用于毫米波综合孔径辐射计的近场三维成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了毫米波近场成像技术领域的用于毫米波综合孔径辐射计的近场三维成像系统及方法，包括：获取目标场景的毫米波信号；基于毫米波信号构建可见度函数；基于可见度函数反演出不同距离参数下的二维场景图；基于二维场景图构建图像

【技术实现步骤摘要】
用于毫米波综合孔径辐射计的近场三维成像系统及方法


[0001]本专利技术涉及用于毫米波综合孔径辐射计的近场三维成像系统及方法，属于毫米波近场成像


技术介绍

[0002]毫米波综合孔径辐射计借助综合孔径技术，利用小口径阵元天线合成大口天线，可实现较高分辨率的成像探测；同时兼具红外与微波成像的特点，能够穿透衣物、塑料、木材等实现隐匿探测，在遥感监测、军事、导航、医疗和安检等领域有着极强的应用前景。
[0003]目前受系统阵列规模的限制，综合孔径辐射计测得的可见度点数较少；且受背景噪声和系统误差的干扰，使得综合孔径辐射计测得的毫米波图像存在较大误差；在近场应用中受球面波影响，传统的远场成像模型与实际近场成像过程存在较大的建模误差，使得传统成像方法难以实现准确的近场成像反演。为实现准确的近场综合孔径辐射计成像反演，众多近场综合孔径成像算法被相继提出。按其算法实现原理可分为两类：一是基于傅里叶变换的MFFT算法，通过对可见度函数进行近场相位校正，随后对矫正的可见度函数进行FFT运算，得出目标场景的亮温图像。此类算法运算简单，但无法消除成像模型的近场建模误差，反演图像存在较大重构误差和噪声干扰。另一类是基于近场G矩阵的正则化算法，通过对近场成像过程进行准确的数学建模，降低成像模型的建模误差；并依据成像过程和亮温图像的先验信息，借助正则化算法对目标图像进行数值反演，进而实现较为准确的图像重构。此类算法重构模型精度较高，重构结果较为准确，是目前常用的近场成像方法；但其对模型参数的准确性要求极高，对于同一场景存在多个距离相的目标，难以实现准确的重构反演，在实际应用中存在一定限制。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供用于毫米波综合孔径辐射计的近场三维成像系统及方法，能够提高复杂近距目标场景的成像反演图像精度。
[0005]为达到上述目的，本专利技术是采用下述技术方案实现的：
[0006]第一方面，本专利技术提供了用于毫米波综合孔径辐射计的近场三维成像方法，包括：
[0007]获取目标场景的毫米波信号；
[0008]基于毫米波信号构建可见度函数；
[0009]基于可见度函数反演出不同距离参数下的二维场景图；
[0010]基于二维场景图构建图像
‑
距离数据集；
[0011]对图像
‑
距离数据集进行分区校准，构建不同区域目标的距离函数；
[0012]基于距离函数构建成像模型，对目标场景进行分区域的自适应重构反演，得到毫米波图像。
[0013]进一步的，基于毫米波信号构建可见度函数，包括：
[0014]通过对阵元天线接收的毫米波信号进行累积后，由天线间的复相关运算得出可见
度函数，所述可见度函数样本点表示为：
[0015][0016]其中，V
c,l
表示可见度函数样本点，表示天线c到辐射源S
i
的距离，表示天线l到辐射源S
i
的距离，t表示传播时间，表示阵元天线c接收的电磁信号，表示阵元天线l接收的电磁信号的共轭，<
·
>表示时间积分,τ为积分时间，N表示离散后点辐射源的个数，(x
i
,y
i
)为辐射源S
i
坐标，T(x
i
,y
i
)为归一化亮温，F
c
(x
i
,y
i
)表示天线c的天线方向图，表示天线l的天线方向图的共轭，r
c,l
为消条纹函数，表示天线对(c,l)间的相位差。
[0017]4、进一步的，基于可见度函数反演出不同距离参数下的二维场景图，包括：
[0018]天线到辐射源的距离，表示为：
[0019][0020][0021]式中，表示天线c到辐射源S
i
的距离，表示天线l到辐射源S
i
的距离，(X
c
,Y
c
)和(X
l
,Y
l
)表示天线c和l的坐标，(x
i
,y
i
)表示辐射源S
i
的坐标，R表示辐射源平面到天线平面的距离；
[0022]将天线到辐射源的距离表达式带入到可见度函数，得到矩阵方程：
[0023]V
M
×1＝G
M
×
N
·
T
N
×1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0024][0025]式中，V
M
×1表示可见度矩阵的向量形式，G
M
×
N
表示传感矩阵的向量形式，T
N
×1表示待求的亮温图像的向量形式，G(m,n)表示传感矩阵的表达式形式，F
mc
(xi,yi)表示第m个可见度函数样本点所对应的c天线的天线方向图，表示第m个可见度函数样本点所对应的l天线的天线方向图的共轭，(X
ml
,Y
ml
)和(X
mc
,Y
mc
)表示第m个可见度函数样本点所对应的两个天线的坐标；
[0026]通过正则化方法对计算得到的传感矩阵进行迭代反演求解，得到不同距离参数下的二维场景图像，所述求解模型为：
[0027][0028][0029]式中，min
T
J(T)表示最优参数的最小代价函数，G
R
表示距离参数为R的传感矩阵G，T表示重构图像，V表示可见度函数，T(i,j)表示重构图像的当前像素，T(i,j+1)表示当前像素的下一列像素，T(i+1,j)表示当前像素的下一行像素；
[0030]通过快速投影梯度FGP迭代反演算法进行模型求解，得到不同距离参数下的二维
场景图像。
[0031]进一步的，基于二维场景图构建三维的图像
‑
距离数据集，包括：将二维目标场景图按其距离参数排列，构建三维的图像
‑
距离数据集。
[0032]进一步的，对三维的图像
‑
距离数据集进行分区校准，构建不同区域目标的距离函数，包括：
[0033]根据图像清晰度对三维数据集进行分区域的距离参数校正，对于第ki个分区，其区内图像清晰度f
ki
(R)为：
[0034]f
ki
(R)＝EOG[T(x,y,R).*B
ki
(x,y)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0035]式中，EOG为能量梯度函数，用于表征图像的自清晰度；B
ki
(x,y)为第ki个分区的位置标示矩阵，表达式为：
[0036][0037]式中，(x
ki...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于毫米波综合孔径辐射计的近场三维成像方法，其特征是，包括：获取目标场景的毫米波信号；基于毫米波信号构建可见度函数；基于可见度函数反演出不同距离参数下的二维场景图；基于二维场景图构建图像
‑
距离数据集；对图像
‑
距离数据集进行分区校准，构建不同区域目标的距离函数；基于距离函数构建成像模型，对目标场景进行分区域的自适应重构反演，得到毫米波图像。2.根据权利要求1所述的用于毫米波综合孔径辐射计的近场三维成像方法，其特征是，基于毫米波信号构建可见度函数，包括：通过对阵元天线接收的毫米波信号进行累积后，由天线间的复相关运算得出可见度函数，所述可见度函数样本点表示为：其中，V
c,l
表示可见度函数样本点，表示天线c到辐射源S
i
的距离，表示天线l到辐射源S
i
的距离，t表示传播时间，表示阵元天线c接收的电磁信号，表示阵元天线l接收的电磁信号的共轭，<
·
>表示时间积分,τ为积分时间，N表示离散后点辐射源的个数，(x
i
,y
i
)为辐射源S
i
坐标，T(x
i
,y
i
)为归一化亮温，F
c
(x
i
,y
i
)表示天线c的天线方向图，表示天线l的天线方向图的共轭，r
c,l
为消条纹函数，表示天线对(c,l)间的相位差。3.根据权利要求2所述的用于毫米波综合孔径辐射计的近场三维成像方法，其特征是，基于可见度函数反演出不同距离参数下的二维场景图，包括：天线到辐射源的距离，表示为：天线到辐射源的距离，表示为：式中，表示天线c到辐射源S
i
的距离，表示天线l到辐射源S
i
的距离，(X
c
,Y
c
)和(X
l
,Y
l
)表示天线c和l的坐标，(x
i
,y
i
)表示辐射源S
i
的坐标，R表示辐射源平面到天线平面的距离；将天线到辐射源的距离表达式带入到可见度函数，得到矩阵方程：V
M
×1＝G
M
×
N
·
T
N
×1ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，V
M
×1表示可见度矩阵的向量形式，G
M
×
N
表示传感矩阵的向量形式，T
N
×1表示待求的亮温图像的向量形式，G(m,n)表示传感矩阵的表达式形式，F
mc
(xi,yi)表示第m个可见度函
数样本点所对应的c天线的天线方向图，表示第m个可见度函数样本点所对应的l天线的天线方向图的共轭，(X
ml
,Y
ml
)和(X
mc
,Y
mc
)表示第m个可见度函数样本点所对应的两个天线的坐标；通过正则化方法对计算得到的传感矩阵进行迭代反演求解，得到不同距离参数下的二维场景图像，所述求解模型为：维场景图像，所述求解模型为：式中，min
T
J(T)表示最优参数的最小代价函数，G
R
表示距离参数为R的传感矩阵G，T表示重构图像，V表示可见度函数，T(i,j)表示重构图像的当前像素，T(i,j+1)表示当前像素的下一列像素，T(i+1,j)表示当前像素的下一行像素；通过快速投影梯度FGP迭代反演算法进行模型求解，得到不同距离参数下的二维...

【专利技术属性】
技术研发人员：范皓然，陈建飞，张胜，蔡志匡，
申请(专利权)人：南京邮电大学南通研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：