一种基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，包括随机辐射单元根据总控单元发送的控制信息生成微波脉冲信号并发射，微波脉冲信号在目标区域形成时空两维随机特性的微波辐射场，目标区域观测目标的散射回波由接收单元接收，关联成像单元将散射回波与微波辐射场进行关联处理得到反演图像观测目标；每个辐射天线发射的微波脉冲信号的脉冲周期和脉冲重复频率相同，微波脉冲信号包括多个随机跳频子脉冲，其频点为带宽范围内随机选择，不同辐射天线发射的微波脉冲信号的随机跳频子脉冲跳频码速不同且跳频图案正交。在低码速发射、低速采集和较低带宽的条件下，从工程上实现了微波凝视关联成像所需的、较为理想的时空两维随机辐射场。
【专利说明】一种基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置【技术领域】
[0001]本发明涉及雷达成像【技术领域】，尤其涉及一种基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置。
【背景技术】
[0002]雷达成像(Radar Imaging)技术是雷达发展史上的一个飞跃，其拓展了雷达最初的检测(Detection)和测距(Ranging)的功能,其出现使得雷达能利用获取的电磁散射信息，获得对场景的全景雷达图像。合成孔径雷达(SAR)虽然具有高的方位向分辨率，但其重访周期长，在需要长时间(准)连续凝视观测和成像的场景下，存在不可避免的先天劣势?’传统的实孔径雷达凝视成像，其角度分辨率受实际天线阵列孔径限制，限制了其在实际中的应用。
[0003]对于微波凝视关联成像，理想的时空两维随机辐射场是实现上述微波凝视关联成像的先决条件，其随机特征表现为时、空两维的非相关特性，即:观测区域内任意不同分辨单元上的辐射场之间具有非相关特征，不同时刻观测区域内的辐射场之间具有非相关特征。
[0004]影响时空两维随机辐射场的随机特性因素主要包括雷达阵列发射脉冲信号的形式、带宽、码速，以及发射阵列的空间排布和不同频率下的发射天线的远区幅度相位分布等。如何在有限的雷达阵列规模、有限的信号带宽、较低的码速的工程条件下，构造随机辐射关联成像雷达阵列以实现较好的时、空两维随机辐射场仍是一个未解决的技术难题。
【发明内容】
[0005]本发明实施例的目的是提供一种基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，实现较好的时、空两维随机 辐射场。
[0006]本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的:
[0007]—种基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，包括随机辐射单元、总控单元、接收单元、关联成像单元:
[0008]所述随机辐射单元根据所述总控单元发送的控制信息生成微波脉冲信号并发射，所述微波脉冲信号在目标区域形成时、空两维随机特性的辐射场，目标区域中观测目标的散射回波由所述接收单元接收，所述关联成像单元将所述散射回波与所述辐射场进行关联处理，得到观测目标的反演图像；
[0009]其中，每个辐射天线发射的所述微波脉冲信号的脉冲周期和脉冲重复频率相同，所述微波脉冲信号包括多个随机跳频子脉冲，所述随机跳频子脉冲的频点为带宽范围内随机选择，不同辐射天线发射的所述微波脉冲信号的随机跳频子脉冲码速不同且跳频图案正交。
[0010]由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，在有限的信号带宽和较低的随机跳频码速条件下，在目标区域形成了较好时、空两维随机特性的辐射场，克服现有随机跳频雷达阵列所产生辐射场随机性不理想的缺点，提高了微波辐射场的时、空两维随机特性，降低了散射回波采样样本的冗余性，以利于实现微波凝视关联成像，获得超越天线孔径限制的高分辨。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
[0012]图1为本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置示意图。
[0013]图2为本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置具体构成示意图。
[0014]图3为本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置不同码速随机跳频脉冲信号示意图。
[0015]图4为本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置微波凝视关联成像观测场景构型示意图。
[0016]图5为本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置观测区域内观测目标后向散射系数分布示意图。
[0017]图6为本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置各随机辐射单元在发射相同码速随机跳频信号和不同码速随机跳频信号情况下，观测目标临近的两散射点0P, 0q的福射场与发射波形抽样时刻的对映关系不意图。
[0018]图7为本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置在不同码速随机跳频信号的子码跳频周期在34ns?46ns范围内随机选择情况下，在观测目标tl和t2时刻归一化的微波随机辐射场分布图示意图。
[0019]图8为本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置在相同码速随机跳频信号情况下，微波随机辐射场空间相关性和对图5观测目标的仿真成像结果示意图。
[0020]图9为本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置在不同码速随机跳频信号情况下(土 15%变化范围)，微波随机辐射场空间相关性和对图5观测目标的仿真成像结果示意图。
[0021]图10为本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置各随机辐射单元在发射较低不同码速随机跳频信号和高10倍相同码速随机跳频信号情况下，观测目标微波随机辐射场样本时间相关性曲线示意图。
[0022]图11为本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置在10倍相同码速随机跳频信号情况下，微波随机辐射场空间相关性和对图5观测目标的仿真成像结果示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0024]基于实现高分辨的微波凝视关联成像的首要前提条件是在目标区域形成理想的时空两维随机微波辐射场，其随机特征表现为时、空两维的非相关特性，即:目标区域内任意不同位置上的辐射场之间具有非相关特征，不同时刻目标区域的辐射场之间具有非相关特征。在工程上，在有限阵列规模和有限带宽、较低码速(< 100Mb/S)的脉冲随机信号形式条件下，如何设计与实现微波凝视关联成像雷达阵列以提高微波辐射场时空两维的随机特性是微波凝视关联成像技术走向实际应用的关键性难题。
[0025]如图1所示，本发明实施例提供一种基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，包括随机福射单元1、总控单元2、接收单元3、关联成像单元4:
[0026]随机辐射单元1根据总控单元2发送的控制信息生成微波脉冲信号并发射，所述微波脉冲信号在目标区域形成时、空两维随机特性的辐射场，目标区域中观测目标的散射回波由接收单元3接收，关联成像单元4将所述散射回波与所述辐射场进行关联处理，得到观测目标的反演图像；
[0027]其中，每个辐射天线发射的所述微波脉冲信号的脉冲周期和脉冲重复频率相同，所述微波脉冲信号包括多个随机跳频子脉冲，所述随机跳频子脉冲的频点为带宽范围内随机选择，不同辐射天线发射的所述微波脉冲信号的随机跳频子脉冲码速不同且跳频图案正交。
[0028]由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，不同辐射天线发射的所述微波脉冲信号的随机跳频子脉冲的跳频周期互不相同，即子脉冲跳频码速互不相同。所述微波脉冲信号通过天线阵列所激励的辐射电磁场在目标观测空间非相关叠加，在目标区域形成了较好时、空两维随机特性的辐射场。
[0029]而且，微波脉冲信号通过天线阵列发射，通过天线阵列所激励形成微波辐射电磁场(也可以称为微波随机辐射场或者随机辐射场)，目标区域为波束覆盖区域，辐射场与观测目标作用后形成散射回波场，散射回波由单天线接收。
[0030]可见，本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，实现在有限阵列规模和有限的信号带宽和较低的随机跳频码速条件下，通过发射不同码速随机跳频脉冲信号，在目标区域形成了较好时、空两维随机特性的辐射场，克服现有随机跳频雷达阵列所产生辐射场随机性不理想的缺点，提高了辐射场的时、空两维随机特性。接收机可以采用低速ADC (Analog to Digital Converter,模数变换器)采样，依然获得有效的目标散射回波样本，降低了散射回波采样样本的冗余性。得到的目标成像效果较好，分辨率较高，获得超越天线孔径限制的高分辨。
[0031]本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置应用于雷达成像技术中，可以理解为不同码速随机跳频的微波凝视关联成像雷达阵列。
[0032]本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，可以在带宽范围内随机选择随机跳频子脉冲的频点，带宽一般小于1GHz，但并不严格限制。
[0033]本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置中，作为一种随机跳频子脉冲的不同码速选择方式，随机辐射单元之间相互码速差值可以在一定范围随机选择，如可以选择不同辐射天线发射的微波脉冲信号的随机跳频子脉冲码速大小值互为质数(互质码速方案)。
[0034]示例性的，互质码速方案，如23，29，31，37，41，43，47，53，59，61，67，71，73，79，83，
89，97等，但并不受其限制。
[0035]如图2所示，基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，包括随机辐射单元1、总控单元2、接收机3、关联成像单元4。随机辐射单元可以为多个，个数为N。
[0036]具体而言，总控单元2可以包括PLL(Phase Locked Loop，锁相环)本振21、系统时钟22、随机跳频选择和码速控制子单元23以及随机信号控制和时序控制子单元24:
[0037]PLL本振21，用于提供所述随机辐射单元上变频和所述接收单元下变频所需的稳定参考本振载波。
[0038]系统时钟22，用于为所述总控单元、随机辐射单元和接收机3提供源自同一恒温晶振的高频率稳定参考时钟信号。
[0039]随机跳频选择和码速控制子单元23，用于产生控制跳频图案和跳频周期的DDS (Direct Digital Synthesizer,直接数字式频率合成)基带信号控制字。对应的，可以理解，总控单元2发送给随机辐射单元1的控制信息可以为基带信号控制字。
[0040]随机信号控制和时序控制子单元24，用于产生本振载波、随机跳频子脉冲基带信号波形的控制指令和同步触发信号。
[0041]仍参考图2所示，具体而言，随机辐射单元可以包括DDS子单元11、混频器子单元
12、带通滤波器子单元13、射频功放子单元14以及辐射天线15:
[0042]DDS子单元11，用于在所述随机信号控制和时序控制子单元发送的同步触发信号的控制下，利用从所述随机跳频选择和码速控制子单元接收到的DDS基带信号控制字，合成并输出随机跳频子脉冲的基带波形信号给所述混频器子单元；
[0043]混频器子单元12，用于实现上变频调制，使输入随机跳频子脉冲的基带信号频谱搬移到本振载波的频段上，并输出随机跳频射频信号给所述带通滤波器子单元；
[0044]带通滤波器子单元13，用于为随机跳频射频信号进行滤波；
[0045]射频功放子单元14，用于随机跳频射频信号进行功率放大，并通过辐射天线15发射出去。
[0046]可见，DDS子单元在总控单元发送的同步触发信号的控制下，利用接收的DDS基带信号控制字，合成并输出符合要求的不同码速随机跳频的基带波形信号；混频器子单元用于实现上变频调制，使输入的不同码速随机跳频基带信号频谱搬移到本振载波的频段上；带通滤波器子单元用于为各随机辐射单元发射的随机跳频射频信号进行滤波，滤除多余的噪声，提高信噪比；射频功放子单元用于将不同码速的随机跳频脉冲信号进行功率放大，使之满足关联成像系统的辐射功率要求，同时保持微波脉冲信号的形状。
[0047]多个辐射天线构成天线阵列，天线阵列可以采用密集或稀疏天线阵列，天线阵列构型可以是固定静态或随机变化动态，可以是均匀排布或非均匀排布，用于在所述随机跳频微波脉冲信号的激励下，在目标区域形成时、空两维随机辐射场。
[0048]仍参考图2所示，具体而言，接收单元可以包括接收天线31、射频子单元32以及回波采集子单元33:
[0049]接收天线31，用于接收观测目标的散射回波；[0050]射频子单元32，用于对接收的所述散射回波放大与滤波；
[0051]回波采集子单元33，用于对放大与滤波后的所述散射回波采样；
[0052]本发明实施例微波凝视关联成像装置，接收单元可以是接收机，具体的，可以是单天线单通道接收机。
[0053]简单说明，接收天线31用于观测区域目标散射回波信号的高增益接收。射频子单元32可以包含低噪声放大器、下变频器、带通滤波器等，用于实现接收散射回波信号的放大与滤波的功能，保证接收机有足够高的增益和信噪比。回波采集子单元33可以包含中频放大、AD采样模块，用于完成接收散射回波信号的采样与存储等功能。进而，接收单元实现观测目标散射回波信号的高性能接收和采样功能。
[0054]仍参考图2所示，具体而言，关联成像单元可以包括回波数据优化子单元41、辐射场演算子单元42、关联处理子单元43和反演图像显示子单元44:
[0055]回波数据优化子单元41，用于对采样后的所述散射回波数据进行去冗余和优化选择；
[0056]辐射场演算子单元42，用于计算目标区域的辐射场；
[0057]关联处理子单元43，用于对优化后的所述散射回波和辐射场演算子单元42演算的辐射场进行关联处理；
[0058]反演图像显示子单元44，用于实现目标图像的重构和反演的图像输出。
[0059]简单说明，回波数据优化子单元对接收采集的大量散射回波数据进行去冗余和优化选择，提高散射回波数据的关联处理有效性。这里，为了获取足够多的正交辐射场样本，对接收机接收到的散射回波信号`进行高速采样获取足够的回波数据。考虑到不是任意两个不同采样时刻的辐射场具有较好的正交性，即采样数据存在大量的冗余，因此，需对其进行优化、选择，降低数据的冗余性及处理复杂度。
[0060]辐射场演算子单元可以根据微波凝视关联成像装置系统参数、不同码速随机跳频信号参数和天线阵列构型等参数，完成观测目标辐射场的演算，具体参见后文公式2描述。
[0061]关联处理子单元利用关联成像算法，对接收到的散射回波数据和已知演算的辐射场样本进行关联处理，提取辐射场分布的差异信息，用于目标信息的解耦，反演目标的散射系数分布。进而，关联成像单元实现将接收的散射回波与演算得到的辐射场信息进行关联处理得到观测目标的成像结果。
[0062]关联成像算法，例如直接一阶场强关联或高阶场强关联、满足目标稀疏条件下的最优化算法如基追踪(BP)、正交匹配追踪(0ΜΡ)、稀疏贝叶斯学习(SBL)等。
[0063]下面结合公式对本发明实施例基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置
进行说明，如图3所示，发射机1至发射机N分别发射不同码速随机跳频的微波脉冲信号。
第i个随机辐射单元所发射的随机跳频子脉冲表达为:
【权利要求】
1.一种基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，其特征在于，包括随机辐射单元、总控单元、接收单元、关联成像单元:所述随机辐射单元根据所述总控单元发送的控制信息生成微波脉冲信号并发射，所述微波脉冲信号在目标区域形成时、空两维随机特性的辐射场，目标区域中观测目标的散射回波由所述接收单元接收，所述关联成像单元将所述散射回波与所述辐射场进行关联处理，得到观测目标的反演图像；其中，每个辐射天线发射的所述微波脉冲信号的脉冲周期和脉冲重复频率相同，所述微波脉冲信号包括多个随机跳频子脉冲，所述随机跳频子脉冲的频点为带宽范围内随机选择，不同辐射天线发射的所述微波脉冲信号的随机跳频子脉冲码速不同且跳频图案正交。
2.根据权利要求1所述的基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，其特征在于，不同辐射天线发射的所述微波脉冲信号的随机跳频子脉冲码速大小值互为质数。
3.根据权利要求1所述的基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，其特征在于，所述第i个随机辐射单元所发射的随机跳频子脉冲表达为:
4.根据权利要求3所述的基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，其特征在于，目标区域中？处的时、空两维随机辐射场表示为:
5.根据权利要求4所述的基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，其特征在于，所述接收机接收到的耦合有观测目标散射信息的散射回波表达为:
6.根据权利要求5所述的微波凝视关联成像装置，其特征在于，所述关联成像单元将所述散射回波与所述辐射场进行关联处理的关联成像算法表示为:
7.根据权利要求1-6中任一所述的基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，其特征在于，所述的总控单元包括PLL本振、系统时钟、随机跳频选择和码速控制子单元以及随机信号控制和时序控制子单元:所述PLL锁相环本振，用于提供所述随机辐射单元上变频和所述接收单元下变频所需的稳定参考本振载波；所述系统时钟，用于为所述总控单元、随机辐射单元和接收机提供源自同一恒温晶振的高频率稳定参考时钟信号；所述随机跳频选择和码速控制子单元，用于产生控制跳频图案和跳频周期的直接数字式频率合成DDS基带信号控制字；所述随机信号控制和时序控制子单元，用于产生本振载波、随机跳频子脉冲基带信号波形的控制指令和同步触发信号。
8.根据权利要求7所述的基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，其特征在于，所述的随机辐射单元包括DDS子单元、混频器子单元、带通滤波器子单元、射频功放子单元以及辐射天线:所述DDS子单元，用于在所述随机信号控制和时序控制子单元发送的同步触发信号的控制下，利用从所述随机跳频选择和码速控制子单元接收到的DDS基带信号控制字，合成并输出随机跳频子脉冲的基带波形信号给所述混频器子单元；所述混频器子单元，用于实现上变频调制，使输入随机跳频子脉冲的基带信号频谱搬移到本振载波的频段上，并输出随机跳频射频信号给所述带通滤波器子单元；所述带通滤波器子单元，用于为随机跳频射频信号进行滤波；所述射频功放子单元，用于为随机跳频射频信号进行功率放大，并通过辐射天线发射出去。
9.根据权利要求8所述的基于不同码速随机跳频的微波凝视关联成像装置，其特征在于，所述辐射天线构成密集或稀疏天线阵列，所述天线阵列为均匀排布或非均匀排布。
10.根据权利要求9所述的微波凝视关联成像装置，其特征在于，所述接收单元包括接收天线、射频子单元以及回波采集子单元:接收天线，用于接收散射回波；射频子单元，用于对接收的所述散射回波放大与滤波；回波采集子单元，用于对放大与滤波后的所述散射回波采样；关联成像单元包括回波数据优化子单元、辐射场演算子单元、关联处理子单元和反演图像显示子单元:回波数据优化子单元，用于对采样后的所述散射回波数据进行去冗余和优化选择；辐射场演算子单元，用于计算目标区域的辐射场；关联处理子单元，用于对优化后的所述散射回波和辐射场演算子单元演算的辐射场进行关联处理；反演图像显示子单元，用于实现目标图像的重构和反演的图像输出。
【文档编号】G01S13/89GK103744078SQ201310743516
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】郭圆月, 王东进, 田超, 何学智 申请人:中国科学技术大学