本发明涉及雷达成像领域，尤其涉及一种可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源设计方法。
背景技术：
雷达成像(radarimaging)技术是雷达发展史上的一个飞跃，拓展了雷达最初的检测(detection)和测距(ranging)的功能，其出现使得雷达能利用电磁散射信息，获得对场景的全景雷达图像。传统的凝视成像，即实孔径成像的方位分辨率受限于天线孔径，因此仅适用于对分辨率要求低的场合。合成孔径雷达虽然具有分辨率高、探测成像范围广等优点，但其基于运动平台的多普勒方位向分辨特性，决定了它重访周期长的特点，在需要长时间连续凝视观测和成像的场景下，存在不可避免的先天劣势。
基于时空两维随机辐射场的微波凝视关联成像是一种全新的微波凝视成像体制。该新型成像方法构造了具有时空两维正交特性的辐射场，通过起伏变化的辐射场辐照相对静止的凝视区域目标形成散射回波，将散射回波与利用已知发射信息计算得到的辐射场进行关联处理，获得关于目标的高分辨率反演结果。该微波凝视关联成像方法克服了传统实孔径雷达空间分辨率受限于天线孔径的限制，为全天时、全天候、高分辨遥感凝视观测提供了一种新的技术途径。
微波凝视关联成像方法的成像性能取决于辐射场的正交性，主要与辐射源的信号形式、天线孔径、收发构型、天线阵列阵元布局等因素有关。现有微波凝视关联成像技术的辐射源通常采用多发射天线组成具有一定空间排布的辐射阵列的方式，通过设计特殊的阵列几何布局和改变各发射天线的激励信号形式，如通过优化算法设计特殊几何结构的发射阵列布局、使用多通道随机跳频或随机调制的激励信号等，在多个天线的共同辐射区域产生可用于微波凝视关联成像的时空两维正交辐射场。传统基于多天线阵列的微波凝视关联成像方法，需要对多路发射天线进行严密的工作控制，存在系统结构复杂、易受多通道误差影响等缺点，因此，需要考虑可用于微波凝视关联成像的简化系统结构的辐射源设计方法。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源设计方法，能够通过单天线辐射源实现对目标场景的高分辨率微波凝视关联成像。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源设计方法，包括：
设置单天线的口面场幅度分布与相位分布模式，对给定的观测场景几何构型，利用电磁场理论，计算不同频率与不同幅度分布与相位分布下，单天线产生的远区辐射场；
利用微波凝视关联成像辐射场正交性评价方法，以辐射场整体正交性最优准则对单天线产生的远区辐射场进行设计和挑选，得到成像所需的多个远区辐射场，并获取单天线口面场对应的多组幅度分布、相位分布和频率参数。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用微波凝视关联成像辐射场正交性评价方法，对口面场幅相分布和电磁参数进行合理地设计与选取，在单发射天线的辐射源简化构型下，产生微波凝视关联成像所需的时空两维正交辐射场，进而实现对目标场景的高分辨率微波凝视关联成像。
附图说明
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。
图1为本发明实施例提供的一种可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源设计方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种可用于微波凝视关联成像的新型单天线辐射源设计方法的成像场景图；
图3为本发明实施例提供的14cm×12cm矩形口面下几种口面场幅度分布的示例图；
图4为本发明实施例提供的14cm×12cm矩形口面下几种口面场相位分布的示例图；
图5为本发明实施例提供的以观测矩阵满秩为准则挑选出的几种可行远区辐射场示意图；
图6为本发明实施例提供的单天线下对100m×100m照射区域中分辨率为2m的不同目标的反演成像结果示意图。
具体实施方式
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。
本发明实施例提供一种可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源设计方法，如图1所示，其主要包括如下步骤：
步骤1、设置单天线的口面场幅度分布与相位分布模式，对给定的观测场景几何构型，利用电磁场理论，计算不同频率与不同幅度分布与相位分布下，单天线产生的远区辐射场。
基于单发射天线的微波凝视关联成像典型成像场景如图2所示。单天线口面区域记为d，以单天线口面区域d的中心为原点建立统一直角坐标系o-xyz，其中单天线口面区域d在直角坐标系的xoy平面内；在统一直角坐标系o-xyz下，单天线口面区域d上任一位置处的面元δd的位置坐标为
单发射天线口面d上的电场强度为：
式中，
由电磁场理论的推导，在时谐情况下，成像区域p点处的远区辐射场表达式为：
式中，λ为电磁波对应的波长，k＝2π/λ为波数，π为圆周率。
由远区辐射场
步骤2、利用微波凝视关联成像辐射场正交性评价方法，以辐射场整体正交性最优准则对单天线产生的远区辐射场进行设计和挑选，得到成像所需的多个远区辐射场，并获取单天线口面场对应的多组幅度分布、相位分布和频率参数。
对微波凝视关联成像而言，其分辨率与辐射场正交性正向相关。在对单天线辐射源进行设计时，一种可行的设计原则是辐射源所产生的辐射场具有最优的正交性。因此对可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源，需要利用微波凝视关联成像的辐射场正交性评价准则，得到一组具有最优正交性的辐射场，并获取其所对应的单天线口面场幅度分布与相位分布模式(可简称为幅相分布)和频率参数。
在不同口面场的幅相分布下，记单天线产生的远区辐射场为
上式即为单天线辐射源下的微波凝视关联成像的成像方程，其中，j为虚数单位，ω为单天线口面辐射电磁波的角频率，c为光速，μ0为真空中的磁导率，
定义等效辐射场为：
为方便计算机处理，将成像方程进行空间网格化和时间离散化，得到如下式所示矩阵方程形式的成像方程：
称成像方程中由等效辐射场
一阶相关函数定义辐射场正交性的评价如下式所示，其中角标*表示复数共轭。
对m个等效辐射场，定义其整体正交性评价为：
其中，
正交辐射场可以使观测矩阵满秩并具有较好的条件数，以保证矩阵成像方程求解。因此以辐射场的整体正交性最优为准则，对单天线产生的远区辐射场进行设计和挑选，得到成像所需的多个远区辐射场，进而得到对应的单天线口面场电场强度的多组幅相分布和频率参数，本发明所述可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源设计即由不同次观测选用的多组口面场幅相分布和频率参数实现。
具体来说，在成像过程中有m次观测，需要m个远区辐射场，对应3m个参数，即m个幅度分布、m个相位分布和m个频率参数，由这3m个参数得到一个辐射场整体正交性评价结果，将这3m个参数视为一个整体，不同的辐射源方案对应不同的参数选取方案(一个方案中有3m个参数)，对应不同的正交性评价结果，选用整体正交性最优的一组参数(共计3m个)。
步骤3、将设计得到的单天线辐射源应用于给定观测场景的单天线辐射微波凝视关联成像，以判断设计得到的单天线辐射源是否有效。
利用单天线辐射源产生的时空两维正交辐射场，实现对隐含在散射场中的目标信息的高分辨率反演与重构；由成像方程(前述提供的矩阵形式或非矩阵形式的成像方程)出发，对接收散射场
其中，
当求解得到的目标散射系数
本发明实施例上述方案，可以利用微波凝视关联成像辐射场正交性评价方法，以正交性最优和实现高分辨率微波凝视关联成像为设计准则，对天线口面场幅相分布和电磁参数选取进行合理地设计与选择，在单发射天线的辐射源构型下，产生微波凝视关联成像所需的时空两维正交辐射场，进而突破传统实孔径成像分辨率，实现对目标场景的高分辨率微波凝视关联成像。
下面结合具体成像场景，通过附图和具体示例对本发明的原理和效果作详细描述。以一个较为典型的具体示例为例，但是，不应以此示例限定本发明的实际应用以及保护范围。
仿真条件：
考虑使用口面尺寸为14cm×12cm的矩形口面作为本发明实施示例使用的单发射天线口面，成像距离为100m，成像区域为100m×100m的平面区域，辐照方式为正视辐照，可使用电磁波频率为x波段9.5ghz-10.5ghz。由天线理论，具有相同尺寸的矩形口面喇叭天线的半功率波束宽度覆盖范围为18m×21m(10.5ghz)，因此使用传统实孔径雷达成像方法得到的目标分辨率为18m。因此，提出成像分辨率2m的需求。在仿真中，将100m×100m的成像区域划分为2m×2m的网格，并仿真辐射场的计算过程及成像过程。
仿真内容：
在所述仿真条件下，进行如下仿真：
仿真1：在给定观测构型下，利用不同的口面幅度分布、相位分布、电磁波频率，计算并挑选远区辐射场。图3所示为14cm×12cm矩形口面上数种可用的口面场幅度分布示例。图4所示为14cm×12cm矩形口面上数种可用的口面场相位分布示例。图5所示为以观测矩阵满秩为准则挑选出的几组远区辐射场示例。由仿真结果可以看到，通过改变口面的幅相分布和电磁波频率，使整个成像区域的远区辐射场空间分布产生了较大的变化，初步证实了本发明所提利用口面场的幅相分布变化和电磁波频率的改变产生足够多的时空两维正交辐射场的可行性。
仿真2：在不同成像目标下，利用仿真1挑选出的口面场幅相分布和频率参数产生的远区辐射场，通过将其与散射回波进行关联成像处理，得到成像目标的反演结果如图6所示。本实施例示例中口面尺寸仅为14cm×12cm，在x波段9.5ghz-10.5ghz下仅为一个矩形喇叭天线的口面尺寸。当使用辐射场正交性评价方法对单天线辐射源进行设计后，观测矩阵达到满秩，并成功反演出目标图像。由仿真结果可以看出，本发明实施示例在单发射天线情况下，通过以辐射场正交性最优为准则对辐射源进行设计，在100m×100m的扩展成像区域中实现了2m成像分辨率下的正交辐射场和目标反演成像，超越了传统实孔径雷达的18m的成像分辨率，验证了本发明所提可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源设计方法的有效性。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
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。
1.一种可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源设计方法，其特征在于，包括：
设置单天线的口面场幅度分布与相位分布模式，对给定的观测场景几何构型，利用电磁场理论，计算不同频率与不同幅度分布与相位分布下，单天线产生的远区辐射场；
利用微波凝视关联成像辐射场正交性评价方法，以辐射场整体正交性最优准则对单天线产生的远区辐射场进行设计和挑选，得到成像所需的多个远区辐射场，并获取单天线口面场对应的多组幅度分布、相位分布和频率参数。
2.根据权利要求1所述的一种可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源设计方法，其特征在于，所述设置单天线的口面场幅度分布与相位分布模式，对给定的观测场景几何构型，利用电磁场理论，计算不同频率与不同口面场幅度分布与相位分布下，单天线产生的远区辐射场包括：
单天线口面区域记为d，以单天线口面区域d的中心为原点建立统一直角坐标系o-xyz，其中单天线口面区域d在直角坐标系的xoy平面内；在统一直角坐标系o-xyz下，单天线口面区域d上任一位置处的面元δd的位置坐标为
单发射天线口面d上的电场强度为：
式中，
由电磁场理论的推导，在时谐情况下，成像区域p点处的远区辐射场表达式为：
式中，λ为电磁波对应的波长，k＝2π/λ为波数，π为圆周率。
3.根据权利要求1所述的一种可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源设计方法，其特征在于，所述频率是指单天线口面辐射电磁波的角频率，选自可用频段；单天线的口面场幅度分布与相位分布模式至少包括：均匀分布、线性律分布、二次律分布、及正余弦律分布。
4.根据权利要求1或2所述的一种可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源设计方法，其特征在于，所述利用微波凝视关联成像辐射场正交性评价方法，以辐射场整体正交性最优准则对单天线产生的远区辐射场进行设计和挑选，得到成像所需的多个远区辐射场，并获取单天线口面场对应的多组幅度分布、相位分布和频率参数包括：
记单天线产生的远区辐射场为
上式即为单天线辐射源下的微波凝视关联成像的成像方程，j为虚数单位，ω为单天线口面辐射电磁波的角频率，c为光速，μ0为真空中的磁导率，
定义等效辐射场为：
将成像方程进行空间网格化和时间离散化，得到如下式所示矩阵方程形式的成像方程：
称成像方程中由等效辐射场
一阶相关函数定义辐射场正交性的评价如下式所示，其中角标*表示复数共轭：
对m个等效辐射场，定义其整体正交性评价为：
其中，
以辐射场的整体正交性最优为准则，对单天线产生的远区辐射场进行设计和挑选，得到成像所需的多个远区辐射场，进而得到对应的单天线口面场电场强度的多组幅度分布、相位分布和频率参数。
5.根据权利要求4所述的一种可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源设计方法，其特征在于，辐射场整体正交性评价准则为包括：整体相关系数均值最小准则、或者可用辐射场数目最大准则。
6.根据权利要求1所述的一种可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源设计方法，其特征在于，该方法还包括：将设计得到的单天线辐射源应用于给定观测场景的单天线辐射微波凝视关联成像，以判断设计得到的单天线辐射源是否有效；
利用单天线辐射源产生的时空两维正交辐射场，实现对隐含在散射场中的目标信息的反演与重构；由成像方程出发，对接收散射场
其中，
当求解得到的目标散射系数
7.根据权利要求6所述的一种可用于微波凝视关联成像的单天线辐射源设计方法，其特征在于，所述关联处理算法为：矩阵直接求逆、最小二乘法、正则化方法、压缩感知方法、统计关联方法、或者最优化方法。
技术总结