專利名稱：一種近程高分辨率探測成像方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種探測成像方法及裝置，尤其涉及一種近程高分辨率探測成像方法及裝置。
背景技術(shù)：
近程探測成像裝置可用于穿透障礙物的目標(biāo)跟蹤定位、探地勘察、廢墟搜救、警戒安檢等用途。提高其成像分辨率和成像速度、增大其探測范圍、降低其成本和實(shí)現(xiàn)難度，一直是設(shè)計(jì)中面臨的主要難點(diǎn)問題。裝置的成像分辨率取決于探測信號(hào)的有效帶寬，有效帶寬越大，分辨率越高。因此，采用寬帶信號(hào)作為探測信號(hào)進(jìn)行成像，可以獲得較高的分辨率。目前，國內(nèi)外學(xué)者提出的實(shí)現(xiàn)方案主要有以下幾種方式:發(fā)射信號(hào)采用寬帶沖擊脈沖信號(hào)，儀器邏輯結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，但信號(hào)瞬時(shí)帶寬很大，接收端需采用寬頻帶高速采樣系統(tǒng)對極窄脈沖信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)難度較大、成本較高。發(fā)射信號(hào)采用步進(jìn)頻率信號(hào)獲得大的有效帶寬，信號(hào)瞬時(shí)帶寬較小，接收端無須采用寬帶高速采樣系統(tǒng)，顯著降低了對硬件的要求，但其存在與頻率步進(jìn)長度成反比的最大無模糊距離，探測范圍受到較大限制。發(fā)射信號(hào)采用線性調(diào)頻信號(hào)，接收端使用相關(guān)接收機(jī)進(jìn)行時(shí)域脈沖壓縮獲得大的時(shí)寬帶寬積，可以解決增大探測距離與提高距離分辨率之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程目標(biāo)如飛機(jī)等的精確探測跟蹤，但其接收端硬件系統(tǒng)仍須具有較大的瞬時(shí)帶寬，也需要寬頻帶高速采樣系統(tǒng)對信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。近程成像裝置要求的距離分辨率通常更高，接收端的瞬時(shí)帶寬會(huì)更大，甚至達(dá)幾GHz，若直接采用該方案，實(shí)現(xiàn)難度將更大，成本也較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種近程高分辨率探測成像方法及裝置，它具有在保證成像分辨率和探測范圍的基礎(chǔ)上，提高其成像速度，降低其實(shí)現(xiàn)難度和成本的優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種近程高分辨率探測成像裝置，它包括線性調(diào)頻源，線性調(diào)頻源分別與發(fā)射天線陣列和混頻器陣列相連，所述發(fā)射天線陣列與接收天線陣列相配合，所述接收天線陣列通過低噪聲放大器陣列與混頻器陣列相連，所述混頻器陣列與多路數(shù)據(jù)采集模塊相連，所述多路數(shù)據(jù)采集模塊與信號(hào)處理與成像模塊相連。所述線性調(diào)頻源與混頻器間還設(shè)有延時(shí)單元。所述發(fā)射天線陣列與接收天線陣列采用I發(fā)多收的天線陣列。一種基于近程高分辨率探測成像裝置的探測成像方法，具體步驟為:步驟一:確定探測區(qū)域，傳播介質(zhì)的介電常數(shù)及成像分辨率，線性調(diào)頻源輸出兩路調(diào)頻信號(hào)，一路作為發(fā)射信號(hào)經(jīng)發(fā)射天線陣列輻射，另一路被作為本振信號(hào)輸出至混頻器陣列；步驟二:確定第i組收發(fā)天線對對應(yīng)相應(yīng)點(diǎn)的傳播路徑Ii (A)及探測區(qū)域每一點(diǎn)相對每組收發(fā)天線對的信號(hào)傳播時(shí)間ti (A)，將\ (A)存儲(chǔ)到高速存儲(chǔ)器；步驟三:接收天線陣列接收探測目標(biāo)反射的回波信號(hào)，輸出至混頻器陣列，與步驟一中所述的本振信號(hào)經(jīng)混頻器陣列混頻得到中頻信號(hào)；步驟四:對混頻器陣列中的每個(gè)混頻器輸出的中頻信號(hào)處理得到其頻譜，并將第i個(gè)混頻器的頻譜記為Si ( A f)，并根據(jù)混頻器輸出中頻信號(hào)的頻譜得到目標(biāo)散射信號(hào)的時(shí)延譜 Si(At)；步驟五:判斷環(huán)境參數(shù)和成像分辨率是否發(fā)生調(diào)整，如果環(huán)境參數(shù)和成像分辨率發(fā)生改變則返回步驟一，如果環(huán)境參數(shù)和成像分辨率未改變則判斷是否需要對環(huán)境背景成像，如果需要對背景成像則執(zhí)行步驟六，如果需要對目標(biāo)信號(hào)成像則執(zhí)行步驟七；步驟六:去除目標(biāo)信號(hào)，保留背景信號(hào)，然后計(jì)算Si(At)對應(yīng)的后向散射信號(hào)幅度值，計(jì)算L個(gè)收發(fā)天線對的后向散射信號(hào)的幅度值，并進(jìn)行相干疊加得到PBGtrtal(A)，將其存儲(chǔ)至高速存儲(chǔ)器；步驟七:提取目標(biāo)信號(hào)，然后計(jì)算Si ( A t)對應(yīng)的后向散射信號(hào)幅度值，計(jì)算L個(gè)收發(fā)天線對的后向散射信號(hào)的幅度值，進(jìn)行相干疊加后得到Ptota(IA),再與存至高速存儲(chǔ)器的PBGttrtal(A)疊加后得到最終的探測區(qū)域的成像，得到探測目標(biāo)的位置信息。所述步驟二的具體步驟為:(2-1)確定第i組收發(fā)天線對對應(yīng)M*N個(gè)點(diǎn)的傳播路徑Ii(A)，探測區(qū)域長為M點(diǎn)，寬為N點(diǎn)，收發(fā)天線對的數(shù)目為L，則需M*N*L組運(yùn)算，探測區(qū)域任意一點(diǎn)A相對于第i組收發(fā)天線對的傳播路徑記為Ii(A)；(2-2)根據(jù)步驟(2-1)中的傳播路徑，確定探測區(qū)域每一點(diǎn)相對每組收發(fā)天線對的信號(hào)傳播時(shí)間，并將每組收發(fā)天線對的信號(hào)傳播時(shí)間h (A)存儲(chǔ)到高速存儲(chǔ)器；。
權(quán)利要求
1.一種近程高分辨率探測成像裝置，其特征是，它包括線性調(diào)頻源，線性調(diào)頻源分別與發(fā)射天線陣列和混頻器陣列相連，所述發(fā)射天線陣列與接收天線陣列相配合，所述接收天線陣列通過低噪聲放大器陣列與混頻器陣列相連，所述混頻器陣列與多路數(shù)據(jù)采集模塊相連，所述多路數(shù)據(jù)采集模塊與信號(hào)處理與成像模塊相連。
2.如權(quán)利要求1所述一種近程高分辨率探測成像裝置，其特征是，所述線性調(diào)頻源與混頻器間還設(shè)有延時(shí)單元。
3.如權(quán)利要求1所述一種近程高分辨率探測成像裝置，其特征是，所述發(fā)射天線陣列與接收天線陣列采用I發(fā)多收的天線陣列。
4.一種基于近程高分辨率探測成像裝置的探測成像方法，其特征是，具體步驟為: 步驟一:確定探測區(qū)域，傳播介質(zhì)的介電常數(shù)及成像分辨率，線性調(diào)頻源輸出兩路調(diào)頻信號(hào)，一路作為發(fā)射信號(hào)經(jīng)發(fā)射天線陣列輻射，另一路被作為本振信號(hào)輸出至混頻器陣列； 步驟二:確定第i組收發(fā)天線對對應(yīng)相應(yīng)點(diǎn)的傳播路徑Ii(A)及探測區(qū)域每一點(diǎn)相對每組收發(fā)天線對的信號(hào)傳播時(shí)間t (A)，將\ (A)存儲(chǔ)到高速存儲(chǔ)器； 步驟三:接收天線陣列接收探測目標(biāo)反射的回波信號(hào)，輸出至混頻器陣列，與步驟一中所述的本振信號(hào)經(jīng)混頻器陣列混頻得到中頻信號(hào)； 步驟四:對混頻器陣列中的每個(gè)混頻器輸出的中頻信號(hào)處理得到其頻譜，并將第i個(gè)混頻器的頻譜記為Si ( Λ f)，并根據(jù)混頻器輸出中頻信號(hào)的頻譜得到目標(biāo)散射信號(hào)的時(shí)延譜 Si ( Λ t)； 步驟五:判斷環(huán)境參數(shù)和成像分辨率是否發(fā)生調(diào)整，如果環(huán)境參數(shù)和成像分辨率發(fā)生改變則返回步驟一，如果 環(huán)境參數(shù)和成像分辨率未改變則判斷是否需要對環(huán)境背景成像，如果需要對背景成像則執(zhí)行步驟六，如果需要對目標(biāo)信號(hào)成像則執(zhí)行步驟七； 步驟六:去除目標(biāo)信號(hào)，保留背景信號(hào)，然后計(jì)算Si(At)對應(yīng)的后向散射信號(hào)幅度值，計(jì)算L個(gè)收發(fā)天線對的后向散射信號(hào)的幅度值，進(jìn)行相干疊加得到PBGttrtal(A)，將其存儲(chǔ)至高速存儲(chǔ)器； 步驟七:提取目標(biāo)信號(hào)，然后計(jì)算Si ( Λ t)對應(yīng)的后向散射信號(hào)幅度值，計(jì)算L個(gè)收發(fā)天線對的后向散射信號(hào)的幅度值，進(jìn)行相干疊加后得到Pttrtal(A),再與存至高速存儲(chǔ)器的PBGtotal(A)疊加后得到最終的探測區(qū)域的成像，得到探測目標(biāo)的位置信息。
5.如權(quán)利要求4所述的探測成像方法，其特征是，所述步驟二的具體步驟為: (2-1)確定第i組收發(fā)天線對對應(yīng)M*N個(gè)點(diǎn)的傳播路徑Ii (A)，探測區(qū)域長為M點(diǎn)，寬為N點(diǎn)，收發(fā)天線對的數(shù)目為L，則需M*N*L組運(yùn)算，探測區(qū)域任意一點(diǎn)A相對于第i組收發(fā)天線對的傳播路徑記為Ii(A)； (2-2 )根據(jù)步驟(2-1)中的傳播路徑，確定探測區(qū)域每一點(diǎn)相對每組收發(fā)天線對的信號(hào)傳播時(shí)間，并將每組收發(fā)天線對的信號(hào)傳播時(shí)間h (A)存儲(chǔ)到高速存儲(chǔ)器；。ti (A) = Ii(A) /vV = CiJe^ O
6.如權(quán)利要求4所述的探測成像方法，其特征是，所述步驟四的具體步驟為: 根據(jù)混頻器輸出中頻信號(hào)的頻譜Si ( Λ f)，并利用公式:Δ t-tdj = ( Δ f/B).T0 = (Τ0/Β).Δ fAf= (Β/Τ0).( Δ t-tdi) 得到目標(biāo)散射信號(hào)的時(shí)延譜Si(At),其中，B為寬帶線性調(diào)頻信號(hào)的帶寬，tdi為線性調(diào)頻源與第i個(gè)混頻器間延時(shí)單元的延遲時(shí)間。
7.如權(quán)利要求4所述的探測成像方法，其特征是，所述步驟五中成像的分辨率計(jì)算步驟為: 根據(jù)探測距離的不同，分段計(jì)算探測信號(hào)的有效帶寬并確定不同探測區(qū)域成像的分辨率； 目標(biāo)回波信號(hào)相對于發(fā)射信號(hào)的延遲時(shí)間△〖、目標(biāo)距離R與探測信號(hào)的有效帶寬的關(guān)系如下:
8.如權(quán)利要求4所述的探測成像方法，其特征是，所述步驟六的具體步驟為: (6-1)去除目標(biāo)信號(hào)僅保留環(huán)境背景信號(hào)得到時(shí)延譜Sud At)，然后讀取存儲(chǔ)在高速存儲(chǔ)器的信號(hào)傳播時(shí)間h (A)，將每個(gè)& (A)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的Si, (At)幅值賦給Pi,㈧；
9.如權(quán)利要求4所述的探測成像方法，其特征是，所述步驟七的具體步驟為: (7-1)根據(jù)點(diǎn)目標(biāo)的散射信號(hào)在時(shí)延譜Si ( Λ t)上的脈沖特性提取目標(biāo)信號(hào)得到時(shí)延譜Sygrt (At),并讀取存儲(chǔ)在高速存儲(chǔ)器的信號(hào)傳播時(shí)間h (A)，將每個(gè)& (A)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的 Si, Tget ( Δ t)幅值賦給 Pi;Tget (A)；
10.如權(quán)利要求4所述的探測成像方法，其特征是，所述步驟三中接收天線陣列接收回波信號(hào)之后經(jīng)低噪聲放大器送入混頻器陣列。
其中:c為光速，ε r為傳播介質(zhì)的相對介電常數(shù)，V為電磁波在傳播介質(zhì)中的傳播速度，B為寬帶線性調(diào)頻信號(hào)的帶寬，Ttl為掃描時(shí)間，At為目標(biāo)回波信號(hào)相對于發(fā)射信號(hào)的延遲時(shí)間，Af為混頻器陣列輸出的中頻信號(hào)頻率，也即本振信號(hào)與回波信號(hào)的差頻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種近程高分辨率探測成像方法及裝置，該裝置中，線性調(diào)頻源7輸出寬帶線性調(diào)頻信號(hào)至發(fā)射天線陣列6作為發(fā)射信號(hào)，同時(shí)也輸出至混頻器陣列3作為本振信號(hào)，接收天線陣列5收到目標(biāo)回波信號(hào)后經(jīng)LNA陣列4放大并輸出至混頻器陣列3?；祛l器陣列3將目標(biāo)回波信號(hào)與本振信號(hào)混頻得到中頻信號(hào)，然后經(jīng)多路數(shù)據(jù)采集模塊2完成AD轉(zhuǎn)換并輸出至信號(hào)處理與成像模塊1。本發(fā)明采用寬帶線性調(diào)頻信號(hào)作為探測信號(hào)，并對較遠(yuǎn)距離的探測采取延遲本振信號(hào)進(jìn)行混頻的措施，保證了整個(gè)探測區(qū)域的成像分辨率，而且探測范圍不受最大無模糊距離的限制。只須對中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無須寬頻帶高速采樣系統(tǒng)，降低了數(shù)據(jù)采集部分的實(shí)現(xiàn)難度。
文檔編號(hào)G01S13/89GK103176183SQ20131007728
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月11日
發(fā)明者王豐貴, 楊傳法, 楊秀蔚, 崔洪亮, 成巍, 王忠民 申請人:山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所