РАДАР, ФОРМИРУЮЩИЙ ИЗОБРАЖЕНИЕ СВЕРХВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее раскрытие относится к радару, формирующему изображение сверхвысокого разрешения. В частности, оно относится к радару, формирующему изображение сверхвысокого разрешения, который использует формирование изображения высокого порядка для получения увеличенного разрешения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее раскрытие относится к системе, устройству и способу в отношении радара, формирующего изображение сверхвысокого разрешения. По меньшей мере в одном варианте реализации радар, формирующий изображение сверхвысокого разрешения, содержит генератор импульсных сигналов, распространяющий N пакетов импульсов радиочастотной энергии. Каждый пакет содержит М+1 одиночных импульсов. Один из одиночных импульсов каждого пакета представляет собой служебный импульс, а остальные М импульсов каждого пакета распространяются к интересующему объекту. Кроме того, используется решетчатое секционное распознающее устройство (array bucket detector), которое собирает импульсы, отраженные от объекта.

По меньшей мере в одном варианте реализации служебные импульсы распространяются через виртуальную линзу. Кроме того, используется виртуальное сканирующее распознающее устройство для распознавания виртуального служебного электрического поля, распространяемого через виртуальную линзу. Кроме того, служебные импульсы, свойства виртуальной линзы и свойства виртуального сканирующего распознающего устройства использует процессор для расчета виртуального служебного электрического поля, которое находилось бы в плоскости сканирующего распознающее устройства. Кроме того, используется схема совпадений, которая рассчитывает кросс-временную корреляционную функцию электрических полей отраженных импульсов, собираемых посредством решетчатого секционного распознающего устройства и виртуального служебного электрического поля, рассчитанного процессором. Схема совпадений использует результаты кросс-временной корреляционной функции для создания пикселей изображения объекта.

В некоторых вариантах реализации указанное количество М импульсов последовательно облучают объект. По меньшей мере в одном варианте реализации указанное количество N пакетов обратно пропорционально зернистости изображения объекта. В одном или более варианте реализации решетчатое секционное распознающее устройство содержит элементы радиочастотных антенн. По меньшей мере в одном варианте реализации должно быть удовлетворено условие . K_I⊥ представляет собой поперечную составляющую волнового вектора формирующих изображение полей, испускаемых в каждом пакете, а К_А⊥ представляет собой поперечную составляющую волнового вектора виртуального служебного поля.

По меньшей мере в одном варианте реализации амплитуды отраженных импульсов, собирающиеся посредством решетчатого секционного распознающего устройства, сохраняются в цифровой форме. Кросс-временная корреляционная функция вычисляется посредством данных, сохраненных в цифровой форме. В некоторых вариантах реализации кросс-временная корреляционная функция связана с пиксельной интенсивностью изображения в месте нахождения виртуального сканирующего распознающее устройства. По меньшей мере в одном варианте реализации кросс-временная корреляционная функция задана следующим образом:

,

где - место нахождения виртуального сканирующего распознающего устройства; j - коэффициент пакета импульсов, соответствующий месту нахождения ; Е - электрическое поле; Е* - комплексно-сопряженный элемент электрического поля; и Т - время прибытия каждого пакета.

В некоторых вариантах реализации способ получения изображений сверхвысокого разрешения включает обеспечение радара, формирующего изображение сверхвысокого разрешения. По меньшей мере в одном варианте реализации радар сверхвысокого разрешения содержит генератор импульсного сигнала, решетчатое секционное распознающее устройство, виртуальную линзу, виртуальное сканирующее распознающее устройство, процессор и схему совпадений. Способ также включает распространение N пакетов импульсов радиочастотной энергии посредством генератора импульсного сигнала, причем каждый пакет содержит М+1 одиночных импульсов. Один из одиночных импульсов каждого пакета представляет собой служебный импульс, а остальные М импульсов каждого пакета распространяются к интересующему объекту.

Способ также включает сбор импульсов, отраженных от объекта, посредством решетчатого секционного распознающего устройства. Способ также включает распространение служебных импульсов через виртуальную линзу и распознавание виртуального служебного электрического поля посредством виртуального сканирующего распознающего устройства. Кроме того, способ включает расчет виртуального служебного электрического поля, распознаваемого посредством виртуального сканирующего распознающего устройства, посредством процессора. Кроме того, способ включает расчет кросс-временной корреляционной функции электрических полей отраженных импульсов, собирающихся посредством решетчатого секционного распознающего устройства, и виртуального служебного электрического поля, рассчитанного процессором, посредством схемы совпадений. Наконец, способ включает создание пикселей изображения объекта посредством схемы совпадений на основании результатов кросс-временной корреляционной функции.

В альтернативных вариантах реализации радар, формирующий изображение сверхвысокого разрешения, включает генератор импульсного сигнала, распространяющий N пакетов импульсов радиочастотной энергии. Каждый пакет содержит М+1 одиночных импульсов. Кроме того, один из одиночных импульсов каждого пакета представляет собой служебный импульс, а остальные М импульсов каждого пакета распространяются к интересующему объекту. Радар, формирующий изображение сверхвысокого разрешения, также включает решетчатое секционное распознающее устройство, собирающее импульсы, которые отражены от объекта, и линзу. Служебные импульсы распространяются через линзу.

Кроме того, радар, формирующий изображение сверхвысокого разрешения, включает сканирующее распознающее устройство, распознающее служебное электрическое поле. Кроме того, радар, формирующий изображение сверхвысокого разрешения, включает схему совпадений, рассчитывающую кросс-временную корреляционную функцию электрических полей отраженных импульсов, собирающихся посредством решетчатого секционного распознающего устройства, и служебного электрического поля, распознаваемого посредством сканирующего распознающего устройства. Схема совпадений использует результаты кросс-временной корреляционной функции для создания пикселей изображения объекта.

Еще в одних вариантах реализации способ получения изображений сверхвысокого разрешения включает обеспечение радара, формирующего изображение сверхвысокого разрешения. Радар, формирующий изображение сверхвысокого разрешения, содержит генератор импульсного сигнала, решетчатое секционное распознающее устройство, линзу, сканирующее распознающее устройство и схему совпадений. Кроме того, способ включает распространение N пакетов импульсов радиочастотной энергии посредством генератора импульсного сигнала. Каждый пакет содержит М+1 одиночных импульсов, а один из одиночных импульсов каждого пакета представляет собой служебный импульс, а остальные М импульсов каждого пакета распространяются к интересующему объекту.

Кроме того, способ включает сбор импульсов, отраженных от объекта, посредством решетчатого секционного распознающего устройства и распространение служебных импульсов через линзу. Кроме того, способ включает распознавание служебного электрического поля, распространяемого через линзу на плоскость сканирующего распознающего устройства, посредством сканирующего распознающего устройства. Кроме того, способ включает расчет кросс-временной корреляционной функции электрических полей отраженных импульсов, собирающихся посредством решетчатого секционного распознающего устройства, и служебного электрического поля, распознаваемого посредством сканирующего распознающего устройства, посредством схемы совпадений. Кроме того, способ включает создание пикселей изображения объекта посредством схемы совпадений на основании результатов кросс-временной корреляционной функции.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего раскрытия будут лучше поняты из нижеследующего описания, прилагаемой формулы изобретения и прилагаемых чертежей, на которых

фиг.1 иллюстрирует схему радара, формирующего изображение сверхвысокого разрешения согласно одному варианту реализации настоящего раскрытия,

фиг.2 показывает экспериментальные данные от имитации радара, формирующего изображение сверхвысокого разрешения согласно одному варианту реализации настоящего раскрытия.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способы и устройства, раскрываемые в настоящем документе, обеспечивают операционную систему для радара, формирующего изображение сверхвысокого разрешения. В частности, эта система относится к радару, формирующему изображение сверхвысокого разрешения, использующему формирование изображения высокого порядка для получения увеличенного разрешения.

Раскрываемая система модифицирует технологию, известную как «формирование фантомного изображения» (ghost imaging) в оптическом режиме, и адаптирует ее для использования с радаром, формирующим изображение высокого разрешения. Эта модифицированная технология использует корреляцию четвертого порядка электрических полей в микроволновом или радиочастотном режиме для формирования изображения, имеющего стократное улучшение разрешения по сравнению с известным радаром, формирующим изображение. Непосредственное сравнение раскрываемой системы с известным радаром, формирующим изображение, показывает, что функция рассеяния точки может быть уменьшена от 5-10 м до примерно 0,045 м.

Радар, формирующий изображение, по принципу работы очень похож на фотоаппарат с фотовспышкой тем, что он выдает его собственный свет для облучения области на земной поверхности и делает моментальный снимок. Но в отличие от камеры, радар, формирующий изображение, использует радиоволны. Фотоаппарат с фотовспышкой отправляет импульс света (т.е. вспышку) и записывает на пленку свет, который отразился назад на него через линзу фотоаппарата. Вместо использования линзы фотоаппарата и пленки в радаре, формирующем изображение, используется антенна радара и ленты и/или память цифровой ЭВМ для записи изображений. Радар, формирующий изображение, измеряет мощность и время прохождения в прямом и обратном направлениях микроволновых сигналов, испускаемых антенной радара и отражаемых удаленной поверхностью или удаленным объектом. Таким образом, изображение, сформированное радаром, показывает лишь свет, отраженный обратно к антенне радара.

В настоящее время имеются два основных типа радаров с формированием изображения, используемых для создания изображений высокого разрешения. Эти два основных типа представляют собой радар с синтезированной апертурой и радар с инверсной синтезированной апертурой. Первый из этих двух типов - радар с синтезированной апертурой - представляет собой тип радара, в котором изображения обрабатываются для получения изображений более высокого разрешения, чем это возможно при использовании стандартных средств. Радар с синтезированной апертурой использует (1) одну или более антенну, смонтированную на движущейся платформе, такой как воздушное судно или космический летательный аппарат, для облучения целевой области; (2) использует небольшие стационарные антенны, имеющие низкий коэффициент направленного действия и рассредоточенные по площади вблизи целевой области; или (3) использует их сочетания. В случае, когда используются небольшие стационарные антенны, имеющие низкий коэффициент направленного действия, эхосигналы, принимаемые расположенными в разных позициях антеннами, подвергаются последующей обработке для разрешения целевой области.

По существу, недостатком радара с синтезированной апертурой является то, что радар с синтезированной апертурой может быть воплощен лишь с использованием по меньшей мере одной движущейся антенны, находящейся над относительно неподвижными целями, с использованием стационарных антенн на относительно большой площади или с использованием их сочетаний, поэтому он требует дорогостоящей комплексной системы. Дополнительные недостатки радара с синтезированной апертурой включают тот факт, что он требует большого количества запоминающих устройств для данных, и тот факт, что он требует объемной последующей обработки для создания результирующего изображения.

Второй из двух основных типов радара, формирующего изображение, использующийся для создания изображений высокого разрешения, представляет собой радар с инверсной синтезированной апертурой. Радар с инверсной синтезированной апертурой используют для создания двумерного (2D) изображения высокого разрешения цели. Изображения, формируемые радаром с инверсной синтезированной апертурой, производят путем вращения цели и обработки результирующих хронологий эффекта Доплера рассредоточенных центров.

Во время работы радара с инверсной синтезированной апертурой, цель вращается в азимутальном направлении с постоянной скоростью на малый угол, рассредоточенные центры приближаются или удаляются от радара со скоростью, зависящей от позиции относительно курсового диапазона, которая представляет собой расстояние, нормальное по отношению к линии наблюдения радара с началом, расположенным в центре оси вращения цели. Вращение приводит к созданию доплеровских частот, зависящих от позиции относительно курсового диапазона, которые могут сортировать преобразованием Фурье. Эта операция эквивалентна созданию большой фазированной решетчатой антенны с синтезированной апертурой, сформированной когерентным суммированием выходных данных приемника для варьирующихся геометрий цели и/или антенны. В этом случае, если цель вращается на малые углы, результирующее изображение, формируемое радаром с инверсной синтезированной апертурой, представляет собой двумерное преобразование Фурье принятого сигнала как функции частоты и углового положения цели.

Наоборот, если цель вращается на большие углы, хронология доплеровской частоты рассредоточенных центров является нелинейной и следует синусоидальной траектории. Хронология доплеровской частоты не может обрабатываться непосредственно преобразованием Фурье, поскольку искаженная хронология доплеровской частоты приведет к утрате разрешения по курсовому диапазону. Максимальный угол вращения, который обрабатывается немодифицированным преобразованием Фурье, определен ограничением, заключающимся в том, что ошибка апертурной фазы на синтезированной апертуре должна варьироваться меньше, чем заданное произвольное значение, которое обычно составляет 45 градусов.

Радар с инверсной синтезированной апертурой имеет малое число недостатков. Одним недостатком является то, что радар с инверсной синтезированной апертурой требует движения, которое представляет собой обычно вращение, между изображением и датчиком. Другие недостатки включают тот факт, что радар с инверсной синтезированной апертурой требует большого количества запоминающих устройств для данных и объемной последующей обработки для получения результирующего изображения цели.

Необходимо отметить, что оба вышеупомянутых типа радара, формирующего изображение, - радар с синтезированной апертурой и радар с инверсной синтезированной апертурой - ограничены использованием корреляций второго порядка электрических полей для производства результирующего изображения. В настоящее время известны технологии, использующие корреляции более высокого порядка для формирования изображений посредством радара. Система согласно настоящему раскрытию использует корреляции более высокого порядка между электромагнитными полями на частотах радара для формирования изображений. За счет использования формирования изображения более высокого порядка разрешение увеличено ввиду математического наложения многих экспоненциальных результатов.

Раскрываемая технология подобна «формированию изображений на основании совпадений» или формированию фантомных изображений в оптическом режиме. Однако для обеспечения возможности использования этой технологии для конфигурации радара требуется ряд модификаций. В формировании фантомных изображений изображение объекта формируют с помощью света, который облучает объект, и света, который собирают однопиксельным распознающим устройством, которое не имеет пространственного разрешения (т.е. секционным распознающим устройством). Это осуществляют путем использования двух пространственно коррелированных пучков. Один из пучков облучает объект, и фотоны, передаваемые объектом, собираются секционным распознающим устройством. Другой пучок падает на многопиксельное распознающее устройство (например, камеру на приборах с зарядовой связью) без прохождения через объект. Тем не менее, посредством корреляции интенсивностей, измеренных секционным распознающим устройством, с интенсивностями каждого пикселя в многопиксельном распознающем устройстве реконструируют изображение объекта.

Система согласно настоящему раскрытию использует технологию, подобную технологии, используемую в формировании фантомного изображения. Основным отличием между этими двумя технологиями является то, что система согласно настоящему раскрытию формирует изображение объекта посредством радиочастотной энергии, а при формировании фантомного изображения, в отличие от этого, изображение объекта формируют посредством пучков света. Далее следует подробное описание способа, используемого системой согласно настоящему раскрытию.

В нижеследующем описании изложен ряд подробностей для обеспечения более полного описания системы. Для специалиста в данной области должно быть понятно, что раскрываемая система может быть воплощена на практике без этих конкретных подробностей. В других случаях хорошо известные признаки не были описаны подробно, с тем чтобы не усложнять чрезмерно описание системы.

На фиг.1 показана схема радара 100, формирующего изображение сверхвысокого разрешения, согласно по меньшей мере одному варианту реализации настоящего раскрытия. На этом чертеже радар, формирующий изображение сверхвысокого разрешения, содержит генератор 105 импульсного сигнала, решетчатое секционное распознающее устройство 110, виртуальную линзу 115, виртуальное сканирующее распознающее устройство 120, процессор (не показан) и схему 125 совпадений.

Во время работы радара, формирующего изображение сверхвысокого разрешения, генератор 105 импульсного сигнала распространяет N пакетов 130 импульсов радиочастотной энергии. Каждый пакет 130 радиочастотной энергии содержит М+1 одиночных импульсов 135. Один из одиночных импульсов каждого пакета 130 представляет собой служебный импульс 140, а остальные М импульсов каждого пакета 130 распространяются к интересующему объекту 145. Как видно из этого чертежа, М импульсов последовательно облучают объект 145. Количество N пакетов 130 обратно пропорционально зернистости результирующего изображения объекта 145.

Решетчатое секционное распознающее устройство 110 собирает импульсы 150, отраженные от объекта 145. По меньшей мере в одном варианте реализации решетчатое секционное распознающее устройство 110 содержит элементы радиочастотных антенн. Различные типы элементов радиочастотных антенн могут быть использованы для решетчатого секционного распознающего устройства 110 согласно настоящему раскрытию. В некоторых вариантах реализации амплитуды отраженных импульсов 150, собирающихся посредством решетчатого секционного распознающего устройства 110, сохраняются в цифровой форме.

Также на этом чертеже показано, что служебные импульсы 140 распространяются через виртуальную линзу 115. Поперечные составляющие K_I⊥ волновых векторов, формирующих изображение полей, испускаемых в каждом пакете 130, должны удовлетворять условию по отношению к поперечной составляющей волнового М вектора К_А⊥ виртуального служебного электрического поля.

После того как виртуальное служебное электрическое поле распространено через виртуальную линзу, виртуальное сканирующее распознающее устройство 120 распознает виртуальное служебное электрическое поле вдоль плоскости 155. Процессор использует служебные импульсы 140, свойства виртуальной линзы 115 и свойства виртуального сканирующего распознающего устройства 120 для расчета виртуального служебного электрического поля, присутствующего на виртуальном сканирующем распознающем устройстве 120. Схема 125 совпадений используется для расчета кросс-временной корреляционной функции электрических полей отраженных импульсов 150, собирающихся посредством решетчатого секционного распознающего устройства 110, и виртуального служебного электрического поля, рассчитанного процессором. По меньшей мере в одном варианте реализации схема 125 совпадений использует амплитуды отраженных импульсов 150, собирающихся посредством решетчатого секционного распознающего устройства 110 и сохраняющихся в цифровой форме, для вычисления кросс-временной корреляционной функции.

По подобию со случаем формирования изображения на основании совпадений, кросс-временная корреляционная функция, которая связана с пиксельной интенсивностью изображения при , задана следующим образом:

,

где - место нахождения виртуального сканирующего распознающего устройства 120, a - место нахождения объекта 145. Кроме того, j=1, 2, N и j - коэффициент пакета импульсов, соответствующий месту нахождения . Кроме того, Е - электрическое поле; Е* - комплексно-сопряженный элемент электрического поля, и Т - время прибытия каждого пакета 130.

В альтернативных вариантах реализации различные другие типы кросс-временных корреляционных функций могут быть использованы в раскрываемой системе. Необходимо отметить, что все из функций, которые на этой чертеже находятся в прямоугольнике, названном «виртуальные», могут быть воплощены виртуально посредством программного обеспечения.

В альтернативных вариантах реализации некоторые или все из элементов, находящиеся в прямоугольнике, названном «виртуальные», могут представлять собой по существу невиртуальные устройства. Например, по меньшей мере в одном варианте реализации материальная радиочастотная линза может быть использована вместо виртуальной линзы 115, изображенной на этой чертеже. Кроме того, в некоторых вариантах реализации материальное сканирующее распознающее устройство может быть использовано вместо виртуального сканирующего распознающего устройства 120 этой системы. В любом варианте реализации, где присутствует «виртуальное» устройство, процессор используется для расчета соответствующего электрического поля.

После того как схема 125 совпадений вычисляет кросс-временную корреляционную функцию, схема 125 совпадений использует результаты кросс-временной корреляционной функции для создания пикселей изображения объекта 145. Каждый пакет 130 импульсов используется для создания одного пикселя результирующего изображения. Последовательные пакеты 130 полностью формируют изображение объекта 145. В таком случае количество пакетов 130 определяет зернистость окончательного изображения.

На фиг.2 показаны экспериментальные данные от имитации радара, формирующего изображение сверхвысокого разрешения согласно по меньшей мере одному варианту реализации настоящего раскрытия. Для этой имитации программное обеспечение, разработанное для квантового формирования фантомного изображения, было адаптировано для имитации радара, формирующего изображение сверхвысокого разрешения согласно настоящему раскрытию. Для этого процесса было принято несколько допущений из соображений простоты, но базовые элементы были сохранены. Для этой конкретной имитации излучение на длине волны 1,76 см (17,0 ГГц) использовали для облучения объекта, который был сформирован двумя аподизированными отражателями радиусом 0,5 м. Два аподизированных отражателя находились на расстоянии друг от друга в 1,0 м и были расположены в 3 км от источника. Объект облучали пакетами с М импульсов, и результирующие изображения показаны на этом чертеже. Как можно видеть на этом чертеже, если объект облучается либо 50, либо 100 импульсами, то контур цели полностью размыт. Когда количество импульсов увеличено до 200-265, получено полностью разрешенное изображение объекта.

Хотя конкретные иллюстрирующие варианты реализации и способы были раскрыты в настоящем документе, специалистам в данной области может быть понятно из вышеизложенного раскрытия, что изменения и модификации таких вариантов реализации и способов могут быть выполнены без выхода за рамки действительных сущности и объема раскрытия. Существует много других примеров реализации раскрытия, каждый из которых отличается от других сущностью или лишь в деталях. Соответственно, раскрываемое изобретение ограничено лишь прилагаемой формулой изобретения и законами и принципами применимого законодательства.