一種近場(chǎng)平面掃描三維成像與相位誤差補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其是近場(chǎng)平面掃描三維成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波近場(chǎng)成像作為一種有效的非破壞性檢測(cè)和評(píng)估手段，在對(duì)飛機(jī)涂層、航天器 和組合材料的粘合等重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估、對(duì)隱匿物品進(jìn)行安全檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作 用。由于其具有較高的空間分辨率能力，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器和目標(biāo)之間的相對(duì)定位，并且系統(tǒng) 易于實(shí)現(xiàn)，因而具有廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 傳統(tǒng)近場(chǎng)平面掃描三維成像系統(tǒng)通過獲取大量的回波數(shù)據(jù)來得到高分辨率目標(biāo) 像，其基于傳統(tǒng)奈奎斯特采樣和匹配濾波技術(shù)，成像的主要步驟如下：
[0004] 1)首先利用二維傅里葉變換將接收回波數(shù)據(jù)變換到波數(shù)域；
[0005] 2)通過匹配濾波器將波數(shù)域數(shù)據(jù)進(jìn)行移相處理；
[0006] 3)采用Stolt插值將非均勻分布的波數(shù)域數(shù)據(jù)進(jìn)行插值變換，變換為能滿足傅里 葉變換的數(shù)據(jù)格式；
[0007] 4)經(jīng)過三維傅里葉變換處理得到目標(biāo)三維像；
[0008] 由于傳統(tǒng)成像中大規(guī)模的數(shù)據(jù)將導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)試效率低、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)占用空間大等問 題，給近場(chǎng)成像系統(tǒng)的工程應(yīng)用帶來巨大挑戰(zhàn)；基于傳統(tǒng)采樣定律的成像方法限制成像分 辨率的提高；由于運(yùn)動(dòng)誤差、測(cè)試系統(tǒng)的不穩(wěn)定等帶來的回波信號(hào)相位誤差破壞信號(hào)的相 干性，進(jìn)而導(dǎo)致成像結(jié)果出現(xiàn)散焦，嚴(yán)重時(shí)不能成像，影響目標(biāo)特征的提取和目標(biāo)識(shí)別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了克服現(xiàn)有成像技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于壓縮感知的近場(chǎng)平面掃描三 維成像與相位誤差補(bǔ)償方法，該方法能對(duì)回波存在沿掃描移動(dòng)方向的相位誤差進(jìn)行有效估 計(jì)補(bǔ)償，提高成像的分辨率，同時(shí)降低了系統(tǒng)采樣率，簡(jiǎn)化系統(tǒng)。
[0010] 一種近場(chǎng)平面掃描三維成像與相位誤差補(bǔ)償方法主要步驟如下：
[0011] 步驟1 :獲取稀疏三維成像的回波數(shù)據(jù)：在LxXLy的掃描平面上隨機(jī)選取部分掃描 點(diǎn)即N a點(diǎn)進(jìn)行回波數(shù)據(jù)錄取，其中Lx、Ly*別表示兩維孔徑的掃描點(diǎn)數(shù)，分別測(cè)量空暗室和 含有被測(cè)目標(biāo)的暗室，經(jīng)背景對(duì)消之后得到的稀疏觀測(cè)信號(hào)為s'，其維數(shù)為N aXNf，其中Na < LxX Ly，Nf表示頻率采樣點(diǎn)數(shù)，將s'按行拉成一維向量，表示為s，其維數(shù)為NX 1，其中N =NaNf;
[0012] 步驟2 :成像場(chǎng)景離散化：將成像區(qū)域進(jìn)行三維離散化，其X向、Y向和Z向?qū)?yīng)的 離散網(wǎng)格數(shù)分別為NX、NJP Nz，將場(chǎng)景中三維的反射系數(shù)矩陣按行或列串成一個(gè)一維向量， 表示為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種近場(chǎng)平面掃描=維成像與相位誤差補(bǔ)償方法，其特征在于包括下述步驟： 步驟1 ;獲取稀疏=維成像的回波數(shù)據(jù)；在L,XLy的掃描平面上隨機(jī)選取部分掃描點(diǎn) 即N。點(diǎn)進(jìn)行回波數(shù)據(jù)錄取，其中Ly、Ly分別表示兩維孔徑的掃描點(diǎn)數(shù)，分別測(cè)量空暗室和 含有被測(cè)目標(biāo)的暗室，經(jīng)背景對(duì)消之后得到的稀疏觀測(cè)信號(hào)為s'，其維數(shù)為NgXNf，其中N。 <L,xLy，Nf表示頻率采樣點(diǎn)數(shù)，將s'按行拉成一維向量，表示為S，其維數(shù)為NX1，其中N =職； 步驟2 ;成像場(chǎng)景離散化：將成像區(qū)域進(jìn)行S維離散化，其X向、Y向和Z向?qū)?yīng)的離散 網(wǎng)格數(shù)分別為Ny、Ny和N,，將場(chǎng)景中=維的反射系數(shù)矩陣按行或列串成一個(gè)一維向量，表示 為g= [g|，扣，…，&，??書其中g(shù)k表示第k個(gè)散射點(diǎn)的后向散射系數(shù)； 步驟3 ;構(gòu)建目標(biāo)字典：根據(jù)測(cè)試參數(shù)和目標(biāo)場(chǎng)景構(gòu)建目標(biāo)字典A，其維數(shù)為NXNyNyN,， 字典A的每一個(gè)元素為：
n= 1，2，，職;1 = 1，2，…，NxNyNz 其中，A。i表示字典A中的第11行、第i列的元素；/ = ^/11代表虛數(shù)的單位，1^。表示第 1110(1(]1/\)個(gè)空間變量，1]10(1(.)為求余，^'。，7'。，2。）為第油3((]1/\)+1)個(gè)的孔徑位 置坐標(biāo)，油S( ?)為取整，當(dāng)mod(n/N。）= 0時(shí)，（X'。,y'。,Z。）為第油S(n/N。）個(gè)的孔徑位 置坐標(biāo)，（Xi，y。Zi)為離散場(chǎng)景中的第i個(gè)散射點(diǎn)位置坐標(biāo)； 步驟4 ;構(gòu)造含有相位誤差的信號(hào)模型；受相位誤差影響的信號(hào)觀測(cè)模型表示為： S,' = 〇)Ag+ 身 其中S。表示帶有相位誤差的回波信號(hào)，〇表示相位誤差項(xiàng)，大小為NgNfXNgNf的對(duì)角 矩陣，
其中，4(1)(i= 1，2,…，N。）表示在i個(gè)孔徑位置處回波相位誤差，巧:表示回波信號(hào) 中的噪聲； 步驟5 ;成像求解，具體步驟為： 步驟5-1 ;建立求解模型；令步驟4中OA=A( 4)，建立如下的求解模型；
其中A為優(yōu)化函數(shù)的正則化參數(shù)，可通過采用廣義交叉驗(yàn)證（GCV)方法求得； 步驟5-2 ;場(chǎng)景散射系數(shù)估計(jì)；通過求解W下代價(jià)函數(shù)來獲取場(chǎng)景中散射系數(shù)的估計(jì) 值：
將字典中的誤差轉(zhuǎn)換成觀測(cè)模型的噪聲項(xiàng)，通過Separ油leSurrogate 化nctionals(SS巧優(yōu)化方法求解，其中，表示第（t+1)次迭代場(chǎng)景反射系數(shù)的 估計(jì)值;A( 4W)表示第t次迭代時(shí)含相位誤差的字典矩陣；4W第t次迭代估計(jì)的相位誤 差值，在初次迭代時(shí)候，值取零； 步驟5-3 ;相位誤差估計(jì)；由于每個(gè)采樣位置處的相位誤差均不相同，在回波信號(hào)的每 個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)均需進(jìn)行估計(jì)，即通過求解下式進(jìn)行相位估計(jì)：
S。（m)表示在采樣位置m處獲取的回波信號(hào)，i>(w)表示在（t+1)次迭代時(shí)，在采樣 位置m處的相位誤差估計(jì)值，Am(^^w(w從表示在位置m處，經(jīng)過第t次相位誤差估計(jì)后更 新的字典，4 表示在第（t+1)次迭代時(shí)第m位置處待估計(jì)的相位誤差，求解上式，可 得到誤差估計(jì)表達(dá)式：
其中，Im{ ? }表示復(fù)數(shù)的虛部，Re{ ? }表示復(fù)數(shù)的實(shí)部，H表示矩陣的共輛轉(zhuǎn)置； 步驟5-4 ;更新觀測(cè)模型：利用獲取的每個(gè)采樣處的相位誤差估計(jì)值更新成像觀測(cè)模 型矩陣為：
步驟5-5 ;重復(fù)步驟5-2至步驟5-4,直到滿足
時(shí)迭代停止， e取值是成像效果與迭代效率的折中選取，可在l(T6-l(r3范圍內(nèi)設(shè)置，迭代停止后將得到 聚焦的高分辨目標(biāo)像。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種近場(chǎng)平面掃描三維成像與相位誤差補(bǔ)償方法，獲取稀疏三維成像的回波數(shù)據(jù)，將成像場(chǎng)景離散化，構(gòu)建目標(biāo)字典，構(gòu)造含有相位誤差的信號(hào)模型之后成像求解，得到聚焦的高分辨目標(biāo)像。該方法利用壓縮感知成像理論打破了傳統(tǒng)奈奎斯特采樣限制，解決了平面掃描成像大規(guī)模數(shù)據(jù)帶來的問題，同時(shí)提高了成像分辨率，有效解決了相位誤差對(duì)成像帶來的干擾，在獲得聚焦效果良好的三維目標(biāo)像的同時(shí)提高測(cè)試效率，通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該算法能有效對(duì)存在相位誤差的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行精確成像。
【IPC分類】G01S7-41
【公開號(hào)】CN104793195
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510196765
【發(fā)明人】方陽, 孫超, 王保平, 譚歆
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月23日