CN120446897A - 基于微波多模态的高分辨成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及目标成像技术领域，提出了一种基于微波多模态的高分辨成像方法及装置，包括信号源单元、涡旋电磁波天线、回波接收阵列以及控制终端；信号源单元用于产生微波激励信号通过涡旋电磁波发射阵列发射，回波接收阵列接收的回波信号通过控制终端的信号处理模块处理；涡旋电磁波天线采用环状波导缝隙天线阵，包括天线本体，设置在天线本体内的多个叠放设置的环状矩形波导，波导壁上设置缝隙，用于形成漏波辐射发出涡旋电磁波。通过设置的环状波导缝隙天线阵，实现多模态涡旋电磁波的稳定发射，增强目标散射信息维度，显著提升成像分辨率。

Description

基于微波多模态的高分辨成像方法及装置

技术领域

本发明涉及目标成像相关技术领域，具体地说，是涉及一种基于微波多模态的高分辨成像方法及装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

高分辨率目标成像技术在遥感监测、战场侦察、安全检查和智能制造等领域具有重要的应用价值。特别是在复杂环境下实现对目标的精确探测与成像，对于目标识别与分类具有关键意义。传统电磁波成像依赖于对目标反射信号的精细分析，然而随着对成像质量的要求不断提高，常规的线性调频雷达(LFM)、合成孔径雷达(Synthetic ApertureRadar，SAR)、逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)等传统手段面临诸多限制。涡旋电磁波是一种具有独特时间及空间分布形式的电磁波，其相位波前呈涡旋分布，且波束照射区域内不同位置处的电磁场幅相分布存在空间差异性，为目标探测与分辨提供了物理基础。基于这一特性，可以利用涡旋电磁波实现对目标的高分辨成像。

现有的微波成像技术主要有SAR和ISAR两种，在实际应用中存在以下问题：一方面，距离向分辨率受限于信号带宽，其理论上限为c/2B(其中c为光速，B为信号带宽)，实现高分辨率需要极高带宽，这对信号的产生、调制、线性校准和后端处理提出了极高要求，导致硬件成本显著增加、系统复杂度大幅提高。另一方面，方位向分辨率受限于天线孔径尺寸，SAR和ISAR需依赖目标与平台之间较大的相对运动角度，实现大尺寸的合成孔径，然而天线波束固定，波束宽度有限，进而限制了可获得的角度变化量和方位分辨率。另外，SAR/ISAR成像基于相干原理，对环境相干性高度敏感，极易受到噪声和相位扰动的影响，使得成像结果中相邻像素灰度波动较大，降低图像质量和目标可识别性。并且，这些问题在复杂场景、非合作目标成像等应用中更为突出。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于微波多模态的高分辨成像方法及装置，通过在无需相控阵控制的条件下，通过设置的环状波导缝隙天线阵，实现多模态涡旋电磁波的稳定发射，增强目标散射信息维度，显著提升成像分辨率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了基于微波多模态的高分辨成像装置，包括信号源单元、涡旋电磁波天线、回波接收阵列以及控制终端；信号源单元用于产生微波激励信号通过涡旋电磁波发射阵列发射，回波接收阵列接收的回波信号通过控制终端的信号处理模块处理；

涡旋电磁波天线采用环状波导缝隙天线阵，包括天线本体，设置在天线本体内的多个叠放设置的环状矩形波导，波导壁上设置缝隙，用于形成漏波辐射发出涡旋电磁波。

一个或多个实施例提供了基于上述的基于微波多模态的高分辨成像装置的成像方法，包括如下步骤：

控制微波开关，通过微波开关切换变换不同的旋涡电磁波的模态，依次向待探测目标发射旋涡电磁波；

通过回波接收阵列获取各模态的散射回波信号，结合目标对不同模态的响应特性，进行组合得到多模态响应信号；

利用信息解耦及超分辨重建算法对多模态响应信号进行处理，提取目标的空间位置信息与散射特性信息，得到成像结果。与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过采用环状波导缝隙天线阵作为涡旋电磁波的发射结构，在无需引入复杂相控阵系统的前提下，实现了多模态电磁激励，显著简化了天线系统的结构设计与控制复杂度。该天线阵列通过在环状波导壁面上均匀设置缝隙单元，使微波信号沿环状路径均匀泄露并辐射至空间，天然形成具有螺旋相位前沿的涡旋电磁波，涡旋电磁波相较于传统平面波，具备丰富的空间相位信息和轨道角动量特性，能够激发目标更复杂的散射响应，使得接收到的回波信号在维度和信息量上均大幅提升。通过融合多个模态回波进行重建，极大增强了目标成像的细节还原能力，显著提升系统的成像分辨率，解决了传统微波成像中受限于信号带宽与目标几何特性的分辨能力瓶颈问题，为复杂场景下的高精度探测提供了有效解决方案。

本发明的优点以及附加方面的优点将在下面的具体实施例中进行详细说明。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。

图1是本发明实施例1的基于微波多模态的高分辨成像装置的结构示意图；

图2(a)是本发明实施例1的环状波导缝隙天线阵的结构示意图；

图2(b)是本发明实施例1的环状矩形波导的第一视角结构示意图

图2(c)是本发明实施例1的环状矩形波导的俯视结构示意图；

图2(d)是本发明实施例1的环状矩形波导的侧视结构示意图；

图3是本发明实施例1的环状波导缝隙天线阵生成的3个不同模态的横向涡旋电磁模式示意图；

图4是本发明实施例1的不同模态涡旋电磁波的波前幅度分布图；

图5是本发明实施例1的不同模态涡旋电磁波的波前相位分布图；

图6是本发明实施例1的仿真实验的原始分布图；

图7是本发明实施例1的仿真实验采用基于微波多模态的高分辨成像装置的成像结果图；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

在一个或多个实施方式公开的技术方案中，如图1至图7所示，基于微波多模态的高分辨成像装置，包括：信号源单元、涡旋电磁波天线、回波接收阵列以及控制终端；信号源单元用于产生微波激励信号，并通过涡旋电磁波发射阵列发射，回波接收阵列接收的回波信号通过控制终端的信号处理模块处理；

涡旋电磁波天线采用环状波导缝隙天线阵，包括天线本体，设置在天线本体内的多个叠放设置的环状矩形波导，波导壁上设置缝隙，用于形成漏波辐射发出涡旋电磁波。

在本实施方式中，采用环天线阵列基于环状矩形波导构成，其波导壁上布设若干缝隙单元，用于在激励信号作用下实现漏波辐射。通过缝隙阵列的结构设计与排列控制，该装置能够在无需复杂相控阵控制的条件下形成涡旋电磁波。所产生的涡旋电磁波具有螺旋相位前沿特性，即其相位在空间中呈现旋转变化，使得电磁波携带轨道角动量。这些具有特定模态的涡旋电磁波被用作成像激励波，照射至被测目标。目标表面在该类型电磁波作用下会感应出不同于传统平面波的电磁响应，进而产生特征丰富的散射回波。回波信号由回波接收阵列接收后，传输至控制终端中的信号处理模块，该模块对接收到的回波进行处理，最终获得目标成像结果。

本实施例通过采用环状波导缝隙天线阵作为涡旋电磁波的发射结构，在无需引入复杂相控阵系统的前提下，实现了多模态电磁激励，显著简化了天线系统的结构设计与控制复杂度。该天线阵列通过在环状波导壁面上均匀设置缝隙单元，使微波信号沿环状路径均匀泄露并辐射至空间，天然形成具有螺旋相位前沿的涡旋电磁波，涡旋电磁波相较于传统平面波，具备丰富的空间相位信息和轨道角动量特性，能够激发目标更复杂的散射响应，使得接收到的回波信号在维度和信息量上均大幅提升。通过融合多个模态回波进行重建，极大增强了目标成像的细节还原能力，显著提升系统的成像分辨率，解决了传统微波成像中受限于信号带宽与目标几何特性的分辨能力瓶颈问题，为复杂场景下的高精度探测提供了有效解决方案。

在一些实施例中，设置环状波导缝隙天线阵的结构如图2(a)所示，天线本体的内壁为具有设定弧度的反射壁，天线本体内依次叠放设置不同波长模式的环状矩形波导，在矩形波导的外壁上设置缝隙，形成泄漏空间。如图2(a)所示，以叠放三个矩形波导为例，分别设置了两倍波长模式、三倍波长模式和四倍波长模式的矩形波导。

进一步地，为了保证不同模式的辐射方向一致，波导为矩形结构，有宽边和短边，可以采用波导短边开缝的方法，在波导短边的波导壁上向外延伸设置缝隙。具体的如图2(b)所示，为矩形波导截取一部分的结构，截取的端面为矩形，在水平方向为波导长边，竖直方向(图中坐标系的z方向)为矩形波导的短边，在矩形波导的外侧短边设置缝隙，可以使得电磁波以波导圆环的中心向外发射，如图2(a)所示，通过设置的缝隙向外发射电磁波为出射波，经过反射壁的反射形成方向相同的发射波。

环状波导结构中，经波导壁上的缝隙辐射后的波束，在空间中呈现不同张角，即产生涡旋模式具有不同的张角(即波束在空间的扩展角度)，不同模态的辐射方向会有所差异，为了让所有模态的主辐射方向趋于一致，本方案采用在波导的短边开缝，其作用包括：

改变漏波方向性：短边开缝使辐射方向更贴近径向(垂直于环状路径)，便于统一辐射方向；

增强模态一致性：让不同模态的主瓣对准一个大致方向，避免散射方向不一致导致的信息混叠。主瓣是天线或辐射波束中能量最强、方向最集中的一部分辐射区域，也称为主波束或主辐射方向。

由于涡旋波的不同模态存在不同的波束张角(例如模态l＝1,2,3对应的波束开角不同)，如果直接辐射，这些模态会在空间不同角度传播，导致成像面上接收点位置不一致，影响成像重构；

进一步地，反射壁的壁面设置为类U形结构，从类U形结构壁面的底部到顶部依次按照设置的弧度向外延伸，形成弧形的反射面，从而将不同模态的电磁波反射至同一方向，实现不同模态涡旋波发射，如图2(a)所示。

具体的，本实施例在每个缝隙的辐射方向上设置弧形金属反射壁，可以为喇叭状，将从缝隙漏出的波反射为固定方向的波束；

本实施例的装置需将多个模态回波信息联合成像，若每个模态的辐射方向不同，会导致回波信号覆盖区域不重叠，信息无法有效融合；成像面重建困难，影响分辨率提升，设置弧形反射面能够提高成像分辨率。

在一些实施例中，环状矩形波导的结构如图2(b)至图2(d)所示，整个波导为圆环状，环状的外壁之间的中空空间形成波导内部信号的传输空间，环状外壁的截面为矩形。

进一步地，信号源单元与涡旋电磁波发射阵列之间的耦合路径上，设置有可控的微波开关阵列，每个微波开关通过毫米波倍频器连接至环状波导缝隙天线阵的环状矩形波导；

可选的，微波开关采用可控开关，可以为PIN二极管、MEMS开关或压控电容，控制电磁波在环状波导的有效传播路径长度；

如图3所示，环状矩形波导腔内可产生行波，且通过微波开关的开关调整电磁波在波导内行进电长度可分别产生不同波长的行波模式。从图3中的a、b、c的三种涡旋电磁模式，是从环状波导缝隙漏波产生了3个不同模态的横向涡旋电磁模式。

进一步地，通过调整设置的环状矩形波导的半径，调整电磁波在波导中传输所产生的相位差和辐射涡旋电磁波的拓扑电荷数；如图2(a)以叠放三个矩形波导为例，分别设置了两倍波长模式、三倍波长模式和四倍波长模式的矩形波导。

相位差指的是波导中辐射缝隙两个点之间的相位差；相位差决定了每个缝隙辐射波在空间中的合成形状，例如平面波、螺旋波等。

拓扑电荷数(Topological Charge)是涡旋电磁波的重要参数，表示相位在一个完整环周内变化的“圈数”；

矩形缝隙中任意两个点的传播路径长度取决于波导环的弧长s，即：

s＝R×Δφ；

其中，R为波导半径，Δφ是两缝隙间的间隔角度。

电磁在波导中的传播会经历相位累积，半径越大，相同角度间隔下的传播路径越长，相位差越大，相位差的计算公式如下：

Δθ＝β×s＝β×R×Δφ；

其中，β＝2π/λ是波导中的相位常数，λ为波导波长。

因此，设置多个不同半径的环状波导，每个波导辐射不同模态，可以实现拓扑电荷数的调整。

例如，如果选取缝隙中8个点，若相邻点之间相位差是2π/8＝45°，则相位旋转一圈(360°)，拓扑荷数l＝1；若缝隙间相位差是90°，则相位旋转一圈(360°)，拓扑荷数l＝2；更高拓扑荷需更大相位差，可通过增大波导半径实现。

在一些实施例中，信号源单元包括快速调频收发模块、微波倍频器、微波开关阵列以及微波功分器；

快速调频收发模块，具体采用数字信号合成器DDS(RF/LO)，用于生成射频(RF)和本振(LO)信号；射频(RF)信号经过微波倍频器的功率放大后，产生微波激励信号驱动发射天线；回波信号接收端的下变频处理产生中频(IF)信号。

微波倍频器，用于对快速调频收发模块输出的信号进行功率放大；

快速调频收发模块输出的射频信号，通过微波开关阵列按需分配至涡旋电磁波天线的多个天线通道，通过电子开关控制不同模态涡旋波发射通道，每个通道具有可调开关路径，用于切换涡旋模式(拓扑荷数)；

微波功分器，用于将快速调频收发模块输出的本振(LO)信号进行分配，分配至各下变频接收通道；可以保证混频器本振端口的同步性，有利于多通道回波的相位一致采样。

在一些实施例中，回波接收阵列通过多通道混频模块、多通道ADC模块将接收到的回波信号传输至控制终端；

回波接收阵列采用毫米波喇叭天线；

多通道混频模块，针对每个毫米波喇叭天线设置一个混频器，使用微波功分器输出的功分本振信号作为混频参考，将毫米波喇叭天线接收的回波信号，经混频处理转化为中频信号(IF)；

多通道ADC模块，针对每个混频器设置采样通道，将混频器输出的中频信号进行采样；各通道同步采样，可以保持模态间时间一致性。

进一步地，多通道ADC模块的输出端还设置有多通道扩频处理模块，用于对采样后的多通道数据进行扩频编码处理，提高系统抗干扰能力，保留模态间的特征差异用于后续反演重建。

在一些实施例中，控制终端设置有主控一体机(PC+GPU)和FPGA，用于控制开关切换逻辑，实现电磁波的模态调度策略；用于进行采样数据同步管理、解调处理；

主控一体机内设置有信号处理单元，用于对接收回波信号进行模态分离、特征解耦、重建和超分辨处理，得到目标高分辨图像；

可选的一种实施方式，还设置有机械扫描装置，用于实现回波接收阵列的方向的调整，可以实现多方向自动的目标探测和成像。

传统的微波成像方法采用单一平面波入射，散射特性单一，由此反推的探测目标仅仅由单一入射波响应推测。本实施例通过环状波导缝隙天线阵，将探测用的平面电磁波转换为涡旋电磁波，具有呈涡旋形的相位分布，且不同模态涡旋电磁波相互正交，不同模态涡旋电磁波的相位波前分布使得待测目标表面产生的感应电磁流与单一平面入射波情况下不同，散射回波中会包含更丰富的目标信息。当不同模态涡旋电磁波被用于做目标探测时，待测目标被不同模态电磁波激励，其散射信息和关键响应特性为目标成像提供了新的维度，将不同模态切换并将散射特性组合，可有效提升成像分辨率。

实施例2

基于实施例1，本实施例中提供基于实施例1所述的基于微波多模态的高分辨成像装置的成像方法，可以在控制装置中实现，包括如下步骤：

步骤1、控制微波开关，通过微波开关切换变换不同的旋涡电磁波的模态，依次向待探测目标发射旋涡电磁波；

步骤2、通过回波接收阵列获取各模态的散射回波信号，结合目标对不同模态的响应特性，进行组合得到多模态响应信号；

步骤3、利用信息解耦及超分辨重建算法对多模态响应信号进行处理，提取目标的空间位置信息与散射特性信息，得到成像结果。

步骤1中，当微波开关置导通某一通路，实现某一模态涡旋波的入射，入射波照射在待探测目标上产生了散射场，通过回波接收阵列的探头对待探测目标进行平面扫描，采集到这一模态涡旋波入射情况下的响应信息，即散射回波信号；通过切换不同的通道，实现了不同模态涡旋波的入射，从而得到不同模态的响应特性。

步骤2中信号的组合为按照信号的时间轴进行信号的叠加；

步骤3、利用信息解耦及超分辨重建算法对多模态响应信号进行处理，可以通过采样不同模态入射波情况下的散射场即不同模态的响应特性，将不同模态散射场经全波定量算法计算得到的图像，将计算后的图像根据特征信息进行拼接，可以得到高分辨率成像结果。

进一步地，步骤2中，通过机械扫描装置带动回波接收阵列的探头进行二维平面扫描运动，回波接收阵列的探头通过移动接收不同模态涡旋波散射信息；

进一步地，当得到的成像结果不能显示完整物体，判定为大尺寸目标；将目标区域划分为多个网格区域，针对每个目标区域执行步骤1至步骤3逐一完成探测并成像，通过图像拼接与融合重建完整目标的三维高分辨图像。

机械扫描装置能够转动或移动，带动回波接收阵列进行二维平面扫描运动，每个采样点数据采集完毕即可通过误差校准实现被测目标三维高分辨成像，对于大尺寸目标而言，则需要将被目标网格划分，在依次完成各个网格区域的采集和成像处理后，通过图像拼接融合实现大尺寸目标的三维高分辨成像。

为说明本实施例方法的效果，进行了仿真实验。采用的多模态旋涡电磁波如图4和图5所示，图4为5个模态幅度分布，图5为相应的相位分布。

两个边长为λ/2的均匀方柱置于目标区域的中心，方柱边界相距λ/4，两个方柱介电常数为3，如图6所示。工作频率设置为110GHz，正则化参数为0.01。使用图4的5个模态的涡旋电磁波对两个目标进行成像，得到如图7所示的成像结构，成像结果可以清晰地分辨出两个相距为λ/4目标，实现了优于λ/2的高分辨率。其中，图6和图7中分左右两个图，其中左图为复介电常数的实部，右图为复介电常数的虚部。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于微波多模态的高分辨成像装置，其特征在于：包括信号源单元、涡旋电磁波天线、回波接收阵列以及控制终端；信号源单元用于产生微波激励信号通过涡旋电磁波发射阵列发射，回波接收阵列接收的回波信号通过控制终端的信号处理模块处理；

涡旋电磁波天线采用环状波导缝隙天线阵，包括天线本体，设置在天线本体内的多个叠放设置的环状矩形波导，波导壁上设置缝隙，用于形成漏波辐射发出涡旋电磁波。

2.如权利要求1所述的基于微波多模态的高分辨成像装置，其特征在于：天线本体的内壁为具有设定弧度的反射壁，天线本体内依次叠放设置不同波长模式的环状矩形波导，在波导的矩形波导的外壁上设置缝隙，形成泄漏空间。

3.如权利要求1所述的基于微波多模态的高分辨成像装置，其特征在于：环状矩形波导为矩形结构，包括宽边和短边，在波导短边的波导壁上向外延伸设置缝隙。

4.如权利要求1所述的基于微波多模态的高分辨成像装置，其特征在于：天线本体的内壁为具有设定弧度的反射壁，天线本体内依次叠放设置不同波长模式的环状矩形波导，在波导的矩形波导的外壁上设置缝隙，形成泄漏空间。

5.如权利要求1所述的基于微波多模态的高分辨成像装置，其特征在于：信号源单元与涡旋电磁波发射阵列之间的耦合路径上，设置有可控的微波开关阵列，每个微波开关通过毫米波倍频器连接至环状波导缝隙天线阵的环状矩形波导。

6.如权利要求5所述的基于微波多模态的高分辨成像装置，其特征在于：微波开关采用PIN二极管、MEMS开关或压控电容。

7.如权利要求1所述的基于微波多模态的高分辨成像装置，其特征在于：通过调整设置的环状矩形波导的半径，调整电磁波在波导中传输所产生的相位差和辐射涡旋电磁波的拓扑电荷数。

8.如权利要求1所述的基于微波多模态的高分辨成像装置，其特征在于：信号源单元包括快速调频收发模块、微波倍频器、微波开关阵列以及微波功分器；

快速调频收发模块，具体采用数字信号合成器DDS，用于生成射频和本振信号；

微波倍频器，用于对快速调频收发模块输出的信号进行功率放大；

微波功分器，用于将快速调频收发模块输出的本振信号进行分配；

回波接收阵列通过多通道混频模块、多通道ADC模块将接收到的回波信号传输至控制终端；

还设置有机械扫描装置，用于实现回波接收阵列的方向的调整。

9.基于权利要求1-8任一项所述的基于微波多模态的高分辨成像装置的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

控制微波开关，通过微波开关切换变换不同的旋涡电磁波的模态，依次向待探测目标发射旋涡电磁波；

通过回波接收阵列获取各模态的散射回波信号，结合目标对不同模态的响应特性，进行组合得到多模态响应信号；

利用信息解耦及超分辨重建算法对多模态响应信号进行处理，提取目标的空间位置信息与散射特性信息，得到成像结果。

10.如权利要求9所述的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过机械扫描装置带动回波接收阵列探头进行二维平面扫描运动，回波接收阵列探头通过移动接收不同模态涡旋波散射信息；

或者，当为大尺寸目标，将目标区域划分为多个网格区域，针对每个目标区域进行探测并成像，将各个网格的成像结果进行图像拼接与融合重建目标的图像。