一種基于稀疏頻點(diǎn)的三維全息成像的重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于稀疏頻點(diǎn)的三維全息成像的重 建方法，如微波、毫米波、太赫茲的三維全息成像。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，利用微波、毫米波、太赫茲波作為探測手段，獲取探測目標(biāo)的散射信息的 微波、毫米波、太赫茲三維全息成像技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。微波、毫米波、太赫茲三維 全息成像是在兩個(gè)正交方向形成掃描孔徑，并在距離向上發(fā)射寬帶信號來形成三維成像幾 何，通過處理回波數(shù)據(jù)得到目標(biāo)的三維復(fù)圖像。微波、毫米波、太赫茲波可以穿透很多非極 性材料，如皮革、塑料、泡沫等。通過對被檢測物體進(jìn)行高分辨率穿透成像，可以獲得更準(zhǔn)確 的目標(biāo)信息，大大降低誤警率。微波、毫米波、太赫茲波與X射線相比不會(huì)因?yàn)楣庵码婋x而 破壞被檢測的物質(zhì)，對人體來說是基本無害，具有較好的安全性。因此微波、毫米波、太赫茲 三維全息成像在公共區(qū)域的安全檢測、無損檢測、雷達(dá)目標(biāo)成像診斷等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用 前景。
[0003] 隨著人們對全息成像分辨率的要求越來越高，在對距離分布范圍比較廣的目標(biāo)進(jìn) 行高分辨率全息成像時(shí)，為了避免距離模糊現(xiàn)象，需增加頻域的采樣點(diǎn)數(shù)。頻域采樣點(diǎn)數(shù)的 增加會(huì)提高對雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣率要求，同時(shí)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)量變大，對雷達(dá)系統(tǒng)的儲(chǔ)存 深度也有了更高要求。這些指標(biāo)要求的提高會(huì)增加雷達(dá)系統(tǒng)硬件的成本，同時(shí)高頻點(diǎn)數(shù)的 數(shù)據(jù)采集也增加了掃描時(shí)間，這對實(shí)時(shí)成像領(lǐng)域的應(yīng)用是非常不利的。為了在不增加硬件 成本的情況下消除距離模糊，可以通過一定算法來進(jìn)行基于稀疏頻點(diǎn)數(shù)據(jù)的無距離模糊的 三維全息成像。一般來說，微波、毫米波、太赫茲波的穿透能力是有限的，其對于金屬目標(biāo)和 人體皮膚來說是無法穿透的，因此雷達(dá)目標(biāo)的后向散射在距離域表現(xiàn)出了稀疏特性。壓縮 感知理論表明，對于這種稀疏可壓縮的信號，可以通過構(gòu)建滿足一定條件的觀測矩陣，從較 少的觀測數(shù)據(jù)中恢復(fù)原信號。基于此理論，在雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，在頻域進(jìn)行對應(yīng)于構(gòu)造 的觀測矩陣的非均勻采樣，利用壓縮感知理論的稀疏信號恢復(fù)方法從采樣得到的稀疏頻點(diǎn) 數(shù)據(jù)恢復(fù)出滿頻點(diǎn)的回波數(shù)據(jù)，從而消除了距離模糊現(xiàn)象。在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)上 述現(xiàn)有技術(shù)存在如下技術(shù)缺陷：
[0004] 1.在利用壓縮感知理論進(jìn)行稀疏頻點(diǎn)數(shù)據(jù)恢復(fù)出滿頻點(diǎn)的回波數(shù)據(jù)的過程中，采 樣頻點(diǎn)的選擇需要滿足對應(yīng)于構(gòu)造的觀測矩陣的要求，如果獲得的采樣頻點(diǎn)不滿足觀測矩 陣的要求，會(huì)造成壓縮感知理論的方法失效，因此對實(shí)際數(shù)據(jù)的采樣獲取造成很大的不便。
[0005] 2.從采樣得到的稀疏頻點(diǎn)數(shù)據(jù)恢復(fù)出滿頻點(diǎn)的回波數(shù)據(jù)的壓縮感知稀疏信號恢 復(fù)方法，主要包括以正交匹配追蹤算法為代表的貪婪追蹤算法和以兩步迭代收縮為代表的 凸優(yōu)化算法。這些稀疏信號恢復(fù)方法是通過多次迭代求解來找到對原始信號的最優(yōu)逼近， 如果迭代運(yùn)算的次數(shù)過少，則會(huì)造成得到的信號結(jié)果偏離最優(yōu)值，如果迭代運(yùn)算的次數(shù)過 多，則會(huì)造成運(yùn)算量增加，處理時(shí)間過長，從而導(dǎo)致算法的運(yùn)算效率很低，不利于其在實(shí)時(shí) 成像中的應(yīng)用。
[0006] 并且迭代算法對噪聲的敏感度非常高，噪聲對信號的影響比較大，使得信號形式 發(fā)生改變，從而求得的結(jié)果往往是某個(gè)局部最優(yōu)解，而不是全局最優(yōu)解，最終導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果 不準(zhǔn)確，恢復(fù)圖像散焦。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于稀疏頻點(diǎn)的微波、毫米波、太赫茲三維全息 成像的重建方法，能快速精確恢復(fù)出滿頻點(diǎn)的回波數(shù)據(jù)，消除距離模糊現(xiàn)象，降低對雷達(dá)系 統(tǒng)采樣率和儲(chǔ)存深度的要求，處理過程簡單快速，適用于實(shí)時(shí)應(yīng)用成像中。
[0008] 本發(fā)明的基于稀疏頻點(diǎn)的微波、毫米波、太赫茲三維全息成像的重建方法，適用于 微波、毫米波、太赫茲波的雷達(dá)發(fā)射信號，其包括：
[0009] S1:確定雷達(dá)發(fā)射信號進(jìn)行采樣的稀疏頻點(diǎn)個(gè)數(shù)N，所述稀疏頻點(diǎn)個(gè)數(shù)N滿足：
[0011] 其中，B為設(shè)定中間量，且B = lnM-ln(l-@ )，M為待恢復(fù)的頻點(diǎn)個(gè)數(shù)，即滿頻點(diǎn)的 個(gè)數(shù)邛為最大可忍受的峰值旁瓣比1的置信系數(shù)；Bf為雷達(dá)發(fā)射信號的帶寬，c為電磁波 在自由空間的傳播速度，A R為在雷達(dá)天線有效波束角的照射范圍內(nèi)的重建目標(biāo)表面在距 離向最大分布范圍長度；
[0012] S2:如果雷達(dá)發(fā)射信號屬于線性調(diào)頻連續(xù)波信號則先補(bǔ)償?shù)粼摪l(fā)射方式導(dǎo)致的剩 余視頻相位，消除剩余視頻相位后得到和步進(jìn)頻連續(xù)波信號相同的回波信號后，再進(jìn)行以 下處理；如果雷達(dá)發(fā)射信號屬于步進(jìn)頻連續(xù)波信號，則直接雷達(dá)發(fā)射信號進(jìn)行以下處理：
[0013] 在帶寬內(nèi)選取均勻隨機(jī)分布的N個(gè)頻點(diǎn)f\，f2，…，fN，定義稀疏頻點(diǎn)矩陣fsparee= (fi, f2, fN)；
[0014]采樣得到N個(gè)稀疏頻點(diǎn)的回波數(shù)據(jù)Si (x，y，ksparee)，建立坐標(biāo)系XYZ;其中定義X、Y 為掃描方向，Z為雷達(dá)照射方向，（X，y，0)為在坐標(biāo)系XYZ中的天線相位中心位置，k spa^為 fsp_對應(yīng)的自由空間的波數(shù)；
[0015] 利用式⑵獲得回波信號Si(x，y，ksparee)的轉(zhuǎn)置

)
[0018] m = 1，2...N，〇 (x，，y，，z，）為在坐標(biāo)系XYZ 中位于（x，，y，，z，）處 目標(biāo)的散射系數(shù)，ae(〇為雷達(dá)波束角的窗函數(shù)，
，
[0019] S3:對S2所得
與設(shè)定的參考信號
I利用式⑷求相 關(guān)：
i
[0022] 將Corr?'」）結(jié)果中的最大值maxHCorr?'」)]對應(yīng)的距離R'」作為在雷達(dá)天 線有效波束角的照射范圍內(nèi)的目標(biāo)表面在距離向估計(jì)值，記為距離R'
[0023] S4 :對S2所得回波數(shù)據(jù)
進(jìn)行頻譜搬移，利用式（5)結(jié)合S3獲得的 距離R' _將其頻譜搬移至基帶，得到

[0025] 式中
，〇表示為矩 陣的Hadamard積；
[0026] S5:對S4所得結(jié)果
利用式（6)對波數(shù)進(jìn)行線性插值得到
[0028] 式中k = (k' pk' 2，…，k' M)為滿頻點(diǎn)的各頻率對應(yīng)的自由空間的波數(shù)，其中 k' [f「Bf/2+(i-l)BfAM-l)]/c，i = 1，2,…，M，f。為雷達(dá)發(fā)射信號的中心頻率，M 為滿頻點(diǎn)的個(gè)數(shù)；interpx[Y(X)]為插值函數(shù)；
[0029] S6 :對S5所得結(jié)果(x，.v，k)進(jìn)行頻譜搬移，結(jié)合S3獲得的距離R' _利用式（7) 將其頻譜的中心頻率搬移至其實(shí)際所處的頻率，得到;
[0032] S7 :利用相位偏移算法對S6所得結(jié)果（xo^k)進(jìn)行圖像處理，得到恢復(fù)圖像。
[0033] 有益效果：
[0034] 該方法通過對微波、毫米波、太赫茲雷達(dá)原始稀疏頻點(diǎn)及其個(gè)數(shù)的選擇，重建滿頻 點(diǎn)的回波數(shù)據(jù)，滿頻點(diǎn)數(shù)據(jù)處理得到的微波、毫米波、太赫茲三維全息成像結(jié)果。在高運(yùn)算 效率的情況下，可以快速的處理稀疏頻點(diǎn)的微波、毫米波、太赫茲雷達(dá)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行高分辨 率快速成像，有效的消除了距離模糊現(xiàn)象，降低對雷達(dá)系統(tǒng)采樣率和儲(chǔ)存深度的要求。
[0035] 1.步驟2中頻點(diǎn)選取均勻隨機(jī)分布，不存在限制條件，實(shí)際數(shù)據(jù)的采樣獲取簡單 可靠。
[0036] 2.本方法不存在迭代過程，而是通過步驟3的方式直接找到距離最優(yōu)估計(jì)值 U! 認(rèn)max°
【附圖說明】
[0037]圖1為本發(fā)明的坐標(biāo)系XYZ示意圖；
[0038] 圖2為本發(fā)明的成像目標(biāo)的光學(xué)圖像；
[0039] 圖3為本發(fā)明的200頻點(diǎn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果示意圖；
[0040] 圖4為本發(fā)明的目標(biāo)IECAS 200頻點(diǎn)數(shù)據(jù)距離向恢復(fù)結(jié)果示意圖；
[0041] 圖5為本發(fā)明的目標(biāo)剪刀200頻點(diǎn)數(shù)據(jù)距離向恢復(fù)結(jié)果示意圖；
[0042] 圖6為本發(fā)明的目標(biāo)四個(gè)三角形200頻點(diǎn)數(shù)據(jù)距離向恢復(fù)結(jié)果示意圖；
[0043] 圖7為本發(fā)明的20頻點(diǎn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果示意圖；
[0044] 圖8為本發(fā)明的目標(biāo)IECAS 20頻點(diǎn)數(shù)據(jù)距離向恢復(fù)結(jié)果示意圖；
[0045] 圖9為本發(fā)明的目標(biāo)剪刀20頻點(diǎn)數(shù)據(jù)距離向恢復(fù)結(jié)果示意圖；
[0046] 圖10為本發(fā)明的目標(biāo)四個(gè)三角形20頻點(diǎn)數(shù)據(jù)距離向恢復(fù)結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 本發(fā)明的目的是提出一種用于稀疏頻點(diǎn)的微波、毫米波、太赫茲三維全息成像中 的重建方法，該方法通過對微波、毫米波、太赫茲雷達(dá)原始稀疏頻點(diǎn)及其個(gè)數(shù)的選擇，目標(biāo) 距離預(yù)估，稀疏頻點(diǎn)回波信號的頻譜搬移，稀疏頻點(diǎn)數(shù)據(jù)重建滿頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，滿頻點(diǎn)信號的頻 譜搬移得到滿頻點(diǎn)的回波數(shù)據(jù)。<