阅读说明：本技术 一种目标空间谱分布最优盲匹配的探测阵列优化方法 (Detection array optimization method for target space spectrum distribution optimal blind matching ) 是由 张羽 刘辉 陈明徕 罗秀娟 李治国 郝伟 于 2020-05-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种目标空间谱分布最优盲匹配的探测阵列优化方法,旨在解决现有技术中存在的不能对远程位置目标进行实时探测,尤其对于运动目标,难以快速进行信息采集与图像重构的技术问题。本发明实现了对远程位置目标(或非合作目标)的高分辨率观测,并可实时调整探测阵列,根据探测阵列的特性来与目标空间谱做最优匹配,通过不断探测并反馈达到提升对远程目标的实时探测效率。本发明结合了信号探测与迭代由低频向高频迭代运算的这一特点,在迭代的过程中实时与系统级联MTF、探测阵列冗余度等信息融合,在图像最终重构前做出图像质量的及时判断,并调整探测阵列的形态来匹配目标空间谱分布,提升探测效率。(The invention discloses a detection array optimization method for optimal blind matching of target spatial spectrum distribution, and aims to solve the technical problems that a remote target cannot be detected in real time in the prior art, and information acquisition and image reconstruction are difficult to perform quickly particularly on a moving target. The invention realizes high-resolution observation of a remote position target (or a non-cooperative target), can adjust the detection array in real time, optimally matches with a target space spectrum according to the characteristics of the detection array, and achieves the purpose of improving the real-time detection efficiency of the remote target by continuous detection and feedback. The method combines the characteristics of signal detection and iterative operation from low frequency to high frequency, fuses information such as MTF (modulation transfer function) and detection array redundancy with a system in real time in the iterative process, makes timely judgment on image quality before final reconstruction of the image, adjusts the form of the detection array to match with target spatial spectrum distribution, and improves detection efficiency.)

一种目标空间谱分布最优盲匹配的探测阵列优化方法

技术领域

本发明涉及探测阵列的设计方法，具体涉及一种目标空间谱分布最优盲匹配的探测阵列优化方法。

背景技术

现有技术中，只研究了信号接收系统的MTF来表征接收系统的光学质量，对于重构图像的质量评价未能与探测阵列的动态调整有机结合起来，图像质量评价也只能在图像最终重构出来时得到，不能对远程位置目标进行实时探测，尤其对于运动目标，难以快速地进行信息采集与图像重构。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的不能对远程位置目标进行实时探测，尤其对于运动目标，难以快速进行信息采集与图像重构的技术问题，而提供一种目标空间谱分布最优盲匹配的探测阵列优化方法。

本发明的发明构思为：

探测阵列的不同形态体现着对目标空间谱不同程度的信息采样，同时，不同形态的阵列(相当于不同的基线配置)具有不同程度的冗余度，在某一阵列基线配置下存在一个最优冗余度曲线。该曲线是在阵列所构成的空间谱分布面上体现的。利用某一基线配置下系统级联MTF在空间谱面上分布位置与最优冗余度曲线的相对关系，便可判断该基线下目标空间谱分布的大致方向，由于目标重构时是依靠探测阵列由中心(低频部分)向外侧(高频部分)迭代的，且每相邻的迭代具有相关性，则可以根据目前目标空间谱的分布方向指导下一次迭代时阵列中不同方向的阵元参与数，达到实时调整阵列形态以最佳匹配目标空间谱的目的，提升对非合作目标的探测效率。

本发明所采用的技术方案为：

一种目标空间谱分布最优盲匹配的探测阵列优化方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1)确定一个散斑场探测阵列，为该探测阵列建立坐标系，以横向为X轴，纵向为Y轴，计算该探测阵列的冗余度R：

其中：

N_x为该探测阵列中X轴上参与的阵元数；

N_y为该探测阵列中Y轴上参与的阵元数；

步骤2)找出该探测阵列冗余度R为零的点，拟合成最优冗余度曲线；

步骤3)计算某一阵元的RST值：

其中，i为某一阵元的X轴坐标，j为该阵元的Y轴坐标；

步骤4)重复步骤3)，确定所有阵元的RST值，选取RST为正的值，并确定所有阵元的RST值与最优冗余度曲线的位置分布关系，根据该位置分布关系实时调整所述探测阵列中的阵元向RST值分布较多的方向优化，并扩大该分布方向的参与探测的阵元数，直至探测阵列的形态与目标的空间谱相匹配；

步骤5)通过优化后的探测阵列对目标返回的信号进行采样，并对该优化后的探测阵列中各个阵元接收到的信号进行频谱迭代，获取目标空间的频谱信息；

步骤6)根据步骤5)获取的频谱信息对目标空间谱信息进行重构；

步骤7)重复步骤3)至步骤6)，直至优化后的探测阵列对目标的分辨率满足要求。

进一步地，所述探测阵列为矩形、圆形或Y形。

进一步地，所述探测阵列是离散布局。

进一步地，所述目标为非合作目标。

进一步地，所述阵元为InGaAs-APD

本发明的有益效果是：

1.本发明实现了对远程位置目标(或非合作目标)的高分辨率观测，并可实时调整探测阵列，根据探测阵列的特性来与目标空间谱做最优匹配，通过不断探测并反馈达到提升对远程目标的实时探测效率。

2.本发明结合了信号探测与迭代由低频向高频迭代运算的这一特点，在迭代的过程中实时与系统级联MTF、探测阵列冗余度等信息融合，在图像最终重构前做出图像质量的及时判断，并调整探测阵列的形态来匹配目标空间谱分布，提升探测效率。

3.本发明可全天时对目标进行探测，通过成像系统的动态调控可对运动目标进行快速的信息采集与图像重构。

4.本发明的探测阵列是离散布局、根据目标的形态可进行规模上，形态上的实时调整，提升探测效率。

附图说明

图1为本发明的实施例中矩形探测阵列所构成的空间采样频谱面示意图；

图2为本发明的实施例中两轴孔径数与基线冗余度变化关系图；

图3(a)是本发明的实施例中在条纹分布方向上三横目标的图案；

图3(b)是本发明的实施例中在条纹分布方向上三纵目标的图案；

图3(c)是本发明的实施例中在条纹分布方向上六爪目标的图案；

图4(a)是图3(a)目标的RST值分布图；

图4(b)是图3(b)目标的RST值分布图；

图4(c)是图3(c)目标的RST值分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种目标空间谱分布最优盲匹配的探测阵列优化方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。

对于传统光学成像系统的MTF(调制传递函数)已有非常成熟的研究，但对于激光相干成像系统，其MTF的分析具有其独特性。它集成了多光束空间基线分布、链路湍流效应、光电探测阵列与数据融合多个级联分系统的共同作用，均对整个成像系统的MTF产生影响。本发明主要针对这几方面展开成像系统的MTF模型建立的阐述。考虑到傅里叶望远成像的特殊性，其整体系统调制传递函数应为各分系统调制传递函数的乘积。取三个最主要的影响因素。整体MTF表示为：

MTF＝MTF_tran×MTF_link×MTF_reic

其中：

MTF_tran体现了发射系统中光束质量、光束相干性、光束剪切量、声光移频、光束准直等多个因素的相互作用机制和作用效果；

MTF_link体现了大气湍流效应、目标反射特性等因素的综合效应；

MTF_reic体现了接收阵列形态、接收阵元间距、探测器噪声及灵敏度等因素综合作用的结果。

在相干阵列成像方式中，探测阵列的形态决定着它对目标空间谱采样的分布形态。以矩形探测阵列为例，如图1所示，其构成的空间采样频谱也为矩形。

当探测阵列中阵元总数为N时，其横向与纵向的参与阵元数分别为N_x和N_y，阵元总数N＝N_x×N_y (1)，则阵列的冗余度为：

探测阵列的冗余度分布如图2所示。可以看出，阵列中横、纵两轴孔径数相等时基线冗余度最小。

纵向孔径数用横向孔径数可表示为N_y＝k×N_x。当k＝1时，基线冗余度最小。将基线范围内的最小冗余度值连接起来，构成最优冗余度曲线。在矩形探测阵列中，探测阵列的横向孔径数N_x与纵向孔径数N_y的一种组合对应发射阵列的一个冗余度，随着N_x与N_y数值的增大，相应冗余度的值也发生变化。然而存在一个最低值。将图2投影至N_x-N_y面时可看出冗余度的最低值可形成一条直线，即为矩形探测阵列的最优冗余度曲线。

定义在某一基线配置下有RST(Redundancy Strehlratio Target spatialspectrum)值为：

在式(3)中，等式右边第一项

为在某一基线配置(i,j)下的归一化级联MTF值，第二项

为第一项在所有基线上的平均值，将这两部分相减，当RST值为正时，认为在这个基线上的RST为较大的值，表明在该基线所代表的方向上细节信息较多。对于某一目标来说，一种基线配置对应一个RST值。

然而RST值为正的点并不完全落在最优冗余度曲线上，说明在相同的N_x与N_y规模下，并不是冗余度最小的探测阵列能达到最好的成像质量。若RST为正的点分布于最优冗余度曲线的一侧，则说明在此基线是目标细节信息分布多偏向N_x一侧或者N_y一侧。此时便按照冗余度与RST值的分布进而得知阵列基线与目标纹理分布信息(Target TextureDistribution)的关系。

图3(a)至中图3(c)选取了在条纹分布方向上较为典型的图案。

其中图3(a),图3(b)的纹理分别呈横向和纵向分布，图3(c)目标纹理分布在各个方向较为均匀。

图4(a)至4(c)所示，是图3(a)至中图3(c)中三目标的RST值分布图；

由图3(a)和4(c)的典型图形可以看出，当目标纹理含有较为明显的方向特征时，会比较明显地体现在RST分布图上，以图3(a)和图4(a)为例，横向条纹的图像，其纵向方向的细节变化较为明显，那么体现在图4(a)的RST上，RST为正的点大多分布在最优冗余度曲线靠近N_y的区域。同样图3(b)中的纵向条纹图像，其横向细节变化较为明显，则在图4(b)中RST为正的点大多分布在最优冗余度曲线靠近N_x的区域。对于图3(c)的图像，其RST为正的点相对均匀地分布在最优冗余度曲线两侧。

由此，便可以根据目前探测器基线N_i和N_j范围内下的RST值的分布情况，来分析当下目标所包含的空间谱信息分布方向，从而调整N_i+1和N_j+1的探测范围，达到动态调整探测器阵列规模与形态，来更好匹配目标空间谱，提升探测效率的目的。

探测器阵列最远端的阵元距离可视为成像系统的等效口径。该等效口径决定了成像系统的分辨率，该系统探测阵列是离散布局、根据目标的形态可进行规模上，形态上的实时调整，提升探测效率。

成像系统采用了级联MTF的分析方法，将各个分系统对成像的影响因素全局考虑，综合判断系统的性能，并使之为探测阵列的动态调整提供技术参考。

现有技术中，只研究了信号接收系统的MTF来表征接收系统的光学质量，本发明完善了这一评估方式，将现有单一的评估方法扩展至结合发射系统，链路系统和接收系统的级联MTF特性来表征系统成像质量。