[發明專利]基于隨機天線陣列和微波關聯成像原理的高分辨率穿墻成像系統和方法

有效

• 申請號: 201410512686.2
• 申請日: 2014-09-29
• 公開（公告）號: CN104360345A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 王霄鵬;林子懷;劉揚
• 申請（專利權）人: 林子懷;劉揚
• 主分類號: G01S13/89
• 分類號: G01S13/89
• 代理公司: 無錫華源專利事務所(普通合伙) 32228
• 代理人: 林弘毅;聶漢欽

1.一種基于隨機天線陣列和微波關聯成像原理的高分辨率穿墻成像系統，其特征在于：

包括信號源模塊、發射天線陣列模塊、單接收天線模塊和信號處理模塊；

所述信號源模塊用于生成一個持續脈寬時間的矩形脈沖，并由所述發射天線陣列模塊向被成像區域投射；

所述發射天線陣列模塊由多個陣元天線以相等的間距排列成行數和列數相等的矩陣，且各陣元天線的打開和關閉狀態服從隨機分布；所述發射天線陣列模塊中的各陣元天線通過隨機的打開和關閉對所述信號源模塊生成的矩形脈沖進行隨機采樣，并將隨機采樣后的信號投射在被成像區域上，在其上疊加形成具有時空隨機波動性和統計獨立性的微波場；

所述單接收天線模塊采用單天線，對回波信號進行接收；

所述信號處理模塊用于計算并利用被成像區域的微波場分布情況對回波信號進行處理，重建被成像區域的圖像。

2.一種基于隨機天線陣列和微波關聯成像原理的高分辨率穿墻成像方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：測量墻體參數，并根據測量得到的墻體厚度d_wall和墻體介電常數ε_wall構建墻體修正模型；

步驟2：信號源模塊生成一個脈寬時間為T_p的矩形脈沖信號G(t)：

G(t)=1,t≤Tp0,others---(1)]]>

步驟3：發射天線陣列模塊各陣元天線隨機打開和關閉，對信號源模塊生成的矩形脈沖信號G(t)進行隨機采樣，并將采樣后的信號投射在被成像區域上；

設發射天線陣列模塊為M行M列的矩陣，則有天線陣列A_M×M：

設任意發射天線陣元的開閉狀態為σ_i，j(t)，則有該陣元天線發射的信號為S_i，j(t)：

S_i，j(t)＝σ_i，j(t)G(t)??(3)

其中，σ_i，j(t)∈{0，1}且在時域上服從隨機分布，i，j∈{1，2，…M}；

步驟4：單接收天線模塊接收回波信號；設接收到的回波信號為R(t)；

步驟5：信號處理模塊計算被成像面微波場分布，利用回波信號R(t)重建圖像；步驟5包括步驟5-1至步驟5-5；

步驟5-1：對被成像面進行子成像區域劃分；將被成像面劃分為行數為P、列數為Q、總個數為P×Q，并且具有相同大小的子成像區域；子成像區域中心位置矩陣Y_P×Q為：

步驟5-2：根據步驟1中的墻體修正模型計算探測信號在墻體內部的傳播時間，并獲得探測信號傳播的總時間；

設任意子成像區域的中心位置為y_p，q∈Y_P×Q，任意陣元天線a_i，j∈A_M×M，探測信號在a_i，j和y_p，q間于墻內傳播的時間為則有A_M×M中全部陣元天線到任意子成像區域中心位置y_p，q于墻內的信號傳播時間為：

設探測信號在a_i，j和y_p，q間于墻外傳播的時間為則有A_M×M中全部陣元天線到任意子成像區域中心位置y_p，q于墻內的信號傳播時間為：

進而，A_M×M中全部陣元天線到任意子成像區域中心位置y_p，q的信號傳播的總時間為：

Ttotal_yp,q=Twall_yp,q+Tout_yp,q---(7)]]>

進而，A_M×M中全部陣元天線到被成像區域Y_P×Q中全部子成像區域中心位置的信號傳播的總時間為：

步驟5-3：計算被成像面所處位置的場分布矩陣；當全部子成像區域同時處在探測信號照射的時間段內，各子成像區域對應的疊加信號統計獨立性最強；因此作為優選，通過計算疊加時間段獲得相應的疊加信號段，進而獲得被成像面所處位置的微波場分布情況，用來進行圖像重建；

設式(8)中Γ_total中最小元素為γ_min，最大元素為γ_max，則有對Γ_total中任意元素有疊加時間段：

Tperiod_yp,q=[(γmax-Ttotal_yp,q),(γmin+Tp-Ttotal_yp,q)]---(9)]]>

其中T_p為的探測信號G(t)的脈寬時間；

進而，A_M×M中全部陣元天線到被成像區域Y_P×Q中全部子成像區域中心位置的信號的疊加時間段為：

將疊加時間段代入探測信號表達式(2)中得到A_M×M中全部陣元天線在任意子成像區域中心位置處的疊加信號段為：

ψperiod_yp,q=Σi=1MΣj=1MSi,j(Tperiod_yp,q)---(11)]]>

進而獲得被成像面總場分布：

矩陣Ψ_total中處在時刻的各元素組成了被成像區域所處位置的探測場的一個變化切片Ψ_total(τ)；

步驟5-4：使用單天線對回波信號進行接收；

在Γ_period內的任意時刻τ，天線接收到的回波信號R(τ)是由被成像面各子成像區域反射信號的疊加；設墻體衰減系數為ρ設任意子成像區域中心位置y_p，q∈Y_P×Q在該時刻對應的回波信號為則有：

R(τ)=ρΣp=1PΣq=1QRyp,q(τ)---(13)]]>

步驟5-5：解算成像面反射系數矩陣，重建圖像；

設任意子成像區域反射系數為則有對應的τ時刻任意子成像區域中心位置y_p，q∈Y_P×Q的反射信號：

Ryp,q(τ)=ρδyp,qψperiod_yp,q(τ)---(14)]]>

因此，有：

R(τ)=ρΣp=1PΣq=1Qδyp,qψperiod_yp,q(τ)---(15)]]>

設被成像面反射系數矩陣為Φ，則有：

將其變換為列向量的形式：

將τ時刻的場分布情況Ψ_total(τ)變換為行向量的形式：

ω(τ)=[ψperiod_y1,1(τ),···ψperiod_yp,1(τ),···ψperiod_yP,Q(τ)]---(18)]]>

因此，式(15)可以變換為以下形式：

設對回波信號R(t)進行時域采樣，采樣個數為N，任意采樣時刻為τ_n，n∈(1，2，…N)，當采樣次數N等于被成像區域中子成像區域總個數P×Q的時候，有：

通過解得式(20)后將恢復為同被成像區域等大的矩陣，即完成了空間位置關系的對應和圖像的重建。