CN109597071A - 滑动式弧形阵列微波成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑动式弧形阵列微波成像方法，包括以下步骤：S1在空中平台搭载微波成像***和惯性导航测量***进行飞行时，通过惯性导航测量***获得空中平台在空中的当前位置信息；S2根据空中平台的飞行姿态和微波成像***的参数，设置空中平台的滑动间距；S3根据所述当前位置信息和滑动间距，通过微波开关网络控制弧形接收阵列天线的接收天线阵元与其的发射天线阵元之间的切换，实现对地面场景进行瞬时环状扫描；S4通过微波开关网络控制接收天线阵元接收并存储通过瞬时环状扫描获得的地面场景的散射回波；S5对散射回波进行成像处理以获得空中平台的周围的地面场景的微波图像。

Description

滑动式弧形阵列微波成像方法

技术领域

本发明涉及微波成像技术对地观测技术领域，特别涉及滑动式弧形阵列微波成像方法。

背景技术

专利公开出版物CN104267400A提供了一种用于MIMO-SAR成像的微波信号收发***、方法及成像***，其中提出了机载弧形阵列微波成像方法。该方法主要是通过弧形阵列天线收发电磁波，可以实现对平台周围场景的360°范围观测，这相比较于常规线性阵列SAR只能进行单一的前视、侧视、后视成像，大大增加了对场景的观测视角。

但是，现有弧形阵列微波成像方法主要以实现对固定中心的环状区域场景进行观测，未提及当平台进行匀速直线运动时的针对弧形阵列微波的一种连续成像模式及方法。目前，国内外均尚未给出有关于滑动式弧形阵列微波成像模式及方法。因此，尚不能解决当平台匀速直线运动时的360°大视角高分辨率连续观测成像。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本发明提供了一种滑动式弧形阵列微波成像方法，其能够在空中平台为匀速直线运动时进行360°大视角高分辨率连续观测成像。

所述技术方案如下：

本发明的一个目的是提供了一种滑动式弧形阵列微波成像方法：包括

获取搭载微波成像***的空中平台飞行的位置信息；

基于空中平台的飞行参数和微波成像***的参数设置空中平台的滑动间距；

至少根据该滑动间距，对目标场景进行扫描；

收集目标场景响应于所述扫描的散射回波；

基于散射回波，进行成像。

根据本发明的一个方面，具体包括以下步骤：

S1在空中平台搭载微波成像***和惯性导航测量***进行飞行时，通过所述惯性导航测量***获得所述空中平台在空中的当前位置信息；

S2根据所述空中平台的飞行姿态和所述微波成像***的参数，在所述微波成像***中设置所述空中平台的滑动间距；

S3根据所述当前位置信息和所述滑动间距，通过所述微波成像***中的微波开关网络控制所述微波成像***中的弧形接收阵列天线的接收天线阵元与弧形发射阵列天线的发射天线阵元之间的切换，实现对地面场景进行瞬时环状扫描；

S4通过所述微波开关网络控制所述接收天线阵元接收并存储通过所述瞬时环状扫描获得的所述地面场景的散射回波；

S5对所述散射回波进行成像处理以获得所述空中平台的周围的所述地面场景的微波图像。

进一步地，在步骤S2中，所述飞行姿态包括所述空中平台的飞行高度，所述微波成像***的参数包括所述弧形阵列的半径、所述弧形接收阵列天线的入射角或所述弧形发射阵列天线的入射角和俯仰向-3dB波束宽度。

具体地，所述成像观测最远地距的表达式为：

所述成像观测最近地距的表达式为：

其中，r_max为成像观测最远地距，r_min为成像观测最近地距，φ_in为弧形接收阵列天线或弧形发射阵列天线的入射角，φ_-3dB为弧形接收阵列天线或弧形发射阵列天线的俯仰向-3dB波束宽度，H为所述飞行平台的高度，R_arc为所述弧形阵列的半径。

优选地，所述弧形阵列的中心滑动间距的表达式为：

ΔL≤r_max-r_min

其中，ΔL为所述弧形阵列的中心滑动间距，r_max为所述成像观测最远地距，r_min为成像观测最近地距。

具体地，在步骤S5中，所述散射回波的成像处理包括以下步骤：

S51将所述散射回波通过所述微波成像***中的混频器进行混频处理，获得混频回波信号；

S52将所述混频回波信号沿所述散射回波的距离向进行傅里叶变换，以获得距离频域的回波信号；

S53将所述距离频域的回波信号通过匹配滤波获得滤波后的距离频域信号；

S54对所述滤波后的距离频域信号进行相干叠加，获得所述地面场景的微波图像。

具体地，在步骤S54中，对所述滤波后的距离频域信号进行相干叠加包括以下步骤：

S541通过所述散射回波建立所述地面场景对应的图像空间；

S542将所述图像空间分别沿所述弧形阵列的弧形阵列向和所述距离向进行二维离散化，获得二维图像空间和所述二维图像空间的像素个数；

S543计算所述二维图像空间中的每一个像素位置对应的滤波函数，并通过所述滤波函数与所述滤波后的距离频域信号相干叠加，获得所述二维图像空间中的每一个像素的像素值；

S544根据所述二维图像空间中的每一个像素的像素值获得极坐标格式下的距离-角度图像数据；

S545将所述极坐标格式下的距离-角度图像数据通过插值转换为笛卡尔直角坐标格式下的图像数据。

进一步地，在步骤S3中，所述瞬时环状扫描为所述弧形发射阵列天线辐射电磁波信号对所述地面场景进行360°瞬时环状扫描。

具体地，所述微波成像***采用线性调频脉冲或调频连续波工作方式。

具体地，在步骤S1中，所述空中平台为匀速直线运动，

所述滑动式阵列微波成像方法还包括以下步骤：

S6将所述微波图像显示在所述微波成像***中的显示处理模块上。

根据本发明提供的滑动式弧形阵列微波成像方法具有以下优点中的至少一个：

(1)本发明提供的滑动式弧形阵列微波成像方法可以在空中平台匀速直线运动时对平台周围大区域场景进行连续观测成像，而且该方法不仅能够实现弧形阵列天线随平台匀速直线飞行所进行的“滑动式”观测，而且还能保留常规弧形阵列雷达全方位成像的优势，可以全天时全天候，不受迷尘、云、雨、雾的影响进行成像观测；

(2)本发明提供的滑动式弧形阵列微波成像方法填补了关于当平台进行直线运动时呈滑动式弧形阵列微波成像模式的空缺问题，实现了对飞行平台周围大视场区域高分辨率成像数据获取与连续成像处理的能力，为平台的侦察、搜救提供了强有力的支持；

(3)本发明提供的滑动式弧形阵列微波成像方法能够在空中平台为匀速直线运动时进行360°大视角高分辨率连续观测成像。

附图说明

本发明的这些和/或其他方面和优点从下面结合附图对优选实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是固定中心的单区域弧形阵列微波成像的几何示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的滑动式弧形阵列微波成像的几何示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的滑动式弧形阵列微波成像方法的流程图；

图4是现有技术中的弧形阵列天线的结构图；

图5是根据图3所示的滑动式弧形阵列微波成像方法形成的微波成像观测区域的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

本发明提供了一种新的滑动式弧形阵列微波成像方法，同固定中心的单区域环扫弧形阵列微波成像(如图1所示)相比，滑动式弧形阵列微波成像通过平台运动实现一种类似于弧形阵列“滑动式”前移的成像模式(如图2所示)，该成像模式具体为使空中平台(例如直升飞机)搭载微波成像***，在一系列特定的位置处对周围场景进行瞬时环状扫描，这种通过平台运动实现一种类似于弧形阵列“滑动式”前移的成像模式，能够大幅度扩大成像区域，同时还保留其常规成像的优势。

参见图3，其示出了根据本发明的一个实施例的滑动式弧形阵列微波成像方法，获取搭载微波成像***的空中平台飞行的位置信息；基于空中平台的飞行参数和微波成像***的参数设置空中平台的滑动间距；至少根据该滑动间距，对目标场景进行扫描；收集目标场景响应于所述扫描的散射回波；基于散射回波，进行成像。

所述滑动式弧形阵列微波成像方法，具体可以包括以下步骤：

S1在空中平台(例如直升飞机)搭载微波成像***和惯性导航测量***直线匀速飞行，并且将微波成像***中的弧形阵列天线固定在空中平台的中部(例如腹部)位置时，通过所述惯性导航测量***获得所述空中平台在空中的当前位置信息。

本发明中所提到的微波成像***的更多或更详细的内容可以参见专利公开出版物CN104267400A，但是不限于此，本领域技术人员还可以根据需要选择任何可行的或兼容的成像***。在专利公开出版物中的弧形阵列天线具体如图4所示。在圆弧方向上排列的发射天线阵元和在圆弧方向上排列的接收天线阵元共同组合成弧形阵列天线，每个发射天线阵元或接收天线阵元的通道都由快速微波开关网络控制，可以使弧形阵列天线单元按设定好的工作方式进行分时扫描。

结合滑动式弧形阵列微波成像几何对其进行说明。如图2所示，假设空中平台运动时弧形阵列接收阵列天线或弧形发射阵列天线的位置坐标为(x，y，z)，R_arc为弧形阵列的半径，阵列接收阵列天线或弧形发射阵列天线的入射角及俯仰向-3dB波束宽度分别为φ_in和φ_-3dB，目标P_n对应的坐标位置为P_n(x_n，y_n，z_n)，空中平台通过装载的弧形阵列天线进行成像，每次成像对应不同的观测场景区域，r_max为观测场景区域的外环半径，r_min为观测场景区域的内环半径，通过多个不同位置的弧形阵列微波成像实现多个观测区域的连续覆盖，从而扩大成像观测范围，这多个不同位置的弧形阵列微波成像飞行过程即可看作为“滑动式”运动。

S2根据所述空中平台的飞行姿态和所述微波成像***的参数，在所述微波成像***中设置所述空中平台的滑动间距，具体步骤如下：

S21根据所述空中平台的飞行姿态(例如空中平台的飞行高度)、所述弧形阵列的半径、所述弧形接收阵列天线的入射角或所述弧形发射阵列天线的入射角和俯仰向一3dB波束宽度计算成像观测最远地距(即雷达波束足印的外径)和成像观测最近地距(即雷达波束足印的内径)；

所述成像观测最远地距的表达式为：

所述成像观测最近地距的表达式为：

其中，r_max为成像观测最远地距，r_min为成像观测最近地距，φ_in为弧形接收阵列天线或弧形发射阵列天线的入射角，φ_-3dB为弧形接收阵列天线或弧形发射阵列天线的俯仰向-3dB波束宽度，H为所述飞行平台的高度，R_arc为所述弧形阵列的半径。

S22根据得到的成像观测最远地距和成像观测最近地距，设置相邻每两次进行瞬时环状扫描时形成的弧形阵列的中心滑动间距，这也是空中平台的滑动间距(参见图5)。

所述弧形阵列的中心滑动间距的表达式为：

ΔL≤r_max-r_min

其中，ΔL为所述弧形阵列的中心滑动间距，r_max为所述成像观测最远地距，r_min为成像观测最近地距。

经研究发现，当ΔL≤r_max-r_min时，则表示在空中平台向前直线飞行时，对地面场景区域能够完整地观测；而当ΔL＞r_max-r_min时，则表示在空中平台向前直线飞行时，在场景的内圈区域会有观察盲区产生；因此，在空中平台飞行时需要保证弧形阵列采样时中心滑动间距ΔL≤r_max-r_min。

S3根据所述位置信息和所述滑动间距，在特定的位置(即空中平台根据滑动间距到达的预设定的位置)处，提供所述微波成像***中的微波开关网络控制所述微波成像***中的弧形接收阵列天线的接收天线阵元与弧形发射阵列天线的发射天线阵元之间的切换，通过所述弧形发射阵列天线辐射电磁波信号对所述地面场景进行360°瞬时环状扫描。这种在特定的位置对周围场景进行瞬时环状扫描，通过空中平台运动实现一种类似于弧形阵列“滑动式”前移的成像模式，在该弧形阵列滑动式前移的成像模式中，波束足印在地面呈现为一系列的环形，称这种观测方式为滑动式弧形阵列微波成像。

弧形发射阵列天线发射的电磁波信号可以表示为：

其中，S_tr(t)为电磁波信号，K_r为调频率，f_c为雷达工作频率。

S4通过所述微波开关网络控制所述接收天线阵元接收并存储通过所述瞬时环状扫描获得的所述地面场景的散射回波。

S5对所述散射回波进行成像处理获得所述空中平台的周围的所述地面场景的微波图像。具体为：

S51将所述散射回波通过所述微波成像***中的混频器进行混频处理，获得混频回波信号。

当微波成像***采用调频连续波(FMCW)工作方式时，弧形阵列天线辐射的微波信号经过观测区域反射，由弧形接收阵列天线进行接收，并经过微波成像***的混频器，其接收信号可以表达为：

当微波成像***采用线性调频脉冲工作方式时，弧形阵列天线辐射的微波信号经过观测区域反射，由弧形接收阵列天线进行接收，并经过微波成像***的混频器，其接收信号可以表达为：

其中，S_re(t，x，y，z)为弧形接收阵列天线所接收的信号，δ_n(x_n，y_n，z_n)为观测场景中目标P_n(x_n，y_n，z_n)的散射系数，R_n表示位于坐标为(x，y，z)处的弧形阵列等效采样点与P_n(x_n，y_n，z_n)之间的距离，坐标(x，y，z)为空中平台在匀速直线运动时的弧形阵列天线等效采样点的坐标位置，C表示电磁波传播速度，具体地

S52若微波成像***采用线性调频脉冲工作方式，则将所述混频回波信号沿所述散射回波的距离向进行傅里叶变换，并变换到距离频域，以获得距离频域的回波信号S_{FT_re}(R_n，x，y，z)；

距离频域的回波信号S_{FT_re}(R_n，x，y，z)的表达式为：

其中，S_{FT_re}(R_n，x，y，z)表示距离频域的回波信号，δ_n(x_n，y_n，z_n)为观测场景中目标P_n(x_n，y_n，z_n)的散射系数，FT_t表示沿距离向时间变量t进行傅里叶变换，R_n表示位于坐标(x，y，z)处的弧形阵列等效采样点与目标P_n(x_n，y_n，z_n)之间的距离。

S53将经过傅里叶变换后的所述距离频域的回波信号通过匹配滤波获得滤波后的距离频域信号，其所使用的滤波函数H(f_r)为：

H(f_r)＝exp{jπK_rt²}

其中，K_r为信号的调频率。

距离频域的回波信号经滤波匹配后得到的滤波后的距离频域信号S_{FT_rc}(R_n，x，y，z)表达式为：

其中，S_{FT_re}(R_n，x，y，z)表示距离频域的回波信号，H(f_r)为滤波函数，δ_n(x_n，y_n，z_n)为观测场景中目标P_n(x_n，y_n，z_n)的散射系数，f_c为雷达工作中心频率，R_n表示位于坐标(x，y，z)处的弧形阵列等效采样点与目标P_n(x_n，y_n，z_n)之间的距离。

S54对所述滤波后的距离频域信号进行相干叠加，获得所述地面场景的微波图像，具体包括以下步骤：

S541通过所述散射回波建立所述地面场景对应的图像空间，即将所观测的地面场景划分为多个格，使之呈网格状，之后将所获得的散射回波信号投影至该对应的网格中，形成了地面场景对应的图像空间。

S542将所述图像空间分别以Δθ、Δr的像素大小沿所述弧形阵列的弧形阵列向和所述距离向进行二维离散化，获得二维图像空间I(n_θΔθ，n_rΔr)，其中n_θ＝1，…，N_θ，n_r＝1，…，N_r，N_θ和N_r分别为沿弧形阵列向和距离向离散化后得到的所述二维图像空间的像素个数，N_θ和N_r的表达式为：

其中，N_θ为沿弧形阵列向离散化后得到的所述二维图像空间的像素个数，N_r为沿距离向离散化后得到的所述二维图像空间的像素个数，Δθ、Δr为像素大小，r_max和r_min分别为成像观测最远地距和成像观测最近地距。

S543计算所述二维图像空间中的每一个像素位置对应的滤波函数，并通过所述滤波函数与所述滤波后的距离频域信号相干叠加，获得所述二维图像空间中的每一个像素的像素值，具体为：

S5431令n_θ＝1，n_r＝1，其中，n_θ和n_r表示像素计数序号。n_θ＝1，…，N_θ，n_r＝1，…，N_r，N_θ和N_r分别为沿弧形阵列向和距离向离散化后得到的所述二维图像空间的像素个数；

S5432计算图像I(n_θΔθ，n_rΔr)中第(n_θ，n_r)像素对应的坐标位置(n_θΔθ，n_rΔr)到弧形阵列天线的等效采样点P(x，y，z)的距离R_m，并以该距离生成匹配的滤波函数H_M(θ，r，z；n_θΔθ，n_rΔr)：

其中，

z₀表示地表平面高度。

S5433基于所述匹配滤波函数，求解图像的第(n_θ，n_r)个像素对应的数值，具体地：

其中，i(n_θΔθ，n_rΔr)为图像，H_M(θ，r，z；n_θΔθ，n_rΔr)为滤波函数，S_{FT_rc}(R_n，x，y，z)为上述滤波后的距离频域信号。

S5434令n_r加1，若n_r≤N_r，返回至步骤S5432，若n_r＞N_r，继续执行步骤S5435；

S5435令n_θ加1，若n_θ≤N_θ，令n_r＝1，并返回至步骤S5432，若n_θ＞N_θ，继续执行步骤S544。

S544基于二维图像空间中的每一个像素的像素值，输出滑动式弧形阵列微波成像图像I(n_θΔθ，n_rΔr)，图像I(n_θΔθ，n_rΔr)为极坐标格式下的距离-角度图像数据；

S545将所述极坐标格式下的距离-角度图像数据转换为笛卡尔直角坐标格式下的x-y图像数据，这里使用二维的sinc插值来实现极坐标的转换的；当极坐标为(ρ，θ)时，对应的直角坐标为(x，y)时，其转换关系可用下式表示：

S6将所述微波图像显示在所述微波成像***中的显示处理模块上，便于观察。

根据本发明的提供的滑动式弧形阵列微波成像方法具有以下优点中的至少一个：

(1)本发明提供的滑动式弧形阵列微波成像方法可以在平台直线运动时对平台周围大区域场景进行连续观测成像，而且该方法不仅能够实现弧形阵列天线随平台匀速直线飞行所进行的“滑动式”观测，而且还能保留常规弧形阵列雷达全方位成像的优势，可以全天时全天候，不受迷尘、云、雨、雾的影响进行成像观测；

(2)本发明提供的滑动式弧形阵列微波成像方法填补了关于当平台进行直线运动时呈滑动式弧形阵列微波成像模式的空缺问题，实现了对飞行平台周围大视场区域高分辨率成像数据获取与连续成像处理的能力，为平台的侦察、搜救提供了强有力的支撑；

(3)本发明提供的滑动式弧形阵列微波成像方法能够在空中平台为匀速直线运动时进行360°大视角高分辨率连续观测成像。

虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (10)

1.一种滑动式弧形阵列微波成像方法，包括：

获取搭载微波成像***的空中平台飞行的位置信息；

基于所述空中平台的飞行参数和所述微波成像***的参数设置所述空中平台的滑动间距；

至少根据所述滑动间距，对目标场景进行扫描；

收集所述目标场景响应于所述扫描的散射回波；

基于所述散射回波，进行成像。

2.根据权利要求1所述的滑动式弧形阵列微波成像方法，其特征在于，所述滑动式弧形阵列微波成像方法具体包括以下步骤：

S1在所述空中平台搭载微波成像***和惯性导航测量***进行飞行时，通过所述惯性导航测量***获得所述空中平台在空中的当前位置信息；

S2根据所述空中平台的飞行姿态和所述微波成像***的参数，在所述微波成像***中设置所述空中平台的滑动间距；

S3根据所述当前位置信息和所述滑动间距，通过所述微波成像***中的微波开关网络控制所述微波成像***中的弧形接收阵列天线的接收天线阵元与弧形发射阵列天线的发射天线阵元之间的切换，实现对地面场景进行瞬时环状扫描；

S4通过所述微波开关网络控制所述接收天线阵元接收并存储通过所述瞬时环状扫描获得的所述地面场景的散射回波；

S5对所述散射回波进行成像处理以获得所述空中平台的周围的所述地面场景的微波图像。

3.根据权利要求2所述的滑动式弧形阵列微波成像方法，其特征在于，

在步骤S2中，设置所述空中平台的滑动间距包括以下步骤：

S21根据所述空中平台的飞行姿态和所述微波成像***的参数计算成像观测最远地距和成像观测最近地距；

S22根据所述成像观测最远地距和所述成像观测最近地距，设置相邻的每两次在所述瞬时环状扫描时形成的弧形阵列的中心滑动间距，获得所述空中平台的滑动间距。

4.根据权利要求3所述的滑动式弧形阵列微波成像方法，其特征在于，

在步骤S2中，所述飞行姿态包括所述空中平台的飞行高度，所述微波成像***的参数包括所述弧形阵列的半径、所述弧形接收阵列天线的入射角或所述弧形发射阵列天线的入射角，以及俯仰向-3dB波束宽度。

5.根据权利要求4所述的滑动式弧形阵列微波成像方法，其特征在于，

所述成像观测最远地距的表达式为：

所述成像观测最近地距的表达式为：

其中，r_max为成像观测最远地距，r_min为成像观测最近地距，φ_in为弧形接收阵列天线或弧形发射阵列天线的入射角，φ_-3dB为弧形接收阵列天线或弧形发射阵列天线的俯仰向-3dB波束宽度，H为所述飞行平台的高度，R_arc为所述弧形阵列的半径。

6.根据权利要求5所述的滑动式弧形阵列微波成像方法，其特征在于，

所述弧形阵列的中心滑动间距的表达式为：

ΔL≤r_max-r_min

其中，ΔL为所述弧形阵列的中心滑动间距，r_max为所述成像观测最远地距，r_min为成像观测最近地距。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的滑动式弧形阵列微波成像方法，其特征在于，

在步骤S5中，所述对所述散射回波进行成像处理包括以下步骤：

S51将所述散射回波通过所述微波成像***中的混频器进行混频处理，获得混频回波信号；

S52将所述混频回波信号沿所述散射回波的距离向进行傅里叶变换，以获得距离频域的回波信号；

S53将所述距离频域的回波信号通过匹配滤波获得滤波后的距离频域信号；

S54对所述滤波后的距离频域信号进行相干叠加，获得所述地面场景的微波图像。

8.根据权利要求7所述的滑动式弧形阵列微波成像方法，其特征在于，

在步骤S54中，对所述滤波后的距离频域信号进行相干叠加包括以下步骤：

S541通过所述散射回波建立所述地面场景对应的图像空间；

S542将所述图像空间分别沿所述弧形阵列的弧形阵列向和所述距离向进行二维离散化，获得二维图像空间和所述二维图像空间的像素个数；

S543计算所述二维图像空间中的每一个像素位置对应的滤波函数，并通过所述滤波函数与所述滤波后的距离频域信号相干叠加，获得所述二维图像空间中的每一个像素的像素值；

S544根据所述二维图像空间中的每一个像素的像素值获得极坐标系下的距离-角度图像数据；

S545将所述极坐标系下的距离-角度图像数据通过插值转换为笛卡尔直角坐标系下的图像数据。

9.根据权利要求8所述的滑动式弧形阵列微波成像方法，其特征在于，

在步骤S3中，所述瞬时环状扫描为所述弧形发射阵列天线辐射电磁波信号对所述地面场景进行360°瞬时环状扫描。

10.根据权利要求2所述的滑动式弧形阵列微波成像方法，其特征在于，

在步骤S1中，所述空中平台为匀速直线运动，

所述滑动式阵列微波成像方法还包括以下步骤：

S6将所述微波图像显示在所述微波成像***中的显示处理模块上。