陳建平，朱文貴，張 剛

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

當(dāng)前，成像技術(shù)主要包括光學(xué)成像、實(shí)孔徑雷達(dá)成像、合成孔徑雷達(dá)成像、逆合成孔徑雷達(dá)成像等技術(shù)[1]，這些技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展，但它們同時(shí)也存在著各自的缺陷：紅外成像作用距離較近；實(shí)孔徑雷達(dá)成像無法獲得滿足高分辨率的大孔徑天線；合成孔徑雷達(dá)、逆合成孔徑雷達(dá)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(dá)和目標(biāo)的相對運(yùn)動才能成像[2-3]。

近年來，隨著量子信息和量子光學(xué)的發(fā)展，人們開始在成像系統(tǒng)中利用光場的非經(jīng)典量子特性獲取圖像信息，這導(dǎo)致一個(gè)新的研究領(lǐng)域——量子成像的出現(xiàn)[4-5]。目前量子成像技術(shù)已受到國際學(xué)術(shù)界的廣泛重視。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前世界各國已有十多個(gè)著名實(shí)驗(yàn)室在開展量子成像研究，從國外一些學(xué)術(shù)報(bào)告所透露的信息來看，美國軍方也已經(jīng)開展了量子成像應(yīng)用于非局域?qū)Φ赜^測的相關(guān)研究。

本文將強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像理論[6]引入到雷達(dá)成像技術(shù)中，主要開展微波關(guān)聯(lián)成像技術(shù)的研究，達(dá)到目標(biāo)識別的目的。提出的技術(shù)不僅成像速度快，抗偵察、抗干擾、抗反輻射導(dǎo)彈能力強(qiáng)，且對動、靜目標(biāo)均可成像。和其他成像技術(shù)相比，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的理論意義和應(yīng)用前景。

本文首先給出了強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像的原理；接著分析微波關(guān)聯(lián)成像的基本原理，并給出了實(shí)現(xiàn)方法；最后對全文進(jìn)行簡要總結(jié)。

1 強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像原理

強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像的原理如圖1所示[7-8]。

圖1 強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像原理圖

非相干光源S 經(jīng)分束器分成兩束，分別通過一個(gè)已知的參考光學(xué)系統(tǒng) hr(x,xr)和一個(gè)未知的物臂光學(xué)系統(tǒng) ht(x,xt)，其中目標(biāo)在未知系統(tǒng)中。探測器 Dr和Dt分別記錄參考臂的強(qiáng)度分布和物臂的強(qiáng)度，二階關(guān)聯(lián)函數(shù)G(2,2)(xr,xt)[9]給出目標(biāo)像。

強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像系統(tǒng)光路如圖2所示[6]。

圖2 強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像系統(tǒng)光路圖

經(jīng)毛玻璃散射后的散斑場分布為：

強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像兩臂互相關(guān)函數(shù)：

物臂的脈沖響應(yīng)函數(shù)為：

式(3)中：

參考臂的脈沖響應(yīng)函數(shù)為：

式中，

將式(1)、(3)～(6)代入式(2)，化簡可得：

式(7)包含了目標(biāo)的復(fù)透射率函數(shù)t (x)，經(jīng)過強(qiáng)度關(guān)聯(lián)運(yùn)算可以提取目標(biāo)的信息，進(jìn)行強(qiáng)度關(guān)聯(lián)處理后即可得到物體的像。

2 微波關(guān)聯(lián)成像原理及實(shí)現(xiàn)

基于上述強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像理論，微波關(guān)聯(lián)成像利用電磁波形成成像底版，將電磁波照射到目標(biāo)產(chǎn)生的各向散射的目標(biāo)回波信號進(jìn)行強(qiáng)度相關(guān)處理最終成像。這是將光學(xué)理論應(yīng)用于微波領(lǐng)域的一種創(chuàng)新探測技術(shù)。

微波關(guān)聯(lián)成像技術(shù)的原理框圖可簡單描述為圖3所示。

圖3 微波關(guān)聯(lián)成像原理框圖

和圖2相比，發(fā)射信號產(chǎn)生→多輻射源系統(tǒng)發(fā)射→卡塞格倫天線聚焦過程代替了激光非相干光束產(chǎn)生鏈路，圖像底版制作過程取代了參考臂的強(qiáng)度分布記錄過程，目標(biāo)回波則相當(dāng)于經(jīng)目標(biāo)反射后的物臂強(qiáng)度。這樣，微波關(guān)聯(lián)成像技術(shù)的機(jī)理和整個(gè)處理過程都是從強(qiáng)度關(guān)聯(lián)量子成像技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。

整個(gè)成像過程可簡單描述如下：多個(gè)輻射源同時(shí)向目標(biāo)發(fā)射N個(gè)幅度、相位隨機(jī)可控的單元信號，同時(shí)記錄各個(gè)發(fā)射信號的狀態(tài)，并根據(jù)目標(biāo)距離信息制作“成像底版”；接收到目標(biāo)回波信號以后，“成像底版”和目標(biāo)回波進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，得到一幅“單幀關(guān)聯(lián)信息圖”；最后通過對若干組“單幀關(guān)聯(lián)信息圖”平滑處理后實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像。下面簡要介紹關(guān)聯(lián)成像的基本過程。

2.1 底版形成

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

以點(diǎn)目標(biāo)為例，假設(shè)在輻射源照射通路上有一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，位于底版中的ss位置。單路接收機(jī)接收綜合回波信號，該信號為該幀畫面上的目標(biāo)的后向散射回波信號的總和。對于點(diǎn)目標(biāo)ss，若該點(diǎn)的照射場強(qiáng)度為Xss，則該點(diǎn)目標(biāo)經(jīng)照射后的回波信號為σXss，σ為后向散射系數(shù)，無目標(biāo)處則沒有反射，于是綜合信號可以表示為：

重復(fù)發(fā)射m個(gè)脈沖，則獲取m 幀底版和m個(gè)綜合回波信號，然后進(jìn)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(jī)量，先將底板進(jìn)行零均值處理。底版零均值處理就是將m 幀底版中對應(yīng)位置點(diǎn)的能量求均值，再將每幀能量分布圖的每點(diǎn)數(shù)值減去對應(yīng)點(diǎn)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(yīng)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(jìn)行關(guān)聯(lián)處理。

2.3 關(guān)聯(lián)處理

將差值分布圖各點(diǎn)數(shù)值與該幀的綜合信號相乘，構(gòu)成單幀目標(biāo)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(gòu)成了第一幅單幀目標(biāo)信息圖。同樣，對m 幀信號分別進(jìn)行相關(guān)處理，得到m幅單幀目標(biāo)信息圖。

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

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

2.4 目標(biāo)圖像的形成

目標(biāo)信號分布圖實(shí)際上是目標(biāo)的灰度圖像，若采用門限T 判別目標(biāo)信息分布圖中各點(diǎn)相關(guān)求和的結(jié)果，即可形成目標(biāo)的輪廓圖像。

3 總結(jié)

強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像技術(shù)在光學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，本文將關(guān)聯(lián)成像技術(shù)拓寬到微波領(lǐng)域，提出了一種全新的微波成像技術(shù)，該技術(shù)具有截獲概率低、抗偵察能力強(qiáng)、成像速度較快、動靜目標(biāo)均可成像等特點(diǎn)，有著很好的理論意義和應(yīng)用前景。

[1]張直中.微波成像術(shù)[M].北京∶科學(xué)出版社,1990∶1-10.

[2]MERRILL I SKOLNIK.雷達(dá)手冊[K].2 版.北京∶電子工業(yè)出版社,2003∶825-835.

[3]張澄波.綜合孔徑雷達(dá)[M].北京∶科學(xué)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(jīng)典熱廣場非局域無透鏡傅里葉成像的試驗(yàn)研究[D].上海∶中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)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.