发明内容

为了克服传统成像技术存在的上述缺陷和不足，本发明提供了一套解决方案。

如附图1所示，建立成像系统的坐标系，其中：P为目标，Q为目标的像，天线阵列位于z＝0的平面上，X表示收发天线单元。阵列单元接收目标回波信号，对此回波信号进行成像处理即可获得目标的像。

信号经过单程R1、R2传播时引入的传播相移为：

其中对成像聚焦有用的部分为：

其中，φ₁为散射源P到阵列单元的传播相移，φ₂为阵列单元到像点Q的传播相移，为波数，U为物距，V为像距；(ζ，ξ)为目标坐标，(x，y)为阵列单元坐标，(δ，σ)为像点坐标。

将天线阵列等效为焦距为F的透镜，则透镜单元的有效相移为：

其中，φ_L为阵列单元的透镜相移，F为焦距。

天线单元收到目标回波信号后，以球面波的形式进行二次散射。则目标回波信号经过不同的传输路径R₁、R₂和透镜移相后到达像平面处的场强为：

其中，为像场分布，为目标反射信号。代入φ₁、φ₂、φ_L的表达式整理后得：

其中，

当满足成像条件时：此时有Ψ₁＝0，令整理得：

对于理想矩形透镜阵面：代入上式进行定积分得：

其中Sinc表示辛克函数，当阵列口径较大时，此函数表现出冲激函数的特性，可以看出，此时像场分布与目标之间存在良好的线性映射关系。

对于实际的离散阵列成像系统，假设收发天线单元接收到的目标发射信号为E，成像时则需要对阵列接收到的目标回波信号作如下处理：

其中，为阵列单元接收到的场，A_mn为阵列单元的幅度加权系数。将上式展开并整理后得：

其中，

当满足成像条件时：此时有ψ₁＝0。

令x_m＝x₀+mΔ_x，y_n＝y₀+nΔ_y，m、n分别为阵列单元x方向与y方向的序号，Δ_x、Δ_y分别为x方向、y方向的阵列单元间距，(x₀,y₀)为阵列起始单元坐标。带入上式化简整理得：

其中，

上式右边的系数满足反映了像场的空间波动特性，对成像基本无影响，可忽略。求和运算可用二维IFFT进行快速求解，则像场计算公式为：

其中，IFFT表示二维快速傅里叶逆变换。IFFT计算结果对应的ω_δ、ω_σ取值范围为：ω_δ∈[0，2π]、ω_σ∈[0，2π]，进行fftshift运算后将ω_δ、ω_σ取值范围变换为：ω_δ∈[-π，π]、ω_σ∈[-π，π]，此时的像才是符合实际分布的像，并且与源场之间具有良好的线性映射关系。

结合阵列天线理论可知，上述成像计算公式与阵列天线远场方向图计算公式具有相似的形式，因而可用阵列天线理论对像场坐标进行修正：ω_δ＝kΔ_x sinθ_δ、ω_σ＝kΔ_y sinθ_σ，符号sin表示正弦函数。方向图无栅瓣条件为：此时不会出现成像混叠现象。

最后，采用阵列天线理论对像点扫描角坐标进行修正：

其中，符号sin^-1表示反正弦函数。

在上述认识的基础上，本发明提供了一种阵列快速成像方法，该方法基于透镜成像原理，结合电磁场理论，根据天线阵列接收到的目标信号，通过单元信号的幅度、相位加权，采用高效并行算法，获得目标对应的像场分布。

进一步地，该方法中所述通过单元信号的幅度、相位加权，采用高效并行算法，获得目标对应的像场分布，其具体算法如下：

其中：j为虚数单位，e为欧拉常数，为像场分布，为阵列单元接收到的目标信号，A_mn为阵列单元幅度加权系数，φF_mn为聚焦相位加权系数，φS_mn为扫描相位加权系数，M为x方向的阵列单元数量，N为y方向的阵列单元数量，(x_m，y_n)为阵列单元的坐标，(δ，σ)为像点的坐标，V为像距，即成像平面到阵列平面的距离，m、n分别为阵列单元x方向与y方向的序号，为波数，λ为波长，符号∑代表求和运算。

在大角度成像条件下，上述成像公式的像场坐标会出现较大误差，需要进行修正。对于均匀离散阵列，高精度像场计算公式为：

其中，ω_δ＝kΔ_x sinθ_δ、ω_σ＝kΔ_y sinθ_σ，Δ_x为x方向阵列单元间距，Δ_y为y方向阵列单元间距，θ_δ、θ_σ分别为像点相对阵列中心的扫描角坐标。

具体而言，本发明阵列快速成像方法包括下述步骤：

步骤一：对阵列单元信号进行幅度加权以降低副瓣电平；

步骤二：对阵列单元信号进行扫描相位加权以调整成像系统中心视角方向；

步骤三：对阵列单元信号进行聚焦相位加权以实现成像聚焦；

步骤四：采用高效并行算法，对阵列单元的信号进行快速成像处理；

步骤五：解算像场坐标，对像场进行坐标反演获得真实目标的位置。

进一步地，本发明方法步骤一中所述幅度加权的方法包括但不限于均匀分布、余弦加权、汉明窗、Taylor分布、切比雪夫分布及混合加权方法。

进一步地，本发明方法步骤二中所述扫描相位加权调整成像系统中心视角方向，其扫描相位加权的相位计算公式为：

其中：分别为x、y方向的阵列相邻单元之间的相位差，其计算公式分别为：

其中：Δ_x、Δ_y分别为x方向、y方向的阵列单元间距，θ_ζ、θ_ξ为中心视角方向指向源坐标(ζ，ξ)时的x、y方向的扫描角坐标，其计算公式分别为：

其中：U为物距，即目标所在平面到阵列平面的距离。

进一步地，本发明方法步骤三中包括：利用聚焦相位加权方法，对阵列单元信号进行聚焦相位加权以实现成像聚焦，其中：

自动对焦相位加权的聚焦相位计算公式为：

变焦或定焦相位加权的聚焦相位计算公式为：

其中，F为焦距，且F＜U、F＜V。

进一步地，本发明方法步骤四中包括：采用高效并行算法，对阵列单元的幅度、相位加权后的信号进行快速成像处理；所述高效并行算法包含但不限于二维或三维FFT、IFFT、非均匀FFT、稀疏FFT，其计算公式为：

其中：为像，符号表示高效并行算法函数，为阵列单元接收到的目标散射场，A为阵列单元幅度加权系数，φ_F为聚焦相位加权系数，φs为扫描相位加权系数；

上述像场计算结果对应的ω_δ、ω_σ取值范围为：ω_δ∈[0，2π]、ω_σ∈[0，2π]，进行fftshift运算后将ω_δ、ω_σ取值范围变换为：ω_δ∈[-π，π]、ω_σ∈[-π，π]，此时的像是符合实际分布的像：

进一步地，本发明方法步骤五中包括：对高效并行算法获得的像场进行坐标解算，并对像场进行坐标反演，获得真实目标的分布情况；其中：

对于IFFT类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：

对于FFT类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：

像的直角坐标计算公式为：

δ＝V tanθ_δ，

σ＝V tanθ_σ；

真实目标的坐标反演计算公式为：

进一步地，本发明方法中设置阵列单元间距以避免出现成像混叠现象。

此外，本发明还提供了一种阵列快速成像方法，所述快速成像方法用于远距离成像，包括：选取U＝∞，则有φ_F＝0，适用于远距离成像的简化公式为：

采用上述高效并行算法计算像场，通过一次运算获得宽视角范围内的目标分布情况。

进一步地，本发明方法既适用于被动成像系统，又适用于半主动系统和常规相控阵系统，即采用额外天线作为照射源的半主动系统以及所有阵列单元同时收发信号的常规相控阵系统，均可以采用本发明方法进行快速成像。

同时，本发明还涉及上述方法在光学成像、微波成像、雷达探测、声呐、超声成像以及声、光、电目标探测、成像识别、无线通信领域中的应用。

综上，本发明阵列快速成像方法具有以下优点：

1)运算量小，硬件成本低，成像速度快

本发明采用“相位补偿-IFFT”的算法架构，相比传统数字波束合成技术，本发明方法具有运算速度快、硬件成本低、成像速度快等特点。

2)可兼容远、中、近距离成像

本发明采用“相位补偿-IFFT”的算法架构，其相位补偿量与距离相关，因而能够适用于远、中、近不同距离情况下的成像，具有良好的兼容性。

3)可兼容被动、半主动、主动等不同成像系统

本发明成像方法，既适用于被动成像系统，又适用于半主动系统和常规相控阵系统，即采用额外天线作为照射源的半主动系统以及所有阵列单元同时收发信号的常规相控阵系统，均可采用本发明方法进行快速成像。

另外，本发明方法具有良好的应用前景，可广泛应用于以声、光、电等为媒介的目标探测及无线通信技术领域，当探测媒介为电磁波时，本技术适用于微波成像、雷达探测、无线通信、合成孔径雷达、逆合成孔径雷达；当探测媒介为声波、超声波时，本技术适用于声呐、超声成像、合成孔径声呐；当探测媒介为光时，本技术适用于光学成像、合成孔径光学成像。