一种聚焦增强的超宽带成像方法及装置

摘要

本发明公开了一种聚焦增强的超宽带成像方法及装置，控制器FPGA1控制时域信号发射机5发出窄脉冲信号，此脉冲信号宽度纳秒级，具有较高带宽的频谱。窄脉冲信号通过发射天线阵列12辐射，对目标物进行探测。接收天线阵列13将接收到的微弱反射信号送给低噪声放大器11,信号经放大后进入接收机7，接收机7将接收到的高速微弱信号解析成数字信号,通过多路数据采集单元10送入信号处理与成像模块4。同时，控制器FPGA1控制惯性定位传感器2实时测量装置的加速度，数据采集单元3将测量结果送给信号处理与成像模块4，最后由成像算法程序解析出目标物的位置。

主权项

一种聚焦增强的超宽带成像装置的成像方法，所述聚焦增强的超宽带成像装置，它包括：发射天线阵列，用于将时域信号发射机发射的时域信号辐射，对目标物进行探测；接收天线阵列，用于接收目标物反射的反射信号并将接收到的反射信号送入接收机，接收机将接收到的反射信号解析成数字信号，通过数据采集单元I送入信号处理与成像模块成像；控制器FPGA，控制所述时域信号发射机发射时域信号，同时还控制接收机接收反射信号及控制定位装置实时测量天线装置的加速度，所述定位装置通过数据采集单元II与信号处理与成像模块连接，所述天线装置由发射天线阵列和接收天线阵列组成；其特征是，具体步骤为：步骤一：控制器FPGA控制时域信号发射机发出时域信号，时域信号通过发射天线阵列辐射，对目标物进行探测；步骤二：接收天线阵列将接收到的目标物反射的反射信号经低噪声放大器送入接收机，控制器FPGA控制接收机采用等效采样的方式接收反射信号并将接收到的反射信号解析为数字信号；步骤三：接收机将解析成的数字信号，通过数据采集单元I送入信号处理与成像模块，同时，FPGA控制惯性定位传感器实时测量天线装置的加速度，数据采集单元II将测量结果送给信号处理与成像模块；步骤四：信号处理与成像模块根据接收到的反射信号和由惯性定位传感器测量的加速度，利用成像算法解析出目标物的位置；所述步骤四的具体步骤为：(4‑1)装置具有一路发射天线和多路接收天线，装置紧贴墙体移动，对墙体另一侧的探测区域任意点目标A进行探测，发射信号被目标A反射后再次穿过墙体，由接收天线进行接收，设目标A的坐标是(x，y)，x是探测区域横向坐标，y是探测区域纵向坐标，x和y的数值与垂直方向坐标z无关；根据空气和墙的介电常数、电导率、磁导率确定出电磁波在墙体中的传播速度以及电磁波由空气入射到墙和由墙入射到空气时，入射角与折射角的关系；将空气视为理想介质，其介电常数ε₁＝ε₀，磁导率μ₁＝μ₀，电导率δ₁＝0，电磁波在理想介质中的传播速度为光速c；在墙壁内，假设墙壁为均匀介质，介电常数为ε₂＝ε_rε₀，磁导率μ₂＝μ_rμ₀,电导率为δ₂，假设电磁波的角频率为ω，则电磁波在墙壁内部的传播速度为：其中，ε₀真空介电常数，ε_r相对介电常数，μ₀真空磁导率，μ_r相对磁导率；设T是发射天线，坐标为(x₀，y₀)；设R₁，R₂，R₃，R₄分别是四路接收天线，对应的坐标分别为(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，(x₃，y₃)，(x₄，y₄)，设R_i代表接收天线中的第i路，对应的坐标为(x_i，y_i)，其中i＝1，2，3，4；M₀代表发射信号电磁波穿透墙壁的折射点，M₁、M₂、M₃和M₄代表四路反射信号到墙壁上的折射点，M_i代表第i路反射信号到墙壁上的折射点，其中i＝1，2，3，4；由于墙壁表面的折射，电磁波从发射天线到A点的路径被分为L₀₁和L₀₂两段，设L₀₁是发射信号由折射点M₀到目标的距离，L₀₂是发射天线发射的信号在墙壁内的距离；由于墙壁表面的折射，第i路反射信号从目标到接收天线R_i的路径被分为L_i1，L_i2两段，其中i＝1，2，3，4；设L_i1是第i路反射信号从目标到折射点M_i的距离，L_i2是第i路反射信号从折射点M_i到接收天线R_i的距离；由Snell折射定律可得电磁波的入射角α与折射角β的关系式为：式中，是复数形式，j是虚数单位；,k₁以rad/m计      (3)将电磁波从发射天线到目标A，然后从目标A反射到任一个接收天线的传播路径分为四段，发射天线到目标A的两段传播路径分别为L₀₁，L₀₂，目标A到第i路接收天线R_i的两段传播路径为L_i1，L_i2，其中i＝1，2，3，4；发射天线发出的任一角频率ω的电磁波经过目标A后反射到第i路天线R_i的传输时间为：其中，v_ω是电磁波在墙体中的传播速度；令墙体的磁导率μ₂＝μ₀，墙体厚度远小于探测区域尺寸，设电导率δ₂＝0，则式(4)和(5)简化为：k″₂＝0       (8) 则电磁波的色散现象消失，墙壁内的电磁波传播速度为：则电磁波由空气入射到墙壁时，入射角与折射角的关系式为设α₀是电磁波发射时的折射角；β₀是电磁波发射时的入射角；α_i是第i路反射的电磁波在达到墙壁时的入射角；β_i是第i路反射的电磁波在达到墙壁时的折射角；d是折射点与第i路接收天线R_i在横向x轴上的距离，d＝|x_i‑x_Mi|；发射信号电磁波穿透墙壁的折射点M₀的坐标是(x_M0，y_M0)；第i路反射信号到墙壁上的折射点M_i的坐标是(x_Mi，y_Mi)；目标A到第i路接收天线R_i的路径中，设Δx＝|x‑x_i|，Δy＝y‑y_i‑d_w，d＝|x_i‑x_Mi|，其中，i＝1，2，3，4；若Δx≠0，则(4‑2)根据电磁波在空气和墙体中的传播速度，以及入射角与折射角的关系，确定关于折射点的方程；由(10)、(11)、(12)式得到关于d的一元四次方程：其中，d_w代表墙壁厚度；(4‑3)根据公式(13)，确定d的值，再利用d值得到第i路反射信号到墙壁上的折射点M_i的坐标；(4‑4)根据折射点M_i坐标，得出延迟参数t_i,ω；根据折射点坐标，得：(4‑5)利用惯性定位传感器采集的天线装置的加速度数据，得出此时刻天线装置的位移，并确定探测区域的新坐标；装置在移动过程中的加速度a是空间中任意方向上的矢量，与横向x轴的夹角是θ_x，与纵向y轴的夹角是θ_y，与垂直方向z轴的夹角是θ_z，在三维坐标系中，可以分解为横向加速度a_x，纵向加速度a_y和垂直加速度a_z；装置发生移动，则固定在装置上的整个天线阵列发生位移；假如天线阵列移动的加速度为矢量a，是空间中任意方向上的矢量，且是时间的函数，设时间为Δt_s，则速度矢量为：假如天线阵列的起始位置为P₀，移动到P₁位置时所经过的距离为：由于整个天线阵列发生位移时是紧贴墙面运动的，则忽略纵向加速度a_y，由于探测区域任意点目标A的坐标在横向x轴和纵向y轴方向上的数值与垂直方向z轴无关，则忽略垂直加速度a_z，则公式(15)和(16)简化为：将发射天线位置作为当前坐标原点，确定第j次成像时探测区域的新坐标表示第j次成像前每个天线相对于上次成像时的位移；(4‑6)根据延迟参数t_i,ω和探测区域的新坐标，完成探测区域的单次成像；天线阵列紧贴墙面移动，探测区域的单次成像结果为：s_i(t_i)表示第i路接收天线接收到的目标反射信号在t_i时刻的信号幅度值，其中，i＝1，2，3，4；(4‑7)对单次成像的结果进行合成：以最后一次成像时发射天线的位置作为当前坐标原点，对多个单次成像的结果进行坐标变换，然后进行合成；当总成像次数小于N时，对第1～j次单次成像的结果进行合成；当总成像次数大于等于N时，对第j‑N+1～j次单次成像的结果进行合成；若装置要求完成一次合成成像的时间不超过T_syn，假定单次成像的周期为ΔT_s，则需合成单次成像的个数为