基于矢量面元模型的微波成像方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于矢量面元模型的微波成像方法。在該微波成像方法中，假設目標外形是由很多矢量面元組成，將每個矢量面元用六個參量表達-面元的中心位置以及面元外法線矢量，結(jié)合散射測量值，基于物理光學等理論建立非線性方程組，再通過某些非線性方程數(shù)值解法反演出面元參量進而得到目標外形。本發(fā)明可直接獲得目標外形，實用性強，測試過程簡便、成像思路簡潔明了、成像過程簡單可行、識別能力強，有良好的應用前景。
【專利說明】基于矢量面元模型的微波成像方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波成像【技術(shù)領域】，尤其涉及一種基于矢量面元模型的微波成像方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 微波成像技術(shù)在軍用和民用領域有著廣泛的應用，如醫(yī)療診斷，地形測繪，目標探 測等。微波成像是典型的逆散射問題，逆散射問題由于其不適定性而成為電磁散射領域的 研究難點。在傳統(tǒng)的雷達成像領域中，最早采用的是理想點散射中心模型，隨著雷達分辨率 的提高以及電磁散射機理的深入研究，后來又逐步提出屬性散射中心模型，在模型中引入 散射中心對頻率以及方位角的近似依賴關系?；谀繕耸怯蓭追N簡單的結(jié)合體組成這一思 路，屬性散射中心特征提取后進而推斷出目標的幾何細節(jié)信息，顯然這一過程是較為粗糙 的，識別能力受到較大的限制。
[0003] 近年來，微波成像技術(shù)也在生物醫(yī)學領域取得較大的進展，成為一種很有應用前 景的醫(yī)學成像技術(shù)。微波成像是一種非電離成像，能夠得到被探測組織或者目標的復介電 常數(shù)的定量分布，是對目前醫(yī)學成像如X-ray射線成像等的一種補充。針對一些對象如：乳 腺癌，犬科類動物的心臟，豬腿等展開了相關的試驗性實驗。在計算散射場時，會使用一些 電磁計算方法如有限元、FDTD等，計算量較大，不適合遠場，因此將醫(yī)學領域中的相關成像 方法或者技術(shù)直接應用于雷達領域是不合適的，且實用性不強。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一）要解決的技術(shù)問題
[0005] 鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種具有較高識別能力，直接以目標的三維幾 何外形作為其成像結(jié)果的基于矢量面元模型的微波成像方法。
[0006] (二）技術(shù)方案
[0007] 本發(fā)明基于矢量面元模型的微波成像方法包括：步驟A :將發(fā)射天線和接收天線 放置于相對于被測金屬目標位置在預設頻點上的遠場散射區(qū)域，將發(fā)射天線與信號源連 接，將接收天線與矢量網(wǎng)絡分析儀連接，固定發(fā)射天線的位置；步驟B :在未放置被測金屬 目標的情況下，在所選定的頻率點上，信號源發(fā)射信號，接收天線在方位向進行掃描，由矢 量網(wǎng)絡分析儀獲得未放置被測金屬目標時若干個獨立散射測量點的散射信號的幅度和相 位；步驟C :在放置被測金屬目標的情況下，在所選定的頻率點上，信號源發(fā)射信號，接收天 線在方位向進行掃描，由矢量網(wǎng)絡分析儀獲得放置被測金屬目標時若干個獨立散射測量點 的散射信號的幅度和相位；步驟D :根據(jù)在若干個獨立散射測量點上放置被測金屬目標時 散射信號的幅度和相位以及未放置被測金屬目標時散射信號的幅度和相位計算背景對消 后被測金屬目標的真實散射信號的幅度和相位；步驟E :基于矢量面元模型，由被測金屬目 標的真實散射信號的幅度和相位，建立關于面元參量的非線性方程組；以及步驟F :由非線 性方程組通過非線性方程數(shù)值解法反演出面元參量進而重建被測金屬目標外形。
[0008] (三）有益效果
[0009] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明基于矢量面元模型的微波成像方法針對金屬目 標而提出的，可直接獲得目標外形，實用性強，測試過程簡便、成像思路簡潔明了、成像過程 簡單可行、識別能力強，有良好的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例基于矢量面元模型的微波成像方法的被測金屬目標布 置不意圖；
[0011] 圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例基于矢量面元模型的微波成像方法的流程圖。
[0012] 【主要元件】
[0013] 1-暗室； 2-泡沫支架；
[0014] 3-被測金屬目標或者定標體； 4-天線掃描軌跡；
[0015] 5-接收天線；6-發(fā)射天線；
[0016] 7-信號源； 8-矢量網(wǎng)絡分析儀。

【具體實施方式】
[0017] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部 分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領域】中普通技術(shù)人員 所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等 于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于相應的值。實施例中提到的 方向用語，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的 方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0018] 被測金屬目標的幾何結(jié)構(gòu)是被測金屬目標的一種重要信息，可以根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu) 對目標進行視覺上的識別。為了進一步提高雷達的識別能力，同時又要兼顧實用性，故針對 金屬目標，將其外形認為是由一系列矢量面元組成，基于此思想本發(fā)明提出了一種直接以 被測金屬目標的三維幾何外形作為其成像結(jié)果的微波成像方法。
[0019] 在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種基于矢量面元模型的微波成像方 法。圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例基于矢量面元模型的微波成像方法的被測金屬目標布置示意 圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例基于矢量面元模型的微波成像方法的流程圖。
[0020] 請參照圖1和圖2,本實施例基于矢量面元模型的微波成像方法包括：
[0021] 步驟A :將發(fā)射天線6和接收天線5放置于相對于被測金屬目標位置在預設頻點 上的遠場散射區(qū)域，將發(fā)射天線6與信號源7連接，將接收天線5與矢量網(wǎng)絡分析儀8連接， 固定發(fā)射天線6的位置，如圖1所示；
[0022] 本實施例中，將發(fā)射天線6、信號源7和目標等均布置于暗室場景中，但其只是一 種示例性的說明。在實際應用的場合，發(fā)射天線、信號源和目標均是放置在室外開放的場景 下的，其不影響本發(fā)明的實現(xiàn)。
[0023] 步驟B :在未放置被測金屬目標的情況下，在所選定的頻率點上，信號源7發(fā)射信 號，接收天線5在方位向進行二維平面掃描，由矢量網(wǎng)絡分析儀8獲得未放置被測金屬目標 時若干個獨立散射測量點的散射信號的幅度和相位；
[0024] 本步驟中，接收天線5在方位向進行2維測試的掃描軌跡可以是平面、柱面、球面 或者任意曲面，掃描間距可以是均勻的也可以是非均勻的，只要能保證掃描點上的散射場 相互獨立即可。
[0025] 其中，2維掃描測試的獨立散射測量點數(shù)在實際測試條件允許下應盡可能地大于 或者等于面元個數(shù)的6倍，且散射測量點的散射場值不為零。
[0026] 步驟C :在放置被測金屬目標的情況下，在所選定的頻率點上，信號源7發(fā)射信號， 接收天線5在方位向進行二維平面掃描，由矢量網(wǎng)絡分析儀8獲得放置被測金屬目標時所 述若干個獨立散射測量點的散射信號的幅度和相位；
[0027] 如圖1所述，本實施例中，將被測金屬目標擺放在暗室中的特制低散射塑料泡沫 支架2上，從而將被測金屬目標擺放在塑料泡沫支架上，以減小干擾因素的影響，但其僅是 一種示范性的說明。在實際應用中，該被測金屬目標可以沒有支撐物，而在其他介質(zhì)環(huán)境中 進行測試，例如，將被測金屬目標放置于草地上、水泥地面、馬路上。但需要注意的是，測試 環(huán)境中應避免金屬支撐面。
[0028] 同樣，在實際測試條件允許下應盡可能地大于或者等于面元個數(shù)的6倍，且散射 測量點的散射場值不為零。
[0029] 步驟D :根據(jù)在所述若干個獨立散射測量點上放置被測金屬目標時散射信號的幅 度和相位以及未放置被測金屬目標時散射信號的幅度和相位計算背景對消后被測金屬目 標的真實散射信號的幅度和相位；
[0030] 其中，背景對消是雷達【技術(shù)領域】中常用的技術(shù)手段，其目的是消除背景對測試結(jié) 果的影響，本領域技術(shù)人員應當清楚該背景對消的實現(xiàn)方法，此處不再詳細說明。
[0031] 步驟E :基于矢量面元模型，由被測金屬目標的真實散射信號的幅度和相位，建立 關于面元參量（即目標外形）的非線性方程組；
[0032] 矢量面元模型可以認為是屬性散射中心模型的進一步發(fā)展，將目標的基本組成單 元簡化為更具一般性的矢量面元，而不再局限于幾種簡單的散射體，模型的實用性和靈活 性得到提1?，從而為目標的1?精度細微識別提供一種薪新的思路。
[0033] 矢量面元模型認為每個矢量面元由六個參量組成，其中的三個參量表示面元的外 法線矢量，其模值為1，其余的三個參量表示面元的中心位置。面元可采用正四邊形，各面元 的大小相同，具體邊長可根據(jù)相應情況而定。
[0034] 任意矢量面元可由基本面元經(jīng)兩次旋轉(zhuǎn)，一次平移得到，基本面元是其外法線矢 量與正z軸方向重合，中心位于坐標原點，一條邊平行于X軸。其中，坐標系xyz是以成像 區(qū)域的中心位置為原點而建立的直角坐標系。
[0035] 非線性方程的右邊是散射場測量值，左邊是基于物理光學方法而計算得到的散射 場（面元未知參量），在計算散射場時需考慮面元散射、棱邊散射、多次反射以及遮擋現(xiàn)象 等。
[0036] 本實施例中，基于矢量面元模型，建立關于面元參量的非線性方程組的具體步驟 如下：
[0037] 子步驟E1 :對于由N個矢量面元組成的被測金屬目標，建立每個面元的散射場；
[0038] 基于物理光學方法計算散射場時，以面元散射為主先不考慮棱邊以及多次散射 等。其中，每個矢量面元由六個參量決定，其中的三個參量表示面元的外法線矢量，其模值 為1，其余的三個參量表示面元的中心位置。其中，該矢量面元的六個參量分別為：面元中 心的坐標X、y、z和面元中心法線相對X、Y、Z三坐標軸的轉(zhuǎn)角θ、φ、 γ。[0039] 以第m個矢量面元為例，忽略由于矢量面元上的各點距遠場散射點的距離不同而 引起的相位差異，則該矢量面元的散射場的具體計算公式近似如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于矢量面兀模型的微波成像方法，其特征在于，包括： 步驟A :將發(fā)射天線和接收天線放置于相對于被測金屬目標位置在預設頻點上的遠場 散射區(qū)域，將發(fā)射天線與信號源連接，將接收天線與矢量網(wǎng)絡分析儀連接，固定發(fā)射天線的 位置； 步驟B :在未放置被測金屬目標的情況下，在所選定的頻率點上，信號源發(fā)射信號，接 收天線在方位向進行掃描，由矢量網(wǎng)絡分析儀獲得未放置被測金屬目標時若干個獨立散射 測量點的散射信號的幅度和相位； 步驟C:在放置被測金屬目標的情況下，在所選定的頻率點上，信號源發(fā)射信號，接收 天線在方位向進行掃描，由矢量網(wǎng)絡分析儀獲得放置被測金屬目標時所述若干個獨立散射 測量點的散射信號的幅度和相位； 步驟D :根據(jù)在所述若干個獨立散射測量點上放置被測金屬目標時散射信號的幅度和 相位以及未放置被測金屬目標時散射信號的幅度和相位計算背景對消后被測金屬目標的 真實散射信號的幅度和相位； 步驟E :基于矢量面元模型，由被測金屬目標的真實散射信號的幅度和相位，建立關于 面元參量的非線性方程組；以及 步驟F :由非線性方程組通過非線性方程數(shù)值解法反演出面元參量進而重建被測金屬 目標外形。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟E包括： 子步驟E1 :對于由N個矢量面元組成的被測金屬目標，建立每個面元的散射場；以及 子步驟E2 :對于每一個獨立散射測量點，建立其總散射場的方程，從而建立被測金屬 目標的關于面元參量的非線性方程組； 其中，對于每一矢量面元而言，其由以下六個參量所決定：面元中心的坐標x、y、z和面 元中心法線相對X、Y、Z三坐標軸的轉(zhuǎn)角θ、φ、γ。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微波成像方法，其特征在于，所述獨立散射測量點的數(shù)目至 少為6Ν，其中，Ν為被測金屬目標的矢量面元的數(shù)目。
其中，Z的取值范圍是[1，6N]。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的微波成像方法，其特征在于，所述步驟F中，所 述非線性方程數(shù)值解法為Levenberg-Marquardt算法。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的微波成像方法，其特征在于，所述步驟B和步驟 C中，接收天線在方位向掃描的掃描軌跡為平面、柱面或球面。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微波成像方法，其特征在于，所述接收天線在方位向掃描的 掃描間距是均勻的或非均勻的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的微波成像方法，其特征在于，所述步驟C中被 測金屬目標放置在非金屬材料的支撐物上。
【文檔編號】G01S13/89GK104062656SQ201410315893
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】呂曉德, 邢曙光, 丁赤飚 申請人:中國科學院電子學研究所