多频连续波系统的聚焦成像校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及多频连续波系统的校准方法，特别是一种对多频连续波成像系统的校 准方法。
【背景技术】
[0002] 多频连续波系统相干接收输出的相位和幅度包含了混频之前的电路、传输电缆、 天线、传播介质、目标散射等多方面的影响，该些影响会带来系统偏差，导致接收信号不同 频率间幅度和相位的不一致。对于成像系统，相位的偏差会使得成像效果急剧下降，严重的 甚至完全不能聚焦成像。幅度偏差的影响虽然不严重，但是也一定程度上存在，主要是体现 在距离向的拖尾与振荡。
[0003] 为消除该些影响，通常需要进行校准。已有的校准方法主要有两类：一是利用 系统配备的校准件进行直接校准，W消除系统内部电路模块、传输电缆等的影响，但是 该类方法一般无法对天线进行校准。二是利用特定目标的校准测量，进行校准处理，比 较典型的是S参数校准方法，通常校准目标采用大金属板或金属网。该类方法能够消 除天线影响，但是校准过程复杂，不适合于每次使用都进行校准。如文献V. A. Mi化nev and P. Vainikainen, "Single-Reference Near-Field Calibration Procedure for Step-Frequency Ground Penetrating Radar, " IEEE Trans, on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 41, No. l,pp. 75-80, Jan. 2003.和文献 I. Nicolaes州，P.Genderen, and K.Palmer, "Calibration Procedures of a Stepped Frequency Continuous Wave Radar for Landmines Detection, "Proceeding of the International Radar Conference, pp. 412-417, Sept. 2003采用单个参考目标的双端口网络S参数计算反射系 数，完成步进频率雷达系统的校准，该方法侧重于对天线校准，考虑了天线间禪合、多次反 射、天线传输衰减等影响因素，但是不能对系统其它部分进行校准，如发射机、接收机、其它 内部电路。发明专利"步进频率雷达系统的校准方法与校准处理器"狂L200910042584.8) 提供了一种步进频率雷达系统的校准方法和校准处理器，能够实现对步进频率雷达系统的 整体系统校准，包括天线、发射机、接收机、数据传输和采样电路等。测量过程不需其它的辅 助测量设备，仅利用步进频率雷达系统即可完成精确校准，但是仍需要专口的金属板校准 测量。
[0004] 通用的实验仪器校准多是利用校准附件进行校准，如矢量网络分析仪，但是有些 情况很难进行该样的硬件附件校准。专用型设备一般是全封装的，很难进行该样的校准，一 般依赖于生产厂家出产前的系统校准。在实际使用中，有很多意想不到的因素会导致原来 的校准失效，包括更换系统部件（如电缆、天线、接收模块），系统部件参数、状态的变化等。 使用前一般要进行系统校准，尤其是更换部件和长时间未校准的情况下，但是操作人员有 时可能会忘记校准，即使进行了校准，由于操作不当也可能导致校准错误或不准确。对于全 封装的专用设备，该种情况更为突出。往往系统内部即使有变化，原来的校准失效了，用户 也未必知道。因此，在该些情况下，不依赖于校准硬件附件、不需要专口校准测量的校准方 法就显得尤为重要和必要。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术的不足，提供多频连续波系统的聚焦成像校准方法。该是一 种全新的校准方法，利用二维扫描数据进行单频聚焦成像，来实现多频间的相位和幅度校 准。该方法是数据驱动的校准方法，可W直接利用扫描数据进行校准处理，无需校准硬件附 件，也不需要进行校准测量。不仅能够实现系统每次使用的校准，而且可W先使用再校准处 理。对于未校准、校准有误、校准失效的系统，也都可W直接使用，再利用扫描数据进行校准 处理。
[0006] 一种多频连续波系统的聚焦成像校准方法，其特征在于包括单频聚焦成像、大信 噪比数据抽取、平均相位偏差和平均幅度计算、多频数据的相位和幅度校准四个步骤，对完 成校准后的数据再进行多频成像处理，可W获得无误差的良好聚焦图像。四个校准步骤具 体如下：
[0007] 第一步，单频聚焦成像
[000引从多频连续波系统的扫描数据中，抽取出各频率的数据，对每个频率的数据单独 进行聚焦成像处理。可W用下式表示：
[0009] Y 化）=iHR 化）} (1)
[0010] 式中R成）表示频率的单频数据矩阵（f 1= f 1，f2,…，fi)，来自X轴和y轴平面 二维扫描的多频数据矩阵R' hy。！]){?}表示聚焦成像处理的运算符，其中成像设及到目 标距离d和传播介质介电常数e，在参数已知情况下，可W直接输入参数值获得最佳聚焦 成像结果；若参数未知，尤其在穿透探测中介质介电常数e通常是大于1的未知参数，可W 采用自聚焦方法，获得最佳聚焦度的成像结果。矩阵Y(fi)为聚焦成像后的图像数据矩阵。
[0011] 自聚焦成像一般采用图像幅值或者能量计算聚焦度评估因子，系统中即使存在相 位偏差，也只体现在图像的相位因子里，不会影响到聚焦效果。此外，系统幅度偏差主要对 =维成像的距离向有影响，单频成像无距离分辨率，故幅度偏差也不会对自聚焦产生影响。 由此可见，自聚焦成像过程不会受到系统相位和幅度偏差的影响，能够使得成像结果达到 最佳聚焦状态。
[0012] 在最佳聚焦状态下，电磁波在扫描介质（如空气、墙体、±壤、道路等）中传播延迟 相位0,，被时逆为0,成像结果Y (fi)的相位主要由系统相位偏差&寻日目标散射相位巧组 成。目标散射相位巧.在不同频率下的差别较小，可化忽略。系统相位偏差巧>是由系统内部 电路、传输电缆、天线等引起，该是校准的主要对象。由此可知，从最佳聚焦成像结果的相位 中，可W计算出系统不同频率间的相位偏差。
[0013] 成像结果Y(fi)的幅度是受系统福射强度偏差（包含内部电路、传输电缆、天线的 影响）、介质传播衰减、目标散射强度等影响，该=者都可能随频率而变化，因此，从最佳聚 焦成像结果的幅度中，并不能单独计算出系统幅度偏差。如果将成像结果幅度作为整体因 子进行校准，则不仅可实现不同频率间的系统幅度偏差校准，而且可W对色散介质的传播 衰减及目标散射强度随频率而变化的情况进行补偿。从而达到更好的成像效果，尤其是有 助于提高距离向分辨率。由此可见，利用最佳聚焦成像结果的幅度，能够完成幅度偏差的校 准。
[0014] 第二步，大信噪比数据抽取
[0015] 为了从单频聚焦成像结果Y(fi)中计算相位偏差，必须克服低信噪比条件下相位 容易受到噪声影响，出现较大随机相位噪声的情况，因此，计算相位偏差前，需要从成像结 果中筛选出信噪比较大的像素点。在聚焦图像中信噪比大的主要是目标的成像像素，背景 像素的强度相对较弱，相位杂乱。可W采用如下图像分割方法抽取出大信噪比的目标像 素：
[0016] Dk(fi) = Ymn(fi)，if|Y血（fi)| > A (2)
[0017] 式中入为幅度判断口限，由所允许的最低信噪比决定；制为单频最佳聚焦 成像结果的图像像素，m为X轴的像素序号（m = 1，2,…，M)，n为y轴的像素序号（n = 1，2,…，脚对于超过口限的像素，抽取出后构成数组Dk(fi)化=1，2,…，K)。
[0018] 第=步，平均相位偏差和平均幅度计算
[0019] 由抽取的数组Dk(fi)，通过期望值计算，得到平均相位偏差和平均幅度：
[0020]
【主权项】
1. 一种多频连续波系统的聚焦成像校准方法，其特征在于包括单频聚焦成像、大信噪 比数据抽取、平均相位偏差和平均幅度计算、多频数据的相位和幅度校准四个步骤， 第一步，单频聚焦成像 从多频连续波系统的二维扫描数据中，抽取出各频率的数据，对每个频率的数据单独 进行聚焦成像处理，用下式表示： Y(fi) =it{R(fi)} (1) 式中R(fi)为频率fi的单频数据矩阵（fi=fuf2,…，A)，来自x轴和y轴平面二维扫 描的多频数据矩阵R'fxy;步{?}表示聚焦成像处理的运算符，在目标距离d和传播介质介 电常数e两参数已知情况下，直接输入参数值获得最佳聚焦成像结果；若参数未知，采用 自聚焦方法，获得最佳聚焦度的成像结果；矩阵Y(fi)为聚焦成像后的图像数据矩阵； 第二步，大信噪比数据抽取 从单频聚焦成像结果Y(fi)中抽取出大信噪比像素，构成数组Dk(fi): Dk(fi) =Ymn(fi),if|Ymn(fi) | ^A(k= 1,2,-,K) (2) 式中A为幅度判断门限，由所允许的最低信噪比决定；m为x轴的像素序号（m= 1，2,…，M)，n为y轴的像素序号（n= 1，2,…，N)，m为x轴的像素序号； 第三步，平均相位偏差和平均幅度计算 由抽取的数组Dk(fi)，通过期望值计算，得到平均相位偏差和平均幅度：
式中ang{ ? }为相位计算函数； 第四步，多频数据的相位和幅度校准 利用第三步计算出的平均相位偏差」歹('）和平均幅度厅(/.)构成校准补偿因子：
再利用校准补偿因子对多频扫描数据R'fxy进行相位和幅度校准： R;/fi?= fi? ?r(fi) (6) 公式（6)是对三维数据矩阵R'fxy的每个单元数据做校准补偿，校准后的数据R"fxy 能使得目标成像结果的相位均值为零，幅度均值为1，以去除各频率的相位偏差，补偿幅度 的不一致性；完成校准后，利用校准后的数据R"fxy进行多频成像处理，能够获得无相位偏 差和无幅度偏差的成像结果。
【专利摘要】本发明提供了一种多频连续波系统聚焦成像校准方法，从多频连续波系统的二维扫描数据中，抽取出各频率数据，先进行单频聚焦成像，获得最佳聚焦图像。在此图像上抽取大信噪比像素数据，计算出平均相位偏差和平均幅度。再利用计算结果构成校准补偿因子，对多频数据进行相位和幅度校准。校准后的数据进行多频成像处理，能够获得良好的聚焦成像效果，目标轮廓更清晰，背景杂波更少，信噪比有效提高。由于所利用的数据多，信息丰富，校准精度高。发明是数据驱动的校准方法，无需校准硬件附件，也不需要进行复杂的校准测量。
【IPC分类】G01S7-40
【公开号】CN104569936
【申请号】CN201510037428
【发明人】黄春琳, 陆珉, 粟毅, 李禹 , 唐涛
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月26日