技术领域
[0001] 本
发明涉及计算成像领域，特别涉及一种差分成像装置及方法。
背景技术
[0002] 现有的计算成像技术包含两种，基于相干探测的计算成像方法与基于非相干探测的计算成像方法。基于相干探测的计算成像方法发射的
信号为相干信号，通过发射阵列和接收阵列增大发射与接收口径，从而获取尽量多的探测目标散射信号的空间分布信息，然后利用逆向求解麦克斯韦方程组对目标的散射(透射/反射)系数分布进行反演，从而得到目标的图像。基于相干探测的计算成像方法在对目标的散射信号进行探测的过程中，需要尽可能多的空间散射信号的信息，从而使得目标图像反演的结果更加接近真实情况；同时，为了降低计算复杂度，通常会根据目标与探测信号之间的关系进行近似求解。
[0003] 基于非相干探测的计算成像方法则是通过发射空间时间不相干的探测信号对目标进行探测，在获取大量探测样本的条件采用相关
算法或者
优化算法对目标的图像进行近似求解。该成像方法对探测次数要求高，无法将探测样本之间的随机性提高到比较理想的
水平。
[0005] 基于相干探测的计算成像方法对探测口径要求比较严格，成像算法效率低且无法突破衍射极限限制，该成像方法应用条件比较苛刻。基于非相干探测的计算成像方法对探测次数要求高，无法有效降低探测样本之间的相关性，探测系统复杂且成本高。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供差分计算成像装置及方法，通过该发明可以在保留非相干计算成像系统优点(超
分辨率成像能
力，抗干扰特性能力)的同时，有效提高成像探测效率，降低成像系统复杂度，缩短成像时间，并能有效降低成像所需的探测条件。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] 一种差分计算成像装置，包括：发射机和接收机；
[0009] 所述的发射机包括信号生成模
块与差分探测模式生成及发射模块；
[0010] 信号生成模块，用于通过参数配置完成发射信号的生成，生成的发射信号数据传送给差分探测模式生成及发射模块；
[0011] 差分探测模式生成及发射模块，用于实现差分探测模式中随机差分探测波束的生成、差分探测模式对应发射功率的监控以及以
电磁波形式将发射信号发射出去；
[0012] 所述的接收机包括接收模块、
差分信号处理模块、目标
定位与差分成像模块与图像
质量提升与显示模块；
[0013] 接收模块用于接收目标反射回波，将其转换为
数字信号并输出给差分
信号处理模块；
[0014] 差分信号处理模块完成差分探测模式与回波信号的匹配与校准，并将数据传送给目标定位与差分成像模块与图像质量提升与显示模块；
[0015] 目标定位与差分成像模块利用探测数据完成对目标
位置的估计，并利用差分探测数据完成目标图像重构；
[0016] 图像质量提升与显示模块根据目标先验知识以及探测物理量的特点完成对目标图像质量的提升，并将图像进行显示。
[0017] 所述的信号生成模块，具体通过参数化设计满足特定需求的信号编码，产生多通道不相干信号。
[0018] 所述的信号生成模块的发射信号为不相干的多通道数据或者为单路数据，发射信号能够根据需要进行编码。
[0019] 所述的差分探测模式生成及发射模块包括波束成形模块、功率监控模块与发射模块；
[0020] 波束成形模块通过多通道随机化激励或者随机调制板完成差分探测模式的生成；
[0021] 功率监控模块完成差分探测模式所对应的探测功率的监控；
[0022] 发射模块以电磁波的形式将探测信号发射出去。
[0023] 所述的接收模块采用的天线具有相干波束或者具有与发射探测模式具有相同频点的探测模式；接收模块为单通道或者多通道接收装置。
[0024] 一种差分计算成像方法，包括以下步骤：
[0025] 步骤A，发射机完成探测信号的生成，差分随机探测模式的产生，各个探测模式精确的功率监控，最后将发射信号以电磁波的形式发送出去；发射机同时记录校准信息：发射信号的形式、探测模式在目标区域探测物理量的分布、精确的发射功率以及探测模式的成对配准信息；
[0026] 步骤B，接收机完成目标回波的收集、目标回波与探测模式的配准，目标的定位以及基于差分数据的成像；
[0027] 步骤C，根据目标探测过程的具体特点，利用目标的先验知识，完成对目标图像质量提升并进行显示。
[0028] 步骤A中，差分探测模式包含一对或者一组随机探测波束，探测波束的组合形式与差分对均根据系统需求设计。
[0029] 步骤B中，采用探测模式相匹配的单波束接收天线或者采用与探测模式相匹配的离散随机波束进行目标散射回波信号接收。
[0030] 步骤C中，目标先验知识的来源是事先已知的目标信息或者目标快速成像的结果。
[0031] 相对与现有技术，本发明具有以下技术效果：
[0032] 本发明的装置在发射端产生非相干的差分探测模式(成对或者成组)，从而可以快速完成对目标的探测。非相干探测模式的产生方法采用多通道(每个通道均产生非相干随机探测样本)或者单通道(一个通道即完成大规模非相干探测模式的产生)方式产生；相比于传统的计算成像探测系统，本发明可以将探测效率提高一个数量级以上，同时探测质量，探测信号
自由度以及系统的抗干扰能力都得到了大幅的提升。在探测功能方面，该发明体现了非相干探测特点。该探测数据的非相干性为实现超分辨率计算成像提供了
基础。
[0033] 本差分计算成像方法的效果为，通过步骤A采用差分探测模式对目标进行探测；通过步骤B则完成目标的定位与散射系数分布图像重构，快速得到目标的超分辨率成像。通过步骤C可以综合利用目标的先验信息和探测过程的特点提升成像效果。
[0034] 进一步，利用随机波束接收的情况下与发射波束相结合可以提高探测信号处理的自由度，从而扩展成像算法，提高成像质量。
[0035] 进一步，该发明的装置使得探测过程具有高抗干扰特性，成像算法可以大幅提高成像分辨率；通过采用优
化成像算法将成像分辨率超10倍以上，超分辨率算法时间复杂度会相应的上升；本发明对运动目标和静止目标均可以实现上述效果。
附图说明
[0036] 图1本发明所列举
实施例的差分成像装置示意图；
[0037] 图2本发明所举实例的成像场景示意图；
[0038] 图3为本发明实施例所提供差分成像方法的
流程图；
[0039] 图4本发明所举实例静止目标场景的成像结果；
[0040] 图5本发明所举实例动目标场景的成像结果。
具体实施方式
[0041] 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。
[0042] 如图1所示，本发明实施例提供差分计算成像装置，包括：
[0043] 发射机1和接收机2，发射机1与接收机2通过空中
接口或者物理接口相连；
[0044] 发射机1包括信号生成模块11与差分探测模式生成及发射模块12；信号生成模块11通过参数配置等完成信号的产生，配置参数包括带宽、持续时间，频点、线性调
频率等，还可以包括信号编码方式以及多通道情况下的各通道数据之间的关系；所生成的信号数据传送给差分探测模式生成及发射模块12；本实施例中，通道数量为1。差分探测模式生成及发射模块通过单通道激励随机
辐射平面(统计维度为极化、时间、频率等)产生数量巨大的非相干探测模式。所述的信号生成模块同时具备产生具有高的编码增益与较小的
脉冲持续时间的信号。
[0045] 差分探测模式生成及发射模块12，用于实现差分探测模式(随机差分探测波束)的生成，差分探测模式对应发射功率的监控以及以电磁
波形式将信号发射出去；差分探测模式生成及发射模块通过单路激励在极化(还可以是频率域、时间域、编码域等)具有离散随机特性的信号辐射单元组成的口径上完成大量差分探测模式的产生与发射。
[0046] 差分探测模式生成及发射模块12包含波束成形模块121、功率监控模块122以及发射模块123；波束成形模块121通过单通道激励随机调制平面完成差分探测模式的生成；功率监控模块122完成差分探测模式所对应的探测功率的监控；发射模块123以电磁波的形式将探测信号发射出去。
[0047] 波束成形模块121所形成的差分探测模式数量巨大，且差分探测模式之间的相关性可以根据成像需求进行控制；功率监控模块122完成差分探测模式所对应的探测功率的监控，并将该信息传给接收模块2。
[0048] 本实施例中，波束成型模块121的功能由超材料(具有极化敏感特性的单元组合)平面覆层完成，通过宽带范围上随机极化旋转完成探测模式的改变，差分探测模式由极化敏感超材料平面覆层的在极化方向上
配对实现。功率监控模块122则完成差分探测模式下的精确功率监测与记录。发射模块123则完成发射信号发射驱动与相干波束形成。
[0049] 接收机2包括接收模块21、差分信号处理模块22、目标定位与差分成像模块23与图像质量提升与显示模块24；发射机各模块通过
内部接口相连；接收机各模块通过内部接口相连；
[0050] 接收模块21通过天线接收电磁波信号，并通过
模拟器件完成下变频与数字信号转换；接收模块将电磁波信号转化为数字信号，所采用的天线具有相干波束或者具有与发射探测模式具有相同频点(极化、编码方式等)的随机辐射波束。接收模块21采用单通道接收链路，通过在极化(频率、时间、编码域等)具有离散随机特性的电磁波接收设备完成目标回波的采集，最大限度的接收目标回波信号的空间分布特性，为后续目标特性的提取提供尽量多的信息。
[0051] 差分信号处理模块22采用
数字信号处理器件完成探测模式与回波信号匹配与校准，并将信息传输给目标定位与差分成像模块23，目标定位与差分成像模块23采用探测模式的交叉运算实现目标的定位，利用差分探测信号进行目标图像重构；图像质量提升与显示模块24在综合考虑目标的先验信息与探测过程特点的基础上完成目标图像的增强，并将目标图像进行显示。
[0052] 波束成形模块121所采用的调制平面可以同时兼顾时间、频率和极化三个维度或者其中的任意两个维度或者同时兼顾三个维度；相应的，差分探测模式的统计维度和配对维度也相应的得到扩展。
[0053] 接收模块21所采用的接收天线具有与发射探测模式具有相同频点(极化方式等)的随机辐射波束；相应的，接收通道的自由度可以得到扩展；通过发射与接收自由度的交叉匹配，差分探测模式的形式可以得到扩展，从而可以将图像重构算法扩展到多输入多输出范畴。
[0054] 目标定位与差分成像模块23所采用的目标定位算法与差分成像算法根据系统的需求以及探测模式的特点进行调整。相应的，成像算法可以同时实现小区域快速高分辨率成像与大区域快速成像。目标定位与差分成像模块23通过探测模式的组合获取目标定位和成像所需的信息，并能通过数字信号处理算法对结果进行优化；可以通过快速成像算法快速提供相对比较准确的目标位置等信息。
[0055] 图像质量提升与显示模块24根据目标先验知识以及探测物理量的特点完成对目标图像质量的提升，并将图像进行显示。图像质量提升与显示模块24在图像增强过程中需要综合考虑目标的先验信息与探测过程特点。
[0056] 在等效多通道条件下，可以通过多输入多输出算法增加成像的自由度，提高成像质量。
[0057] 本发明提供了一种基于上述差分计算成像装置的差分计算成像方法。
[0058] 采用图2所示的成像场景，图中目标在成像过程中是静止或者慢速运动的。下面结合附图对本发明实施例作进一步的详细描述，如图3所示为本发明实施例所提供的差分计算成像方法流程图，所述方法包括以下步骤：
[0059] 步骤201，发射机1通过信号生成模块11完成探测信号的生成，利用差分探测模式生成及发射模块12完成成对差分探测模式的产生，各个探测模式精确的功率监控，最后将发射信号以电磁波的形式发送出去；
[0060] 其中，探测模式具有空间和另一个或者几个统计维度(时间、频率、编码等维度)的不相干特性，差分探测模式之间的相关性可以根据需要进行控制。差分探测模式包含一对或者一组随机探测模式，探测模式的组合形式与差分对均根据系统需求设计。探测模式的差分对可以扩展为差分探测模式组，进一步提升探测效率与探测模式之间不相关性；功率监控为了得到差分探测模式组内各探测模式精确的功率值。
[0061] 步骤202，发射机1同时记录发射信号的形式，探测模式在目标区域的分布，精确的发射功率以及探测模式的成对配准信息等校准信息；
[0062] 其中，探测发射信号的形式和内容精确已知，可以具有高的编码增益以及短的持续时间；功率监控采用前馈与反馈相结合的形式完成，
精度高且可直接
跟踪到发射功率。
[0063] 步骤203，接收机2利用接收模块21完成目标回波的收集，利用差分信号处理模块22实现目标回波与探测模式的配准，而目标定位与差分成像模块23完成目标的定位以及基于差分数据的成像；探测模式与回波信号之间需要配准，探测数据可以同时满足目标定位与目标成像的需求；目标图像重构过程中可以利用发射和接
收获取的通道进行成像自由度的扩展，以产生更高的分辨率和更大成像容量；
[0064] 其中，接收模块21可以采用探测模式相匹配的单波束接收天线，也可以采用与探测模式相匹配的离散随机波束进行目标散射回波信号接收；利用随机波束接收的情况下与探测模式相结合可以提高探测信号处理的自由度，从而扩展成像算法，提高成像质量。
[0065] 其中，目标定位算法与基于差分探测模式的成像算法对探测数据具有依赖性。
[0066] 步骤204，图像质量提升与显示模块24根据目标探测过程的具体特点，利用目标的先验知识，完成对目标图像质量提升。目标图像可以通过后续处理进行增强，可以综合利用目标的先验信息与探测过程的特点。在探测过程中，探测模式之间可以产生多通道效应，该多通道效应在发射和接收端的一侧或者两侧都有，利用该多通道数据可以将图像重构算法扩展到多输入多输出范畴；目标的先验信息来源分为两部分：探测前的有效信息与通过探测可以快速提取的信息。探测过程的特点可以通过探测数据得出得到修正。
[0067] 其中，目标先验知识的来源可以是事先已知的目标信息，也可以是来自目标快速成像的结果。探测过程的特点包括探测模式之间的相关性，探测模式的空间分布特性以及探测模式差分等效关系。
[0068] 该成像方法可以有效抵抗随机噪声和干扰，对成像分辨率具有较大的提升，可以突破衍射极限，同时，该成像方法对静止目标和慢速目标具有类似的成像效果，成像分辨率提升依赖成像算法。
[0069] 在本实施例中，成像过程中所用随机调制天线尺寸为50cm*50cm，随机统计维度为极化，单发射通道，单接收通道，成像距离为1米，发射信号中心频率为30GHz，成像目标离散点间隔为2mm；采用梯度优化，静止目标成像结果如图4所示，运动目标(运动速度为2米/秒)的成像结果如图5所示，成像分辨率与取决于发射雷达阵列口径的传统成像分辨率相比，有10倍左右的提升。
[0070] 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。
