[发明专利]一种球面波成像数学模型及近场效应的补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种球面波成像数学模型及近场效应的补偿方法，属于微波成像技术领域。

背景技术

微波是频率在300MHz～300GHz，相应波长为1m～1mm的电磁波。微波具有频率高、频带宽、信息容量大、波长短、能穿透电离层和方向性好等特点，微波成像是指以微波作为信息载体的一种成像手段，其原理是用微波照射被测物体，然后通过物体外部散射场的测量值来重构物体的形状或(复)介电常数分布。微波成像是依赖电磁波与目标的相互作用，从散射回波信号中挖掘、提取目标信息，重构目标特征。

按原理来说，微波成像通常应在远场条件下实施，照射目标的电磁波为平面波；但是，在实际情况中，由于发射功率的限制或者场地的限制，微波成像或微波诊断测量只能在一定的距离条件下进行，难以满足经典远场条件，照射目标的电磁波为球面波，在目标处产生波前弯曲，从而对目标回波成像时发生位置偏移和幅度估计不准确的现象，产生近场效应，造成误差。

为了补偿微波成像的近场效应，科研工作者做了很多相关研究。文献“NearField Imaging For Conducting Objects”，Li Hsueh-Jyh，Lin Feng-Li，IEEE TransAntenna and Propagation，1991，39(5)：600-605.通过补偿球面波的波前相位实现了目标的近场二维成像；文献：“引入双程传播损耗的近场大型目标球面逆投影成像算法研究”，孙厚军，李世勇，胡伟东，吕昕，电子学报，2009，37(3)：449-453.又考虑了近场大尺寸目标情况下对球面波双程传播损耗的补偿问题。

但这些算法都没有给出不同距离条件下的误差及近场效应并加以修正，包括修正位置偏移和进行精确的幅度估计。

超分辨类算法主要是基于空间谱估计的算法，空间谱估计技术是近三十年来发展起来的一门新兴的空域信号处理技术，其主要目标是研究提高在信号带宽内空间信号(包括独立、部分相关和相干)的估计精度、角度分辨力和提高运算速度的各种算法。超分辨算法最典型的有MUSIC、ESPRIT及WSF等算法。

多信号分类(MUSIC)成像算法具有运算量大、分辨门限高，且散射点数目难以确定等局限性；旋转不变参数估计技术(Estimation of Signal Parameter viaRotational Invariance Techniaques，缩写ESPRIT)已被应用于雷达成像中，但是研究者往往只是考虑远场条件下的微波成像，如文献“基于一种二维ESPRIT算法的ISAR超分辨成像”，焦芸，田野，宿富林，哈尔滨师范大学自然科学学报，第21卷，第04期，2005年，没有考虑近场成像中的应用问题。

基于矩阵束的ESPRIT算法运算量比较小，而且能够实现二维坐标及散射强度的自动配对，无须额外的人为配对，因此可以将该方法直接应用于近场二维成像的修正，补偿近场效应。

为了更好地说明本发明的内容，下面对近场转台目标成像的经典数学模型和超分辨ESPRIT算法进行简要介绍。

图1为近场转台目标二维成像的示意图，目标置于转台之上，可以随着转台绕中心旋转，雷达固定不动，采用单天线系统发射和接收电磁波。

假设g(x，y)为目标二维散射密度函数，目标与x-y坐标系绕O点顺时钟旋转，θ为u轴相对于x轴的旋转角度；x-y和u-v坐标系的原点均为O，R₀为雷达到目标旋转中心O的距离，R_θ为目标在相对于u轴转过角度θ时，目标上任一点到达雷达天线的距离；φ为R_θ与R₀之间的夹角；为目标x-y各点相对于坐标系的极坐标；弧线S代表到达雷达天线等距离的散射点的连线。

x-y和u-v坐标系的关系为：