一种基于微波远场本地光学重构的微波光子关联成像系统

摘要

本发明涉及一种基于微波远场本地光学重构的微波光子关联成像系统，属于光电成像技术领域。微波雷达关联成像中需要精确知道目标区域随机探测辐射场的分布，而此辐射场分布又无法直接实时探测。目前的微波雷达关联成像技术主要根据系统构型及发射信号参数通过推算获得该随机探测辐射场分布，计算量巨大，且因实际系统实现因素的限制，发射机实际发射的信号相对于计算预置波形存在偏差，实际的辐射场分布计算难度较大，不利稳定、准确成像，因此，微波雷达关联成像实际应用中存在较大的挑战。本发明基于本地光学重构实测的随机探测辐射场分布，实现微波雷达关联成像，从根本上避免了上述推算估计偏差问题。

权利要求

1.一种基于微波远场本地光学重构的微波光子关联成像系统，其特征在于：

该微波光子关联成像系统，包括随机微波信号源生成模块(1)、微波发射天线阵列(2)、微波接收天线(3)、微波光域上变频单元(4)、红外CCD探测器(5)、功分器(6)、光学天线阵(7)、光波远场变换单元(8)、关联计算成像单元(9)、低噪声放大器(11)，前述各部分依次由光纤或电缆相连，或经自由空间传输；

随机微波信号源生成模块(1)用于产生用于微波光学关联成像模式的微波随机辐射信号，随机微波信号源经功分器分路，其中一路经由微波发射天线阵列(2)发射，另一路进入微波远场本地光学探测重构系统；随机微波信号经微波光域上变频单元转换为光载波；

N个通道工作原理相同，以N个通道中任一个通道中光相位调制为例，其光场表达方式如下：其上(USB)、下(LSB)一阶边带分别表示为：

上式中，Eopt为激光场强幅值，ωopt为光信号的角频率， 为光的相位，ERF为随机微波信号场强幅值，ωRF为随机微波信号的角频率， 为随机微波信号的相位，J1为1阶贝塞尔函数，m为微波光域上变频单元的调制指数；

每个光边带信息实现了微波信号从微波域到光域上转换，包含了微波的全部信息，经过光处理后，输出单边带信息，以上边带为例，该边带信号经过光学天线阵后发射至光波远场变换单元，以透镜的傅里叶变换为例，经光学远场变换单元后的光场表示式如下：(ai,bi)为光学天线阵上任一阵元，f为透镜的焦距；

微波随机辐射信号经微波发射天线阵列发射后在远场形成的随机探测信号辐射场表达式如下：(pi,qi)为微波发射天线阵列上任意阵元；

z为远场空间距离微波发射天线阵列的纵向距离；微波发射天线阵列与光学天线阵具有相同的拓扑结构；当z为很大值时， 等于1，光学远场变换单元光场与微波场U(x,y)形式上仅相差一常数相位因子 和常数幅值因子J1，该光场信号经红外CCD探测器输出强度信号，本地重构输出电场强度表达式与微波随机辐射信号远场表达式仅相2

差一常数强度系数J1，实现了微波探测场分布的光学重构；

光学天线阵具有和微波发射天线阵列完全一致的分布及数量，光学天线阵横截面相比微波发射天线阵列等比例缩小；基于该微波远场本地光学探测重构系统，微波接收天线接收远方目标物体的回波信号，该信号与红外CCD探测器输出的微波远场本地重构场信息进行关联计算，实现高分辨率的成像。

说明书

一种基于微波远场本地光学重构的微波光子关联成像系统

技术领域

[0001] 本发明属于光电成像技术领域，涉及一种基于微波远场本地光学重构的微波光子关联成像系统。

背景技术

[0002] 微波关联成像通过时空两维随机探测信号辐射场与采样回波进行关联处理，实现波束内的高分辨成像，是一种不依赖、且不受限于目标相对运动的雷达关联成像技术，极具发展前景。相关文献请参阅：

[0003] [1]李东泽，雷达关联成像技术研究，博士学位论文，国防科学技术大学，2014年。

[0004] [2]徐浩，基于空间谱理论和时空两维随机辐射场的雷达成像研究，博士学位论文，中国科学技术大学，2011年。

[0005] 目前微波关联成像中需要已知的目标区域随机探测辐射场的分布，该目标区域时空随机辐射场获得的精确与否决定了关联成像的质量和分辨率。微波关联成像系统中各阵元天线辐射非相干场，在远场区形成时空两维随机辐射场，探测区域的微波信号在空间分布上具有明显的不相关特征，波束内各个散射点回波信号不仅具有不同的时延和多普勒频率信息，同时还具有不同的波形，目标处的波阵面在各个时刻具有随机性的空间起伏。目前，该远场区时空两维随机辐射场信息的获得主要根据系统构型及发射信号参数通过推算估计，计算量巨大，且因实际系统实现因素的限制，发射机实际发射的信号相对于计算预置波形存在偏差，实际的辐射场分布计算难度较大且准确度较低，不利稳定、准确成像。此外，在远场目标区域通过测量手段获得随机辐射场信息从实际工程实现方式来说难度较大，实用性极低。因此，计算和实际远场测量获得远场区时空两维随机辐射场信息的技术手段在实际应用存在较大的挑战。本发明基于本地重构实测的光学探测重构辐射场分布，从根本上避免了上述推算估计偏差问题，因此，可实现稳定的高分辨微波关联成像，可望为解决现有雷达成像技术中对静止\准静止目标以及非合作高机动性目标高分辨成像的瓶颈问题。

发明内容

[0006] 本发明为了提高实孔径微波成像系统分辨率，实现波束内高分辨，提出一种基于微波远场本地光学重构的微波光子关联成像系统，可用于对静止\准静止目标以及非合作高机动性目标高分辨成像。

[0007] 本发明采用的技术文案如下：

[0008] 一种基于微波远场本地光学重构的微波光子关联成像系统，主要包括：发射阵列天线，微波远场本地重构单元，目标回波接收单元，关联成像处理单元。由发射单元的多路随机微波信号的一部分驱动发射天线阵列产生时空随机目标探测信号场，同时，相同的多路随机微波信号的另一部分馈送至微波远场本地重构单元，产生微波时空随机目标探测信号场的光域重构，此本地重构产生的目标探测信号场，与目标回波接收单元产生的目标回波信号，通过关联处理单元，实现关联成像。

[0009] 微波远场本地光学探测重构方法及系统，如图2所示。该方法主要包括：随机微波信号产生模块用于产生时空随机探测辐射场的随机微波信号，用来驱动微波发射天线阵，并经过功分器作为微波远场本地光学探测重构系统的输入参考信号。该参考信号经过微波光域上变频单元实现微波信号到光域的转换，经过光纤天线阵发射至光学远场变换单元，该光学天线阵具有和微波天线一致的分布及数量；通过光学远场变换单元后，由红外CCD探测器完成微波远场信号光电转换输出，多路强度叠加之后实现微波远场信号的本地重构输出；接收天线用来完成对目标回波信号的接收，与微波远场信号进行关联计算，获得目标区域高分辨率的图像。

[0010] 所述微波发射天线阵列工作频段可覆盖UHF‑太赫兹频段；随机微波信号源生成模块工作频段可覆盖UHF‑太赫兹频段，模块之间信号彼此非相干；功分器单元工作频段可覆盖UHF‑太赫兹频段，且具有较低的损耗；微波光域上变频单元工作频段可覆盖UHF‑太赫兹频段，可实现微波信号上变频至光域，保证通道间光载波相位的一致性以及随机微波信号携带信息与光边带信息的幅度相位一致性，且具有较低的损耗和非线性；光学天线阵列，将微波光域上变频单元输出的光波波束发射至光波远场变换单元；光波远场变换单元，完成光场信号的远场变换；红外CCD探测，输出光波远场信号，实现微波远场本地光学探测重构，微波接收天线工作频段可覆盖UHF‑太赫兹频段，低噪声放大器工作频段可覆盖UHF‑太赫兹频段，且具有高的增益和低的噪声。

[0011] 所述的微波天线阵列具有一定形状排布，根据不同天线阵列排布的成像质量确定最优排布。

[0012] 所述的随机微波信号源生成单元间具有非相干特性。

[0013] 所述的微波光域上变频单元具有大动态范围、高调制效率。

[0014] 所述的红外CCD探测器可以实现光信号探测，输出本地微波远场重构信号。

[0015] 本发明的有益效果：本发明可有效改善实孔径微波成像系统分辨率不足的问题，获得目标的细节信息。

附图说明

[0016] 图1为一种基于微波远场本地光学重构的微波光子关联成像系统示意图。

[0017] 图2为微波远场本地光学探测重构装置示意图。

[0018] 图3为微波远场时空两维随机探测信号辐射场模拟图。

[0019] 图4为经过本地光学探测重构输出的微波远场模拟图。

[0020] 图5为视场中心水平方向微波场和光场强度归一化对比图。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

[0022] 如图所示，图1是一种基于微波远场本地光学重构的微波光子关联成像系统示意图，图2是微波远场本地光学探测重构装置示意图。在本发明中，微波光子关联成像方法及装置，如图1所示，包括发射阵列天线，微波远场本地重构单元，目标回波接收单元，关联成像处理单元。由发射单元的多路随机微波信号的一部分驱动发射天线阵列产生时空随机目标探测信号场，同时，相同的多路随机微波信号的另一部分馈送至微波远场本地重构单元，产生微波时空随机目标探测信号场的光域重构，此在雷达本地重构产生的目标探测信号场，与目标回波接收单元产生的目标回波信号，通过关联处理单元，实现关联成像。本发明中，微波远场本地重构单元，即微波远场本地光学探测重构装置，如图2所示，N通道之间工作原理相同，以N通道中的任一通道为例说明，随机微波信号源生成的随机微波辐射信号经过功分器后，一路经发射天线阵发射，另一路经微波光域上变频单元将射频信号上变频至光域。经微波发射天线阵发射的1km微波远场时空两维随机探测信号辐射场微波场强归一化分布模拟图如图3(a)和图3(b)所示。微波光域上变频单元输出的光信号经过空间光学远场变换单元后，由红外CCD探测器接收。N个光通道的信号在空间形成光学远场分布，经过二维红外CCD探测器接收后，输出的本地光学探测重构场强度归一化分布图如图4(a)和图4(b)所示，图5为视场中心水平方向微波场和光场强度归一化对比图，可以看出，微波远场时空两维随机探测信号辐射场微波场强分布与本地光学探测重构输出的场强分布图一致，证明了本发明可行性。

[0023] 实施例

[0024] 一种基于微波远场本地光学重构的微波光子关联成像系统，包括随机微波信号源生成模块1、微波发射天线阵列2、微波接收天线3、微波光域上变频单元4、红外CCD探测器5、功分器6、光学天线阵7、光波远场变换单元8、关联计算成像单元9、微波接收天线10、低噪声放大器11，前述各部分依次由光纤或电缆相连，或经自由空间传输。

[0025] 随机微波信号源生成模块1用于产生用于微波光学关联成像模式的微波随机辐射信号，随机微波信号源经功分器分路，其中一路经由微波发射天线阵列2发射，另一路进入微波远场本地光学探测重构系统；随机微波信号经微波光域上变频单元转换为光载波；

[0026] 以N个通道中的任一个通道为例，具体的微波远场本地光学探测重构装置及基于此装置的微波关联成像步骤如下所示：

[0027] a.随机微波信号源输出的微波信号经过功分器后一路经发射天线发射，进行目标探测；另一路进入微波远场本地光学探测重构系统，在该系统中，随机微波信号经过微波光域上变频单元调制到光载波上，经光纤传输至光学天线阵，这里所述的光学天线阵排列和发射天线拓扑结构方式完全相同，只是按照一定比例在面积上进行缩比；

[0028] b.光学天线阵输出光信号经光波远场变换单元，通过红外CCD探测器输出强度信息，N路电信号叠加后实现微波远场信号的本地重构输出；

[0029] c.天线发射的微波信号经过远场目标物体反射后，回波信号经接收天线接收，天线接收到的微波回波信号经低噪声放大器放大后输入至关联计算成像单元；

[0030] d.红外CCD探测器输出的微波远场本地光学探测重构场信号与接收天线接收的目标回波信号进行关联计算，能够实现波束内的高分辨成像。

[0031] 在本系统中，随机微波信号经微波光域上变频单元转换为光载波，该方法中N个通道工作原理相同，以N个通道中任一个通道中光相位调制为例(不限于光相位调制)，其光场表达方式如下：

[0032]

[0033] 其上(USB)、下(LSB)一阶边带分别表示为：

[0034]

[0035]

[0036] 上式中，Eopt为激光场强幅值，ωopt为光信号的角频率， 为光的相位，ERF为随机微波信号场强幅值，ωRF为随机微波信号的角频率， 为随机微波信号的相位，Jn为1阶贝塞尔函数，m为微波光域上变频单元的调制指数。

[0037] 通过上述式子可以看出，上述每个光边带信息实现了微波信号从微波域到光域上转换，包含了微波的全部信息(幅度和相位)，经过光处理后，输出单边带信息，以上边带为例(不局限于上边带)，该边带信号经过光学天线阵后发射至光波远场变换单元，这里以透镜的傅里叶变换为例(但不局限于透镜)，经光学远场变换单元后的光场表示式如下：

[0038]

[0039] (ai,bi)为光学天线阵上任一阵元，f为透镜的焦距。

[0040] 微波随机辐射信号经发射天线阵发射后在远场形成的随机探测信号辐射场表达式如下：

[0041]

[0042] (pi,qi)为微波发射天线阵上任意阵元。z为远场空间距离微波发射天线阵的纵向距离。微波天线阵与光学天线阵具有相同的拓扑结构，仅在尺寸上具有缩比。当z为很大值时， 近似于1，光学远场变换单元光场与微波场U(x,y)形式上仅相差一常数相位因子 和常数幅值因子J1，该光场信号经红外CCD探测输出强度信号，本地重构输2
出电场强度表达式与微波随机辐射信号远场表达式仅相差一常数强度系数J1 ，实现了微波探测场分布的光学重构。

[0043] 本发明中，光纤天线阵具有和微波发射天线阵完全一致的分布及数量，光纤天线阵横截面相比发射微波天线阵等比例缩小；基于该微波远场本地光学探测重构系统，接收天线接收远方目标物体的回波信号，该信号与红外CCD探测器输出的微波远场本地重构场信息进行关联计算，实现高分辨率的成像。

[0044] 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阐述的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以同等替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之列。