一种基于反射式极化转换超表面的微波凝视关联成像方法

1.本发明涉及凝视关联成像技术领域，尤其涉及一种基于反射式极化转换超表面的微波凝视关联成像方法。


背景技术：

2.超材料通常是指由人工设计的具有周期性结构的复合材料，这种材料往往具有天然材料所不具备的一些电磁特性，人们可以根据实际需要灵活地对电磁超材料进行合理的设计，进而实现对电磁波幅值、传播方向、相位以及极化等传播特性的有效调控。
3.极化是电磁波非常重要的特性之一，指的是沿电磁波传播方向上电场矢量的轨迹方向。极化特性无论是在军事国防还是在日常生活中都具有广泛的应用，因此对电磁波的极化进行操纵是非常重要的。实现极化调控最传统的方法就是依赖于材料自身结构的各向异性特性，但是由传统材料制成的器件体积较大从而不易于集成，因此很难应用于实际系统中。此外，工作频带窄、效率低、高损耗也使得极化调控效果不明显，而超材料的出现克服了传统材料带来的问题。通过对超材料结构进行合理的设计，从而使得其在各个方向上等效电磁参数有所差异，最终实现对电磁波极化状态的灵活可控。
4.微波凝视关联成像，因为其突破了传统实孔径雷达成像系统的天线孔径制约的限制，具备高分辨率成像的特性。但是往往在实验过程中，由于背景杂波和收发天线没有完全隔离引起的副瓣泄漏问题，接收天线接收到的回波信息中混杂了背景散射回波和泄漏波，处理起来非常繁琐，对于成像质量和成像机理的有效性验证有很大的制约。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于反射式极化转换超表面的微波凝视关联成像方法，能够有效抑制微波凝视关联成像实验中背景杂波和收发天线的副瓣泄漏，对于提高成像质量和实现成像机理的有效验证提供了一条可行的途径。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种基于反射式极化转换超表面的微波凝视关联成像方法，包括：
8.布设微波随机辐射线极化天线阵列在天线波束覆盖区域内形成线极化时空两维随机辐射场；
9.利用位于设定收发角的接收机交叉极化接收天线，接收感兴趣待成像目标表面贴敷的反射式极化转换超表面结构与线极化时空两维随机辐射场相互作用，形成的交叉极化散射回波信号；
10.基于关联成像模型，采集设定交叉极化反射系数的散射回波信号，与预置的线极化时空两维随机辐射场进行关联处理，反演得到目标图像。
11.由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过在感兴趣待成像目标表面贴敷反射式极化转换超表面，使用交叉极化的接收天线接收回波，能够有效滤除同极化背景杂波和泄漏波，使用传统微波凝视关联成像方法可以得到较好的反演成像结果，本发明实现了使
用反射式极化转换超表面下的目标的高分辨成像；此外，使用反射式极化转换超表面下接收到的回波信号为目标有效信息，还可以进行新式成像机理的验证，对科学研究有进一步的价值。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
13.图1为本发明实施例提供的一种基于反射式极化转换超表面的微波凝视关联成像方法的流程图；
14.图2为本发明实施例提供的一种基于反射式极化转换超表面的微波凝视关联成像方法的成像场景示意图；
15.图3为本发明实施例提供的贴敷在工字形状成像目标表面的反射式极化转换超表面示意图；
16.图4为本发明实施例提供的反射式极化转换超表面单元的示意图；
17.图5为本发明实施例提供的电磁波垂直反射式极化转换超表面入射时的同极化反射系数rxx和交叉极化反射系数rxy随频率变化的示意图；
18.图6为本发明实施例提供的不同入射电磁波角度下的反射式极化转换超表面的交叉极化反射系数随频率变化示意图；
19.图7为本发明实施例提供的电磁波垂直反射式极化转换超表面单元入射时的同极化反射系数rxx和交叉极化反射系数rxy随频率变化示意图；
20.图8为本发明实施例提供的在工字形状成像目标表面贴敷与未贴敷反射式极化转换超表面的波凝视关联成像方法反演的目标图像示意图。
具体实施方式
21.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。
22.首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
23.术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
24.术语“由
……
组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子
句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
25.下面对本发明所提供的一种基于反射式极化转换超表面的微波凝视关联成像方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
26.如图1所示，一种基于反射式极化转换超表面的微波凝视关联成像方法，主要包括如下步骤：
27.步骤1、布设微波随机辐射线极化天线阵列在天线波束覆盖区域内形成线极化时空两维随机辐射场。
28.步骤2、利用位于设定收发角的接收机交叉极化接收天线，接收感兴趣待成像目标表面贴敷的反射式极化转换超表面结构与线极化时空两维随机辐射场相互作用，形成的交叉极化散射回波信号。
29.本发明实施例中，所述感兴趣待成像目标表面贴敷的反射式极化转换超表面结构由周期性紧密排列的超表面单元组成，超表面单元尺寸为工作波长的亚波长尺寸。示例性的，所述超表面单元包括：一层介质基板和分别布置在介质基板顶面的金属贴片和底面的金属板；金属贴片由两个耦合的矩形金属环组成，每个矩形金属环在相互垂直的两侧刻蚀了两个相同的缺口，两个不同矩形金属环的缺口在不同的侧面，共同构成开环谐振器；入射的线极化电磁场与每个超表面单元产生谐振，在超表面上感应出的净主导电流垂直于入射线极化的电场矢量方向，形成反射的交叉极化散射场。
30.步骤3、基于关联成像模型，采集设定交叉极化反射系数的散射回波信号，与预置的线极化时空两维随机辐射场进行关联处理，反演得到目标图像。
31.本发明实施例上述方案中：
32.1)微波随机辐射天线阵列和接收机天线采用不同极化的方式，超表面结构将微波随机辐射天线阵列发射的同极化电磁波转化为接收机天线接收的交叉极化电磁波。
33.2)在成像目标表面贴上反射式极化转换超表面结构，线极化入射波照射到超表面上时，设计的超表面的特定结构总会使入射场遇到一个刻蚀缺口的一边和一个没有刻蚀缺口的一边，由于有缺口边和无缺口边的表面电流存在相位差，因此在谐振时，垂直于入射电场方向的净电流最大，从而产生良好的交叉极化转换。
34.3)超表面单元的尺寸在工作频段内与工作波长相当，且开环谐振器在金属平面的结构对称性，具有的宽极化转换带宽和入射波的入射角稳定特性，会大大增加成像实验过程获取的有效信息量，对于成像质量和成像机理的有效性验证有很大的帮助。
35.4)反射式极化转换超表面在工作频段内，当空气中的线极化电磁波入射到在所述超表面结构的顶面时，每个超表面单元均产生谐振，在超表面上感应出的净主导电流垂直于入射线极化的电场矢量方向，进而产生反射的交叉极化电场，实现极化角度的转换。
36.为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面结合图2所示场景以具体实施例对本发明实施例所提供的一种基于反射式极化转换超表面的微波凝视关联成像方法进行详细描述。
37.一、布设微波随机辐射线极化天线阵列。
38.本发明实施例中，所述微波随机辐射线极化天线阵列包括m个线极化天线单元，图2中代表电磁波传播方向，表示磁场矢量，表示电场矢量；第i个线极化天线单元发射相互正交的随机信号为在t时刻，形成的照射在天线波束覆盖区域的线极化时空两维随机辐射场表征为：
[0039][0040]
其中，表示第i个线极化天线单元的相位中心位置矢量；为天线波束覆盖区域(即图2所示的成像区域)第j个离散网格分辨单元的位置矢量，j＝1,...,ω，ω＝p
×
q为天线波束覆盖区域内进行空间离散化划分的分辨单元网格数，p为x方向网格数，q为y方向网格数；ω包括感兴趣待成像目标区分辨单元网格数ω'和背景区域分辨单元网格数ω”，ω＝ω'∪ω”；fi(.)表示第i个线极化天线单元的方向图函数，括号内的信息为单位方向矢量，具体的为第i个线极化天线单元的方向图，为相对于的空间方向单位矢量；c为光速。
[0041]
二、在感兴趣待成像目标表面贴敷反射式极化转换超表面结构。
[0042]
本发明实施例中，感兴趣待成像目标以图3所示的工字形状为例，将反射式极化转换超表面贴敷在工字形状成像目标表面，贴敷在工字形状成像目标的超表面整体尺寸包括：上下的
‘
一’字形状长*宽*厚度尺寸为308mm*70mm*2.4mm，中间的
‘
|’字形状长*宽*厚度尺寸为238mm*70mm*2.4mm。
[0043]
本发明实施例中，超表面单元包括：一层介质基板和分别布置在介质基板顶面的金属贴片和底面的金属板。介质基板底面的金属贴片为0.035mm厚的铜箔，采用的介质基板为fr-4，其相对介电常数为4.4，损耗角的正切值为0.02，基板厚度为2.4mm。金属贴片由两个耦合的矩形金属环组成，如图4所示，具体可以为正对称的两条内外放置的在垂直的两边刻蚀两个相同缺口的矩形环，且外部矩形环的缺口和内部矩形环的缺口不在同一侧面。结构参数为外部矩形环的长度和宽度均为l＝6mm，缺口在矩形环的垂直两侧中心位置，长度为d＝1mm。内部矩形环的长度和宽度均为m＝3mm，缺口在矩形环的垂直两侧中心位置，长度为g＝0.5mm。外部矩形环的缺口和内部矩形环的缺口不在同一侧面。超表面单元沿x和y方向按周期w＝6mm紧密排列形成超表面阵列。
[0044]
本发明实施例中，微波随机辐射线极化天线阵列发射的电磁波频段为2ghz-12ghz垂直极化波，相应的，贴敷反射式极化转换超表面结构的成像目标和接收2ghz-12ghz水平极化波的喇叭天线。
[0045]
三、线极化时空两维随机辐射场与敷贴超表面的目标相互作用，通过电磁场的极化转换，形成交叉极化后向散射场。
[0046]
本发明实施例中，所述反射式极化转换超表面结构与线极化时空两维随机辐射场相互作用，通过电磁场的极化转换，在位于设定收发角的接收机交叉极化接收天线相位中心位置，形成交叉极化散射场表示为：
[0047][0048]
其中，表示照射在贴敷了反射式极化转换超表面结构的感兴趣待成像目标上的辐射场，t表示时刻，分别为第k个成像目标分辨单元的位置矢量、后向散射系数，ω'表示感兴趣待成像目标区分辨单元网格数，表示接收机交叉极化接收天线相位中心位置矢量。
[0049]
本发明实施例中，位于设定收发角的接收机交叉极化接收天线相位中心位置处的总电磁场e
sca
(t)包括：交叉极化散射场背景区域内散射的同极化散射场以及收发天线副瓣泄漏产生的同极化电磁场总电磁场e
sca
(t)表示为：
[0050][0051]
其中，表示照射在背景区域的辐射场，t表示时刻；m表示微波随机辐射线极化天线阵列的线极化天线单元数目，表示第i个线极化天线单元发射相互正交的随机信号，表示第i个线极化天线单元的相位中心位置矢量，c为光速；k＝1,...,ω'，ω'表示感兴趣待成像目标区分辨单元网格数，分别为第k个成像目标分辨单元的位置矢量、后向散射系数，表示接收机交叉极化接收天线相位中心位置矢量，为相对于的空间方向单位矢量；l＝1,...,ω”，ω”表示背景区域分辨单元网格数，分别为第背景区域第l个分辨单元的位置矢量、后向散射系数。
[0052]
四、由位于设定收发角的接收机交叉极化接收天线同步接收交叉极化后向散射回波。
[0053]
本发明实施例中，所述接收机交叉极化接收天线位于的设定收发角为宽收发角，所述宽收发角确定方式包括：将线极化天线单元的发射天线和接收机交叉极化接收天线分别连接在矢量网络分析仪上，逐步张开线极化天线单元的发射天线和接收机交叉极化接收天线相对于反射式极化转换超表面结构的夹角，矢量网络分析仪扫描工作频段内各个频点
的交叉极化反射系数，选取保持交叉极化反射系数在设定值(例如，-3db)以上的夹角变化范围作为线极化天线单元的发射天线和接收机交叉极化接收天线的宽收发角。
[0054]
本发明实施例中，所述位于设定收发角的接收机交叉极化接收天线接收交叉极化散射场的信号，即交叉极化散射回波信号而同极化的背景杂波散射场和收发泄漏波电磁场均被有效抑制；接收的交叉极化散射回波信号表示为：
[0055][0056]
其中，为接收机交叉极化接收天线接收的方向图，为第k个成像目标分辨单元的位置矢量相对于接收天线的相位中心位置矢量的空间方向单位矢量；分别为第k个成像目标分辨单元的位置矢量、后向散射系数，为相对于的空间方向单位矢量；m表示微波随机辐射线极化天线阵列的线极化天线单元数目，表示第i个线极化天线单元发射相互正交的随机信号，t表示时刻，表示第i个线极化天线单元的相位中心位置矢量。
[0057]
五、基于关联成像模型，采集超表面工作频段内交叉极化反射系数高的散射回波信号，与预置的线极化时空两维随机辐射场进行关联处理、反演图像。
[0058]
1、采集超表面工作频段内交叉极化反射系数高的散射回波信号。
[0059]
本发明实施例中，设定交叉极化反射系数的工作频段采用如下方式确定：将线极化天线单元的发射天线和接收机交叉极化接收天线分别连接在矢量网络分析仪上，线极化天线单元的发射天线和接收机交叉极化接收天线合置(即在同一个位置)，垂直照射所述反射式极化转换超表面结构，矢量网络分析仪扫描频段内各个频点的交叉极化反射系数，选取交叉极化反射系数大于设定值(例如，-3db)的频段作为设定交叉极化反射系数的工作频段。
[0060]
如图2所示，将贴敷反射式极化转换超表面结构的成像目标放置在xoy平面，微波随机辐射源阵列的每个发射单元在成像区域的左上方2m处固定倾斜放置，接收机在发射天线的右上方固定，收发天线在同一高度处相隔2m，均连接到两端口的矢量网络分析仪上，入射电磁波和反射电磁波之间夹角为30
°
。对于交叉极化反射系数，接收天线放置方向与发射天线放置方向垂直，发射天线向超表面结构发射2ghz-12ghz频段的线极化电磁波，通过超表面结构极化转换反射后，在矢量网络分析仪上可以显示出交叉极化反射信号。
[0061]
如图5所示，电磁波垂直反射式极化转换超表面入射时，超表面阵列对线极化入射波转换成交叉极化反射波中效率最高的频段为7.5～9.5ghz，在该频段，同极化反射系数rxx小于-15db，而交叉极化反射系数rxy大于-3db。
[0062]
如图6所示，在图2所示成像场景中，当入射电磁波与极化转换超表面法线夹角θ从0°
变化到45
°
时，交叉极化反射系数在工作频段7.5ghz-9.5ghz的幅值几乎没有改变，说明本发明所使用的结构的稳定性和鲁棒性较高。
[0063]
如图7所示，在频段2-12ghz中，电磁波垂直反射式极化转换超表面单元入射时，同极化反射系数和交叉极化反射系数随频率的变化。从图中可以明显看出在5-10.8ghz频段共极化反射系数较小，而交叉极化反射系数大于-3db，占整个带宽的73％，表明对于成像系统的有效性。
[0064]
2、关联处理与反演成像。
[0065]
本发明实施例中，关联处理与反演成像方式包括：在不同采样时刻t，将采集的设定交叉极化反射系数的散射回波信号与相应时刻的、预置的线极化时空两维随机辐射场进行关联处理，反演得到感兴趣目标的图像表示为：其中ζ{
·
}表示关联处理算法。
[0066]
如图8所示，(a)、(b)两部分分别为工字形状成像目标表面贴敷反射式极化转换超表面的反演图像、工字形状成像目标表面未贴敷反射式极化转换超表面的反演图像。从图8所示的仿真结果可以看出：在工字形状成像目标表面贴敷反射式极化转换超表面，使用交叉极化的接收天线接收回波，能够有效滤除同极化背景杂波和泄漏波，使用传统微波凝视关联成像方法可以得到较好的反演成像结果，而在工字形状成像目标表面没有贴敷反射式极化转换超表面，使用同极化的接收天线接收回波，使用传统微波凝视关联成像方法则没有较好的反演成像结果。由此可见，本发明实现了使用反射式极化转换超表面下的目标的高分辨成像。此外，使用反射式极化转换超表面下接收到的回波信号为目标有效信息，还可以进行新式成像机理的验证，对科学研究有进一步的价值。
[0067]
需要说明的是，本发明文字介绍以及附图中所涉及的各项参数数值均为举例，并非构成限制；在实际应用上，用户可以根据实际情况或者经验来调整各项参数数值大小。
[0068]
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。