一種微波關聯成像的新方法

陳建平，朱文貴，張 剛

（1.海軍駐上海地區電子設備軍事代表室，上海 200233；2.中電科技集團第51 所，上海 201802；3.海軍航空工程學院研究生管理大隊，山東 煙臺 264001）

當前，成像技術主要包括光學成像、實孔徑雷達成像、合成孔徑雷達成像、逆合成孔徑雷達成像等技術[1]，這些技術近年來得到了快速發展，但它們同時也存在著各自的缺陷：紅外成像作用距離較近；實孔徑雷達成像無法獲得滿足高分辨率的大孔徑天線；合成孔徑雷達、逆合成孔徑雷達基于相干的處理方式容易受到偵察、干擾的威脅，且通過雷達和目標的相對運動才能成像[2-3]。

近年來，隨著量子信息和量子光學的發展，人們開始在成像系統中利用光場的非經典量子特性獲取圖像信息，這導致一個新的研究領域——量子成像的出現[4-5]。目前量子成像技術已受到國際學術界的廣泛重視。據不完全統計，當前世界各國已有十多個著名實驗室在開展量子成像研究，從國外一些學術報告所透露的信息來看，美國軍方也已經開展了量子成像應用于非局域對地觀測的相關研究。

本文將強度關聯量子成像理論[6]引入到雷達成像技術中，主要開展微波關聯成像技術的研究，達到目標識別的目的。提出的技術不僅成像速度快，抗偵察、抗干擾、抗反輻射導彈能力強，且對動、靜目標均可成像。和其他成像技術相比，有其獨特的優點，具有很好的理論意義和應用前景。

本文首先給出了強度關聯量子成像的原理；接著分析微波關聯成像的基本原理，并給出了實現方法；最后對全文進行簡要總結。

1 強度關聯量子成像原理

強度關聯量子成像的原理如圖1所示[7-8]。

圖1 強度關聯量子成像原理圖

非相干光源S 經分束器分成兩束，分別通過一個已知的參考光學系統 hr(x,xr)和一個未知的物臂光學系統 ht(x,xt)，其中目標在未知系統中。探測器 Dr和Dt分別記錄參考臂的強度分布和物臂的強度，二階關聯函數G(2,2)(xr,xt)[9]給出目標像。

強度關聯量子成像系統光路如圖2所示[6]。

圖2 強度關聯量子成像系統光路圖

經毛玻璃散射后的散斑場分布為：

強度關聯量子成像兩臂互相關函數：

物臂的脈沖響應函數為：

式(3)中：

參考臂的脈沖響應函數為：

式中，

將式(1)、(3)～(6)代入式(2)，化簡可得：

式(7)包含了目標的復透射率函數t (x)，經過強度關聯運算可以提取目標的信息，進行強度關聯處理后即可得到物體的像。

2 微波關聯成像原理及實現

基于上述強度關聯量子成像理論，微波關聯成像利用電磁波形成成像底版，將電磁波照射到目標產生的各向散射的目標回波信號進行強度相關處理最終成像。這是將光學理論應用于微波領域的一種創新探測技術。

微波關聯成像技術的原理框圖可簡單描述為圖3所示。

圖3 微波關聯成像原理框圖

和圖2相比，發射信號產生→多輻射源系統發射→卡塞格倫天線聚焦過程代替了激光非相干光束產生鏈路，圖像底版制作過程取代了參考臂的強度分布記錄過程，目標回波則相當于經目標反射后的物臂強度。這樣，微波關聯成像技術的機理和整個處理過程都是從強度關聯量子成像技術的基礎上發展而來的。

整個成像過程可簡單描述如下：多個輻射源同時向目標發射N個幅度、相位隨機可控的單元信號，同時記錄各個發射信號的狀態，并根據目標距離信息制作“成像底版”；接收到目標回波信號以后，“成像底版”和目標回波進行關聯處理，得到一幅“單幀關聯信息圖”；最后通過對若干組“單幀關聯信息圖”平滑處理后實現目標成像。下面簡要介紹關聯成像的基本過程。

2.1 底版形成

多個輻射源同時發射脈沖信號，這組脈沖信號具有隨機的幅度和相位，在目標距離R 處形成一幀底版(二維)。由于輻射源發射功率為隨機變量，則底版中X11、X12、…、Xnn均為隨機量，它們表示空間該單元處信號的強度場分布。

以點目標為例，假設在輻射源照射通路上有一個點目標，位于底版中的ss位置。單路接收機接收綜合回波信號，該信號為該幀畫面上的目標的后向散射回波信號的總和。對于點目標ss，若該點的照射場強度為Xss，則該點目標經照射后的回波信號為σXss，σ為后向散射系數，無目標處則沒有反射，于是綜合信號可以表示為：

重復發射m個脈沖，則獲取m 幀底版和m個綜合回波信號，然后進行下一步底版零均值處理。

2.2 底版零均值處理

為了使底版變換為零均值隨機量，先將底板進行零均值處理。底版零均值處理就是將m 幀底版中對應位置點的能量求均值，再將每幀能量分布圖的每點數值減去對應點的平均值，得到m 幀能量差值分布圖。

處理過程舉例：如在(1,1)位置上，第1 幀底版能量為(X11)1，第2到第m 幀的能量分別為(X11)2到(X11)m，對該位置上的能量求均值得：

每幀對應位置的能量減去該均值得到差值分布圖，第1 幀(1,1)位置的差值為：

其他位置作相同處理可得到m 幀差值能量分布圖，然后進行關聯處理。

2.3 關聯處理

將差值分布圖各點數值與該幀的綜合信號相乘，構成單幀目標信息圖。第1 幀差值分布圖與第1次接收到的綜合信號 S1=σssXss相乘構成了第一幅單幀目標信息圖。同樣，對m 幀信號分別進行相關處理，得到m幅單幀目標信息圖。

將多幅單幀目標信息圖對應疊加獲得目標信號分布圖。對于無目標的位置，如(1,1)位置，由于底版經零均值處理，相關求和得0，即：

而對于目標位置如ss位置，由于該位置的回波中含有與ΔXss相關的分量，因而：

2.4 目標圖像的形成

目標信號分布圖實際上是目標的灰度圖像，若采用門限T 判別目標信息分布圖中各點相關求和的結果，即可形成目標的輪廓圖像。

3 總結

強度關聯成像技術在光學領域已經實現，本文將關聯成像技術拓寬到微波領域，提出了一種全新的微波成像技術，該技術具有截獲概率低、抗偵察能力強、成像速度較快、動靜目標均可成像等特點，有著很好的理論意義和應用前景。

[1]張直中.微波成像術[M].北京∶科學出版社,1990∶1-10.

[2]MERRILL I SKOLNIK.雷達手冊[K].2 版.北京∶電子工業出版社,2003∶825-835.

[3]張澄波.綜合孔徑雷達[M].北京∶科學出版社,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]張明輝.經典熱廣場非局域無透鏡傅里葉成像的試驗研究[D].上海∶中國科學院上海光學精密機械研究所,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.