[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

技術領域

本發明屬于穿墻雷達成像的技術范疇，涉及一種高分辨率的穿墻成像系統和方法。

背景技術

穿墻雷達成像是利用微波信號對建筑物內部，特別是被混凝土墻體所遮擋的室內目標和室內環境進行成像的一類技術和方法，在城市反恐、災難救援、戰場感知與監控等領域都具有十分巨大的應用價值。

目前國內外的研究人員和防務公司開發了多種應用于上述場景的穿墻雷達成像方法和裝置，主要基于波束成形(Beamforming)原理、合成孔徑雷達(SAR)和逆合成孔徑雷達(ISAR)原理以及斷層掃描成像法(Tomography)等的成像理論和方法。由于傳統微波成像方法的分辨率受制于信號的帶寬，所以現有的穿墻雷達成像的方法和裝置都是使用超寬帶(UWB)信號對墻內側物體進行探測的，以期提高成像結果的分辨率。但是即便如此，這些已有的成像方法都僅能獲取墻內側物體的大體尺寸或者外觀輪廓，無法對目標進行高分辨率成像，并且存在信號和裝置設計復雜度高，抗噪聲能力弱，對墻體反射和衰減高度敏感等缺點，無法滿足對多目標復雜室內環境進行準確判斷的實際需要。

關聯成像，俗稱為“鬼成像”，是上世紀末發展起來的一種新型的非局域成像方法。傳統的關聯成像利用量子力學領域的光量子糾纏現象，對被測物進行超分辨率成像，而后又進一步發展為使用熱光源、激光源甚至是日光源替代光量子進行關聯成像，使得裝置的結構得到了簡化。近年來，國內的學者在使用微波源進行關聯成像的可能性上也進行了一定的研究，其中專利號為CN102141618B、名稱為《微波凝視成像》的發明專利公開了一種基于大氣浮空平臺和地球同步軌道衛星平臺的高分辨微波凝視成像方法，在理論上探討了使用微波源進行關聯成像的可行性；公開號為CN103235298A、名稱為《基于稀疏陣列的微波關聯成像系統與成像方法》的發明專利則公開了一種基于稀疏天線陣列和壓縮感知算法的微波關聯成像方法與裝置，在一定程度上降低了裝置的復雜度、提高了微波關聯成像的效率。但是這些已有的微波關聯成像方法只能對無遮蔽條件下的目標和區域進行觀測和成像，并且都要求發射天線位置呈隨機分布或使用經隨機調制的探測信號，設計難度和工藝要求較高，且存在探測間距要求過遠(大于1km)、合成圖像所需觀測次數過多(200到1000次以上)等問題，進而導致了其普遍存在觀測時間過長、隱蔽性不高、場景應變性不強等缺點，因而無法滿足室內外態勢復雜多變的高強度、近距離巷戰和災難救援等任務的需要。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供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和方法。將關聯成像的理論從光學領域拓展到微波領域，并和穿墻成像的實際問題相結合，既解決公知技術中現有的穿墻雷達成像方法和裝置分辨率低、計算復雜度高、抗墻體干擾能力差、隱蔽性不強等問題，又克服公知技術中現有的微波關聯成像方法探測距離要求過長、觀測次數過多、場景應變性不強、抗噪聲能力弱等缺點，實現對被墻體所遮擋的室內目標和室內環境的高分辨率穿墻成像。

本發明的技術方案如下：

為實現上述目的，本發明提出了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，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。

同時，為實現上述目的，本發明提出了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，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)：