一種用于寬帶電磁分布探測(cè)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種用于寬帶電磁分布探測(cè)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)于1～6GHz的輻射源對(duì)應(yīng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的估計(jì)。本發(fā)明根據(jù)未知輻射源的降質(zhì)圖像，確定輻射源的大致位置，在仿真軟件中建立仿真模型，放置不同頻率的輻射源獲取電磁分布圖像；對(duì)各電磁分布圖像使用盲反卷積方法進(jìn)行點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)，畫(huà)出頻率?寬度曲線圖；計(jì)算降質(zhì)圖像經(jīng)過(guò)盲反卷積方法估計(jì)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的3db波瓣寬度，在頻率?寬度曲線上找到對(duì)應(yīng)的頻率，通過(guò)仿真獲取對(duì)應(yīng)頻率的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，再通過(guò)L_R迭代方法對(duì)降質(zhì)圖像進(jìn)行圖像恢復(fù)。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)方法與電磁分布探測(cè)系統(tǒng)不兼容的情況，能對(duì)單頻率的輻射源的頻率進(jìn)行識(shí)別并有效提高了圖像的分辨率。
【專利說(shuō)明】
一種用于寬帶電磁分布探測(cè)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及針對(duì)寬帶電磁分布探測(cè)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)方法，具體涉及寬帶電磁探測(cè)領(lǐng)域，以及圖像處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前對(duì)電磁分布的探測(cè)手段主要采用天線和接收機(jī)的形式進(jìn)行逐點(diǎn)手動(dòng)檢測(cè)，這樣的方式存在很多缺點(diǎn)，如檢測(cè)速度慢，而且天線會(huì)對(duì)原有的場(chǎng)分布進(jìn)行干擾。利用拋物反射面對(duì)電磁分布進(jìn)行探測(cè)可以實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)干擾。受天線尺寸的影響，寬帶電磁分布探測(cè)系統(tǒng)的衍射受限嚴(yán)重，如何提高其分辨率使得電磁分布能夠清晰分辨成了新的難點(diǎn)。
[0003]由于寬帶電磁分布探測(cè)系統(tǒng)衍射受限導(dǎo)致成像模糊，需要使用超分辨手段以提高分辨率。目前適用于電磁分布探測(cè)系統(tǒng)的超分辨方法是基于空域的單幀超分辨方法，它可以大致分為兩類:一類是需要已知點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的非盲方法，這種方法又可以細(xì)分為凸集投影法、正則化法等;另一類是不依賴于點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的盲恢復(fù)方法，它可以對(duì)圖像和系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)同時(shí)進(jìn)行估計(jì)，但是這種方法的分辨率不如非盲方法。點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)是頻率和空間位置的函數(shù)，而輻射源的頻率通常無(wú)法知道。所以如何獲得較為準(zhǔn)確的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)成為了圖像恢復(fù)的關(guān)鍵。目前點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)的方法基本都是對(duì)高斯型的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，而電磁分布探測(cè)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)不滿足高斯型。這使得傳統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)方法在寬帶電磁分布探測(cè)系統(tǒng)中無(wú)法應(yīng)用。
[0004]分辨效果滿足系統(tǒng)需求的超分辨算法需要已知點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)方法無(wú)法直接應(yīng)用在電磁分布探測(cè)系統(tǒng)中的問(wèn)題，基于盲恢復(fù)方法估計(jì)出的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)與輻射源頻率之間有著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而對(duì)輻射源的頻率進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而進(jìn)一步估計(jì)出用于寬帶電磁分布探測(cè)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的方法。
[0006]本發(fā)明的用于寬帶電磁分布探測(cè)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于I?6GHz的輻射源對(duì)應(yīng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的估計(jì)，克服了傳統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)方法與電磁分布探測(cè)系統(tǒng)不兼容的情況。具體地，通過(guò)下面步驟I?步驟3實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法。
[0007]步驟I，獲得未知輻射源的降質(zhì)圖像，確定輻射源的大致位置;在仿真軟件中建立仿真模型，在對(duì)應(yīng)的輻射源位置上分別放置不同頻率的輻射源，獲取電磁分布圖像；
[0008]步驟2，對(duì)各電磁分布圖像使用盲反卷積方法進(jìn)行點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)，分別計(jì)算各點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的3db波瓣寬度，畫(huà)出對(duì)應(yīng)的頻率-寬度曲線圖；
[0009]步驟3，計(jì)算出未知輻射源的降質(zhì)圖像經(jīng)過(guò)盲反卷積方法估計(jì)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的3db波瓣寬度，在步驟2得到的頻率-寬度曲線上找到對(duì)應(yīng)的頻率，通過(guò)仿真獲取對(duì)應(yīng)頻率的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，再通過(guò)L_R迭代方法對(duì)降質(zhì)圖像進(jìn)行圖像恢復(fù)。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果在于:
[0011]傳統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)方法只針對(duì)于高斯型的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，而對(duì)于寬帶電磁分布探測(cè)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)不滿足高斯型。盲反卷積超分辨方法雖然不依賴于點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，但是其對(duì)分辨率提升的效果遠(yuǎn)不如L_R迭代方法這類需要已知點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的超分辨方法。由于點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)是頻率的函數(shù)，本方法利用不同頻率的輻射源經(jīng)過(guò)盲反卷積估計(jì)出的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的寬度不同的特性，對(duì)輻射源的頻率進(jìn)行估計(jì)，從而估計(jì)出點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)。解決了寬帶電磁分布探測(cè)系統(tǒng)所成圖像模糊的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明方法能夠?qū)晤l率的輻射源的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)進(jìn)行估計(jì)并有效地提高了圖像的分辨率。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明的用于寬帶電磁分布探測(cè)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)方法的整體流程圖；
[0013]圖2是不同頻率輻射源經(jīng)過(guò)盲反卷積超分辨方法估計(jì)出的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖；
[0014]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中寬帶電磁分布探測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)的電磁分布探測(cè)圖；
[0015]圖4是采用盲反卷積方法對(duì)圖3恢復(fù)后結(jié)果和其估計(jì)出的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖；
[0016]圖5是本發(fā)明實(shí)施例得到的輻射源頻率與盲反卷積方法估計(jì)出的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)寬度對(duì)應(yīng)圖；
[0017]圖6是采用仿真點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)通過(guò)L_R迭代方法處理后的圖像；
[0018]圖7是采用本方法估計(jì)出的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)通過(guò)L_R迭代方法處理后的圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]本發(fā)明提出了對(duì)寬帶電磁分布探測(cè)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)的方法。本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)于I?6GHz的輻射源對(duì)應(yīng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)進(jìn)行估計(jì)。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明用于寬帶電磁分布探測(cè)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)方法，包括步驟I?步驟3。
[0022]步驟I，獲得未知輻射源的降質(zhì)圖像，利用光學(xué)成像的公式確定輻射源的大致位置;在仿真軟件中建立仿真模型，在確定的位置上分別放置不同頻率的輻射源，并獲取對(duì)應(yīng)頻率下的電磁分布圖像。
[0023]本發(fā)明實(shí)施例中獲取不同頻率的電磁分布圖像是在仿真軟件feko中，在仿真時(shí)要注意在估計(jì)位置放置的輻射源的極化方向應(yīng)該與實(shí)際場(chǎng)景中輻射源的極化方向一致。
[0024]由于點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)是頻率和空間位置的函數(shù)，在獲得一定區(qū)域的電磁分布探測(cè)之后，首先利用光學(xué)成像的公式大致確定輻射源的位置。在仿真的時(shí)候在該位置分別放置不同頻率的輻射源，得到對(duì)應(yīng)頻率下的電磁分布圖像。
[0025]步驟2，對(duì)不同頻率下的電磁分布圖像分別使用盲反卷積方法進(jìn)行點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)，分別計(jì)算不同點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的3db波瓣寬度，畫(huà)出對(duì)應(yīng)的頻率-寬度曲線圖。
[0026]盲反卷積超分辨方法在下面參考文獻(xiàn)中均有記載:
[0027][ I ]楊明極，何美華.盲圖像恢復(fù)算法研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,13(1):1-3
[0028][2]劉琚，何振亞.盲源分離和盲反卷積[J].電子學(xué)報(bào)，2002，第4期(4): 570-576.
[0029]在MATLAB軟件中，有可以直接應(yīng)用的盲反卷積函數(shù)deconvblind，表示如下:
[0030][J，PSF]=deconvblind(I,INITPSF,NUMIT)
[0031]其中，J表示恢復(fù)圖像，PSF代表估計(jì)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，I代表降質(zhì)圖像，INITPSF代表初始迭代的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，NUMIT表示迭代次數(shù)。
[0032]需要注意，在使用盲反卷積超分辨方法時(shí)需要合理地設(shè)置迭代次數(shù)，這樣在估計(jì)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)時(shí)可以保證估計(jì)的穩(wěn)定性。
[0033]估計(jì)出的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)雖然與真實(shí)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)差別較大，但是不同頻率的輻射源所成的電磁分布圖像，經(jīng)過(guò)盲反卷積方法估計(jì)出的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的性質(zhì)不同，最大的不同是它們的寬度不一樣。頻率越高的輻射源經(jīng)過(guò)盲反卷積估計(jì)出的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的寬度越窄，如圖2所示，圖中三個(gè)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)對(duì)應(yīng)的輻射源的頻率從左到右原來(lái)越高。且估計(jì)出來(lái)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)與系統(tǒng)反射面的形狀、輻射源的位置、頻率和極化方向有關(guān)，而和輻射源的形式和個(gè)數(shù)無(wú)關(guān)。這樣，本發(fā)明建立起估計(jì)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的寬度與頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以在一定程度上識(shí)別輻射源的頻率，進(jìn)而確定準(zhǔn)確的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)。
[0034]步驟3，將未知輻射源的降質(zhì)圖像經(jīng)過(guò)盲反卷積方法進(jìn)行點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)，并確定點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的3db波瓣寬度，在步驟2得到的頻率-寬度曲線上找到對(duì)應(yīng)的頻率。再通過(guò)仿真得到該頻率的準(zhǔn)確點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，通過(guò)L_R迭代方法進(jìn)行圖像恢復(fù)即可得到分辨率較好的圖像。
[0035]L_R迭代方法在下面參考文獻(xiàn)中均有記載:
[0036][3]Lucy L B.An iterative technique for the rectificat1n of observeddistribut1ns[J].The astronomical journal,1974,79:745.
[0037][ 4 ] Ri chardson ff H.Bayes ian-based iterative method of imagerestorat1n!!J].J0SA, 1972,62(1):55-59.
[0038][5]Sundareshan M K，Bhattacharjee S.Superresolut1n of passivemillimeter-wave images using a combined maximum-1ikelihood optimizat1n andproject1n-onto-convex-sets approach[C]Aerospace/Defense Sensing,Simulat1n,and Controls.1nternat1nal Society for Optics and Photonics，2001:105-116.
[0039]在MATLAB中，有可以直接應(yīng)用的L_R迭代超分辨算法函數(shù)deconvlucy，表示如下:
[0040]J = deconvlucy(I ,PSF,NUMIT)
[0041]其中，J表示恢復(fù)圖像，I代表降質(zhì)圖像，PSF代表點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，NUMIT表示迭代次數(shù)。
[0042]下面用一個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)例來(lái)具體說(shuō)明本方法的實(shí)施方式。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用直徑1.5米，焦距1.1米的偏饋拋物反射面。在距離反射面水平距離5米處，在一定的高度放置一個(gè)喇叭天線。假設(shè)頻率喇叭天線的輻射頻率未知，經(jīng)過(guò)反射面之后在焦平面上接收的降質(zhì)電磁分布圖像如圖3所示。對(duì)降質(zhì)圖像使用盲反卷積方法進(jìn)行恢復(fù)，恢復(fù)后的圖像和估計(jì)出的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)如圖4所示。
[0043]通過(guò)仿真在確定輻射源的大致位置上建立輻射源頻率與估計(jì)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)寬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在焦平面上接收到的電磁分布圖像上確定最大值的位置，由此認(rèn)為是輻射源的中心位置。通過(guò)光學(xué)成像中的物象關(guān)系，計(jì)算出喇叭天線距離拋物面軸線的高度大約為75cm。在仿真軟件中在與喇叭天線高度相對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置不同頻率的輻射源，在焦平面接收降質(zhì)圖像，然后采用盲反卷積估計(jì)不同頻率下的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，并記錄下它們的寬度，得到的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)3db波瓣寬度與頻率對(duì)應(yīng)曲線如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的3db波瓣寬度。
[0044]在實(shí)驗(yàn)中，接收到的實(shí)際降質(zhì)圖像估計(jì)出的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)3db波瓣寬度約為5cm，對(duì)應(yīng)的輻射源頻率大致在3.2GHz ο而實(shí)際情況中使用的3GHz的喇叭天線作為輻射源。分別使用3GHz、3.2GHz的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，采用L_R迭代的方法對(duì)降質(zhì)圖像進(jìn)行恢復(fù)，得到的恢復(fù)圖像如圖6和圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)使用3.2GHz的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的恢復(fù)后圖像較為接近真實(shí)情況，恢復(fù)效果可以接受。通過(guò)圖3和圖7之間的對(duì)比，可以明顯地發(fā)現(xiàn)圖像的分辨率得到了有效的提高，這說(shuō)明通過(guò)本發(fā)明方法在估計(jì)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)和提高圖像分辨率上取得了較為滿意的結(jié)果ο
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于寬帶電磁分布探測(cè)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)I?6GHz的輻射源對(duì)應(yīng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的估計(jì)，其特征在于，實(shí)現(xiàn)步驟如下: 步驟I，獲得未知輻射源的降質(zhì)圖像，確定輻射源的大致位置;在仿真軟件中建立仿真模型，在對(duì)應(yīng)的輻射源位置上分別放置不同頻率的輻射源，獲取電磁分布圖像； 步驟2，對(duì)各電磁分布圖像使用盲反卷積方法進(jìn)行點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)估計(jì)，分別計(jì)算各點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的3db波瓣寬度，畫(huà)出對(duì)應(yīng)的頻率-寬度曲線圖； 步驟3，計(jì)算出未知輻射源的降質(zhì)圖像經(jīng)過(guò)盲反卷積方法估計(jì)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的3db波瓣寬度，在步驟2得到的頻率-寬度曲線上找到對(duì)應(yīng)的頻率，通過(guò)仿真獲取對(duì)應(yīng)頻率的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，再通過(guò)L_R迭代方法對(duì)降質(zhì)圖像進(jìn)行圖像恢復(fù)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105956240SQ201610260668
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日
【發(fā)明人】謝樹(shù)果, 董博宇, 郝旭春, 李雁雯, 朱誼龍
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)