一种近场平面扫描三维成像与相位误差补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波成像技术领域，尤其是近场平面扫描三维成像方法。
【背景技术】
[0002] 微波近场成像作为一种有效的非破坏性检测和评估手段，在对飞机涂层、航天器 和组合材料的粘合等重要结构进行评估、对隐匿物品进行安全检测等领域发挥重要的作 用。由于其具有较高的空间分辨率能力，能够实现传感器和目标之间的相对定位，并且系统 易于实现，因而具有广泛的工程应用价值。
[0003] 传统近场平面扫描三维成像系统通过获取大量的回波数据来得到高分辨率目标 像，其基于传统奈奎斯特采样和匹配滤波技术，成像的主要步骤如下：
[0004] 1)首先利用二维傅里叶变换将接收回波数据变换到波数域；
[0005] 2)通过匹配滤波器将波数域数据进行移相处理；
[0006] 3)采用Stolt插值将非均匀分布的波数域数据进行插值变换，变换为能满足傅里 叶变换的数据格式；
[0007] 4)经过三维傅里叶变换处理得到目标三维像；
[0008] 由于传统成像中大规模的数据将导致系统测试效率低、数据存储占用空间大等问 题，给近场成像系统的工程应用带来巨大挑战；基于传统采样定律的成像方法限制成像分 辨率的提高；由于运动误差、测试系统的不稳定等带来的回波信号相位误差破坏信号的相 干性，进而导致成像结果出现散焦，严重时不能成像，影响目标特征的提取和目标识别。
【发明内容】
[0009] 为了克服现有成像技术的不足，本发明提出一种基于压缩感知的近场平面扫描三 维成像与相位误差补偿方法，该方法能对回波存在沿扫描移动方向的相位误差进行有效估 计补偿，提高成像的分辨率，同时降低了系统采样率，简化系统。
[0010] 一种近场平面扫描三维成像与相位误差补偿方法主要步骤如下：
[0011] 步骤1 :获取稀疏三维成像的回波数据：在LxXLy的扫描平面上随机选取部分扫描 点即N a点进行回波数据录取，其中Lx、Ly*别表示两维孔径的扫描点数，分别测量空暗室和 含有被测目标的暗室，经背景对消之后得到的稀疏观测信号为s'，其维数为N aXNf，其中Na < LxX Ly，Nf表示频率采样点数，将s'按行拉成一维向量，表示为s，其维数为NX 1，其中N =NaNf;
[0012] 步骤2 :成像场景离散化：将成像区域进行三维离散化，其X向、Y向和Z向对应的 离散网格数分别为NX、NJP Nz，将场景中三维的反射系数矩阵按行或列串成一个一维向量， 表示为
【主权项】
1. 一种近场平面扫描=维成像与相位误差补偿方法，其特征在于包括下述步骤： 步骤1 ;获取稀疏=维成像的回波数据；在L,XLy的扫描平面上随机选取部分扫描点 即N。点进行回波数据录取，其中Ly、Ly分别表示两维孔径的扫描点数，分别测量空暗室和 含有被测目标的暗室，经背景对消之后得到的稀疏观测信号为s'，其维数为NgXNf，其中N。 <L,xLy，Nf表示频率采样点数，将s'按行拉成一维向量，表示为S，其维数为NX1，其中N =職； 步骤2 ;成像场景离散化：将成像区域进行S维离散化，其X向、Y向和Z向对应的离散 网格数分别为Ny、Ny和N,，将场景中=维的反射系数矩阵按行或列串成一个一维向量，表示 为g= [g|，扣，…，&，??书其中gk表示第k个散射点的后向散射系数； 步骤3 ;构建目标字典：根据测试参数和目标场景构建目标字典A，其维数为NXNyNyN,， 字典A的每一个元素为：
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代表虚数的单位，1^。表示第 1110(1(]1/\)个空间变量，1]10(1(.)为求余，^'。，7'。，2。）为第油3((]1/\)+1)个的孔径位 置坐标，油S( ?)为取整，当mod(n/N。）= 0时，（X'。,y'。,Z。）为第油S(n/N。）个的孔径位 置坐标，（Xi，y。Zi)为离散场景中的第i个散射点位置坐标； 步骤4 ;构造含有相位误差的信号模型；受相位误差影响的信号观测模型表示为： S,' = 〇)Ag+ 身 其中S。表示带有相位误差的回波信号，〇表示相位误差项，大小为NgNfXNgNf的对角 矩阵，
其中，4(1)(i= 1，2,…，N。）表示在i个孔径位置处回波相位误差，巧:表示回波信号 中的噪声； 步骤5 ;成像求解，具体步骤为： 步骤5-1 ;建立求解模型；令步骤4中OA=A( 4)，建立如下的求解模型；
其中A为优化函数的正则化参数，可通过采用广义交叉验证（GCV)方法求得； 步骤5-2 ;场景散射系数估计；通过求解W下代价函数来获取场景中散射系数的估计 值：
将字典中的误差转换成观测模型的噪声项，通过Separ油leSurrogate 化nctionals(SS巧优化方法求解，其中，表示第（t+1)次迭代场景反射系数的 估计值;A( 4W)表示第t次迭代时含相位误差的字典矩阵；4W第t次迭代估计的相位误 差值，在初次迭代时候，值取零； 步骤5-3 ;相位误差估计；由于每个采样位置处的相位误差均不相同，在回波信号的每 个数据采样点均需进行估计，即通过求解下式进行相位估计：
S。（m)表示在采样位置m处获取的回波信号，i>(w)表示在（t+1)次迭代时，在采样 位置m处的相位误差估计值，Am(^^w(w从表示在位置m处，经过第t次相位误差估计后更 新的字典，4 表示在第（t+1)次迭代时第m位置处待估计的相位误差，求解上式，可 得到误差估计表达式：
其中，Im{ ? }表示复数的虚部，Re{ ? }表示复数的实部，H表示矩阵的共辆转置； 步骤5-4 ;更新观测模型：利用获取的每个采样处的相位误差估计值更新成像观测模 型矩阵为：
步骤5-5 ;重复步骤5-2至步骤5-4,直到满足
时迭代停止， e取值是成像效果与迭代效率的折中选取，可在l(T6-l(r3范围内设置，迭代停止后将得到 聚焦的高分辨目标像。
【专利摘要】本发明提供了一种近场平面扫描三维成像与相位误差补偿方法，获取稀疏三维成像的回波数据，将成像场景离散化，构建目标字典，构造含有相位误差的信号模型之后成像求解，得到聚焦的高分辨目标像。该方法利用压缩感知成像理论打破了传统奈奎斯特采样限制，解决了平面扫描成像大规模数据带来的问题，同时提高了成像分辨率，有效解决了相位误差对成像带来的干扰，在获得聚焦效果良好的三维目标像的同时提高测试效率，通过仿真结果发现，该算法能有效对存在相位误差的目标回波数据进行精确成像。
【IPC分类】G01S7-41
【公开号】CN104793195
【申请号】CN201510196765
【发明人】方阳, 孙超, 王保平, 谭歆
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月23日