随机辐射天线阵列系统及微波凝视关联成像方法

专利名称：随机辐射天线阵列系统及微波凝视关联成像方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210213701.8

专利申请（专利权）人：中国科学技术大学
权利人地址：安徽省合肥市包河区金寨路96号

专利发明（设计）人：郭圆月,余新宇,应奎,潘天泽,胡文涛

专利摘要：本发明公开了一种随机辐射天线阵列系统及微波凝视关联成像方法，本发明提供的随机辐射天线阵列系统既不需要使用移相器和相应的移相控制网络，也不需要单路T/R组件，从而大大降低了系统的成本和设计复杂度；并且，本发明提供的随机辐射天线阵列系统以三维数字编码的方式可以同时控制幅度、相位、频率，提高了天线在目标区域产生的时空两维辐射场花样的随机性；在此基础上，配合相应的微波凝视关联成像方法能够实现对观测目标的超分辨成像。

主权利要求：
1.一种随机辐射天线阵列系统，其特征在于，包括：频综、可编程门阵列、射频交换矩阵、幅度开关矩阵、馈电网络与随机辐射天线阵列；
通过频综为随机辐射天线阵列所有天线单元提供所需要的不同频率的射频信号；通过优化算法使所述可编程门阵列生成三组随机编码，利用所述三组随机编码控制所述随机辐射天线阵列在目标区域产生现场可编程预置式时空两维随机辐射场；其中：第一组随机编码用于控制所述随机辐射天线阵列中每一天线单元射频信号的相位；第二组随机编码通过控制所述射频交换矩阵，并经所述射频交换矩阵控制所述随机辐射天线阵列中每一天线单元射频信号的频率；第三组随机编码通过控制所述幅度开关矩阵，并经所述幅度开关矩阵控制所述随机辐射天线阵列中每一天线单元射频信号的幅度；所述频综、射频交换矩阵、幅度开关矩阵与馈电网络依次连接，通过所述馈电网络分别激励所有天线单元；
其中，所述通过优化算法使所述可编程门阵列生成三组随机编码，利用所述三组随机编码控制所述随机辐射天线阵列在目标区域产生现场可编程预置式时空两维随机辐射场包括：对在目标区域产生的现场可编程预置式时空两维随机辐射场矩阵进行奇异值分解，利用有效特征值数量即秩的数量表征辐射场的随机性，秩的数量越多代表随机性越高；以保证所有编码周期的现场可编程预置式时空两维随机辐射场共同构成的时空两维随机场观测矩阵 的秩的数量最大为准则，构建的优化模型表示为：其中，H、L、K依次表示第一组、第二组、第三组随机编码，它们均为矩阵形式，hi、li、ki相应的表示H、L、K中的一列，对应于一个编码周期的随机编码，i表示编码周期序号，I表示编码周期总数；Copt(hi,li,ki)表示最优的三组随机编码， 表示时空两维随机场辐射观测矩阵 奇异值分解后秩的数量；
针对上述优化模型，采用遗传算法进行优化选择，确定最优的三组随机编码，利用所述最优的三组随机编码控制所述随机辐射天线阵列在目标区域产生现场可编程预置式时空两维随机辐射场。
2.根据权利要求1所述的一种随机辐射天线阵列系统，其特征在于，所述可编程门阵列在优化算法的控制下，通过预置编程输出1或‑1的三组随机编码；在第i个编码周期，三组随i i i i i机编码表示为h 、l 与k ；其中，h表示第一组随机编码，即相位编码；l 表示第二组随机编i码，即频率编码；k表示第三组随机编码，即幅度编码。
3.根据权利要求1或2所述的一种随机辐射天线阵列系统，其特征在于，第一组随机编码控制所述随机辐射天线阵列中每一天线单元射频信号的相位的方式包括：第一组随机编码为相位编码，在第i个编码周期，表示为：
其中，M、N分别表示所述随机辐射天线阵列纵向、横向的天线单元数目，(m,n)表示天线单元在随机辐射天线阵列中的位置，m＝1,...,M，n＝1,...,N；
i
通过h (m,n)控制(m,n)位置处天线单元集成二极管的开关状态，‑1表示两个二极管同时关闭，1表示两个二极管同时开启，使(m,n)位置处天线单元射频信号的相位 分别为0或π，表示为：其中，code表示取相应矩阵元素的码值操作；
i
通过h控制M×N的随机辐射天线阵列射频信号的相位形成在空间上随机分布的天线阵列相位编码图案 矩阵形式为：第i个编码周期的天线阵列相位编码图案 与第j个编码周期的天线阵列相位编码图案 两两相互正交，相关性系数满足：所有编码周期的相位编码共同构成相位编码矩阵H，表示为：
其中，I表示编码周期总数，i＝1,...,I，相位编码矩阵H中每一列表示一个编码周期的相位编码；相位编码矩阵H为零和随机矩阵，且满足任意两列正交，即：i j
≈0(i≠j)。
4.根据权利要求1或2所述的一种随机辐射天线阵列系统，其特征在于，第二组随机编码通过控制所述射频交换矩阵，并经所述射频交换矩阵控制所述随机辐射天线阵列中每一天线单元射频信号的频率的方式包括：系统还设有频综，频综的输出端连接所述射频交换矩阵的输入端，所述射频交换矩阵的输出端连接所述幅度开关矩阵的输入端；
第二组随机编码为频率编码，在第i个编码周期，表示为：
其中，M、N分别表示所述随机辐射天线阵列纵向、横向的天线单元数目，(m,n)表示天线单元在随机辐射天线阵列中的位置，m＝1,...,M，n＝1,...,N；
i
在第i个编码周期，频率编码l 输入至所述射频交换矩阵的控制端，控制所述射频交换i矩阵，通过l(m,n)随机分配(m,n)位置处天线单元射频信号的频率为 天线单元之间射频信号的频率互异，M×N的随机辐射天线阵列射频信号的频率形成在空间上随机分布的天线阵列频率编码图案 矩阵形式为：其中，(m,n)位置处天线单元射频信号的频率 表示为：
第i个编码周期的天线阵列频率编码图案 与第j个编码周期的天线阵列频率编码图案 两两相互正交，相关性系数满足：所有编码周期的频率编码共同构成频率编码矩阵L，表示为：
其中，I表示编码周期总数，i＝1,...,I，频率编码矩阵L中每一列表示一个编码周期的频率编码；频率编码矩阵L为零和随机矩阵，且满足任意两列正交，即：i j
≈0(i≠j)。
5.根据权利要求1或2所述的一种随机辐射天线阵列系统，其特征在于，第三组随机编码通过控制所述幅度开关矩阵，并经所述幅度开关矩阵控制所述随机辐射天线阵列中每一天线单元射频信号的幅度的方式包括：第三组随机编码为幅度编码，在第i个编码周期，表示为：
其中，M、N分别表示所述随机辐射天线阵列纵向、横向的天线单元数目，(m,n)表示天线单元在随机辐射天线阵列中的位置，m＝1,...,M，n＝1,...,N；
幅度开关矩阵用于控制射频信号是否输入到相应的天线单元，即控制相应天线单元射i频信号的有无；在第i个编码周期，幅度编码k控制所述幅度开关矩阵，‑1表示关闭，1表示i开启，通过k(m,n)控制(m,n)位置处天线单元射频信号的幅度 为0或1，表示为：i
通过k控制M×N的随机辐射天线阵列射频信号的幅度形成在空间上随机分布的天线阵列幅度编码图案 矩阵形式为：第i个编码周期的天线阵列幅度编码图案 与第j个编码周期的天线阵列幅度编码图案 两两相互正交，相关性系数满足：所有编码周期的幅度编码共同构成幅度编码矩阵K，表示为：
其中，I表示编码周期总数，i＝1,...,I，幅度编码矩阵K中每一列表示一个编码周期的幅度编码；幅度编码矩阵K为零和随机矩阵，且满足任意两列正交，即：i j

6.根据权利要求1所述的一种随机辐射天线阵列系统，其特征在于，所述随机辐射天线i阵列为M×N阵列形式，在第i个编码周期，(m,n)位置处天线单元随机辐射射频信号S (m,n)(t)表示为：其中，正体j为数学中的复数表示符号，t为采样时刻， 依次表示第i个编码周期，(m,n)位置处天线单元射频信号的相位、频率、幅度；m＝1,...,M，n＝1,...,N；
第i个编码周期，在目标区域内 处产生的现场可编程预置式时空两维随机辐射场表示为：其中， 是(m,n)位置处天线单元相位中心位置矢量， 表示第p个目标分辨单元的位置矢量，p＝1,...,P，P为目标区域的离散网络单元划分数， 表示(m,n)位置处天线单元方向图， 表示第p个目标分辨单元的位移矢量 相对于(m,n)位置处天线单元相位中心位置矢量 的空间方向单位矢量，c为光速。
7.根据权利要求1所述的一种随机辐射天线阵列系统，其特征在于，所述每一天线单元为数字编码相位可控的贴片天线单元，包括：第一PIN二极管、第二PIN二极管、外层辐射金属贴片、内层辐射金属贴片、上层介质基板、金属地板、下层介质基板、偏置控制电路与馈电网络；
其中，所述第一PIN二极管、所述第二PIN二极管、外层辐射金属贴片和内层辐射金属贴片共同位于上层介质基板最上方的一层；所述金属地板位于上层介质基板与下层介质基板中间；所述偏置控制电路与馈电网络共同位于下层介质基本最下方的一层；
所述第一PIN二极管和所述第二PIN二极管位于所述外层辐射金属贴片与所述内层辐射金属贴片交界处；所述外层辐射金属贴片通过位于水平中心线上对称放置的两个金属化过孔与所述金属地板连接；所述内层辐射金属贴片由环形结构和带状结构组合构成，所述环形结构通过中心线上对称放置的两个金属化过孔与所述偏置控制电路连接，所述带状结构通过位于中心的金属化过孔与所述馈电网络连接。
8.一种微波凝视关联成像方法，其特征在于，包括：
通过权利要求1～7任一项所述的随机辐射天线阵列系统在目标区域产生现场可编程预置式时空两维随机辐射场；
所述现场可编程预置式时空两维随机辐射场经目标区域中的观测目标散射，在单路接收天线处产生散射场，通过单路接收天线同步接收散射回波信号，并结合目标到接收天线的传播时延，对所述现场可编程预置式时空两维随机辐射场进行修正，综合多个时刻的散射回波信号与对应的修正的现场可编程预置式时空两维随机辐射场，获得散射回波矩阵矢量与修正的现场可编程预置式时空两维随机辐射场矩阵矢量；
将所述散射回波矩阵矢量与修正的现场可编程预置式时空两维随机辐射场矩阵矢量进行关联处理，得到观测目标的反演图像。
9.根据权利要求8所述的一种微波凝视关联成像方法，其特征在于，第i个编码周期，单路接收天线相位中心的位置 处的散射场表示为：单路接收天线同步接收的散射回波信号表示为：
其中，M、N分别表示所述随机辐射天线阵列纵向、横向的天线单元数目， 表示(m,n)位置处天线单元相位中心位置矢量， 表示第p个目标分辨单元的位置矢量,p＝1,...,P，P为目标区域的离散网络单元划分数， 表示(m,n)位置处天线单元方向图，表示(m,n)位置处天线单元随机辐射射频信号， 表示
单路接收天线方向图，σp表示第p个目标分辨单元的后向散射系数，n0(t)表示接收信号的噪声，c为光速；t表示一个采样时刻；
考虑目标到单路接收天线的传播时延，对第i个编码周期，在目标区域内 处产生的现场可编程预置式时空两维随机辐射场进行修正，定义修正的现场可编程预置式时空两维随机辐射场为：矩阵矢量形式的成像方程表示为：
其中， 为散射回波矩阵矢量， 为
观测目标散射系数矩阵矢量， 为噪声矩阵矢量， 为修正
的现场可编程预置式时空两维随机辐射场矩阵矢量，表示为：
其中，tq表示第q个采样时刻，q＝1，2,...,Q，Q为采样时刻总数，分布在所有编码周期中；
将所述散射回波矩阵矢量与修正的现场可编程预置式时空两维随机辐射场矩阵矢量进行关联处理，表示为：其中， 表示观测目标的反演图像， 为关联成像算法的算符。 说明书 : 随机辐射天线阵列系统及微波凝视关联成像方法技术领域[0001] 本发明涉及微波天线及天线阵系统技术和微波凝视关联成像技术领域，尤其涉及一种随机辐射天线阵列系统及微波凝视关联成像方法。背景技术[0002] 传统的雷达成像主要包括合成孔径雷达(SAR)成像和实孔径成像。合成孔径雷达成像基于距离多普勒成像原理，具有超高的分辨率，但只能用于运动平台，不能用于静止平台；实孔径成像可以用于静止平台，但是受孔径大小制约，分辨率低，且生产成本高，这两种成像方法在实际使用中都有一定的局限性，无法完成静止平台的高分辨率成像，需要新的成像方法来弥补。[0003] 在这种情况下，微波凝视关联成像技术应运而生。这种成像技术是主要利用数字天线阵列在目标区域产生时空两维随机辐射场，通过目标散射场与天线阵列辐射场之间的关联处理，来反演目标成像。但是目前的随机辐射源的设计相对比较复杂，且成本相对较高。如何做到能同时控制天线单元射频信号的频率、幅度和相位，提高时空两维辐射场的随机性，降低系统的复杂度和生产成本是目前需要解决的主要问题。发明内容[0004] 本发明的目的是提供一种随机辐射天线阵列系统及微波凝视关联成像方法，可以极大的提高辐射场的随机性，实现对观测目标的超分辨成像。[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：[0006] 一种随机辐射天线阵列系统，包括：频综、可编程门阵列、射频交换矩阵、幅度开关矩阵、馈电网络与随机辐射天线阵列；[0007] 通过频综为随机辐射天线阵列所有天线单元提供所需要的不同频率的射频信号；通过优化算法使所述可编程门阵列生成三组随机编码，利用所述三组随机编码控制所述随机辐射天线阵列在目标区域产生现场可编程预置式时空两维随机辐射场；其中：第一组随机编码用于控制所述随机辐射天线阵列中每一天线单元射频信号的相位；第二组随机编码通过控制所述射频交换矩阵，并经所述射频交换矩阵控制所述随机辐射天线阵列中每一天线单元射频信号的频率；第三组随机编码通过控制所述幅度开关矩阵，并经所述幅度开关矩阵控制所述随机辐射天线阵列中每一天线单元射频信号的幅度；所述频综、射频交换矩阵、幅度开关矩阵与馈电网络依次连接，通过所述馈电网络分别激励所有天线单元。[0008] 一种微波凝视关联成像方法，包括：[0009] 通过前述的随机辐射天线阵列系统在目标区域产生现场可编程预置式时空两维随机辐射场；[0010] 所述现场可编程预置式时空两维随机辐射场经目标区域中的观测目标散射，在单路接收天线处产生散射场，通过单路接收天线同步接收散射回波信号，并结合目标到接收天线的传播时延，对所述现场可编程预置式时空两维随机辐射场进行修正，综合多个时刻的散射回波信号与对应的修正的现场可编程预置式时空两维随机辐射场，获得散射回波矩阵矢量与修正的现场可编程预置式时空两维随机辐射场矩阵矢量；[0011] 将所述散射回波矩阵矢量与修正的现场可编程预置式时空两维随机辐射场矩阵矢量进行关联处理，得到观测目标的反演图像。[0012] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，与传统的天线系统相比，本发明提供的随机辐射天线阵列系统既不需要使用移相器和相应的移相控制网络，也不需要单路T/R组件，从而大大降低了系统的成本和设计复杂度；并且，本发明提供的随机辐射天线阵列系统可以同时控制幅度、相位、频率，提高了天线在目标区域产生的时空两维辐射场花样的随机性；在此基础上，配合相应的微波凝视关联成像方法能够实现对观测目标的超分辨成像。附图说明[0013] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。[0014] 图1为本发明实施例提供的一种随机辐射天线阵列系统的结构示意图；[0015] 图2为本发明实施例提供的数字编码相位可控的贴片天线单元的结构示意图；[0016] 图3为本发明实施例提供的由8×8数字编码相位可控的贴片天线单元构成天线阵列的排列示意图；[0017] 图4为本发明实施例提供的不同编码周期随机辐射天线阵列的正交频率编码图案[0018] 图5为本发明实施例提供的不同编码周期随机辐射天线阵列的正交幅度编码图案[0019] 图6为本发明实施例提供的不同编码周期随机辐射天线阵列的正交相位编码图案[0020] 图7为本发明实施例提供的随机辐射天线阵列在不同编码周期的随机辐射场[0021] 图8为本发明实施例提供的随机辐射天线阵列的随机辐射场时空相关性示意图[0022] 图9为本发明实施例提供的一种微波凝视关联成像方法的流程图；[0023] 图10为本发明实施例提供的观测目标以及观测目标的反演图像示意图。具体实施方式[0024] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。[0025] 首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：[0026] 术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。[0027] 术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。[0028] 除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。[0029] 术语“中心”、“纵向”、“横向”、“厚度”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。[0030] 下面对本发明所提供的一种随机辐射天线阵列系统及微波凝视关联成像方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。[0031] 实施例一[0032] 本发明实施例提供一种随机辐射天线阵列系统，它是一种三维数字编码和可编程的随机辐射天线阵列系统，可以形成幅度、频率、相位三维数字编码控制、现场可编程预置式时空两维随机辐射场。如图1所示，为随机辐射天线阵列系统的结构示意图，主要包括：频综、可编程门阵列(FPGA)、射频交换矩阵、幅度开关矩阵、馈电网络与随机辐射天线阵列；主要工作原理为：通过频综为随机辐射天线阵列所有天线单元提供所需要的不同频率的射频信号；通过优化算法使所述可编程门阵列生成三组随机编码，利用所述三组随机编码控制所述随机辐射天线阵列在目标区域产生现场可编程预置式时空两维随机辐射场；其中：第一组随机编码用于控制所述随机辐射天线阵列中每一天线单元射频信号的相位；第二组随机编码通过控制所述射频交换矩阵，并经所述射频交换矩阵控制所述随机辐射天线阵列中每一天线单元射频信号的频率；第三组随机编码通过控制所述幅度开关矩阵，并经所述幅度开关矩阵控制所述随机辐射天线阵列中每一天线单元射频信号的幅度；所述频综、射频交换矩阵、幅度开关矩阵与馈电网络依次连接，通过所述馈电网络分别激励所有天线单元。[0033] 本发明实施例提供的上述随机辐射天线阵列系统相较于传统微波凝视关联成像的随机辐射源而言，既不需要使用移相器和相应的移相控制网络，也不需要单路T/R组件，从而大大降低了系统的成本和设计复杂度；并且，可以同时控制幅度、相位、频率，提高了天线在目标区域产生的时空两维辐射场花样的随机性。[0034] 为了便于理解，下面针对系统结构，以及各个部分的主要工作原理做进一步的介绍。[0035] 一、系统结构。[0036] 还参见图1，其中：1为频综，2为可编程门阵列(FPGA)，3为射频交换矩阵，4为幅度开关矩阵，5为馈电网络，6为随机辐射天线阵列，7为随机辐射天线阵列中的单个天线单元，8为目标区域。[0037] 本发明实施例中，随机辐射天线阵列为M×N个相同的天线单元等间隔排布构成的M×N两维天线阵列；示例性的，可以设置M＝8，N＝8，其平面结构如图3所示。[0038] 本发明实施例中，单个天线单元为数字编码相位可控的贴片天线单元，可采用常规的PCB工艺，易于加工，便于量产。如图2所示，为数字编码相位可控的贴片天线单元的结构示意图，其主要包括：第一PIN二极管201、第二PIN二极管202、外层辐射金属贴片203、内层辐射金属贴片204、上层介质基板205、金属地板206、下层介质基板207、偏置控制电路208与馈电网络209；[0039] 其中，所述第一PIN二极管201、所述第二PIN二极管202、外层辐射金属贴片203和内层辐射金属贴片204共同位于上层介质基板205最上方的一层；所述金属地板206位于上层介质基板205与下层介质基板207中间；所述偏置控制电路208与馈电网络209共同位于下层介质基板207最下方的一层。[0040] 所述第一PIN二极管201和所述第二PIN二极管202位于所述外层辐射金属贴片203与所述内层辐射金属贴片204交界处；所述外层辐射金属贴片203通过位于水平中心线上对称放置的两个金属化过孔与所述金属地板206连接；所述内层辐射金属贴片204由环形结构和带状结构组合构成，所述环形结构通过中心线上对称放置的两个金属化过孔与所述偏置控制电路208连接，所述带状结构通过位于中心的金属化过孔与所述馈电网络209连接。[0041] 示例性的：上层介质基板的相对介电常数及厚度分别为εr1＝2.44和h1＝1.519mm，下层介质基板的相对介电常数及厚度分别为εr2＝2.44和h2＝0.511mm。[0042] 二、三维数字编码控制部分。[0043] 还参见图1，系统中的现场可编程门阵列，在优化算法控制下，通过预置编程输出1或‑1的三组随机编码，图1提供的各个编码的内容仅为示例，并非构成限制；在第i个编码周i i i i i期，三组随机编码表示为h 、l与k；其中，h表示第一组随机编码，即相位编码；l表示第二i组随机编码，即频率编码；k表示第三组随机编码，即幅度编码。在不同的编码周期，相位编码通过控制每一个天线单元集成的二极管通断，使其辐射电磁波产生附加相位0或π，天线阵列形成相互正交的相位编码图案；通过射频交换矩阵，频率编码控制具有若干频点的固定频综分配给每一个天线单元不同频率的射频信号，天线阵列形成正交频率编码图案；通过幅度开关矩阵，幅度编码控制每个天线单元射频信号的不同幅度0或1，天线阵列形成正交幅度编码图案；通过馈电网络分别激励所有天线单元随机辐射，形成幅度、频率、相位三维数字编码控制、现场可编程与预置式时空两维随机辐射场。幅度、频率、相位编码控制原理如下：[0044] 1、相位编码控制原理。[0045] 在第i个编码周期，相位编码表示为：[0046][0047] 其中，M、N分别表示所述随机辐射天线阵列纵向、横向的天线单元数目，(m,n)表示i天线单元在随机辐射天线阵列中的位置，m＝1,...,M，n＝1,...,N。h中单个元素用来控制相应位置天线单元的相位。[0048] 通过 控制(m,n)位置处天线单元集成二极管的开关状态，‑1表示两个二极管同时关闭，1表示两个二极管同时开启，使(m,n)位置处天线单元射频信号的相位 分别为0或π，表示为：[0049][0050] 其中，code表示取相应矩阵元素的码值操作。[0051] 通过hi控制M×N的随机辐射天线阵列射频信号的相位形成在空间上随机分布的天线阵列相位编码图案 矩阵形式为：[0052][0053] 第i个编码周期的天线阵列相位编码图案 与第j个编码周期的天线阵列相位编码图案 两两相互正交，相关性系数满足：[0054][0055] 所有编码周期的相位编码共同构成相位编码矩阵H，表示为：[0056][0057] 其中，I表示编码周期总数，i＝1,...,I，相位编码矩阵H中每一列表示一个编码周期的相位编码；相位编码矩阵H为零和随机矩阵，且满足任意两列正交，即：[0058] ≈0(i≠j)。[0059] 其中，H(hi)与H(hj)均为固定数学表达，表示来自同一个矩阵H的第i列和第j列，含i j义与前述h 与h的含义相同。后文频率编码矩阵L与幅度编码矩阵K相关式子中同样也使用固定数学表达的形式。[0060] 2、频率编码控制原理。[0061] 该参见图1，系统还设有频综，频综的输出端连接所述射频交换矩阵的输入端，所述射频交换矩阵的输出端连接所述幅度开关矩阵的输入端。[0062] 在第i个编码周期，频率编码表示为：[0063][0064] 其中，li中单个元素用来控制相应位置天线单元的频率。[0065] 在第i个编码周期，频率编码li输入至所述射频交换矩阵的控制端，控制所述射频i交换矩阵，通过l (m,n)随机分配(m,n)位置处天线单元射频信号的频率为 天线单元之间射频信号的频率互异，M×N的随机辐射天线阵列射频信号的频率形成在空间上随机分布的天线阵列频率编码图案 矩阵形式为：[0066][0067] 其中，(m,n)位置处天线单元射频信号的频率 表示为：[0068][0069] 第i个编码周期的天线阵列频率编码图案 与第j个编码周期的天线阵列频率编码图案 两两相互正交，相关性系数满足：[0070][0071] 所有编码周期的频率编码共同构成频率编码矩阵L，表示为：[0072][0073] 其中，I表示编码周期总数，i＝1,...,I，频率编码矩阵L中每一列表示一个编码周期的频率编码；频率编码矩阵L为零和随机矩阵，且满足任意两列正交，即：[0074] ≈0(i≠j)。[0075] 3、幅度编码控制原理。[0076] 在第i个编码周期，幅度编码表示为：[0077][0078] 其中，ki中单个元素用来控制相应位置天线单元的幅度。[0079] 幅度开关矩阵用于控制随机辐射射频信号是否输入到相应的天线单元，即控制相i应天线单元随机辐射射频信号的有无；在第i个编码周期，幅度编码k 控制所述幅度开关矩i阵，‑1表示关闭，1表示开启，通过k(m,n)控制(m,n)位置处天线单元射频信号的幅度 为0或1，表示为：[0080][0081] 通过ki控制M×N的随机辐射天线阵列射频信号的幅度形成在空间上随机分布的天线阵列幅度编码图案 矩阵形式为：[0082][0083] 第i个编码周期的天线阵列幅度编码图案 与第j个编码周期的天线阵列幅度编码图案 两两相互正交，相关性系数满足：[0084][0085] 所有编码周期的幅度编码共同构成幅度编码矩阵K，表示为：[0086][0087] 其中，I表示编码周期总数，i＝1,...,I，幅度编码矩阵K中每一列表示一个编码周期的幅度编码；幅度编码矩阵K为零和随机矩阵，且满足任意两列正交，即：[0088] ≈0(i≠j)。[0089] 需要说明的是，图1中所示的相位编码、频率编码、幅度编码内容仅为示例，并非构成限制。[0090] 三、现场可编程预置式时空两维随机辐射场。[0091] 如之前所述，随机辐射天线阵列由在天线孔径D内呈均匀分布的M×N个数字编码相位可控的贴片天线单元组成，通过馈电网络分别激励每个天线单元，各个天线单元同步发射幅、相、频可控的随机辐射射频信号，在第i个编码周期，(m,n)位置处天线单元随机辐射射频信号表示为：[0092][0093] 其中，正体j为数学中的复数表示符号，t为一个采样时刻， 依次表示第i个编码周期，(m,n)位置处天线单元随机辐射射频信号的相位、频率、幅度；m＝1,...,M，n＝1,...,N。[0094] 在幅度、频率、相位三维数字编码的控制下，随机辐射天线阵列在目标区域产生现场可编程预置式时空两维随机辐射场。第i个编码周期，在目标区域内 处产生的现场可编程预置式时空两维随机辐射场表示为：[0095][0096] 其中， 是(m,n)位置处天线单元相位中心位置矢量， 表示第p个目标分辨单元的位置矢量，p＝1,...,P，P为目标区域的离散网络单元划分数， 表示(m,n)位置处天线单元方向图， 表示第p个目标分辨单元的位移矢量 相对于(m,n)位置处天线单元相位中心位置矢量 的空间方向单位矢量，表示(m,n)位置处天线单元的随机辐射射频信号，c为光速。[0097] 四、通过优化算法使所述可编程门阵列生成三组随机编码的原理。[0098] 本发明实施例中，通过对在目标区域产生的现场可编程预置式时空两维随机辐射场矩阵进行奇异值分解，利用有效特征值数量即秩的数量表征辐射场的随机性，秩的数量越多代表随机性越高；奇异值分解公式如下所示：[0099][0100] 其中， 是由 组成的时空两维辐射场矩阵，辐射场矩阵的每一行表示同一采样时刻目标区域内不同位置处的辐射场分布，辐射场矩阵的每一列表示目标区域内同一位置处不同采样时刻的辐射场分布，U和V分别是Q×Q和P×P的酉矩阵，Q为接收散射回波的采样时刻总数，P为目标区域的离散网络单元划分数，Σ为有效特征值构成的Q×P矩阵。[0101] 本发明实施例中，在给定天线单元个数M×N以及单元之间间隔的前提下，以保证所有编码周期的现场可编程预置式时空两维随机辐射场 共同构成的时空两维随机辐射场观测矩阵 的秩的数量最大为准则，构建的优化模型表示为：[0102][0103] 其中，H、L、K依次表示第一组、第二组、第三组随机编码，它们均为矩阵形式，hi、li、ki相应的表示H、L、K中的一列，对应于一个编码周期的随机编码，i表示编码周期序号，I表示编码周期总数；Copt(hi,li,ki)表示最优的三组随机编码， 表示时空两维随机辐射场观测矩阵 奇异值分解后秩的数量。[0104] 针对上述优化模型，采用遗传算法(属于一种优化算法)进行优化选择，确定最优的三组随机编码，利用所述最优的三组随机编码控制所述随机辐射天线阵列在目标区域产生现场可编程预置式时空两维随机辐射场。[0105] 其中，采用遗传算法进行优化选择的主要步骤包括：[0106] a、遗传算法初始化：给定遗传算法中的种群个体数、遗传次数、交叉的概率以及变异的概率。[0107] b、利用辐射场计算公式计算三维数字编码对应的随机辐射场Erad，采用Erad来表征个体，采用在频率、幅度、相位编码集中随机选取编码组合生成Ng种随机组合，即Ng个个体构成随机种群，k为已经遗传的次数，令k＝0。[0108] c、对种群进行奇异值分解，奇异值分解后的秩的数量即为初始种群的适应度。[0109] d、根据初始种群的适应度对种群依次进行交叉和变异，重复上述步骤，直到满足收敛条件。[0110] 基于以上介绍的技术方案，下面结合一个示例进行说明。[0111] 本示例中，第i1编码周期和第i2编码周期随机辐射天线阵列的频率编码图案如图4，第i1编码周期和第i2编码周期随机辐射天线阵列的幅度编码图案如图5，第i1编码周期和第i2编码周期随机辐射天线阵列的相位编码图案如图6；图4～图6中，左侧图案对应第i1编码周期，右侧图案对应第i2编码周期。对比两个周期的编码图案可以发现第i1编码周期和第i2编码周期两维天线阵列上天线阵列的频率、幅度以及相位编码图案均完全正交的，体现了本发明所述天线的三维数字编码的特点。[0112] 通过软件进行仿真得到两个编码周期的随机辐射场，如图7所示，左侧随机辐射场分布图案对应第i1编码周期，右侧随机辐射场分布图案对应第i2编码周期。两个编码周期的随机辐射场差别性很大，很好的反映提出的三维数字编码和可编程的随机辐射天线阵列可以同时控制天线单元射频信号的频率、幅度和相位，反映出本发明大大提高了天线阵列在目标区域产生的时空两维辐射场的随机性。[0113] 进一步通过仿真软件得到所构建的三维数字编码和可编程的随机辐射天线阵列辐射场的时空相关图，如图8所示，从图8中可以看出辐射场具有较好的时空随机性。[0114] 实施例二[0115] 本发明还提供一种微波凝视关联成像方法，其主要基于前述实施例提供的方法实现，如图9所示，主要步骤如下步骤：[0116] 步骤1、通过随机辐射天线阵列系统在目标区域产生现场可编程预置式时空两维随机辐射场。[0117] 此步骤所涉及的主要原理在之前的实施例一中已经做了详细的介绍，故不再赘述。[0118] 步骤2、所述现场可编程预置式时空两维随机辐射场经目标区域中的观测目标散射，在单路接收天线处产生散射场，通过单路接收天线同步接收散射回波信号，并结合目标到接收天线的传播时延，对所述现场可编程预置式时空两维随机辐射场进行修正；综合多个时刻的散射回波信号与对应的修正的现场可编程预置式时空两维随机辐射场，获得散射回波矩阵矢量与修正的现场可编程预置式时空两维随机辐射场矩阵矢量。[0119] 本发明实施例中，第i个编码周期，所述单路接收天线相位中心的位置 处散射场表示为：[0120][0121] 单路接收天线同步接收的散射回波信号表示为：[0122][0123] 其中，M、N分别表示所述随机辐射天线阵列纵向、横向的天线单元数目， 表示(m,n)位置处天线单元相位中心位置矢量， 表示第p个目标分辨单元的位置矢量，p＝1,...,P，P为目标区域的离散网络单元划分数， 表示(m,n)位置处天线单元方向图， 表示(m,n)位置处天线单元的随机辐射射频信号，表示单路接收天线方向图，σp表示第p个目标分辨单元的后向散射系数，n0(t)表示接收信号的噪声，c为光速；t表示一个采样时刻，采样时刻总数为Q，可以分布在所有编码周期中。[0124] 考虑目标到单路接收天线的传播时延，对第i个编码周期，在目标区域内 处产生的现场可编程预置式时空两维随机辐射场进行修正，定义修正的现场可编程预置式时空两维随机辐射场为：[0125][0126] 所述矩阵矢量形式的成像方程可以表示为：[0127][0128] 其中， 为散射回波矩阵矢量，为观测目标散射系数矩阵矢量， 为噪声矩阵矢量， 为修正的现场可编程预置式时空两维随机辐射场矩阵矢量，表示为：[0129][0130] 其中，tq表示第q个采样时刻，q＝1，2,...,Q。[0131] 本步骤所涉及的接收天线及其原理均可参照常规技术，本发明不做赘述。[0132] 步骤3、将所述散射回波矩阵矢量与修正的现场可编程预置式时空两维随机辐射场矩阵矢量进行关联处理，得到观测目标的反演图像。[0133] 关联处理表示为：[0134][0135] 其中， 表示观测目标的反演图像， 为关联成像算法的算符， 表示修正的现场可编程预置式时空两维随机辐射场矩阵矢量， 表示散射回波矩阵矢量。[0136] 示例性的，关联成像算法可采用直接一阶场强关联、高阶场强关联、基追踪算法、正交匹配追踪算法或者稀疏贝叶斯学习等。[0137] 为说明本发明微波凝视关联成像方法的效果，在目标区域放置如图10左侧所示的观测目标，通过上述微波凝视关联成像方法进行反演成像，获得如图10右侧所示的观测目标的反演图像，可以清楚的看出观测目标被几乎完全的反演出来，且分辨率也比较高，由此证明了本发明所提方案能够实现观测目标的超分辨成像。[0138] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

专利地区：安徽

专利申请日期：2022-03-04

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114594426B