境，近距離成像雷達(dá)難以采用合成孔徑技術(shù)來提高方位分辨率，因此該類雷達(dá)常采用大口徑天線(陣列)，以窄波束掃描方式完成成像。然而，近距離成像雷達(dá)的成像視角范圍通常較大，窄波束掃描所需成像時間較長，難以滿足當(dāng)前快速檢測甚至是實(shí)時成像的實(shí)際應(yīng)用需求。除了成像時間長外，微波近距離成像雷達(dá)難以推廣實(shí)用的另一個重要原因是成像分辨率與實(shí)際應(yīng)用需求尚有一定差距，因此超分辨處理對于近距離微波成像雷達(dá)顯得尤為重要，它能在不增加系統(tǒng)天線(陣列)口徑的前提下提高實(shí)際成像分辨率，恢復(fù)圖像細(xì)節(jié)，改善圖像質(zhì)量。隨著安全檢測、無損探測等近距離微波成像需求的不斷高漲，目前亟需一種既可減少掃描時間又兼顧超分辨能力的成像新方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，以解決微波雷達(dá)成像技術(shù)成像時間長，圖像分辨率差的問題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，其特征在于對雷達(dá)發(fā)射信號在方位維的空間功率分布加以隨機(jī)調(diào)制，使得發(fā)射信號在方位維的功率分布隨照射次序隨機(jī)變化，每次發(fā)射信號在方位維的功率分布均不相同，各次發(fā)射信號方位維功率分布之間不存在規(guī)律性或關(guān)聯(lián)性；將多次照射所獲得的雷達(dá)觀測結(jié)果與雷達(dá)發(fā)射信號的功率調(diào)制信息作為共同輸入量，利用凸優(yōu)化處理算法獲得最后圖像。所述的基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，其特征在于利用可重構(gòu)天線技術(shù)或相控陣技術(shù)，改變發(fā)射機(jī)方向圖函數(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號在方位維的功率調(diào)制。所述的基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，其特征在于發(fā)射信號在空間的功率分布不具有明顯的主波束，其輻射能量覆蓋整個觀測區(qū)域。所述的基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，其特征在于凸優(yōu)化處理采用I1范數(shù)優(yōu)化算法，優(yōu)選BP算法、OMP算法。所述的基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，其特征在于每次雷達(dá)發(fā)射信號照射所獲得的觀測結(jié)果包含了整個觀測區(qū)域內(nèi)所有目標(biāo)的信息。所述的基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，其特征在于用于近距離、寬視角成像系統(tǒng)，利用所述的發(fā)射信號方位維隨機(jī)功率調(diào)制，以雷達(dá)觀測結(jié)果與發(fā)射信號隨機(jī)調(diào)制內(nèi)容為共同輸入量的凸優(yōu)化處理。
本發(fā)明通過對雷達(dá)發(fā)射信號的方位維功率分布加以隨機(jī)調(diào)制，將壓縮感知理論融合到成像雷達(dá)系統(tǒng)中，構(gòu)成一種壓縮采樣系統(tǒng)，從而減少成像時間。同時，將雷達(dá)觀測結(jié)果和發(fā)射信號的功率調(diào)制信息作為成像算法的共同輸入量，利用凸優(yōu)化算法的稀疏重構(gòu)能力獲得超分辨成像結(jié)果，從而提高圖像質(zhì)量。


圖1為傳統(tǒng)波束掃描成像原理示意圖。圖2為本發(fā)明成像原理示意圖。圖3傳統(tǒng)掃描成像仿真結(jié)果圖。圖4本發(fā)明實(shí)施實(shí)例仿真成像結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，對雷達(dá)發(fā)射信號在方位維的空間功率分布加以隨機(jī)調(diào)制，使得發(fā)射信號在方位維的功率分布隨照射次序隨機(jī)變化，每次發(fā)射信號在方位維的功率分布均不相同，各次發(fā)射信號方位維功率分布之間不存在規(guī)律性或關(guān)聯(lián)性；將多次照射所獲得的雷達(dá)觀測結(jié)果和雷達(dá)發(fā)射信號的功率調(diào)制信息作為共同輸入量，利用凸優(yōu)化處理算法獲得最后圖像。利用可重構(gòu)天線技術(shù)或相控陣技術(shù)，改變發(fā)射機(jī)方向圖函數(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號在方位維的功率調(diào)制。發(fā)射信號在空間的功率分布不具有明顯的主波束，其輻射能量覆蓋整個觀測區(qū)域。

凸優(yōu)化處理采用I1范數(shù)優(yōu)化算法，優(yōu)選BP算法、OMP算法。每次雷達(dá)發(fā)射信號照射所獲得的觀測結(jié)果包含了整個觀測區(qū)域內(nèi)所有目標(biāo)的信
肩、O用于近距離、寬視角成像系統(tǒng)，利用所述的發(fā)射信號方位維隨機(jī)功率調(diào)制，以雷達(dá)觀測結(jié)果與發(fā)射信號隨機(jī)調(diào)制內(nèi)容為共同輸入量的凸優(yōu)化處理。壓縮感知是一種新穎的信息采集和信號處理理論框架，該理論可簡要描述如下長度為N的信號X，它在正交基叫上的表示為X=W ，其中叫是NXN維正交基矩陣，0是NX I維系數(shù)列向量。若系數(shù)中的非零項個數(shù)K小于N，則稱X在W域的表示是K項稀疏的。使用與W不相關(guān)的測量矩陣Omxn對系數(shù)進(jìn)行變換，可得到MX I維(M〈N)的觀測結(jié)果Y=O 0=0 ^tX=AcsX其中Aes=O ^t,被稱為傳感矩陣，若Aes滿足約束等距性條件(當(dāng)O取為隨機(jī)矩陣時，Aes —般能滿足RIP條件)，且M彡Klog (N/K)，那么可以采用凸優(yōu)化方法(常為I1范數(shù)優(yōu)化，具體算法包括正交匹配追蹤0MP，基追蹤BP等)，以很高的概率從觀測結(jié)果I中恢復(fù)原信號X，恢復(fù)過程用公式表示為min| I WTx| I1 s. t. y=0 ^Tx壓縮感知的一個重要應(yīng)用是壓縮采樣，即以遠(yuǎn)低于來奎斯特頻率的速率完成稀疏信號的采樣，并完整地承載原信號所含信息。以該理論為基礎(chǔ)，可以通過在接收端加載時域或空域隨機(jī)調(diào)制(對應(yīng)壓縮感知中的隨機(jī)傳感矩陣)，構(gòu)造壓縮采樣系統(tǒng)。微波雷達(dá)是一種主動成像系統(tǒng)，因此其隨機(jī)調(diào)制過程不僅可安置在接收端也可融合到發(fā)射信號中，使得雷達(dá)的壓縮采樣方式更加靈活。本發(fā)明通過雷達(dá)發(fā)射信號方位維功率分布的隨機(jī)調(diào)制，將壓縮感知理論融合到了成像系統(tǒng)中，提出一種新的目標(biāo)信息壓縮采樣方案和超分辨成像方法。該方法與傳統(tǒng)的波束掃描成像在基本思想和具體實(shí)現(xiàn)方式上都有很大區(qū)別，圖1和圖2分別示意了兩者的成像過程。傳統(tǒng)掃描成像雷達(dá)發(fā)射能量集中的窄波束，以窄波束對觀測目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，并將掃描結(jié)果拼接在一起即可獲得觀測區(qū)域圖像。圖1中也示意了傳統(tǒng)掃描成像過程對應(yīng)的數(shù)學(xué)含義，設(shè)觀測區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)散射信息用NXl維列向量X表示，掃描過程中每次照射僅能獲得窄波束范圍內(nèi)的散射信息，因此雷達(dá)方向圖函數(shù)矩陣O可認(rèn)為是一個單位矩陣，掃描結(jié)果是與X維度相同的向量y，最后將掃描結(jié)果y重排拼接就能獲得N個像素的二維圖像。本發(fā)明與傳統(tǒng)掃描成像最大的不同在于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的引入，如圖2所示，由于隨機(jī)調(diào)制的引入，使得雷達(dá)在方位維的功率分布隨照射次序隨機(jī)變化，各次照射的功率分布均不相同，而且照射能量不再集中在窄波束范圍內(nèi)，而是在整個觀測區(qū)域均有分布。在雷達(dá)系統(tǒng)中，方位維的功率分布由天線方向圖函數(shù)來表達(dá)，因此本發(fā)明的方向圖函數(shù)與傳統(tǒng)掃描雷達(dá)有很大區(qū)別每次照射方向圖都沒有明確的主波束，而且各次照射的方向圖函數(shù)之間也不存在任何規(guī)律性或關(guān)聯(lián)性。新方法與傳統(tǒng)掃描成像的區(qū)別不僅體現(xiàn)在方向圖函數(shù)上，也表現(xiàn)在接收處理方面成像圖像并不單單依靠接收觀測結(jié)果提供的信息來獲得，而是接收觀測結(jié)果與方向圖函數(shù)信息共同處理而得到的。圖2同樣示意了本發(fā)明成像過程對應(yīng)的數(shù)學(xué)含義，每次照射的雷達(dá)方向圖函數(shù)對應(yīng)傳感矩陣Aes中的一個行向量，由于各次照射采用不同的隨機(jī)調(diào)制，因此Aes的行向量之間是非相關(guān)的，保證了 Aes滿足壓縮感知所要求的約束等距性條件。由于每次照射能量覆蓋了整個觀測區(qū)域，所以每次照射所獲得的觀測結(jié)果包含了整個觀測區(qū)域內(nèi)所有目標(biāo)的信息，而不像掃描成像那樣只包含窄波束照射范圍內(nèi)目標(biāo)的信息。根據(jù)壓縮感知理論，只要目標(biāo)信息在某個變換域的表示是稀疏的，那么以維度遠(yuǎn)小于目標(biāo)信息的(M〈〈N)測量結(jié)果y和方向圖函數(shù)矩陣Aes為輸入條件，利用I1范數(shù)優(yōu)化方法就能重構(gòu)出N個像素的成像圖像。本發(fā)明借助發(fā)射信號方位的隨機(jī)功率調(diào)制，巧妙地將壓縮感知理論融入成像系統(tǒng)設(shè)計中，不僅可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息的壓縮采樣，大幅度減少成像時間，并且能夠獲得超分辨成像效果。下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。為了簡化分析，首先考慮一維情況，一維的研究結(jié)論很容易推廣到二維。設(shè)觀測區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)散射強(qiáng)度函數(shù)為O (0)(0為方位角)，照射區(qū)域內(nèi)只有K個目標(biāo)，即目標(biāo)散射函數(shù)O (0)本身就具有很強(qiáng)的稀疏性。設(shè)雷達(dá)方向圖函數(shù)為s( 9)，那么接收到的回波信號功率為將O ( 0 )和s( 0 )離散化，離散點(diǎn)數(shù)為N，則式可以表示如下
權(quán)利要求
1.基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，其特征在于對雷達(dá)發(fā)射信號在方位維的空間功率分布加以隨機(jī)調(diào)制，使得發(fā)射信號在方位維的功率分布隨照射次序隨機(jī)變化，每次發(fā)射信號在方位維的功率分布均不相同，各次發(fā)射信號方位維功率分布之間不存在規(guī)律性或關(guān)聯(lián)性；將多次照射所獲得的觀測結(jié)果與雷達(dá)發(fā)射信號的功率調(diào)制信息作為共同輸入量，利用凸優(yōu)化處理算法獲得最后圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，其特征在于利用可重構(gòu)天線技術(shù)或相控陣技術(shù)，改變發(fā)射機(jī)方向圖函數(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號在方位維的功率調(diào)制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，其特征在于發(fā)射信號在空間的功率分布不具有明顯的主波束，其輻射能量覆蓋整個觀測區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，其特征在于凸優(yōu)化處理采用I1范數(shù)優(yōu)化算法，優(yōu)選BP算法、OMP算法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，其特征在于每次雷達(dá)發(fā)射信號照射所獲得的觀測結(jié)果包含了整個觀測區(qū)域內(nèi)所有目標(biāo)的信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，其特征在于用于近距離、寬視角成像系統(tǒng)，利用所述的發(fā)射信號方位維隨機(jī)功率調(diào)制，以雷達(dá)觀測結(jié)果與發(fā)射信號隨機(jī)調(diào)制內(nèi)容為共同輸入量的凸優(yōu)化處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于方位維隨機(jī)功率調(diào)制的微波成像方法，通過對雷達(dá)發(fā)射信號的方位維功率分布加以隨機(jī)調(diào)制，將壓縮感知理論融合到成像雷達(dá)系統(tǒng)中，從而減少成像時間。同時，將目標(biāo)回波和發(fā)射信號的功率調(diào)制信息作為成像算法的共同輸入量，利用凸優(yōu)化算法的稀疏重構(gòu)能力獲得超分辨成像結(jié)果，從而提高圖像質(zhì)量。本發(fā)明提出方法，能夠克服窄波束掃描雷達(dá)在近距離、寬視角成像應(yīng)用中存在的成像時間長、分辨率較低等缺點(diǎn)，推動微波雷達(dá)在近距離、寬視角成像領(lǐng)域的實(shí)用化進(jìn)程。
文檔編號G01S13/89GK103064082SQ201210334509
公開日2013年4月24日 申請日期2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月11日
發(fā)明者尹治平, 楊軍, 李川, 蔡斐, 阮久福, 鄧光晟 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)