一种微波关联成像的新方法

陈建平，朱文贵，张 刚

（1.海军驻上海地区电子设备军事代表室，上海 200233；2.中电科技集团第51 所，上海 201802；3.海军航空工程学院研究生管理大队，山东 烟台 264001）

当前，成像技术主要包括光学成像、实孔径雷达成像、合成孔径雷达成像、逆合成孔径雷达成像等技术[1]，这些技术近年来得到了快速发展，但它们同时也存在着各自的缺陷：红外成像作用距离较近；实孔径雷达成像无法获得满足高分辨率的大孔径天线；合成孔径雷达、逆合成孔径雷达基于相干的处理方式容易受到侦察、干扰的威胁，且通过雷达和目标的相对运动才能成像[2-3]。

近年来，随着量子信息和量子光学的发展，人们开始在成像系统中利用光场的非经典量子特性获取图像信息，这导致一个新的研究领域——量子成像的出现[4-5]。目前量子成像技术已受到国际学术界的广泛重视。据不完全统计，当前世界各国已有十多个著名实验室在开展量子成像研究，从国外一些学术报告所透露的信息来看，美国军方也已经开展了量子成像应用于非局域对地观测的相关研究。

本文将强度关联量子成像理论[6]引入到雷达成像技术中，主要开展微波关联成像技术的研究，达到目标识别的目的。提出的技术不仅成像速度快，抗侦察、抗干扰、抗反辐射导弹能力强，且对动、静目标均可成像。和其他成像技术相比，有其独特的优点，具有很好的理论意义和应用前景。

本文首先给出了强度关联量子成像的原理；接着分析微波关联成像的基本原理，并给出了实现方法；最后对全文进行简要总结。

1 强度关联量子成像原理

强度关联量子成像的原理如图1所示[7-8]。

图1 强度关联量子成像原理图

非相干光源S 经分束器分成两束，分别通过一个已知的参考光学系统 hr(x,xr)和一个未知的物臂光学系统 ht(x,xt)，其中目标在未知系统中。探测器 Dr和Dt分别记录参考臂的强度分布和物臂的强度，二阶关联函数G(2,2)(xr,xt)[9]给出目标像。

强度关联量子成像系统光路如图2所示[6]。

图2 强度关联量子成像系统光路图

经毛玻璃散射后的散斑场分布为：

强度关联量子成像两臂互相关函数：

物臂的脉冲响应函数为：

式(3)中：

参考臂的脉冲响应函数为：

式中，

将式(1)、(3)～(6)代入式(2)，化简可得：

式(7)包含了目标的复透射率函数t (x)，经过强度关联运算可以提取目标的信息，进行强度关联处理后即可得到物体的像。

2 微波关联成像原理及实现

基于上述强度关联量子成像理论，微波关联成像利用电磁波形成成像底版，将电磁波照射到目标产生的各向散射的目标回波信号进行强度相关处理最终成像。这是将光学理论应用于微波领域的一种创新探测技术。

微波关联成像技术的原理框图可简单描述为图3所示。

图3 微波关联成像原理框图

和图2相比，发射信号产生→多辐射源系统发射→卡塞格伦天线聚焦过程代替了激光非相干光束产生链路，图像底版制作过程取代了参考臂的强度分布记录过程，目标回波则相当于经目标反射后的物臂强度。这样，微波关联成像技术的机理和整个处理过程都是从强度关联量子成像技术的基础上发展而来的。

整个成像过程可简单描述如下：多个辐射源同时向目标发射N个幅度、相位随机可控的单元信号，同时记录各个发射信号的状态，并根据目标距离信息制作“成像底版”；接收到目标回波信号以后，“成像底版”和目标回波进行关联处理，得到一幅“单帧关联信息图”；最后通过对若干组“单帧关联信息图”平滑处理后实现目标成像。下面简要介绍关联成像的基本过程。

2.1 底版形成

多个辐射源同时发射脉冲信号，这组脉冲信号具有随机的幅度和相位，在目标距离R 处形成一帧底版(二维)。由于辐射源发射功率为随机变量，则底版中X11、X12、…、Xnn均为随机量，它们表示空间该单元处信号的强度场分布。

以点目标为例，假设在辐射源照射通路上有一个点目标，位于底版中的ss位置。单路接收机接收综合回波信号，该信号为该帧画面上的目标的后向散射回波信号的总和。对于点目标ss，若该点的照射场强度为Xss，则该点目标经照射后的回波信号为σXss，σ为后向散射系数，无目标处则没有反射，于是综合信号可以表示为：

重复发射m个脉冲，则获取m 帧底版和m个综合回波信号，然后进行下一步底版零均值处理。

2.2 底版零均值处理

为了使底版变换为零均值随机量，先将底板进行零均值处理。底版零均值处理就是将m 帧底版中对应位置点的能量求均值，再将每帧能量分布图的每点数值减去对应点的平均值，得到m 帧能量差值分布图。

处理过程举例：如在(1,1)位置上，第1 帧底版能量为(X11)1，第2到第m 帧的能量分别为(X11)2到(X11)m，对该位置上的能量求均值得：

每帧对应位置的能量减去该均值得到差值分布图，第1 帧(1,1)位置的差值为：

其他位置作相同处理可得到m 帧差值能量分布图，然后进行关联处理。

2.3 关联处理

将差值分布图各点数值与该帧的综合信号相乘，构成单帧目标信息图。第1 帧差值分布图与第1次接收到的综合信号 S1=σssXss相乘构成了第一幅单帧目标信息图。同样，对m 帧信号分别进行相关处理，得到m幅单帧目标信息图。

将多幅单帧目标信息图对应叠加获得目标信号分布图。对于无目标的位置，如(1,1)位置，由于底版经零均值处理，相关求和得0，即：

而对于目标位置如ss位置，由于该位置的回波中含有与ΔXss相关的分量，因而：

2.4 目标图像的形成

目标信号分布图实际上是目标的灰度图像，若采用门限T 判别目标信息分布图中各点相关求和的结果，即可形成目标的轮廓图像。

3 总结

强度关联成像技术在光学领域已经实现，本文将关联成像技术拓宽到微波领域，提出了一种全新的微波成像技术，该技术具有截获概率低、抗侦察能力强、成像速度较快、动静目标均可成像等特点，有着很好的理论意义和应用前景。

[1]张直中.微波成像术[M].北京∶科学出版社,1990∶1-10.

[2]MERRILL I SKOLNIK.雷达手册[K].2 版.北京∶电子工业出版社,2003∶825-835.

[3]张澄波.综合孔径雷达[M].北京∶科学出版社,1989∶112-120.

[4]XIONG J,et al.Experimental observation of classical sub wavelength interference with a pseudo thermal light source[J].Physical Review Letters,2005,94(17)∶173601-173604.

[5]MARTIENSSEN W,SPILLER E.Coherence and fluctuations in light beams[J].American Journal of Physics,1964,32(12)∶919-926.

[6]张明辉.经典热广场非局域无透镜傅里叶成像的试验研究[D].上海∶中国科学院上海光学精密机械研究所,2007∶24-28.

[7]SCARCELLI G,VALENCIA A,SHIH Y.Two-photon interference with thermal light[J].Euro.physics Letters,2004,68(5)∶618-624.

[8]GOODMAN J W.Introduction to Fourier Optics[M].San Francisco∶Roberts &Company Publishers,1968∶18-35.

[9]STREKALOV D V,et al.Observation of two-photon"ghost" interference and diffraction[J].Physical Review Letters,1995,74(18)∶3600-3603.