专利名称：基于方位维随机功率调制的微波成像方法
技术领域：
本发明涉及微波成像领域，具体为一种基于方位维随机功率调制的微波成像方法。
背景技术：
由于微波毫米波能够穿透云雾、植被、衣物、箱包等非金属物质，因此微波毫米波雷达不仅广泛应用于军事侦察、地理遥感等远距离成像领域，也可用于无损探测等近距离成像场景。受限于应用环境，近距离成像雷达难以采用合成孔径技术来提高方位分辨率，因此该类雷达常采用大口径天线(阵列)，以窄波束扫描方式完成成像。然而，近距离成像雷达的成像视角范围通常较大，窄波束扫描所需成像时间较长，难以满足当前快速检测甚至是实时成像的实际应用需求。除了成像时间长外，微波近距离成像雷达难以推广实用的另一个重要原因是成像分辨率与实际应用需求尚有一定差距，因此超分辨处理对于近距离微波成像雷达显得尤为重要，它能在不增加系统天线(阵列)口径的前提下提高实际成像分辨率，恢复图像细节，改善图像质量。随着安全检测、无损探测等近距离微波成像需求的不断高涨，目前亟需一种既可减少扫描时间又兼顾超分辨能力的成像新方法。

发明内容
本发明目的是提供一种基于方位维随机功率调制的微波成像方法，以解决微波雷达成像技术成像时间长，图像分辨率差的问题。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为基于方位维随机功率调制的微波成像方法，其特征在于对雷达发射信号在方位维的空间功率分布加以随机调制，使得发射信号在方位维的功率分布随照射次序随机变化，每次发射信号在方位维的功率分布均不相同，各次发射信号方位维功率分布之间不存在规律性或关联性；将多次照射所获得的雷达观测结果与雷达发射信号的功率调制信息作为共同输入量，利用凸优化处理算法获得最后图像。所述的基于方位维随机功率调制的微波成像方法，其特征在于利用可重构天线技术或相控阵技术，改变发射机方向图函数，实现发射信号在方位维的功率调制。所述的基于方位维随机功率调制的微波成像方法，其特征在于发射信号在空间的功率分布不具有明显的主波束，其辐射能量覆盖整个观测区域。所述的基于方位维随机功率调制的微波成像方法，其特征在于凸优化处理采用I1范数优化算法，优选BP算法、OMP算法。所述的基于方位维随机功率调制的微波成像方法，其特征在于每次雷达发射信号照射所获得的观测结果包含了整个观测区域内所有目标的信息。所述的基于方位维随机功率调制的微波成像方法，其特征在于用于近距离、宽视角成像系统，利用所述的发射信号方位维随机功率调制，以雷达观测结果与发射信号随机调制内容为共同输入量的凸优化处理。
本发明通过对雷达发射信号的方位维功率分布加以随机调制，将压缩感知理论融合到成像雷达系统中，构成一种压缩采样系统，从而减少成像时间。同时，将雷达观测结果和发射信号的功率调制信息作为成像算法的共同输入量，利用凸优化算法的稀疏重构能力获得超分辨成像结果，从而提高图像质量。


图1为传统波束扫描成像原理示意图。图2为本发明成像原理示意图。图3传统扫描成像仿真结果图。图4本发明实施实例仿真成像结果图。
具体实施例方式基于方位维随机功率调制的微波成像方法，对雷达发射信号在方位维的空间功率分布加以随机调制，使得发射信号在方位维的功率分布随照射次序随机变化，每次发射信号在方位维的功率分布均不相同，各次发射信号方位维功率分布之间不存在规律性或关联性；将多次照射所获得的雷达观测结果和雷达发射信号的功率调制信息作为共同输入量，利用凸优化处理算法获得最后图像。利用可重构天线技术或相控阵技术，改变发射机方向图函数，实现发射信号在方位维的功率调制。发射信号在空间的功率分布不具有明显的主波束，其辐射能量覆盖整个观测区域。

凸优化处理采用I1范数优化算法，优选BP算法、OMP算法。每次雷达发射信号照射所获得的观测结果包含了整个观测区域内所有目标的信
肩、O用于近距离、宽视角成像系统，利用所述的发射信号方位维随机功率调制，以雷达观测结果与发射信号随机调制内容为共同输入量的凸优化处理。压缩感知是一种新颖的信息采集和信号处理理论框架，该理论可简要描述如下长度为N的信号X，它在正交基叫上的表示为X=W ，其中叫是NXN维正交基矩阵，0是NX I维系数列向量。若系数中的非零项个数K小于N，则称X在W域的表示是K项稀疏的。使用与W不相关的测量矩阵Omxn对系数进行变换，可得到MX I维(M〈N)的观测结果Y=O 0=0 ^tX=AcsX其中Aes=O ^t,被称为传感矩阵，若Aes满足约束等距性条件(当O取为随机矩阵时，Aes —般能满足RIP条件)，且M彡Klog (N/K)，那么可以采用凸优化方法(常为I1范数优化，具体算法包括正交匹配追踪0MP，基追踪BP等)，以很高的概率从观测结果I中恢复原信号X，恢复过程用公式表示为min| I WTx| I1 s. t. y=0 ^Tx压缩感知的一个重要应用是压缩采样，即以远低于来奎斯特频率的速率完成稀疏信号的采样，并完整地承载原信号所含信息。以该理论为基础，可以通过在接收端加载时域或空域随机调制(对应压缩感知中的随机传感矩阵)，构造压缩采样系统。微波雷达是一种主动成像系统，因此其随机调制过程不仅可安置在接收端也可融合到发射信号中，使得雷达的压缩采样方式更加灵活。本发明通过雷达发射信号方位维功率分布的随机调制，将压缩感知理论融合到了成像系统中，提出一种新的目标信息压缩采样方案和超分辨成像方法。该方法与传统的波束扫描成像在基本思想和具体实现方式上都有很大区别，图1和图2分别示意了两者的成像过程。传统扫描成像雷达发射能量集中的窄波束，以窄波束对观测目标区域进行逐点扫描，并将扫描结果拼接在一起即可获得观测区域图像。图1中也示意了传统扫描成像过程对应的数学含义，设观测区域内的目标散射信息用NXl维列向量X表示，扫描过程中每次照射仅能获得窄波束范围内的散射信息，因此雷达方向图函数矩阵O可认为是一个单位矩阵，扫描结果是与X维度相同的向量y，最后将扫描结果y重排拼接就能获得N个像素的二维图像。本发明与传统扫描成像最大的不同在于方位维随机功率调制的引入，如图2所示，由于随机调制的引入，使得雷达在方位维的功率分布随照射次序随机变化，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围内，而是在整个观测区域均有分布。在雷达系统中，方位维的功率分布由天线方向图函数来表达，因此本发明的方向图函数与传统扫描雷达有很大区别每次照射方向图都没有明确的主波束，而且各次照射的方向图函数之间也不存在任何规律性或关联性。新方法与传统扫描成像的区别不仅体现在方向图函数上，也表现在接收处理方面成像图像并不单单依靠接收观测结果提供的信息来获得，而是接收观测结果与方向图函数信息共同处理而得到的。图2同样示意了本发明成像过程对应的数学含义，每次照射的雷达方向图函数对应传感矩阵Aes中的一个行向量，由于各次照射采用不同的随机调制，因此Aes的行向量之间是非相关的，保证了 Aes满足压缩感知所要求的约束等距性条件。由于每次照射能量覆盖了整个观测区域，所以每次照射所获得的观测结果包含了整个观测区域内所有目标的信息，而不像扫描成像那样只包含窄波束照射范围内目标的信息。根据压缩感知理论，只要目标信息在某个变换域的表示是稀疏的，那么以维度远小于目标信息的(M〈〈N)测量结果y和方向图函数矩阵Aes为输入条件，利用I1范数优化方法就能重构出N个像素的成像图像。本发明借助发射信号方位的随机功率调制，巧妙地将压缩感知理论融入成像系统设计中，不仅可以实现目标信息的压缩采样，大幅度减少成像时间，并且能够获得超分辨成像效果。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。为了简化分析，首先考虑一维情况，一维的研究结论很容易推广到二维。设观测区域内的目标散射强度函数为O (0)(0为方位角)，照射区域内只有K个目标，即目标散射函数O (0)本身就具有很强的稀疏性。设雷达方向图函数为s( 9)，那么接收到的回波信号功率为将O ( 0 )和s( 0 )离散化，离散点数为N，则式可以表示如下
权利要求
1.基于方位维随机功率调制的微波成像方法，其特征在于对雷达发射信号在方位维的空间功率分布加以随机调制，使得发射信号在方位维的功率分布随照射次序随机变化，每次发射信号在方位维的功率分布均不相同，各次发射信号方位维功率分布之间不存在规律性或关联性；将多次照射所获得的观测结果与雷达发射信号的功率调制信息作为共同输入量，利用凸优化处理算法获得最后图像。
2.根据权利要求1所述的基于方位维随机功率调制的微波成像方法，其特征在于利用可重构天线技术或相控阵技术，改变发射机方向图函数，实现发射信号在方位维的功率调制。
3.根据权利要求1所述的基于方位维随机功率调制的微波成像方法，其特征在于发射信号在空间的功率分布不具有明显的主波束，其辐射能量覆盖整个观测区域。
4.根据权利要求1所述的基于方位维随机功率调制的微波成像方法，其特征在于凸优化处理采用I1范数优化算法，优选BP算法、OMP算法。
5.根据权利要求1所述的基于方位维随机功率调制的微波成像方法，其特征在于每次雷达发射信号照射所获得的观测结果包含了整个观测区域内所有目标的信息。
6.根据权利要求1所述的基于方位维随机功率调制的微波成像方法，其特征在于用于近距离、宽视角成像系统，利用所述的发射信号方位维随机功率调制，以雷达观测结果与发射信号随机调制内容为共同输入量的凸优化处理。
全文摘要
本发明公开了一种基于方位维随机功率调制的微波成像方法，通过对雷达发射信号的方位维功率分布加以随机调制，将压缩感知理论融合到成像雷达系统中，从而减少成像时间。同时，将目标回波和发射信号的功率调制信息作为成像算法的共同输入量，利用凸优化算法的稀疏重构能力获得超分辨成像结果，从而提高图像质量。本发明提出方法，能够克服窄波束扫描雷达在近距离、宽视角成像应用中存在的成像时间长、分辨率较低等缺点，推动微波雷达在近距离、宽视角成像领域的实用化进程。
文档编号G01S13/89GK103064082SQ201210334509
公开日2013年4月24日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者尹治平, 杨军, 李川, 蔡斐, 阮久福, 邓光晟 申请人:合肥工业大学