基于波数域分解的综合孔径辐射计近场成像方法及系统

1.本发明属于毫米波辐射探测领域，更具体地，涉及一种基于波数域分解的综合孔径辐射计近场成像方法及系统。


背景技术：

2.根据普朗克黑体辐射定律，当温度高于绝对零度时，一切物质物体均以电磁波的形式向外辐射能量，毫米波辐射计就是测量物质在毫米波波段的电磁辐射能量的高灵敏度接收机。通过接收毫米波信号，实现对各观测对象的物理参数或信息的获取，这种技术通常被称为无源毫米波辐射探测技术。由于无源毫米波辐射穿透性强、自身隐蔽，具有全天时、准全天候工作的优点，因此被广泛应用于诸如射电天文、海洋监测、大气遥感、农业监测、人体安检、土壤和植被遥感等领域。
3.成像的核心问题是如何实现聚焦。目前，被动毫米波辐射探测成像主要有三种体制：实孔径机械扫描成像、焦平面凝视成像与综合孔径成像。综合孔径辐射计系统通过阵列天线两两相关获取可见度函数，实现对场景亮温的频率域采样，从而实现高分辨率、实时成像。在远场条件下，根据范西特-泽尼克定理，可见度函数与场景亮温之间存在傅里叶变换关系。通过对可见度函数进行傅里叶变换，便可实现聚焦成像。根据这一关系，综合孔径已广泛的应用于射电天文以及遥感探测成像。特别是2019年黑洞照片的公布，揭示了综合孔径这一成像体制无与伦比的优势。但是在近场条件下，范西特-泽尼克定理已经不再适用，由于成像距离、阵列口径以及视场范围的影响，可见度函数中存在距离向与方位向的耦合，使得系统无法对近场场景实现聚焦，从而造成反演图像的失真、散焦。
4.为了实现综合孔径系统对近场场景的聚焦成像，国内外提出了球面阵、均匀满阵、均匀线阵、点源校正等成像方法，通过阵列校正或者直接对可见度进行近场校正的方法，实现综合孔径系统的近场成像。这些方法都是将可见度函数进行近似处理，将近场可见度函数校正为远场近似可见度函数，将近场成像近似校正为远场成像，其成像过程不可避免的会带来误差，不能实现高精度无误差成像。从其成像思想来看，现有的被动毫米波阵列近场成像方法都是从远场成像的思想入手，并未对近场所面临的问题、近场可见度函数成像的影响和作用机理进行深入分析。如何实现综合孔径被动毫米波辐射计近场高分辨率、高质量成像，是本领域亟待解决的科学问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于波数域分解的综合孔径辐射计近场成像方法及系统，用以解决现有的被动毫米波阵列近场成像分辨率低、成像质量低的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于波数域分解的综合孔径辐射计近场成像方法，包括以下步骤：
7.s1：通过满阵或者采用线阵移动的方式获取等效满阵，并采用单对多复相关方式
获取近场可见度函数v(xm,ym)，其中，(xm,ym)为天线坐标；
8.s2：对可见度函数v(xm,ym)进行傅里叶变换，实现波数域分解，从而获取可见度函数中的波数域信息t
′
(k
x
,ky)；
9.s3：对波数域信息t
′
(k
x
,ky)进行距离向相位补偿，得到无距离耦合的波数域信息
10.s4：对波数域信息进行傅里叶反变换，取其幅度，从而得到最终的反演图像。
11.进一步地，所述近场可见度函数v(xm,ym)表示为：
[0012][0013]
其中，v(xm,ym)为单对多复相关方式获取的可见度函数，t(x,y,z)为目标场景的亮温分布，rn、rm分别代表场景目标各点到固定阵元和阵列中各单元天线的路程差，k为波数。
[0014]
进一步地，所述波数域信息t
′
(k
x
,ky)表示为：
[0015][0016]
其中，
[0017][0018][0019]
θm、分别表示目标相对于第m个阵元的天顶角和方位角。
[0020]
进一步地，当通过傅里叶变换获取波数域信息t
′
(k
x
,ky)时，无距离耦合的波数域信息表示为：
[0021]
进一步地，还包括：
[0022]
步骤s2中，对可见度函数v(xm,ym)进行傅里叶反变换；
[0023]
步骤s4中，对波数域信息进行傅里叶变换。
[0024]
本发明的另一目的在于提供一种基于波数域分解的综合孔径辐射计近场成像系统，包括：
[0025]
近场可见度函数获取模块，用于通过满阵或者采用线阵移动的方式获取等效满阵，并采用单对多复相关方式获取近场可见度函数v(xm,ym)，其中，(xm,ym)为天线坐标；
[0026]
波数域分解模块，用于对可见度函数v(xm,ym)进行傅里叶变换，实现波数域分解，从而获取可见度函数中的波数域信息t
′
(k
x
,ky)；
[0027]
距离向相位补偿模块，用于对波数域信息t
′
(k
x
,ky)进行距离向相位补偿，得到无
距离耦合的波数域信息
[0028]
反演图像获取模块，用于对波数域信息进行傅里叶反变换，取其幅度，从而得到最终的反演图像。
[0029]
本发明的另一目的在于提供一种执行所述基于波数域分解的综合孔径辐射计近场成像方法的综合孔径辐射计。
[0030]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0031]
(1)本发明通过将可见度函数进行傅里叶变换或傅里叶反变换得到波数域信息，并对波数域信息进行相位补偿，去除距离向耦合；对去除距离向耦合的波数域信息进行傅里叶反变换或傅里叶变换，再通过对最终的结果取幅度，得到最终的近场反演图像。如此，本发明最终得到的图像是位于笛卡尔坐标系xoy平面中，不存在校正误差，成像质量和精度高。
[0032]
(2)与现有技术相比，本发明首次深入论证了综合孔径辐射计近场与远场成像的区别：远场成像由于场景各点相对于阵列来波方向的一致性，因此可见度函数傅里叶变换得到的波数域直接就是聚焦图像；而近场成像由于来波方向的不一致性，得到的波数域图像是散焦图像，同时波数域信息中存在距离向的耦合。同时，本发明根据以上论断，进一步提出对波数域进行相位补偿的方式，去除距离耦合，最终对该距离校正的波数域进行傅里叶变换从而得到高分辨率的精确近场图像。
[0033]
(3)基于波数域分解的综合孔径辐射计近场成像方法，有诸多的应用潜力。例如应用到人体隐匿违禁物品的检测中，本发明提供的一种基于波数域分解的综合孔径辐射计近场成像方法，可获得高精度的人体安检被动毫米波图像，从而有助于违禁品的识别。同时，相比于传统的焦平面成像体制，本方法依托综合孔径成像体制，可以实现更高分辨率的被动毫米波近场成像。
附图说明
[0034]
图1为本发明提供的一种基于波数域分解的综合孔径辐射计近场成像方法的流程图；
[0035]
图2为本发明实施例提供的综合孔径近场成像满阵接收信号示意图；
[0036]
图3为本发明实施例提供的近场1m点源移动阵元成像实验示意图；
[0037]
图4-1和图4-2分别为本发明实施例提供的1m点源近场可见度函数实部和虚部的实测数据示意图；
[0038]
图5-1和图5-2分别为本发明实施例提供的近场0.5m点源和展源仿真输入图像；
[0039]
图6为本发明实施例提供的近场1m点源实测波数域图像；
[0040]
图7-1和图7-2分别为本发明实施例提供的近场0.5m点源和展源波数域仿真结果示意图；
[0041]
图8-1和图8-2分别为本发明实施例提供的近场0.5m点源和展源成像仿真结果示意图；
[0042]
图9为本发明实施例提供的近场1m点源实测数据最终成像结果示意图。
具体实施方式
[0043]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0044]
如图1所示，为本发明提供的一种基于波数域分解的综合孔径辐射计近场成像方法的流程图，包括以下步骤：
[0045]
s1：通过满阵或者采用线阵移动的方式获取等效满阵，并采用单对多复相关方式获取近场可见度函数v(xm,ym)，其中，(xm,ym)为天线坐标；
[0046]
s2：对可见度函数v(xm,ym)进行傅里叶变换，实现波数域分解，从而获取可见度函数中的波数域信息t
′
(k
x
,ky)；
[0047]
s3：对波数域信息t
′
(k
x
,ky)进行距离向相位补偿，得到无距离耦合的波数域信息
[0048]
s4：对波数域信息进行傅里叶反变换，取其幅度，从而得到最终的反演图像。
[0049]
具体的，本发明的理论基础是综合孔径成像基本原理和驻定相位原理。在远场条件下，综合孔径可以通过稀疏阵列排布获取完备的可见度函数，其前提是存在冗余基线可以稀疏。综合孔径成像的一般性前提是保证可见度函数的完备性，或者说获取的uv分布是满阵状态。由于近场条件下，可见度函数受制于距离向的耦合，不存在两个完全相同的基线，因此难以实现阵列的稀疏。为此，本发明提出的基于波数域分解的综合孔径辐射计近场成像方法，首先是基于满阵或者通过线阵移动的方式获取等效满阵，如图2所示。
[0050]
不管是近场还是远场，在考虑单对多复相关方式(阵列中所有阵元只和阵列之中的某个阵元进行复相关)下，其可见度函数输出如下所示：
[0051][0052]
其中，v(xm,ym)为单对多复相关方式获取的可见度函数，t(x,y,z)为目标场景的亮温分布，rn、rm分别代表场景目标各点到固定阵元和阵列中各单元天线的路程差，k为波数。因此，满阵或者线阵移动获取等效满阵的方式以及单对多的复相关方式是本发明的一个重要原则。
[0053]
进一步地，如步骤s2所示，通过对可见度函数进行傅里叶变换便可得到波数域信息，如下所示：
[0054][0055]
由于近场条件下，可见度函数与场景之间不存在傅里叶变换关系，对可见度函数进行傅里叶变换得到的只是波数域信息，这一理论可从驻定相位原理中得到充分论证：
[0056][0057][0058][0059][0060]
其中，θm、分别表示目标相对于第m个阵元的天顶角和方位角；ξm、ηm分别表示方位余弦函数。
[0061]
从以上式子可知，波数域信息实际上就是场景中各点相对于阵列各单元的来波方向。在远场成像中，场景各点相对于阵列中各单元的来波方向一致，直接傅里叶变换得到的是聚焦图像，因此远场的反演图像直接就是波数域图像。而近场波数域图像由于来波方向的不一致性，造成了散焦。目标辐射能量在波数域中呈现延展、散布的特性，该理论是本发明首次发现并提出。
[0062]
直接傅里叶变换得到的波数域坐标系是(k
x
,ky)，而实际得到的波数域中还存在着这表明波数域信息中存在着距离向z和距离波数kz的乘积的相位耦合项。因此，进一步地，如步骤s3所示，本发明提出距离向相位补偿方法对波数域进行距离向去耦合，最终得到无距离向耦合的波数域
[0063]
当通过傅里叶变换获取波数域信息t
′
(k
x
,ky)时，无距离耦合的波数域信息表示为：
[0064]
当通过傅里叶反变换获取波数域信息t
′
(k
x
,ky)时，无距离耦合的波数域信息表示为：
[0065]
与目标场景亮温的关系如下所示，在不考虑信号衰减的前提下，与目标场景亮温之间存在傅里叶变换关系。
[0066][0067][0068]
最终，如步骤s4所示，通过对进行傅里叶变换，然后取其幅度，便可实现最终的近场高分辨率精确成像。
[0069]
上述四个步骤，可用下式集中概括：
[0070][0071]
或
[0072][0073]
如上式所示，先将可见度函数进行傅里叶变换或傅里叶反变换得到波数域信息，其中f{}为傅里叶变换算子；进一步地，对波数域进行相位补偿，去除距离向耦合；最终，对去除距离向耦合的波数域数据进行傅里叶变换或傅里叶反变换，f-1
{}为傅里叶反变换算子，abs{}为幅度计算算子，通过对最终的傅里叶变换结果取其幅度，便可得到最终的近场反演图像。由于傅里叶变换可采用快速傅里叶变换，同时，相位补偿过程几乎不花费时间。因此，本发明所提的综合孔径近场成像方法可实现快速成像。
[0074]
下面结合具体应用场景对本发明进行进一步详细说明。
[0075]
图2是本发明实施例提供的综合孔径近场成像二维满阵接收信号示意图。阵列在xoy平面，所有阵元接收到的信号只与阵列之中的某个天线a进行复相关。满阵的设置还可以通过线阵旋转或者移动扫描等方式获取等效二维满阵。仿真实验成像距离为0.5m，二维满阵为200
×
200单元矩形阵列，单元间隔为0.5倍波长。
[0076]
图3是本发明实施例提供的一维满阵近场点源成像实验示意图，天线a固定在二维导轨上，利用二维导轨移动天线a形成等效满阵。该等效满阵只和一个固定天线rpa进行复相关，噪声源noise source距离天线口面1m，一维等效满阵为211单元，长度为0.3165m，通道工作频段为94ghz，带宽为400mhz。如图3所示的实测实验，移动天线a形成等效满阵，天线a接收的数据与天线rpa进行复相关，得到近场可见度函数v(xm,ym)。
[0077]
图4-1和图4-2是本发明实施例中，实测近场点源获得可见度函数干涉条纹的实部和虚部。
[0078]
同样的，通过二维满阵或者线阵移动的方式，获取等效满阵，从而获取图5-1和图5-2输入场景的近场可见度函数v(xm,ym)。
[0079]
通过对可见度函数v(xm,ym)进行傅里叶变换，从而获取波数域图像t
′
(k
x
,ky)。图6是本发明实施例中，实测近场点源获得的一维满阵波数域图像。图7-1和图7-2是本发明实施例中，仿真获得的二维满阵条件下点源和展源的波数域图像。从图中可以看出，不同于传统的远场成像，对近场可见度函数进行傅里叶变换得到的是散焦的波数域图像。
[0080]
获取的波数域图像t
′
(k
x
,ky)中，存在距离项的耦合，通过对其进行距离向相位补偿，从而去除该耦合项，得到无距离耦合的波数域信息
[0081]
对去耦合之后的波数域信息进行傅里叶变换或傅里叶反变换，取其幅度，最终得到近场无误差的反演图像。图8-1和图8-2是本发明实施例中，仿真获得的二维满阵条件下点源和展源目标最终的成像结果。图9是本发明实施例中，通过实验数据，利用该方法获得的一维线阵条件下点源目标的成像结果。同时，图9也是目前世界上首幅分辨率达到1cm级别的综合孔径近场成像图。
[0082]
从可见度函数到最终的成像结果，整个过程可用下式描述：
[0083]
[0084]
或
[0085][0086]
其中，该式中所涉及到的傅里叶变换可通过快速傅里叶变换进行。本方法在满阵条件下可做到实时成像，是一种快速、高效、准确的综合孔径高分辨率近场成像方法。
[0087]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。