一种基于稀疏频点的三维全息成像的重建方法技术

本发明专利技术提供一种基于稀疏频点的微波、毫米波、太赫兹三维全息成像的重建方法，属于图像处理技术领域。该方法通过对微波、毫米波、太赫兹雷达原始稀疏频点及其个数的选择，稀疏频点数据重建满频点数据，满频点数据处理得到的微波、毫米波、太赫兹三维全息成像结果。本发明专利技术方法能有效消除距离模糊现象，降低对雷达系统采样率和储存深度的要求，适合于实时应用成像中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于稀疏频点的三维全息成像的重建方法
本专利技术属于图像处理
，尤其涉及一种基于稀疏频点的三维全息成像的重建方法，如微波、毫米波、太赫兹的三维全息成像。
技术介绍
近年来，利用微波、毫米波、太赫兹波作为探测手段，获取探测目标的散射信息的微波、毫米波、太赫兹三维全息成像技术越来越受到人们的关注。微波、毫米波、太赫兹三维全息成像是在两个正交方向形成扫描孔径，并在距离向上发射宽带信号来形成三维成像几何，通过处理回波数据得到目标的三维复图像。微波、毫米波、太赫兹波可以穿透很多非极性材料，如皮革、塑料、泡沫等。通过对被检测物体进行高分辨率穿透成像，可以获得更准确的目标信息，大大降低误警率。微波、毫米波、太赫兹波与X射线相比不会因为光致电离而破坏被检测的物质，对人体来说是基本无害，具有较好的安全性。因此微波、毫米波、太赫兹三维全息成像在公共区域的安全检测、无损检测、雷达目标成像诊断等领域有广泛的应用前景。随着人们对全息成像分辨率的要求越来越高，在对距离分布范围比较广的目标进行高分辨率全息成像时，为了避免距离模糊现象，需增加频域的采样点数。频域采样点数的增加会提高对雷达系统的数据采样率要求，同时雷达回波数据量变大，对雷达系统的储存深度也有了更高要求。这些指标要求的提高会增加雷达系统硬件的成本，同时高频点数的数据采集也增加了扫描时间，这对实时成像领域的应用是非常不利的。为了在不增加硬件成本的情况下消除距离模糊，可以通过一定算法来进行基于稀疏频点数据的无距离模糊的三维全息成像。一般来说，微波、毫米波、太赫兹波的穿透能力是有限的，其对于金属目标和人体皮肤来说是无法穿透的，因此雷达目标的后向散射在距离域表现出了稀疏特性。压缩感知理论表明，对于这种稀疏可压缩的信号，可以通过构建满足一定条件的观测矩阵，从较少的观测数据中恢复原信号。基于此理论，在雷达系统数据采集时，在频域进行对应于构造的观测矩阵的非均匀采样，利用压缩感知理论的稀疏信号恢复方法从采样得到的稀疏频点数据恢复出满频点的回波数据，从而消除了距离模糊现象。在实现本专利技术的过程中，发现上述现有技术存在如下技术缺陷：1.在利用压缩感知理论进行稀疏频点数据恢复出满频点的回波数据的过程中，采样频点的选择需要满足对应于构造的观测矩阵的要求，如果获得的采样频点不满足观测矩阵的要求，会造成压缩感知理论的方法失效，因此对实际数据的采样获取造成很大的不便。2.从采样得到的稀疏频点数据恢复出满频点的回波数据的压缩感知稀疏信号恢复方法，主要包括以正交匹配追踪算法为代表的贪婪追踪算法和以两步迭代收缩为代表的凸优化算法。这些稀疏信号恢复方法是通过多次迭代求解来找到对原始信号的最优逼近，如果迭代运算的次数过少，则会造成得到的信号结果偏离最优值，如果迭代运算的次数过多，则会造成运算量增加，处理时间过长，从而导致算法的运算效率很低，不利于其在实时成像中的应用。并且迭代算法对噪声的敏感度非常高，噪声对信号的影响比较大，使得信号形式发生改变，从而求得的结果往往是某个局部最优解，而不是全局最优解，最终导致运算结果不准确，恢复图像散焦。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种基于稀疏频点的微波、毫米波、太赫兹三维全息成像的重建方法，能快速精确恢复出满频点的回波数据，消除距离模糊现象，降低对雷达系统采样率和储存深度的要求，处理过程简单快速，适用于实时应用成像中。本专利技术的基于稀疏频点的微波、毫米波、太赫兹三维全息成像的重建方法，适用于微波、毫米波、太赫兹波的雷达发射信号，其包括：S1：确定雷达发射信号进行采样的稀疏频点个数N，所述稀疏频点个数N满足：其中，B为设定中间量，且B＝lnM-ln(1-β)，M为待恢复的频点个数，即满频点的个数；β为最大可忍受的峰值旁瓣比r的置信系数；Bf为雷达发射信号的带宽，c为电磁波在自由空间的传播速度，ΔR为在雷达天线有效波束角的照射范围内的重建目标表面在距离向最大分布范围长度；S2：如果雷达发射信号属于线性调频连续波信号则先补偿掉该发射方式导致的剩余视频相位，消除剩余视频相位后得到和步进频连续波信号相同的回波信号后，再进行以下处理；如果雷达发射信号属于步进频连续波信号，则直接雷达发射信号进行以下处理：在带宽内选取均匀随机分布的N个频点f1,f2,…,fN，定义稀疏频点矩阵fsparse＝(f1,f2,…,fN)；采样得到N个稀疏频点的回波数据S1(x,y,ksparse)，建立坐标系XYZ；其中定义X、Y为扫描方向，Z为雷达照射方向，(x,y,0)为在坐标系XYZ中的天线相位中心位置，ksparse为fsparse对应的自由空间的波数；利用式(2)获得回波信号S1(x,y,ksparse)的转置其中，m＝1,2…N，σ(x′,y′,z′)为在坐标系XYZ中位于(x′,y′,z′)处目标的散射系数，aθ(·)为雷达波束角的窗函数，S3：对S2所得与设定的参考信号利用式(4)求相关：其中，为的共轭矩阵；将Corr(Rj′)结果中的最大值max[Corr(Rj′)]对应的距离Rj′作为在雷达天线有效波束角的照射范围内的目标表面在距离向估计值，记为距离R′max；S4：对S2所得回波数据进行频谱搬移，利用式(5)结合S3获得的距离R′max将其频谱搬移至基带，得到式中表示为矩阵的Hadamard积；S5：对S4所得结果利用式(6)对波数进行线性插值得到式中k＝(k1′,k2′,…,k′M)为满频点的各频率对应的自由空间的波数，其中ki′＝2π[fc-Bf/2+(i-1)Bf/(M-1)]/c,i＝1,2,…,M，fc为雷达发射信号的中心频率，M为满频点的个数；interpX[Y(X)]为插值函数；S6：对S5所得结果进行频谱搬移，结合S3获得的距离R′max利用式(7)将其频谱的中心频率搬移至其实际所处的频率，得到式中S7：利用相位偏移算法对S6所得结果进行图像处理，得到恢复图像。有益效果：该方法通过对微波、毫米波、太赫兹雷达原始稀疏频点及其个数的选择，重建满频点的回波数据，满频点数据处理得到的微波、毫米波、太赫兹三维全息成像结果。在高运算效率的情况下，可以快速的处理稀疏频点的微波、毫米波、太赫兹雷达三维数据进行高分辨率快速成像，有效的消除了距离模糊现象，降低对雷达系统采样率和储存深度的要求。1.步骤2中频点选取均匀随机分布，不存在限制条件，实际数据的采样获取简单可靠。2.本方法不存在迭代过程，而是通过步骤3的方式直接找到距离最优估计值R′max。附图说明图1为本专利技术的坐标系XYZ示意图；图2为本专利技术的成像目标的光学图像；图3为本专利技术的200频点数据处理结果示意图；图4为本专利技术的目标IECAS200频点数据距离向恢复结果示意图；图5为本专利技术的目标剪刀200频点数据距离向恢复结果示意图；图6为本专利技术的目标四个三角形200频点数据距离向恢复结果示意图；图7为本专利技术的20频点数据处理结果示意图；图8为本专利技术的目标IECAS20频点数据距离向恢复结果示意图；图9为本专利技术的目标剪刀20频点数据距离向恢复结果示意图；图10为本专利技术的目标四个三角形20频点数据距离向恢复结果示意图。具体实施方式本专利技术的目的是提出一种用于稀疏频点的微波、毫米波、太赫兹三维全息成像中的重建方法，该方法通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于稀疏频点的微波、毫米波、太赫兹三维全息成像的重建方法，适用于微波、毫米波、太赫兹波的雷达发射信号，其特征在于，包括：S1：确定雷达发射信号进行采样的稀疏频点个数N，所述稀疏频点个数N满足：其中，B为设定中间量，且B＝ln M‑ln(1‑β)，M为待恢复的频点个数，即满频点的个数；β为最大可忍受的峰值旁瓣比r的置信系数；Bf为雷达发射信号的带宽，c为电磁波在自由空间的传播速度，ΔR为在雷达天线有效波束角的照射范围内的重建目标表面在距离向最大分布范围长度；S2：如果雷达发射信号属于线性调频连续波信号则先补偿掉该发射方式导致的剩余视频相位，消除剩余视频相位后得到和步进频连续波信号相同的回波信号后，再进行以下处理；如果雷达发射信号属于步进频连续波信号，则直接雷达发射信号进行以下处理：在带宽内选取均匀随机分布的N个频点f1，f2，…，fN，定义fsparse＝(f1，f2，…，fN)；采样得到N个稀疏频点的回波数据S1(x，y，ksparse)，建立坐标系XYZ；其中定义X、Y为扫描方向，Z为雷达照射方向，(x，y，0)为在坐标系XYZ中的天线相位中心位置，ksparse为fsparse对应的自由空间的波数；利用式(2)获得回波信号S1(x，y，ksparse)的转置其中，m＝1，2…N，σ(x′，y′，z′)为在坐标系XYZ中位于(x′，y′，z′)处目标的散射系数，aθ(·)为雷达波束角的窗函数，S3：对S2所得与设定的参考信号利用式(4)求相关：其中，为的共轭矩阵；将Corr(R′j)结果中的最大值max[Corr(R′j)]对应的距离R′j作为在雷达天线有效波束角的照射范围内的目标表面在距离向估计值，记为距离R′max；S4：对S2所得回波数据进行频谱搬移，利用式(5)结合S3获得的距离R′max将其频谱搬移至基带，得到式中о表示为矩阵的Hadamard积；S5：对S4所得结果利用式(6)对波数进行线性插值得到式中k＝(k′1，k′2，…，k′M)为满频点的各频率对应的自由空间的波数，其中k′i＝2π[fc‑Bf/2+(i‑1)Bf/(M‑1)]/c，i＝1，2，…，M，fc为雷达发射信号的中心频率，M为满频点的个数；interpX[Y(X)]为插值函数；S6：对S5所得结果进行频谱搬移，结合S3获得的距离R′max利用式 (7)将其频谱的中心频率搬移至其实际所处的频率，得到式中S7：利用相位偏移算法对S6所得结果进行图像处理，得到恢复图像。...

【技术特征摘要】
1.一种基于稀疏频点的微波、毫米波、太赫兹三维全息成像的重建方法，适用于微波、毫米波、太赫兹波的雷达发射信号，其特征在于，包括：S1：确定雷达发射信号进行采样的稀疏频点个数N，所述稀疏频点个数N满足：其中，B为设定中间量，且B＝lnM-ln(1-β)，M为待恢复的频点个数，即满频点的个数；β为最大可忍受的峰值旁瓣比r的置信系数；Bf为雷达发射信号的带宽，c为电磁波在自由空间的传播速度，ΔR为在雷达天线有效波束角的照射范围内的重建目标表面在距离向最大分布范围长度；S2：如果雷达发射信号属于线性调频连续波信号则先补偿掉该发射方式导致的剩余视频相位，消除剩余视频相位后得到和步进频连续波信号相同的回波信号后，再进行以下处理；如果雷达发射信号属于步进频连续波信号，则直接雷达发射信号进行以下处理：在带宽内选取均匀随机分布的N个频点f1,f2,…,fN，定义fsparse＝(f1,f2,…,fN)；采样得到N个稀疏频点的回波数据S1(x,y,ksparse)，建立坐标系XYZ；其中定义X、Y为扫描方向，Z为雷达照射方向，(x,y,0)为在坐标系XYZ中的天线相位中心位置，ksparse为fsparse对应的自由空间的波数；利用式(2)获得回波信号S1(x,y,ksparse)的转置

【专利技术属性】
技术研发人员：李超，刘玮，张群英，方广有，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11