一种新型多普勒雷达成像装置及方法
【专利摘要】一种新型多普勒雷达成像装置及方法，该装置包括发射装置，固定在发射装置出光端的目标，固定于目标反射光路上的第一汇聚透镜，固定于第一汇聚透镜汇聚光路上的数字微镜器件DMD，固定于数字微镜器件DMD反射光路上的第二汇聚透镜，固定于第二汇聚透镜汇聚光路上的接收装置；与接收装置连接的混频器，与混频器连接的中频放大器，与中频放大器连接的正交相位检波器，与正交相位检波器连接的信号处理装置；还包括与所述发射装置、混频器和正交相位检波器连接的高稳定信号源，与发射装置、数字微镜器件DMD和信号处理装置连接的同步装置；本发明还公开了新型多普勒雷达成像方法；本发明能够得到目标各个部位的旋转、振动信息，更加有利于目标的识别与跟踪。
【专利说明】
-种新型多普勒雷达成像装置及方法
技术领域
[0001] 本发明设及多普勒测速领域，具体设及一种新型多普勒雷达成像装置及方法。
【背景技术】
[0002] 随着大规模集成电路和数字处理技术的发展，测速雷达广泛应用于机载预警、导 航、武器制导、跟踪、战场侦察和武器火控等方面，成为重要的军事设备。装有测速雷达的预 警飞机，已成为对付低空轰炸机和巡航导弹的有效军事设备。装有测速雷达的机载火控系 统，可W对空中、地面和海上目标边捜索边跟踪，抗干扰性能好，可靠性好。
[0003] 除了在军事上具有重要应用外，测速雷达也被广泛应用于气象探测、交通管制等 和人民生活息息相关的领域。通过对气象回波进行速度分辨，可W获得不同高度大气层中 各种空气端流运动的分布情况，从而进行准确的天气预测。通过对车辆进行速度监测和提 醒，可W减少事故的发生，保证出行安全。
[0004] 目前多普勒测速系统一般都将目标看作是点目标，忽略了目标的不同部位相对于 多普勒测速系统的速度变化。而实际情况中，目标不同部位的多普勒频移常常反映了目标 的某些振动、旋转特征。运些振动、旋转特征对于目标的检测和识别相当有用。
[0005] 传统的雷达成像系统对于接收端器件有着很高的要求，大面阵的探测器成为了影 响传统雷达成像质量的一个关键因素。但大面阵的探测器往往面临着传感器阵列制造工艺 和价格过于昂贵的限制，无法再有更进一步的突破。
[0006] 压缩感知作为最近几年出现的信号处理技术，一经提出，就引起了学术界的广泛 关注，并被美国科技评论评为2007年度十大科技进展。它可W在远小于Nyquist采样率的条 件下，每次采样多重传递了若干样本的综合信息，然后通过非线性重建算法完美得重建信 号。它巧妙地避开了对原始信号的直接采样，降低了对接收端器件的要求，设计重点由设计 昂贵的接收端器件转化为设计新颖的信号恢复算法，极大地降低了雷达成像系统的成本， 更加有利于雷达成像系统的小型化与轻型化。
【发明内容】
[0007] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种新型多普勒雷达成像装置及方 法，能够实时地获得目标场景中每一个分辨单元的速度信息，而又不存在测速模糊问题，既 适用于单目标探测，又适用于多目标探测，既能得到目标整体的速度信息，又能得到目标不 同部位的速度信息，从而得到目标各个部位的旋转、振动信息，更加有利于目标的识别与跟 踪。利用单点探测器，有利于装置的小型化与廉价化，同时又能极大地节约传输空间和存储 空间。
[000引实现本发明目的的技术思路是:高稳定信号源为发射装置、混频器W及正交相位 检波器提供载频一定的正弦信号。同步装置控制发射装置、数字微镜器件DMDW及信号处理 装置按周期T同步工作。在每一个周期中，发射装置发射脉冲宽度为t、载频为fo的相参脉冲 串信号照在目标上，目标返回来的信号经由第一汇聚透镜传给数字微镜器件DMD，数字微镜 器件DMD对照在其上的入射光按照二值随机矩阵?的形式进行调制后传给第二汇聚透镜。 第二汇聚透镜将数字微镜器件DMD调制过的光信号传给接收装置，接收装置将载频为fo+fdi (i = l，2,3，'''m，m为具有不同运动状态的物体的个数)的光信号转换为电信号，并作为主振 信号传给混频器，其中fdi为反应第i个目标运动信息的多普勒频率。在混频器中，主振信号 与载频为fo-fi的本振信号进行混频，其中fi为中频信号的频率，并通过选频回路选出频率 为fdi+fi的信号输出到中频放大器。中频放大器对其进行功率放大后，进入正交相位检波 器，将载频为fdi的信号检出来送入信号处理装置。在信号处理装置中对信号做FFT变换，得 到信号的频谱图。信号的频谱图为频率'<11。= 1，2,3，'''111，111为具有不同运动状态的物体的 个数)处的Sinc函数。在M个周期后，会得到M个信号的频谱图。从中提取M个信号的幅度频 谱，并选取M个幅度频谱图中频率为fdi处的幅值作为压缩感知中的测量向量的M个元素，测 量矩阵选取调制数字微镜器件DMD使用的二值随机矩阵O，通过压缩感知恢复算法计算出 目标场景中每一个分辨单元在频率为fdi时的幅值分量，并将所有非零元素提取出来按顺序 放入一个行向量中。用同样的方法处理M个幅度频谱图中频率为fdi±n2VT，n=l，2,. . .，T/ t处的幅值，得到2T/t+l个行向量。将第W个周期中(w=l，M)频率为fdi±n2VT，n = l， 2, ...，T/t处的幅值作为压缩感知中测量向量的元素，将上面得到的2TA+1个行向量构成 矩阵作为压缩感知中的测量矩阵，通过压缩感知恢复算法计算出第W个周期中二值随机矩 阵O在多普勒频率为fdi的物体处的分量Xwi(w=l，2,…，1，1 = 1，2,3，-'111，111为具有不同运 动状态的物体的个数），计算Eli：江diXwij，其中XwiJ为Xw冲的第j个元素，将其作为测量向量 Y中的第W个元素，测量矩阵选取调制数字微镜器件DMD使用的二值随机矩阵O，通过压缩感 知恢复算法可W计算得到目标场景的速度图像A。
[0009] 为达到W上目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] -种新型多普勒雷达成像装置，包括发射装置1，固定在发射装置1出光端的目标 10,固定于目标10反射光路上的第一汇聚透镜3,固定于第一汇聚透镜3汇聚光路上的数字 微镜器件DMD2,固定于数字微镜器件DMD2反射光路上的第二汇聚透镜4,固定于第二汇聚透 镜4汇聚光路上的接收装置5;与接收装置5连接的混频器6，与混频器6连接的中频放大器7， 与中频放大器7连接的正交相位检波器8，与正交相位检波器8连接的信号处理装置9;还包 括与所述发射装置1、混频器6和正交相位检波器8连接的高稳定信号源11，与所述发射装置 1、数字微镜器件DMD2和信号处理装置9连接的同步装置12;
[0011] 所述发射装置1，发射周期为T、脉冲宽度为t、初相为0的相参脉冲串光信号照在目 标10上；
[0012] 所述数字微镜器件DMD 2,依照压缩感知二值随机采样矩阵O的形式变换其上的 侣镜状态，对目标10的反射光进行调制，压缩感知二值随机采样矩阵?的元素值即对应数 字微镜器件DMD 2的侣镜状态，当矩阵元素值为+1时，数字微镜器件DMD 2对应位置的侣镜 偏转+12%将光信号反射到第二汇聚透镜4并传给接收装置5;当矩阵元素值为0时，数字微 镜器件DMD 2对应位置的侣镜偏转-12°，将其上的入射光反射到吸收平面进行入射光吸收；
[0013] 所述接收装置5,采用单点探测器，接收第二汇聚透镜4传来的光信号并转换为电 信号W便后续处理；
[0014] 所述混频器6,是一种典型的频谱频谱搬移电路，它将接收装置5传来的信号作为 主振信号，混频器6的主振信号的频率为fo+fdi，与高稳定信号源11提供的频率为fo-f I的本 振信号进行混频，采用选频回路选出频率为fdl+fl的中频信号；
[0015] 所述中频放大器7，对混频器6传来的中频信号进行功率放大，W便进行后续处理；
[0016] 所述正交相位检波器8,从中频放大器7传来的放大的中频信号中提取出多普勒频 率fdi，得到的信号是频率为多普勒频率fdi的复信号；
[0017] 所述信号处理装置9,对正交相位检波器8传来的复信号进行FFT变换，并运用压缩 感知得到目标10的速度图像；
[0018] 所述高稳定信号源11，为发射装置1提供载频为fo的信号，为混频器6提供频率为 fo-f I的正弦本振信号，为正交相位检波器8提供频率为f I的相参基准信号；
[0019] 所述同步装置12,保证发射装置1发射光信号、数字微镜器件DMD 2变换其上侣镜 状态W及信号处理装置9对运一次采样得到的数据进行处理=者之间的同步进行。
[0020] 所述正交相位检波器8包括第一乘法器30,与第一乘法器30连接的第一低通滤波 器21;第二乘法器31，与第二乘法器31连接的第二低通滤波器22;与第一乘法器30和第二乘 法器31连接的移相器20。
[0021] 上述所述新型多普勒雷达成像装置的成像方法，包括如下步骤：
[0022] 步骤一，利用信号处理装置9生成一个M X N维的压缩感知二值随机采样矩阵O和N XN维的正交稀疏表示矩阵W，其中N = pXq，p为速度图像的纵向分辨单元的个数，q为速度 图像的横向分辨单元的个数，M为压缩感知的采样次数，也即相参脉冲串信号的周期数；
[0023] 步骤二，信号处理装置9由压缩感知二值随机采样矩阵O生成M个测量子矩阵，并 编号为1，2,3,…M;其中:M为压缩感知的采样次数；
[0024] 步骤=，根据速度图像横向分辨单元的个数和速度图像纵向分辨单元的个数对数 字微镜器件DMD2上的侣镜进行分块；
[0025] 步骤四，发射装置1发射载频为fo、周期为T、脉冲宽度为t、初相为0的相参脉冲串 光信号照在目标10上，设当前为第i个周期，并令i = 1;
[0026] 步骤五，目标10的反射光信号经第一汇聚透镜3到达数字微镜器件DMD 2上，同步 装置12控制数字微镜器件DMD 2按照编号为i的测量子矩阵设置其上的侣镜状态，完成对目 标10的反射光的随机义样；
[0027] 步骤六，数字微镜器件DMD2上的反射光经第二汇聚透镜4到达接收装置5,接收装 置5将接收到的光信号转化为电信号，并作为主振信号传给混频器6;
[00%]步骤屯，混频器則尋主振信号与高稳定信号源11提供的频率为fo-f I的正弦本振信 号进行混频，采用选频回路选出频率为fdi+fi的中频信号，并传给中频放大器7;
[0029] 步骤八，中频放大器7对传来的含有多普勒频率fdi的中频信号进行功率放大，并传 给正交相位检波器8;
[0030] 步骤九，正交相位检波器則尋中频放大器7传来的中频信号分别与两个相互正交的 相参基准信号相乘后，通过第一低通滤波器21和第二低通滤波器22滤除高频分量后，得到 频率为多普勒频率fdi的复信号，并传给信号处理装置9;
[0031] 步骤十，信号处理装置9对第i个周期得到的复信号进行FFT变换，得到第i个幅度 频谱图；
[0032] 步骤十一，令周期序号数i = i + l，并判断i是否小于压缩感知的采样次数M，如果i 小于等于M，则转至步骤五，如果i大于M，则转至步骤十二；
[0033] 步骤十二，信号处理装置9根据步骤十一得到的M个幅度频谱图，通过压缩感知计 算得出目标10的速度图像。
[0034] 与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0035] 第一，能够实时准确地获得目标场景中每一个分辨单元的速度信息而又不存在测 速模糊问题，既适用于单目标探测，又适用于多目标探测，更加适合战场等情况复杂多变的 场合。
[0036] 第二，相对于目前大多数的多普勒系统都将目标视为"点目标"，本发明既能得到 目标整体的速度信息，又能得到目标不同部位的速度信息，从而得到目标各个部位的旋转、 振动信息，更加有利于目标的识别与跟踪。例如直升机的螺旋奖的速度信息，可W作为识别 直升机的一个很好的特征。
[0037] 第=，利用单点探测器作为接收装置，不仅有利于突破传感器阵列制造工艺W及 价格对获取高分辨率图像的限制，又有利于装置的小型化与廉价化，同时又能极大地节约 传输空间和存储空间。
【附图说明】
[0038] 图1为本发明系统的结构示意图。
[0039] 图2为本发明系统中正交相位检波器的结构示意图。
[0040] 图3为本发明方法的实现流程图。
【具体实施方式】
[0041] W下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0042] 如图1所示，本发明新型多普勒雷达成像装置，包括发射装置1，固定在发射装置1 出光端的目标10，固定于目标10反射光路上的第一汇聚透镜3，固定于第一汇聚透镜3汇聚 光路上的数字微镜器件DMD2,固定于数字微镜器件DMD2反射光路上的第二汇聚透镜4,固定 于第二汇聚透镜4汇聚光路上的接收装置5;与接收装置5连接的混频器6，与混频器6连接的 中频放大器7，与中频放大器7连接的正交相位检波器8，与正交相位检波器8连接的信号处 理装置9;还包括与所述发射装置1、混频器6和正交相位检波器8连接的高稳定信号源11，与 所述发射装置1、数字微镜器件DMD2和信号处理装置9连接的同步装置12。
[0043] 如图2所示，正交相位检波器8，包括第一乘法器30，与第一乘法器30连接的第一低 通滤波器21;第二乘法器31，与第二乘法器31连接的第二低通滤波器22;与第一乘法器30和 第二乘法器31连接的移相器20。
[0044] 本发明新型多普勒雷达成像装置的工作原理如下：
[0045] 高稳定信号源11为发射装置1、混频器6W及正交相位检波器8提供载频一定的正 弦信号。同步装置12控制发射装置1、数字微镜器件DMD2 W及信号处理装置9按周期T同步工 作。在每一个周期中，发射装置发射脉冲宽度为t、载频为fo的相参脉冲串信号照在目标10 上，目标10返回来的信号经由第一汇聚透镜3传给数字微镜器件DMD2,数字微镜器件DMD2对 照在其上的入射光按照二值随机矩阵〇的形式进行调制后传给第二汇聚透镜4。第二汇聚 透镜4将数字微镜器件DMD2调制过的光信号传给接收装置5,接收装置5将载频为f〇+fdi(i = l，2,3，一m，m为具有不同运动状态的物体的个数)的光信号转换为电信号，并作为主振信号 传给混频器6,其中fdi为反应第i个目标运动信息的多普勒频率。在混频器6中，主振信号与 载频为fo-fi的本振信号进行混频，其中fi为中频信号的频率，并通过选频回路选出频率为 fdi+fi的信号输出到中频放大器7。中频放大器7对其进行功率放大后，进入正交相位检波器 8,将载频为fdi的信号检出来送入信号处理装置9。在信号处理装置9中对信号做FFT变换，得 到信号的频谱图。信号的频谱图为频率'<11。= 1，2,3，'''111，111为具有不同运动状态的物体的 个数)处的Sinc函数。在M个周期后，会得到M个信号的频谱图。从中提取M个信号的幅度频 谱，并选取M个幅度频谱图中频率为fdi处的幅值作为压缩感知中的测量向量的M个元素，测 量矩阵选取调制数字微镜器件DMD2使用的二值随机矩阵O，通过压缩感知恢复算法计算出 目标场景中每一个分辨单元在频率为fdi时的幅值分量，并将所有非零元素提取出来按顺序 放入一个行向量中。用同样的方法处理M个幅度频谱图中频率为fdi±n2VT，n=l，2,. . .，T/ t处的幅值，得到2T/t+l个行向量。将第W个周期中(w=l，M)频率为fdi±n2VT，n = l， 2, ...，T/t处的幅值作为压缩感知中测量向量的元素，将上面得到的2TA+1个行向量构成 矩阵作为压缩感知中的测量矩阵，通过压缩感知恢复算法计算出第W个周期中二值随机矩 阵O在多普勒频率为fdi的物体处的分量Xwi(w=l，2,…，1，1 = 1，2,3，-'111，111为具有不同运 动状态的物体的个数），计算Eli：江diXwij，其中XwiJ为Xw冲的第j个元素，将其作为测量向量 Y中的第W个元素，测量矩阵选取调制数字微镜器件DMD使用的压缩感知二值随机采样矩阵 O，通过压缩感知恢复算法可W计算得到目标场景的速度图像。
[0046] 如图3所示，本发明新型多普勒雷达成像方法，包括如下步骤：
[0047] 步骤一，利用信号处理装置9生成一个M X N维的压缩感知二值随机采样矩阵O和N XN维的正交稀疏表示矩阵W，其中N = pXq，p为速度图像的纵向分辨单元的个数，q为速度 图像的横向分辨单元的个数，M为压缩感知的采样次数，也即相参脉冲串信号的周期数；
[004引
[0049]
[0050] 其中bist为巫中第i行，第St列的元素，l《s《p，l《t《q，bist的值取+l或0;
[0051] 步骤二，信号处理装置9由压缩感知二值随机采样矩阵O生成M个测量子矩阵01， 并令编号i为1，2,3,…M，其中:M为压缩感知的采样次数;每个随机测量子矩阵〇1的形式如 下所示：
[0化2]
[0053] 第i个测量子矩阵? I即对应原压缩感知二值随机采样矩阵?的第i行元素；
[0054] 步骤=，根据速度图像的横向分辨单元个数P和速度图像的纵向分辨单元个数q对 数字微镜器件DMD2上的侣镜进行分块；
[0055] 设数字微镜器件DMD2上的侣镜个数为mXn，m为数字微镜器件中横向侣镜的个数， n为数字微镜器件中纵向侣镜的个数;将数字微镜器件DMD2上的侣镜分为P X q块，则每块有 [min{m，n}/max{p，q} ]2个侣镜。W数字微镜器件DMD2上侣镜个数为1024*768和图像分辨率 为64*64为例，将数字微镜器件DMD2上的侣镜分为64*64块，每块有144个侣镜，对应于目标 场景中的一个分辨单元；
[0056] 步骤四，发射装置1发射载频为fo、周期为T、脉冲宽度为t、初相为0的相参脉冲串 光信号照在目标10上，设当前为第i个周期，并令i = 1;
[0057] 步骤五，目标10的反射光信号经第一汇聚透镜3到达数字微镜器件DMD 2上，同步 装置12控制数字微镜器件DMD2按照编号为i的测量子矩阵设置其上的侣镜状态，完成对目 标10的反射光的随机采样，当测量子矩阵相应元素值为+1时，将数字微镜器件DMD2对应位 置的侣镜偏转+12%将其上的入射光反射给第二汇聚透镜4并传给接收装置5;当随机矩阵 相应元素值为0时，将数字微镜器件DMD2对应位置的侣镜偏转-12%将其上的入射光反射到 吸收平面进行入射光吸收；
[005引步骤六，数字微镜器件DMD2上的反射光经第二汇聚透镜4到达接收装置5,接收装 置5将接收到的光信号转化为电信号，并作为主振信号传给混频器6;
[0059] 步骤屯，混频器則尋主振信号与高稳定信号源11提供的频率为fo-f I的本振信号进 行混频，采用选频回路选出频率为fdi+fi的中频信号，并传鉛中频放大器7，具体如下：
[0060] 接收装置5传来的主振信号可W表示）
，其中CU表示 具有第i种运动状态的物体上的第j个分辨单元的反射率，辦表示具有第i种运动状态的物 体上的第j个分辨单元的距离情况。高稳定信号源11提供的频率为fo-fi的本振信号可W表 示为COS (化(f Q-f I ) t )，两者混频后可得到如下信号：
[0061]
[0062] 选频回路的低通滤波器滤除掉频率为2fo+fdi-fi的信号后，保留频率为fdi+fi的中 频信号，传给中频放大器7;
[0063] 步骤八，中频放大器7对传来的含有多普勒频率fdi的中频信号进行功率放大，增益 为K，并传给正交相位检波器8;
[0064] 步骤九，正交相位检波器則尋中频放大器7传来的中频信号分别与两个相互正交的 相参基准信号相乘后，通过第一低通滤波器21和第二低通滤波器22滤除高频分量后，得到 频率为多普勒频率fdi的复信号，并传给信号处理装置9,具体如下：
[0065] 设相参基准信号Se(t) = cos(23ifit)，其经过移相器20,可得到与其正交的另一个 相参基准{曰号3。（1)=(303(2时11+31/2)=-3；[]1(2村11：)。将中频{曰号与相参基准{曰号3。(1) =COS (化fit)相乘,可得f曰号为：
[0066]
[0067] 言号为
[006引
[0069] 得信号为：
[0070]
[0071] 言号为：
[0072]
[0073]
[0074]
[0075] 步骤十，信号处理装置9对第i个周期得到的复信号进行FFT变换，得到第i个幅度 频谱图；
[0076] 步骤十一，令周期序号数i = i + l，并判断i是否小于压缩感知的采样次数M，如果i 小于等于M，则转至步骤五，如果i大于M，则转至步骤十二；
[0077] 步骤十二，信号处理装置9根据步骤十一得到的M个幅度频谱图，通过压缩感知计 算得出目标10的速度图像，具体如下。
[0078] 12.1)选取M个幅度频谱图中频率为fdi处的幅值作为压缩感知中的测量子向量Y的 M个元素，测量矩阵选取调制数字微镜器件DMD2使用的压缩感知二值随机采样矩阵O，计算 压缩感知的全息算子A=O W，其中W为NXN维的正交稀疏表示矩阵，根据公式Y = A0 = O W 0，通过压缩感知恢复算法计算出0，0为NXl维的列向量，进而计算出W 0，W 0里 面的每个元素为目标10中每一个分辨单元在频率为fdi时的幅值分量，将所有非零元素提取 出来按顺序放入一个行向量中，行向量中非零元素的个数为I;
[0079] 12.2)用同样的方法处理1个幅度频谱图中频率为'<11±11231/1'，11 = 1，2，...^八处 的幅值，得到2T/t+l个行向量。
[0080] 12.3)将第巧个周期中(巧=1，2^''，1)频率为'<11±11231/了，11=1，2，...^八处的幅值 作为压缩感知测量向量y的2TA+1个元素，将上面得到的2TA+1个行向量构成矩阵作为压 缩感知中的测量矩阵4，生成1 X1维的正交稀疏表示矩阵梦，根据公式y =裤，通过压缩感 知恢复算法计算出9,进而计算出00，巧0里面的每个元素为第W个周期中压缩感知二值随 机采样矩阵O在多普勒频率为fdi的物体处的分量Xwi(W = 1，2，…，M，i = 1，2，3，- '!!!,m为具 有不同运动状态的物体的个数）；
[0081] 12.4)计算Eli：江diXwij，其中XwiJ为Xwi中的第j个元素，将其作为测量向量肿的第 W个元素，测量矩阵选取调制数字微镜器件D M D使用的压缩感知二值随机采样矩阵O，计 算压缩感知的全息算子A=O W，其中W为NXN维的正交稀疏表示矩阵，根据公式Y=Ah = 巫Wh,通过压缩感知恢复算法计算出h，进而计算出目标10的速度图像C= Wh,C的形式如 下：
[0082] C=[打 1 Cl2. . .Clq C21 C22. . .C2q. . . .Cpl. ,Cpq]T
[0083] 变换得到：
[0084]
[0085] C中的每一点都代表目标10中相应分辨单元的速度信息。
【主权项】
1. 一种新型多普勒雷达成像装置，其特征在于:包括发射装置（1)，固定在发射装置（1) 出光端的目标(10)，固定于目标(10)反射光路上的第一汇聚透镜(3)，固定于第一汇聚透镜 (3)汇聚光路上的数字微镜器件DMD(2)，固定于数字微镜器件DMD(2)反射光路上的第二汇 聚透镜(4)，固定于第二汇聚透镜(4)汇聚光路上的接收装置(5);与接收装置(5)连接的混 频器(6)，与混频器(6)连接的中频放大器（7)，与中频放大器（7)连接的正交相位检波器 (8)，与正交相位检波器(8)连接的信号处理装置(9);还包括与所述发射装置（1)、混频器 (6)和正交相位检波器(8)连接的高稳定信号源（11)，与所述发射装置（1)、数字微镜器件 DMD(2)和信号处理装置(9)连接的同步装置(12); 所述发射装置（1)，发射周期为T、脉冲宽度为t、初相为0的相参脉冲串光信号照在目标 (10)上； 所述数字微镜器件DMD(2)，依照压缩感知二值随机采样矩阵Φ的形式变换其上的铝镜 状态，对目标（10)的反射光进行调制，压缩感知二值采样矩阵Φ的元素值即对应数字微镜 器件DMD (2)的铝镜状态，当矩阵元素值为+1时，数字微镜器件DMD (2)对应位置的铝镜偏转+ 12°，将光信号反射到第二汇聚透镜4并传给接收装置(5);当矩阵元素值为0时，数字微镜器 件DMD(2)对应位置的铝镜偏转-12°，将其上的入射光反射到吸收平面进行入射光吸收； 所述接收装置(5)，采用单点探测器，接收第二汇聚透镜(4)传来的光信号并转换为电 信号以便后续处理； 所述混频器(6)，是一种典型的频谱搬移电路，它将接收装置(5)传来的信号作为主振 信号，混频器(6)的主振信号的频率为fQ+fdl，与高稳定信号源（11)提供的频率为^-^的本 振信号进行混频，采用选频回路选出频率为fdAh的中频信号； 所述中频放大器(7)，对混频器(6)传来的中频信号进行功率放大，以便进行后续处理； 所述正交相位检波器(8)，从中频放大器(7)传来的放大的中频信号中提取出多普勒频 率fdl，得到的信号是频率为多普勒频率f dl的复信号； 所述信号处理装置(9)，对正交相位检波器(8)传来的复信号进行FFT变换，并运用压缩 感知得到目标(10)的速度图像； 所述高稳定信号源（11 )，为发射装置(1)提供载频为的信号，为混频器(6)提供频率为 正弦本振信号，为正交相位检波器8提供频率为h的相参基准信号； 所述同步装置（12)，保证发射装置（1)发射光信号、数字微镜器件DMD(2)变换其上铝镜 状态以及信号处理装置(9)对这一次采样得到的数据进行处理三者之间的同步进行。2. 根据权利要求1所述的新型多普勒雷达成像装置，其特征在于:所述正交相位检波器 (8)包括第一乘法器（30)，与第一乘法器（30)连接的第一低通滤波器（21);第二乘法器 (31)，与第二乘法器（31)连接的第二低通滤波器（22);与第一乘法器（30)和第二乘法器 (31)连接的移相器(20)。3. 权利要求2所述新型多普勒雷达成像装置的成像方法，其特征在于:包括如下步骤： 步骤一，利用信号处理装置(9)生成一个MXN维的压缩感知二值随机采样矩阵Φ和NX N维的正交稀疏表示矩阵Ψ，其中N=p X q，p为速度图像的纵向分辨单元的个数，q为速度图 像的横向分辨单元的个数，Μ为压缩感知的采样次数，也即相参脉冲串信号的周期数； 步骤二，信号处理装置(9)由压缩感知二值随机采样矩阵Φ生成Μ个测量子矩阵，并编 号为1，2,3,…Μ;其中:Μ为压缩感知的采样次数； 步骤三，根据速度图像横向分辨单元的个数和速度图像纵向分辨单元的个数对数字微 镜器件DMD (2)上的铝镜进行分块； 步骤四，发射装置(1)发射载频为f〇、周期为T、脉冲宽度为t、初相为0的相参脉冲串光信 号照在目标(10)上，设当前为第i个周期，并令i = l; 步骤五，目标（10)的反射光信号经第一汇聚透镜(3)到达数字微镜器件DMD(2)上，同步 装置（12)控制数字微镜器件DMD(2)按照编号为i的测量子矩阵设置其上的铝镜状态，完成 对目标(10)的反射光的随机米样； 步骤六，数字微镜器件DMD(2)上的反射光经第二汇聚透镜(4)到达接收装置(5)，接收 装置(5)将接收到的光信号转化为电信号，并作为主振信号传给混频器(6); 步骤七，混频器(6)将主振信号与高稳定信号源（11)提供的频率为fo-f:的正弦本振信 号进行混频，采用选频回路选出频率为fd+h的中频信号，并传给中频放大器(7); 步骤八，中频放大器(7)对传来的含有多普勒频率fdl的中频信号进行功率放大，并传给 正交相位检波器(8); 步骤九，正交相位检波器(8)将中频放大器(7)传来的中频信号分别与两个相互正交的 相参基准信号相乘后，通过第一低通滤波器(21)和第二低通滤波器(22)滤除高频分量后， 得到频率为多普勒频率^^的复信号，并传给信号处理装置(9); 步骤十，信号处理装置(9)对第i个周期得到的复信号进行FFT变换，得到第i个幅度频 谱图； 步骤十一，令周期序号数i = i + l，并判断i是否小于压缩感知的采样次数M，如果i小于 等于M，则转至步骤五，如果i大于M，则转至步骤十二； 步骤十二，信号处理装置(9)根据步骤十一得到的Μ个幅度频谱图，通过压缩感知计算 得出目标(10)的速度图像。
【文档编号】G01S13/89GK106019274SQ201610349029
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】孙剑, 刘倩玉, 徐飞
【申请人】西安深穹光电科技有限公司