微波全息图的生成与重构方法及其系统技术方案

一种入射面凹凸不平的微波全息图的生成与重构方法及其系统，采用三段式的传播结构搭建场景模型，通过对入射点的求解生成记录有目标散射场的幅度信息和相位信息的微波全息图，并通过相位补偿方法和分层重构方法对微波全息图依次进行在上层介质中的全息图重构、加入相位补偿和在下层介质中的全息图重构重建目标散射场，即微波图像；本发明专利技术运算量小，成像精度高，有较广泛的应用空间和较高的实用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种微波全息成像领域的技术，具体是一种入射面凹凸不平的微波全息图的生成与重构方法及其系统。
技术介绍
微波全息成像是指以微波(频率在300MHz～300GHz，相应波长为1m～1mm的电磁波)作为信息载体的一种成像手段，其原理是用微波照射被测物体，然后通过物体外部散射场的测量值来重构物体的形状或者(复)介电常数分布。与人们熟知的激光、声波、毫米波等其他成像技术相比，微波全息成像具有安全、成本低、理论上可对温度成像等特点。但微波全息成像的主要困难在于微波波长与被测物体的尺寸接近，衍射作用明显，只能采用更加复杂的基于逆散射的反演算法。在实际的应用中，微波探测平面并不是平坦的，而是凹凸不平的，凹凸不平的入射面会对微波全息成像产生非常大的影响，尤其是入射面的凹凸程度比较大的时候，会造成微波探测信息产生较大的误差。如何有效解决入射面凹凸不平情况下的微波全息图的生成与重构，就成了一个非常有实际价值的难题。入射面凹凸不平的微波全息图的生成与重构的主要困难在于：一、场景模型的搭建；二、入射波经过凹凸不平入射面之后的相位和幅度的变化的估计；三、入射面凹凸不平情况下，微波全息图的重构。目前，Vladimir Razevig等在”14th International Conference on Ground Penetrating Radar(GPR)”(2012,331‐335)上发表的”Comparison of Different Methods for Reconstruction of Microwave Holograms Recorded by the Subsurface Radar”中，提出了采用不同的方法来进行微波全息图的重构，包括单频率法、双频率法和宽带法。该文献中，只给出了理想情况下微波全息图的重构方法，对于非理想情况下，即入射面凹凸不平情况下，微波全息图如何进行重构，并没给出相应的方法，也没有对入射面凹凸不平情况下微波全息图如何生成进行详细说明；D.Sukhanov等在”15th International Conference on Ground Penetrating Radar‐GPR2014”(2014,663‐667)上发表的”Three‐dimensional non‐contact subsurface radio tomography through a non‐planar interface between media”中，提出了采用UWB雷达来重构埋藏在凹凸不平表面的三维图像，它假设UWB雷达在介质上面的一个固定平面移动，并且以固定的步长产生UWB雷达测量。相比于微波全息成像，这种UWB雷达成像受到探测信号和探测距离限制，很难拓展到其它波段和实现远距离探测成像。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种入射面凹凸不平的微波全息图的生成与重构方法及其系统，采用三段式的传播结构和相屏估计理论生成微波全息图，并通过相位补偿方法和分层重构方法重构得到微波图像，运算量小，成像精度高。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种入射面凹凸不平的微波全息图的生成与重构方法，采用三段式的传播结构搭建场景模型，通过对入射点的求解生成记录有目标散射场的幅度信息和相位信息的微波全息图，并通过相位补偿方法和分层重构方法对微波全息图依次进行在上层介质中的全息图重构、加入相位补偿和在下层介质中的全息图重构重建目标散射场，即微波图像。所述的重构在上层介质中的全息图是指：对微波全息图函数进行傅里叶变换，得到场的空域频谱，向其加入幅度信息和相位信息后进行傅里叶反变换。所述的加入相位补偿是指：将在上层介质中重构的全息图函数与一个相屏的复共轭的传输函数相乘。所述的重构在下层介质中的全息图是指：对经过相位补偿的在上层介质中重构的全息图进行傅里叶变换，得到下层介质的空域频谱，向其加入三维空间z方向的相位信息，得到二维空间在深度为z处的波谱后进行傅里叶反变换。本专利技术涉及一种实现上述方法的系统，包括：场景模型搭建模块、微波全息图生成模块、上层介质重构模块、相位补偿模块和下层介质重构模块，其中：微波全息图生成模块采集场景模型搭建模块中的物体的幅度信息和相位信息进行微波全息图的生成，上层介质重构模块根据生成的微波全息图进行在上层介质中的全息图重构；相位补偿模块向上层介质重构模块中得到的重构的全息图中加入相位信息，进行补偿，并传送至下层介质重构模块中进行在下层介质中的全息图重构，得到重构后的微波图像。技术效果与现有技术相比，本专利技术将求解入射点的二元二次方程组简化为一元四次方程的求解，减小了运算量，提升运算速度；本专利技术采用的三段式传播结构、相屏估计理论和相位补偿重构方法可以有效评估微波在不同介质之间的传播和在凹凸不平的入射面传播的相位变化，同时在重构时，有效补偿了入射面的相位信息；本专利技术更贴近实际的应用场景，有较高的应用价值。附图说明图1为微波全息图的生成与重构方法示意图；图2为场景模型示意图；图3为微波全息图的重构流程示意图；图4为生成与重构系统示意图；图5为实施例效果图；图中：(a)为原始图，(b)为生成的微波全息图，(c)为重构的微波图像。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1如图1所示，本实施例涉及一种入射面凹凸不平的微波全息图的生成与重构方法，包括以下步骤：步骤1、采用三段式的传播结构搭建场景模型，根据折射定律和入射与折射直线在同一平面内求解入射点的坐标。所述的三段式的传播结构的第一段为发射源r0(x0,y0,z0)到平面z＝0的入射点M(x,y,0)，两者的直线距离记为D1；第二段为入射点M到z＝-d的折射点N(x,y,-d)，两者的直线长度记为d；第三段为折射点N到物点rs(xs,ys,zs)，两者的直线距离记为D2。根据相屏估计理论，微波经过凹凸不平的入射面时只会改变微波的相位，不会改变微波的幅度，则根据折射定律以及入射直线和折射直线在同一平面内可得两个方程组成的方程组；根据已知条件，对方程组的求解可转化为一个一元四次方程的求解，取其中一个满足条件的解为入射点的坐标。所述的入射点M的坐标求解的关系式为：其中：n为场景中下层介质折射率n2与上层介质折射率n1的比值。步骤2、根据入射点M的坐标、微波在不同介质内的散射公式及相屏估计理论，生成微波全息图u(x,y)。所述的入射面为三维平面，则发射源和接收源均为r0，发射端发射的是球面波。由于发射点r0到物点rs的波传播是双向的，所以在求解单点散射相位时，需进行平方处理；而由于单点物波是对三维空间的自由散射，因此单点物波的相位应是三维空间所有物点相位的和。所述的发射源r0到物点rs的单向入射物波的幅度和相位变化值q(r0,rs)可分别近似等于三段式传播结构的幅度和相位之和，即q(r0,rs)＝Q1QQ2，其中：Q1为发射源r0到平面z＝0的入射点M的物波幅度和相位，Q为入射点M到z＝-d的折射点N的物波幅度和相位，Q2为折射点N到物点rs的物波幅度和相位。所述的Q1和Q2可采用自由空间波的传播公式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种入射面凹凸不平的微波全息图的生成与重构方法，其特征在于，采用三段式的传播结构搭建场景模型，通过对入射点的求解生成记录有目标散射场的幅度信息和相位信息的微波全息图，并通过相位补偿方法和分层重构方法对微波全息图依次进行在上层介质中的全息图重构、加入相位补偿和在下层介质中的全息图重构重建目标散射场，即微波图像；所述的三段式的传播结构包括：第一段为发射源r0(x0,y0,z0)到平面z＝0的入射点M(x,y,0)，两者的直线距离记为D1；第二段为入射点M到z＝‑d的折射点N(x,y,‑d)，两者的直线长度记为d；第三段为折射点N到物点rs(xs,ys,zs)，两者的直线距离记为D2。

【技术特征摘要】
1.一种入射面凹凸不平的微波全息图的生成与重构方法，其特征在于，采用三段式的传播结构搭建场景模型，通过对入射点的求解生成记录有目标散射场的幅度信息和相位信息的微波全息图，并通过相位补偿方法和分层重构方法对微波全息图依次进行在上层介质中的全息图重构、加入相位补偿和在下层介质中的全息图重构重建目标散射场，即微波图像；所述的三段式的传播结构包括：第一段为发射源r0(x0,y0,z0)到平面z＝0的入射点M(x,y,0)，两者的直线距离记为D1；第二段为入射点M到z＝-d的折射点N(x,y,-d)，两者的直线长度记为d；第三段为折射点N到物点rs(xs,ys,zs)，两者的直线距离记为D2。2.根据权利要求1所述的生成与重构方法，其特征是，所述的入射点的求解关系式为：其中：n为场景中下层介质折射率与上层介质折射率的比值。3.根据权利要求1所述的生成与重构方法，其特征是，所述的微波全息图其中：Ω为三维空间中物体上所有点的集合，q(r0,rs)为发射源r0到物点rs的幅度和相位的变化值。4.根据权利要求3所述的生成与重构方法，其特征是，所述的发射源r0到物点rs的幅度和相位的变化值q(r0,rs)可分别近似等于三段式传播结构的幅度和相位之和，即q(r0,rs)＝Q1QQ2，其中：Q...

【专利技术属性】
技术研发人员：宫新保，王都都，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31